6.3 Разработка и исследование угленита м – новой рецептуры вв V класса [15]
Основная задача при создании современных предохранительных ВВ состоит в том, чтобы при заданном уровне предохранительных свойств ВВ обеспечить наиболее высокие их энергетические характеристики, тем самым повысить эффективность работ при добыче пород и угля. Используя в основе разработок принцип селективно-детонирующих систем, проектирование свойств ВВ достигалось как вводом новых компонентов с антигризутными и антипиреновыми свойствами, так и регулированием грансостава окислителей и горючих в рецептуре. При изучении модельных составов было установлено, что степень селективности и предохранительные свойства ВВ повышаются не только со снижением содержания сенсибилизатора и дисперсности компонентов в составе, но и с уменьшением реакционной способности смесей окислитель-горючее, входящих в рецептуру ВВ.
На рисунке 6.8 приведены результаты исследований реакционной способности двойных систем окислитель–горючее, полученных на термоанализаторе фирмы DuPont. На тонкодисперсных смесях с кислородным балансом близким к нулевому, оценивалась потеря массы и наличие тепловых эффектов при нагревании до 500 С со скоростью нагрева 10 град. в минуту.
Анализ показывает, что для каждой двойной смеси существует свой характер взаимодействия и своя температура начала интенсивного разложения [16]. Протекающие процессы сложны и сопровождаются, как правило, выделением и поглощением теп ла. Например, для смеси нитрата натрия с хлоридом аммония наблюдается один острый пик, свидетельствующий об экзотермической реакции, протекающей в узком диапазоне температур. Для смесей с карбамидом этих пиков два, а для поливинилхлорида – четыре, при этом последние характеризуют вступление в реакцию при более высоких температурах. Эти результаты свидетельствуют о растянутости процесса во времени. Наибольшая реакционная способность характерна для оксалата аммония и убывает в ряду: хлористый аммоний, поливинилхлорид (ПВХ), карбамид. Смеси на основе перхлората калия в сравнении с нитратом натрия и нитратом аммония вступают в реакцию при более высоких температурах. Можно ожидать, что такой характер взаимодействия будет проявляться и в детонационной волне. Тогда смеси, вступающие во взаимодействие при более высоких температурах, будут повышать селективно-детонирующие свойства ВВ.
Анализ взрывчатых и предохранительных свойств подтвердил сделанные предположения. В таблице 6.12 и на рисунке 6.9 в виде схемы приведены результаты исследований модельных ВВ с различной комбинацией компонентов. На шкале тепловых эффектов показаны экспериментальные образцы в порядке повышения теплового эффекта и снижения реакционной способности в соответствии со штрихграммой (см. рисунок 6.8). До границы расположены составы, выдерживающие испытания предохранительных свойств в метановоздушной среде массой 200 г. Коэффициент К (соотношение скоростей детонации ВВ в бумажной оболочке и в металлической трубе), также позволяющий судить о селективных свойствах ВВ, в этом ряду понижается.
Как видно, использование составов на основе перхлората калия и нитрата аммония с менее реакционноспособными горючими позволяет сохранить предохранительные свойства ВВ с более высокими энергетическими характеристиками. Данные закономерности согласуются с результатами, полученными во взрывной камере, локализующей взрыв и сохраняющей продукты детонации (рисунок 6.10). Заряд ВВ массой 100 г подрывается во взрывной камере объемом 175 л, заполненной охлаждающей средой (азотом) под давлением не менее 0,3 МПа. При этом исключается «догорание» конденсированных продуктов взрыва во вторичных реакциях. О степени селективности судили по анализу конденсированных продуктов и доле солей, прореагировавших при взрыве.
И
Q,ккал/кг Q,ккал/кг
В продуктах карбамидосодержащих ВВ обнаружено большое количество воды.
Таблица 6.12 – Модельные ВВ
|
Показатель |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
Нитроэфиры |
14,0 |
13,0 |
13,0 |
13,0 |
13,0 |
14,0 |
13,0 |
|
Нитрат натрия |
46,3 |
50,8 |
40,0 |
39,0 |
– |
– |
– |
|
Перхлорат калия |
– |
– |
– |
20,0 |
55,8 |
|
55,8 |
|
Нитрат аммония |
– |
– |
17,2 |
– |
– |
66,6 |
– |
|
Хлорид аммония |
29,0 |
26,8 |
11,0 |
– |
– |
– |
– |
|
Карбамид |
– |
– |
15,0 |
18,5 |
20,5 |
– |
– |
|
Оксалат аммония |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
20,0 |
|
Хлорид натрия |
7,0 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
Поливинилхлорид |
– |
6,5 |
– |
6,6 |
8,0 |
8,8 |
8,0 |
|
Углекислый кальций |
– |
– |
– |
– |
– |
7,2 |
– |
|
Технологические добавки |
3,7 |
2,7 |
3,8 |
2,7 |
2,7 |
3,4 |
2,7 |
|
Теплота взрыва, ккал/кг |
640 |
700 |
710 |
780 |
860 |
890 |
910 |
|
Объем газообразных продуктов взрыва, л/кг |
560 |
600 |
670 |
600 |
600 |
840 |
524 |
|
Скорость детонации, км/с – в бумажной оболочке; – в металлической оболочке |
2,0 2,2 |
2,0 2,4 |
2,0 2,5 |
2,2 2,87 |
2,3 3,2 |
2,0 2,9 |
1,9 2,7 |
Рисунок
6.9 – Расчетные и экспериментальные
характеристики модельных ВВ
Рисунок
6.10 – Взрывная камера
На основании проведенных исследований для дальнейшей разработки была выбрана система на основе комбинированных окислителя (нитрат натрия плюс нитрат аммония) и горючего (хлорид аммония плюс карбамид). Селективно-детонирующие свойства системы усиливаются применением части компонентов в гранулированном виде и исключением из рецептуры пламегасителя (хлорида натрия), являющегося энергетическим балластом. Такая система окислитель–горючее позволила разработать рецептуру V класса угленит М, превосходящую по своим физико-химическим, взрывчатым и безопасным характеристикам штатные углениты Э-6 и 13П (таблица 6.13).
Таблица 6.13 – Характеристики угленитов
|
Содержание компонентов, % |
Э-6 |
13П |
М | |
|
Нитроэфиры |
14,0 |
13,0 |
11,0 | |
|
Нитрат натрия |
46,3 |
37,5 |
41,1 | |
|
Нитрат аммония |
– |
14,5 |
18,2 | |
|
Хлорид аммония |
29,0 |
26,0 |
13,0 | |
|
Карбамид |
– |
– |
12,0 | |
|
Хлорид натрия/углекислый кальций |
7,0/– |
–/4,5 |
– | |
|
Технологические добавки |
3,7 |
5,0 |
4,7 | |
|
Расчетные характеристики | ||||
|
Теплота взрыва, кДж/кг |
2675 |
2625 |
2955 | |
|
Объем газообразных продуктов взрыва, л/кг |
560 |
665 |
685 | |
|
Кислородный баланс, % |
+0,53 |
–4,3 |
–0,3 | |
|
Объем ядовитых газообразных продуктов взрыва в пересчете на СО, см3/г |
99,5 |
60,6 |
27,6 | |
|
Экспериментальные характеристики | ||||
|
Скорость детонации, км/с: – открытого заряда; – в металлической оболочке |
2,0 2,2 |
2,0 2,4 |
1,8 2,5 | |
|
Передача детонации, см: – между сухими патронами; – выдержанными в воде |
7 5 |
7 5 |
11 9 | |
|
Предельный заряд, не воспламеняющий метановоздушную смесь, г |
250 |
250 |
350 | |
Повышение селективно-детонирующих свойств угленита М по сравнению со штатными ВВ проявляется в росте соотношения скоростей детонации открытого заряда и в металлической оболочке, а также прослеживается в распределении и величине тепловых эффектов при нагревании. На рисунке 6.12 приведены термограммы угленитов, полученные на термоанализаторе фир-мы DuPont. Составы готовились в соответствии с рецептурной картой при одинаковой дисперсности частиц порошков горючего и окислителя. Скорость нагрева – 10 С/мин.
Разложение селективно-детонирующих ВВ при нагревании происходит в два этапа, о чем свидетельствуют два экзотермических пика. Первый пик соответствует разложению нитроэфиров и части активных солей, второй пик – взаимодействию оставшихся по массе окислителя и горючего, входящих в состав ВВ. Анализ результатов показывает, что для Э-6 основной вклад в общий тепловой эффект разложения ВВ приходится на первый пик. При этом вместе с нитроэфирами реагирует и существенная массовая доля ионообменных солей. Для 13П распределение энергии между пиками примерно равное, а для угленита М основное выделение энергии наблюдается для второго пика и при более высокой температуре нагревания, чем для Э-6 и 13П.
Предохранительные свойства угленитов исследовались в условиях опытного штрека ВостНИИ путем подрыва свободноподвешенного заряда в метановоздушной среде. Последовательно устанавливалась масса заряда, не воспламеняющая горючую среду в 20 опытах. Для угленита М предельная масса заряда составила 350 г, для Э-6 и 13П – 250 г. О высоких предохранительных свойствах М также свидетельствуют результаты исследований горючести, детонационной восприимчивости и скорости детонации от плотности ВВ. Диапазон допустимой плотности является важным показателем для предохранительных ВВ. Из практики взрывных работ известно, что уплотнение составов, содержащих жидкие нитроэфиры, приводит к ухудшению их детонационной способности (что связано с уменьшением числа очагов инициирования) и к повышению скорости детонации. Отказ детонации патронов при их переуплотнении в шпуре резко повышает вероятность воспламенения метановоздушной смеси продуктами горения ВВ. По этой причине происходит 30 % всех аварий при взрывных работах в шахтах. Зависимость скорости и передачи детонации угленитов от плотности приведены на рисунках 6.13, 6.14.
С
Рисунок
6.14 – Зависимость передачи детонации
угленитов от плотности ВВ
Для оценки горючести в ФНПЦ «Алтай» используются два метода – по минимальной навеске воспламенителя и по критическому давлению поджигания. Метод оценки горючести по навеске воспламенителя разработан в МакНИИ, доработан и реализован в ФНПЦ «Алтай» в виде схемы, представленной на рисунке 6.15.
з – время задержки воспламенения
Рисунок 6.15 – Схема стенда для оценки горючести
В манометрическую бомбу 1 свободным объёмом 0,2 дм3 помещается стальная сборка 3, содержащая исследуемое ВВ 4 в окружении угольной пыли 5 (конструкция имитирует реальные условия). Над сборкой помещается стаканчик с воспламенителем 2, в качестве которого используется смесь аммиачной селитры (50 % масс.) с коллоксилином. Измерительная система включает в себя датчик давления, тензостанцию и осциллограф.
После герметизации бомбы воспламенитель инициируется от нихромового мостика накаливания. О результате опыта, которым является горение или отказ горения таблетки ВВ, судят по снимаемой осциллограмме 6. Проведя несколько опытов, определяют минимальную навеску воспламенителя, выше которой горение не наблюдается. После герметизации бомбы воспламенитель инициируется от нихромового мостика накаливания. О результате опыта, которым является горение или отказ горения таблетки ВВ, судят по снимаемой осциллограмме 6. Проведя несколько опытов, определяют минимальную навеску воспламенителя, выше которой горение не наблюдается.
В таблице 6.14 приведены результаты сравнительных испытаний горючести угленитов. По минимальной навеске воспламенителя и времени задержки воспламенения угленит М менее склонен к выгоранию по сравнению со штатными ВВ.
Таблица 6.14 – Горючесть угленитов
|
Показатель |
Э-6 |
13П |
М |
|
Минимальная навеска, г при з, с |
1,2 19 |
1,2 9 |
1,4 19 |
Химическая стойкость угленитов оценивалась на автоматической установке «Вулкан» при температуре 80 ºС и времени в течение 24 ч. На рисунке 6.16 представлены кривые роста давления, в таблице 6.15 – состав газов.
Э-6
13П
М
Рисунок 6.16 – Кривые газовыделения образцов угленитов
Таблица 6.15 – Состав газообразных продуктов разложения
угленитов
|
Угленит |
Состав газов, % масс. |
Р, мм рт. ст. | |||
|
NO |
N2 |
CO2 |
N2O | ||
|
Э-6 |
15 |
70 |
13 |
2 |
43 |
|
13П |
– |
69 |
31 |
– |
33 |
|
М |
– |
70 |
30 |
– |
18 |
Окислы азота оказывают каталитическое действие на процесс разложения нитроэфирсодержащих ВВ. В продуктах разложения угленита М они отсутствуют, что обусловливает его более высокую химическую стойкость по сравнению с Э-6. Исследования физико-химических и взрывчатых характеристик угленита М при хранении показали, что состав и служебные характеристики сохраняются в соответствии с требованиями нормативной документации в течение 12 месяцев (таблица 6.16).
Таблица 6.16 – Изменение свойств угленита М в течение хранения
|
Показатель |
Исходный |
После хранения, мес. | |||
|
3 |
6 |
9 |
12 | ||
|
Содержание нитроэфиров, % масс. |
11,0 |
10,6 |
10,8 |
10,5 |
10,1 |
|
Содержание влаги и летучих веществ, % масс. |
0,12 |
0,19 |
0,28 |
0,31 |
0,45 |
|
Передача детонации между патронами, см: – сухими; – выдержанными в воде |
13 9 |
9 6 |
7 5 |
6 4 |
5 3 |
|
Скорость детонации, км/с |
2,0–2,1 |
2,00–2,08 |
2,00–2,06 |
1,90–2,02 |
1,9–2,0 |
|
Химическая стойкость, мм рт. ст. |
18 |
18 |
25 |
30 |
40 |
Работоспособность и мощность ВВ оценивались методом определения эффективности. Сущность метода состоит в оценке обжатия свинцового крешера продуктами детонации патрона через массивную наковальню. Критерий эффективности ВВ – обжатие столбика крешера, измеряемое в мм (рисунок 6.17). Согласно исследованиям [18], эффективность характеризует сумму фугасного и бризантного действия взрыва. Основное достоинство метода – возможность испытаний зарядов ВВ в том виде, в каком они выпускаются и применяются.
1 – патрон ВВ; 2 – металлическая подложка; 3 – наковальня;
4 – свинцовый крешер; 5 – основание стенда
Рисунок 6.17 – Схема метода оценки эффективности накладного заряда
Результаты определения эффективности штатных ВВ и угленита М представлены в таблице 6.17. Испытания проводились как для открытого заряда, так и заряда в бетонном блоке. В последнем случае моделируются условия, максимально приближенные к натурным. Как видно из таблицы, рецептура М по эффективности значительно превосходит штатные углениты. Следует отметить, что эффективность может быть увеличена, если нитрат аммония вводить в состав в кристаллическом виде. При выполнении этих условий и плотности 1,24 г/см3 эффективность открытого патрона составила 8,8 мм, а состав выдерживает испытания в опытном штреке с массой заряда 250 г.
Тротиловый эквивалент угленитов оценивался экспериментально по величине давления во фронте воздушной ударной волны (ВУВ) [19, 20] при соблюдении следующих условий эксперимента: масса зарядов составляла от 20 до 50 кг; заряды формировались в форме, близкой к сферической; расстояние датчиков измерения скорости ВУВ от центра заряда выбиралось из расчета, что на момент прохождения фронта волны избыточное давление составляло около 0,1 МПа; при каждом испытании использовалось не менее шести датчиков. Перечисленные условия создавались для формирования сферических ВУВ для сведения к минимуму химических потерь из-за неполноты взрывчатого превращения ВВ и надежного срабатывания датчиков.
Таблица 6.17 – Эффективность ВВ
|
Параметр |
Аммониты |
Ионит |
Углениты | ||||
|
6ЖВ |
ПЖВ-20 |
12ЦБ |
Э-6 |
13П |
М | ||
|
Теплота взрыва, кДж/кг |
4300 |
3400 |
1870 |
1760 |
2678 |
2625 |
2955 |
|
Фугасность по Трауцлю, см3 |
370 |
270 |
110 |
105 |
150 |
150 |
200 |
|
Плотность, г/см3 |
1,1 |
1,1 |
1,2 |
1,3 |
1,27 |
1,25 |
1,25 |
|
Эффективность, мм: – открытого заряда; – в бетонном блоке |
16,1 – |
13,3 – |
5,6 21,5 |
4,4 21,5 |
6,1 30,3 |
6,8 33,2 |
7,6 36,7 |
Проведенные измерения и расчеты показали хорошую сходимость результатов для каждого угленита и зарядов различной массы. В таблице 6.18 приведен тротиловый эквивалент угленитов по усредненным значениям.
Таблица 6.18 – Тротиловый эквивалент угленитов
|
ВВ |
Тротиловый эквивалент для массы заряда, кг | |
|
20 |
50 | |
|
Э-6 |
0,356 |
0,453 |
|
М |
0,488 |
0,503 |
Исследованиями установлено, что мощность угленита М на 11,5 % выше Э-6, а незначительное увеличение тротилового эквивалента с ростом массы ВВ подтвердило сохранение селективно-детонирующих свойств угленита М в этих условиях.
Технологические свойства. Состав угленита М по сравнению со штатными ВВ содержит меньше нитроэфиров, полидисперсен по грансоставу, так как более 30 % компонентов находятся в виде гранул. В результате угленитная масса более технологична и безопасна в изготовлении. Сравнительные испытания в условиях действующего производства показали, что состав М менее чувствителен к механическим воздействиям, более производителен, в аппаратах смешения и патронирования перерабатывается при меньших нагрузках на двигатель (таблица 6.19).
Таблица 6.19 – Технологические свойства угленитов
|
Показатель
|
Э-6 |
М |
|
Угол естественного откоса, о |
50 |
40 |
|
Насыпная плотность, г/см3 |
0,70 |
0,71 |
|
Плотность после утряски, г/см3 |
1,09 |
1,00 |
|
Время смешения до коэффициента качества (0,95), мин |
30 |
25 |
|
Количество патронов в минуту |
28 |
32 |
|
Нагрузка на двигатель, кВт: – смесителя; – формующего шнека |
3,2–4,8 2,24 |
2,5–3,1 1,75 |
|
Чувствительность к удару: – нижний предел, мм; – частость взрывов, % |
70 60–90 |
120 60–70 |
|
Чувствительность к трению, нижний предел, кг/см2 |
2300 |
5400 |
Благодаря высокой сыпучести состава угленитная масса меньше подвержена залипанию и зависанию в аппаратах дозирования, бункерах-накопителях и транспортных контейнерах, практически отсутствует брак по плотности. Разработанная технология изготовления нового ВВ в условиях действующего производства ФНПЦ «Алтай» позволяет осуществлять серийный выпуск угленита М без привлечения дополнительных капитальных затрат и благодаря высокой технологичности и экономичности состава снизить себестоимость продукции на 25 %.
Промышленные испытания. Промышленные испытания угленита М проводились в ОАО «Шахта № 12» г. Киселевска на основании разрешения Ростехнадзора России № 08-УГР/512 от 18.08.2003 г. [21]. Углениты применялись в производстве взрывных работ при проведении подэтажного штрека по углю и печи по скважине диаметром 650 мм пласта Характерного, а также разрезной печи, подэтажного штрека и на выемочном участке с использованием системы ПШО пласта Прокопьевского.
В ходе взрывных работ выбирались участки, одинаковые по сечению и свойствам пород, в которых последовательно проводились подрывы с использованием угленитов Э-6 и М. При испытаниях оценивались коэффициент использования шпура (КИШ), содержание вредных газов в продуктах взрыва, наличие отказов и выгораний. Технико-экономические показатели приведены в таблице 6.20.
Таблица 6.20 – Технико-экономические показатели угленитов
|
Показатель |
Подэтажный штрек пл. Прокопьевский с квершлага № 3, горизонт ±0 м | |
|
Угленит Э-6 |
Угленит М | |
|
Сечение выработки, м2 |
9,3 |
9,3 |
|
Количество шпуров на цикл, шт. |
27 |
25 |
|
Глубина шпуров, м |
1,3 |
1,5 |
|
Подвигание выработки за цикл, м |
1,0 |
1,3 |
|
Значение КИШ |
0,77 |
0,87 |
|
Удельный расход бурения, шпм/п.м |
35,1 |
28,8 |
|
Удельный расход ВВ, кг/м |
10,8 |
7,7 |
|
Стоимость 1 т ВВ, тыс. руб |
132,4 |
115,0 |
|
Стоимость ВВ на 1 п.м, руб |
1429,9 |
885,5 |
Экспериментально установлено, что при использовании угленита М вместо штатного Э-6 основные показатели буровзрывных работ при отбойке угля как в очистном, так и в подготовительном забое существенно улучшились. В подготовительных выработках КИШ увеличился на 11,7 %; удельный расход бурения снизился на 17,9 %, стоимость проведения выработок по ВВ на 28,7 %. При использовании угленита М при системе отработки ПШО удельный расход ВВ на отбойку 1 т угля уменьшился в среднем на 18 %, в некоторых случаях на 34,7 %.
За время испытаний израсходовано 2 т угленита М. При этом отказов детонации, случаев выгорания шпуровых зарядов, воспламенения метана и угольной пыли не наблюдалось. Угленит М показал устойчивую детонацию в шпуровых зарядах массой 0,4–2,0 кг при групповом короткозамедленном взрывании. Содержание вредных газов в продуктах взрыва не превышало допустимых концентраций. На основании проведения экспертизы технической документации и положительных результатов промышленных испытаний получено экспертное заключение НЦ ВостНИИ № 20ПД-54-03 от 28.11.2003 г. с рекомендацией о допуске угленита М к постоянному применению.