Результаты экспериментальной оценки эффективности применения баллиститного ракетного топлива в качестве сенсибилизаторов в эмульсионных ВВ

С.А.Семенов (МГГУ, физико-технический факультет, группа ГФ-2-96)









Результаты экспериментальной оценки эффективности

применения баллиститного ракетного топлива в качестве

сенсибилизаторов в эмульсионных ВВ





Введение.



В настоящее время в горнодобывающей промышленности широко используются тротилсодержащие ВВ. Применяемые на открытых горных работах аммиачноселитренные ВВ с содержанием тротила 20-35% не являются достаточно водоустойчивыми, а применение водоустойчивого дорогостоящего гранулотола повышает себестоимость буровзрывных работ. Водосодержащие ВВ, такие как ифзаниты, акватолы, карботолы,  горячельющиеся составы типа ГЛТ, достаточно  водоустойчивы, мало чувствительны к внешним воздействиям и обеспечивают высокую плотность заряжания, однако недостатком водосодержащих ВВ является сам факт присутствия в составе ВВ воды до 15%, оказывающей флегматизирующее действие на заряд, что требует введения в его состав не менее 20-30% тротила или его сплавов, что сильно увеличивает стоимость ВВ.

В то же время, проблема утилизации порохов и твердых ракетных топлив из расснаряжаемых боеприпасов стоит достаточно остро. Химический состав порохов практически не отличается от химического состава ВВ, поэтому конверсия оборонной промышленности открывает широкие возможности в использовании утилизируемых составов из демонтируемого вооружения в качестве сенсибилизирующих добавок в составе ВВ.

В данной работе проведена сравнительная оценка эффективности применения балиститных ракетных твердых топлив (БРТТ) в составе эмульсионных ВВ (ЭВВ) с целью изучения возможности их использования в промышленности для  отбойки горных пород вместо штатных ВВ. 







Методика экспериментальной оценки эффективности 

применения БРТТ в качестве сенсибилизаторов в составе ЭВВ



Исследования проводились в НТЦ "Взрывобезопасность"  ФЦДТ "Союз".

Для оценки эффективности применения БРТТ в качестве сенсибилизаторов в составе ЭВВ проводились эксперименты по определению работоспособности ЭВВ с содержанием утилизируемых компонентов по воронке выброса и исследования  их детонационных характеристик. Для сравнения детонационных характеристик ЭВВ с содержанием БРТТ  в качестве эталона было выбрано одно из наиболее распространенных водосодержащих ВВ акватол Т-20ГК, содержащий 20% тротила, и имеющий следующие характеристики: плотность 1,45 г/см3, скорость детонации 5000-5300 м/с, критический диаметр детонации 120 мм, теплоту взрыва 3700 кДж/кг, объемную концентрацию энергии 5365 кДж/дм3 и объем газов 900 л/кг (1250 л/дм3).



Определение скорости детонации



Определение скорости детонации для зарядов эмульсионного ВВ диаметром 105мм длиной 4,5-5 диаметров заряда в оболочке из полимерной пленки осуществлялось при помощи скоростного фоторегистратора типа СФР-2, частотомера Ч3-34А и электрических контактных датчиков по дешифровке кадров скоростной киносъемки.

Фоторегистратор СФР-2 состоит из двух основных блоков: камеры и пульта управления .

Камера предназначена для регистрации на фотопленку быстро протекающих физических процессов. Камера может использоваться как фоторегистратор, дающий непрерывную развертку, или как лупа времени, дающая ряд  последовательных фотографий изучаемого процесса. 

На рис.1. представлена оптическая схема камеры СФР-2.





Рис. 1. Оптическая система камеры СФР-2



1 - входной объектив

2 - щель

3 - затвор

4 - второй объектив

5 - зеркало

6 - фотопленка



Для определения скорости детонации заряд устанавливают вертикально на подставке в центре взрывной камеры. Инициирование зарядов осуществлялось шашкой прессованного тротила массой 400г утопленной в заряд. К нижнему торцу заряда прикрепляли индикаторы прохождения процесса в виде отрезков детонирующего шнура (ДШ) и шнура из баллиститного состава «эластит» диаметром 5мм, на концах которых устанавливались свинцовые пластины-свидетели.

Фоторегистратор наводят на заряд таким образом, чтобы в фокусе была наибольшая часть заряда. Для определения масштаба съемки на заряд укрепляют масштабную ленту. Установив требуемую скорость врящения зеркала, инициируют заряд. Свечение детонирующего заряда экспонирует фотопленку, образуя кривую линию.

Скорость детонации ВВ определяется путем нахождения тангенса угла наклона касательной к кривой, запечетленной на фотопленке,  и умножения его на скорость вращения зеркала камеры и масштаб съемки.



D=tgMw,									(1)



где: М - масштаб съемки;

w - скорость вращения зеркала камеры СФР-2.

Схема проведения испытаний зарядов ЭВВ с использованием утилизируемых компонентов представлена на рис.2.



Рис. 2. Схема проведения испытаний зарядов ЭВВ.







Результаты испытаний по определению скорости детонации эмульсионного ВВ с добавкой БРТТ с различным процентным содержанием представлены в табл. 1:

Таблица 1.

Зависимость скорости детонации эмульсионного ВВ 

от содержания утилизируемых компонентов



Вид утилизируемого 

Компонента

Содержание,

%

Плотность,

 г/см3

Состояние индикаторов детонации



Скорость

детонации, м/с







ДШ

эластит



Крошка БРТТ

20

1,51

+

+

5200

Крошка БРТТ

30

1,52

+

+

5500

Крошка БРТТ

50

1,52

+

+

6200



Примечание:  «+» - индикатор детонации сработал;

«-» - индикатор детонации не сработал;



Зависимость скорости детонации зарядов эмульсионного ВВ от содержания утилизируемых компонентов показана на рис. 3:









Рис. 3. Зависимость скорости детонации зарядов эмульсионного ВВ

 диаметром 105 мм от содержания утилизируемых компонентов 



Скорость детонации ЭВВ, содержащего 20% крошки БРТТ типа РСТ-4к составляет 5200 м/с, а при содержании крошки РСТ-4к равном 50 % скорость детонации данного ВВ достигает 6200 м/с, что существенно выше скорости детонации акватола Т-20ГК.



Определение критического диаметра детонации



Для зарядов ЭВВ с различным содержанием утилизируемых компонентов по методу цилиндрических зарядов был определен критический диаметр детонации (dкр). Результаты определения критического диаметра детонации представлены в табл. 2. Зависимость критического диаметра детонации от содержания БРТТ представлена на рис.4.



Таблица 2.



Результаты определения критического диаметра детонации зарядов ЭВВ,

содержащих утилизируемые компоненты





Вид утилизируемого      компонента

Содержа-ие,

%

Плот-ность,

г/см3

dкр, мм



Скорость детонации крит., м/с

Крошка БРТТ

20

1,51

85

4950

Крошка БРТТ

30

1,51

70

5100

Крошка БРТТ

50

1,52

50

5300







Рис.4. Зависимость критического диаметра детонации от содержания БРТТ



Сравнительная оценка работоспособности водосодержащих ВВ 

с различным содержанием утилизируемых компонентов



Помимо скорости детонации необходимо знать другие характеристики ВВ. Работоспособность – одна из основных характеристик ВВ. Она отражает его потенциальные возможности совершать работу взрыва. Так как, обычно, действие взрыва производится над определенной средой, то часто рассматриваются конкретные формы полезной работы (выброс грунта, дробление оболочки, метание породы и т.д.). 

Для правильной оценки работоспособности ВВ необходимо обеспечить одинаковые условия испытаний и исключить возможное влияние режима взрывчатого превращения. Это означает, что испытания необходимо проводить по одинаковой технологии на зарядах одинаковой массы, детонирующих в идеальном или близком к нему режимах. Все эти условия, в принципе, можно обеспечить при промышленных взрывах. Однако, подобные испытания являются дорогими, требуют много времени на подготовку и проведение. Кроме того, эти испытания проводятся в различных горно-геологических условиях без надежного контроля за свойствами горных пород и режимами взрывчатого превращения ВВ, что делает результаты подобных испытаний практически не воспроизводимыми. 

Наиболее полно определить работоспособность промышленных ВВ позволяет метод, основанный на измерении воронки выброса. Данный метод прямо воспроизводит условия практического использования ВВ. Он достаточно широко известен и изучен, используется для моделирования промышленных взрывов и не требует сложной измерительной аппаратуры.

 Несмотря на кажущуюся простоту этот метод включает в себя ряд особенностей, которые невозможно смоделировать в других испытаниях. При взрыве в породе учитывается часть энергии взрыва, расходуемая на ее деформацию и нагрев. Пористость породы создает условия взаимодействия с ней продуктов детонации. Важной особенностью взрыва на выброс является наличие свободной поверхности, преодоление сил тяжести при подъеме породы и сравнительно большие времена совершения работы. 

Основным недостатком этого метода можно считать трудоемкость и сравнительно невысокую точность, так погрешность по оценке некоторых авторов может достигать 10-14%. Однако, представляется возможным уменьшить погрешность измерений за счет улучшения контроля за состоянием среды и повышения точности определения объема воронки выброса.

Как уже отмечалось, для достоверности определения работоспособности необходимо достижение идеальных или близких к идеальным режимов детонации. При диаметре открытого заряда более 100мм для большинства испытываемых ВВ прирост скорости детонации при увеличении диаметра практически прекращается. Это указывает на достижение близких к идеальному режимов детонации.

Для выхода на нормальный режим детонации необходимо, чтобы длина заряда при мощном инициаторе составляла не менее 3-х его диаметров. При подобном соотношении масса заряда диаметром 105 мм и длиной 3dз при плотности ВВ 1,45г/см3 составляет около 3 кг. 

Исходя из вышеуказанного, испытания по определению работоспособности ВВ проводились по воронке выброса. Поскольку изготовление изотропной прочной среды, в которой кроме воронки выброса можно было бы получить данные по качеству дробления породы, большого объема  на один подрыв практически невозможно, при проведении испытаний было решено использовать песок. Важным его достоинством является изотропность, отсутствие прочности и близость по свойствам к реальным грунтам. Кроме того, возможно неоднократное проведение экспериментов с использованием одного и того же объема песка.

Для проведения экспериментов в песчаном карьере была подготовлена горизонтальная площадка размером 5ґ5 м с однородным по грансоставу песком плотностью 1,53-4,56 г/см3 и влажностью 5-10%.  В центре площадки при помощи ручного бура подготавливали скважину, в которую вручную при помощи веревок опускали подготовленный заряд. Сверху скважину засыпали тем же песком. 

После взрыва заряда и проветривания площадки измерялись радиус воронки и глубины по профилю, а затем расчитывался объем воронки. Самый простой и быстрый способ определения объема, при котором измеряются только радиус и глубина воронки. Объем в этом случае рассчитывается по формуле:



;									(2)



Этот способ имеет весьма низкую точность и не может быть рекомендован к применению. Наиболее точным является способ со съемом профиля воронки. В этом случае через равные отрезки диаметра измеряется высота до стенки воронки. 

Объем воронки вычисляется как сумма объемов элементарных усеченных конусов:



       ;						(3)



Данный способ, как наиболее точный, использовался в данной работе для определения объема воронки выброса при оценке сравнительной эффективности ЭВВ. Для сравнительной оценки работоспособности были подготовлены заряды эмульсионного ВВ, содержащие 20%, 30%, 50% дробленной структуры БРТТ типа РСТ-4к и моноблочные заряды из БРТТ типа РСТ-4к. Масса зарядов составляла 3,0 кг, диаметр 105 мм, плотность 1,3-1,6 г/см3. Заряды инициировались при помощи тротиловой шашки типа Т-400г диаметром 80 мм.

Значения глубин воронок по профилю и их диаметры представлены в табл.3:

Таблица 3.







ТНТ прессован-ный

РСТ-4к моноблоч-ный

Эмульсия+50% РСТ-4к

Эмульсия+30% РСТ-4к

Эмульсия+20% РСТ-4к

Расстояние по профилю воронки ri , см

Глубина по профилю воронки hi, см

0

0

0

0

0

0

25

26

12

15

19

22

50

46

28

30

33

49

75

77

49

47

54

82

100

94

68

62

73

91

125

113

81

76

86

107

150

124

95

85

92

122

175

122

107

94

104

122

200

111

111

97

112

115

225

95

97

96

119

99

250

72

81

92

99

85

275

53

59

83

75

70

300

27

35

68

58

54

325

0

20

54

33

29

350



0

37

17

22

375





22

0

0

400





0







Примечание: ширина воронки выброса эмульсия+30% РСТ-4к равна 370см



Схема расположения заряда в ЭВВ в скважине представлена на рис.5, а схема определения объема воронки на рис.6.

 



Рис.5. Схема расположения заряда в ЭВВ при оценке работоспособности по воронке выброса.



Рис.6. Схема определения объема воронки выброса.



Поперечные сечения воронок представлены на рис.7. 





Зависимость объема воронки выброса от содержания утилизируемого пороха  показана на рис.8. (эмульсия + РСТ-4к).







Рис.8. Зависимость воронки выброса от содержания утилизируемого пороха.



Все экспериментальные данные  были приведены к единой влажности 5,2%, которая наиболее часто фиксировалась при проведении испытаний. Поскольку при проведении экспериментов влажность песка изменялась от 5,2% до 10,5%, возникла необходимость построения корректировочного графика, позволяющего при расчетах учитывать влияние влажности. Полученный корректировочный график представлен на рис.9. График построен по двум точкам, полученным в результате взрыва зарядов на одной глубине при разной влажности. Влажность песка определялась сушкой до постоянного веса при Т=900С проб песка, взятых с глубины расположения заряда (130 см).





Рис.9. Зависимость удельного расхода ВВ от влажности грунта



Для определения глубины заложения заряда, т.е. глубины, при которой удельный расход ВВ при взрыве на выброс будет минимальным, предварительно была проведена серия экспериментов с зарядами граммонита 79/21 массой 3 кг, расположенных на различной глубине. В результате проведенных экспериментов показано, что оптимальной глубиной заложения заряда является 125-130 см. В последующих экспериментах испытываемые заряды располагали на указанной глубине.

Относительная работоспособность ЭВВ определялась как отношение объема воронки выброса у тротила к объему воронки выброса у ЭВВ. Значения объема воронки выброса, относительной работоспособности и удельного расхода ВВ представлены в табл. 3:











Таблица 3 



Результаты определения относительной работоспособности и удельного расхода для различных типов ВВ



Тип ВВ

Объем воронки выброса, л,  (влажность 5,2%)

Относительная работоспособность

Удельный расход, 

кг/м3

РСТ-4к (моноблочный заряд)

3899,5

1,107

0,871

Тротил прессованный

4322

1,014

0,786

Крошка РСТ-4к + 75% раствор АС

5375,8

0,803

0,632

ЭСВВ + 20% РСТ-4к

4370,7

0,989

0,777

ЭСВВ + 30% РСТ-4к

5523,8

0,786

0,616

ЭСВВ + 50% РСТ-4к

4935,7

0,876

0,689





Как видно из результатов проведенных испытаний, содержание БРТТ в составе ЭВВ в пределах 35-38% оптимально, испытанные ЭВВ с использованием элементов утилизируемых БРТТ по работоспособности значительно (на 10-25%) превосходят тротил. Моноблочные заряды из БРТТ типа РСТ-4к по работоспособности уступают тротилу. 

Для эмульсионных ВВ с различным содержанием утилизируемых БРТТ максимальной работоспособностью обладают составы, содержащие 37% дробленой структуры состава типа РСТ-4к. Зависимость относительной работоспособности ЭВВ от содержания БРТТ представлена на рис.10: 







Рис.10. Зависимость относительной работоспособности ЭВВ от содержания БРТТ



Определение показателя относительной  эффективности ЭВВ с содержанием БРТТ в качестве  сенсибилизатора



Для оценки эффективности применения ЭВВ с конверсионными компонентами для взрывной отбойки различных типов горных пород применен комплексный критерий эффективности, разработанный в МГГУ. Комплексный критерий эффективности (Е) связывает как свойства самого конверсионного ВВ, так и свойства разрушаемых пород и позволяет с достаточной точностью прогнозировать способность конверсионного ВВ к эффективному дроблению и перемещению разрушаемых горных пород.

К числу характеристик, учитывающих сопротивляемость горных пород действию взрыва, относятся:

S - параметр, учитывающий сопротивляемость пород действию взрыва, который определяется по формуле:

S=(AЧf)0.25ЧК;									(4)

где:	А - акустический показатель трещиноватости массива;

f - коэффициент крепости породы по шкале М.М.Протодьяконова;

K - показатель относительной вязкости;

;								(5)



где:	0 - среднестатистический показатель вязкости пород (0=3-7);

пор -  показатель вязкости пород по Тарасенко В.П. 

(пор=6,5- 0,5Ч(сж /сдв - 3));

В общем виде показатель эффективности ВВ имеет вид:



;							(6)

где:	 - параметр, учитывающий энергонасыщенность ВВ;

	 - параметр, учитывающий удельное газообразование;

;			(7)



где:	Qэт и Qисп  - теплота взрыва эталонного и испытуемого ВВ;

рэт и  рисп -  плотность заряжания эталонного и испытуемого ВВ;

Dэт и Dисп - скорости детонации эталонного и испытуемого ВВ;

Рэт и Рисп - давление продуктов детонации в зарядной полости при взрыве эталонного и испытуемого ВВ;



Из приведенной формулы следует, что если Е<1, то испытуемое конверсионное ВВ более эффективно, чем эталонное промышленное ВВ.

В табл. 5 приведены рассчитанные значения показателя эффективности применения ЭВВ с содержанием БРТТ равному 37% для пород Костомукшского месторождения, имеющих различный коэффициент крепости и степень трещиноватости, определяющих параметр сопротивляемости разрушению S. 



Таблица 5



Зависимость комплексного критерия эффективности применения ЭВВ, содержащего 37% утилизируемых БРТТ для применения в условиях Костомукшского ГОКа.









Наименование пород

Коэффи-циент

крепости, f



Акустический

Показатель

Трещиноватости, А

Коэффи-циент вязкости, K

Показатель

Сопротивляе-мости

Разрушению,

S

Эффектив-ность,

Е

Амфибол-магнегитовые кварциты

18,3

0,55

0.873

1,55

0,90

Магнетитовые кварциты

15,4

0,54

0,875

1,49

0,89

Плагиопорфиры. Филитовидные сланцы

14,1

0,32

0,877

1,09

0,88

Кварц-биотитовые сланцы

8.4

0,30

0,883

1,14

0,87



Для получения одинакового качества дробления породы при взрывных работах необходимо произвести пересчет параметров сетки (аґb) скважин с учетом полученного значения показателя эффективности применения ВВ (Е):

авв=ао /Е;									(8)

bвв=bо /Е;

где:	авв  и ао - расстояние между скважинами в ряду  предлагаемого (вв) и применяемого (о) ВВ;

	bвв и bо - расстояние между рядами скважин предлагаемого (вв) и применяемого (о) ВВ;

Из табл. 5 видно, что при использовании ЭВВ содержащего 37% БРТТ, показатель эффективности Е=(0,87 - 0,9), для взрывания в условиях ОАО «Карельский окатыш» существующие параметры сетки скважин, при использовании штатных ВВ (акватол Т-20ГК), можно увеличить на 10-13%, при использовании предлагаемых ЭВВ сенсибилизированных утилизируемыми порохами. А также из-за снижения критического диаметра детонации возможно применение более производительных буровых станков.



Заключение



В результате проведенных лабораторно-полигонных экспериментов установлено, что использование утилизируемого баллиститного ракетного топлива в качестве сенсибилизаторов в составе ЭВВ приводит к улучшению термодинамических характеристик ВВ и повышению эффективности использования таких ВВ в сравнении со штатными ВВ.

Проведенные исследования позволили установить:

 Оптимальное содержание БРТТ в составе ЭВВ составляет 35-38%.

 Величина критического диаметра зарядов ЭВВ  составляет 50-85 мм, что позволяет использовать буровой инструмент и, следовательно, скважинные заряды малого диаметра.

 Максимальной работоспособностью обладают ЭВВ, содержащие 37% состава типа РСТ-4к.

 Эффективность использования ЭВВ содержащего 35-38% баллиститного ракетного топлива на 10-13% выше применяющихся сейчас ВВ типа акватолов в промышленности, что позволяет увеличить сетку скважин и снизить затраты по статье «буровые работы» на 1 м3 взрываемой породы.



Литература:





Б.Н.Кутузов, «Разрушение горных пород взрывом», Москва, МГГУ, 1992.



В.П.Тарасенко, В.И.Сивенков «Взрываемость массивов горных пород, выбор рационального ассортимента ВВ», Москва, МГГУ, 1989.



Б.Н.Кутузов, Г.А.Нишпал «Технология и безопасность изготовления и применения ВВ на горных предприятиях», Москва, МГГУ, 1999.



1