Безопасность применения тротилсодержащих гранулированных взрывчатых веществ II класса, предназначенных для механизированного формирования шпуровых, скважинных и камерных зарядов

III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ

ГОРНЫХ РАБОТ

УДК 622.235:213.2

Д.Н. Батраков

Безопасность применения тротилсодержащих гранулированных взрывчатых веществ II класса, предназначенных для механизированного формирования шпуровых, скважинных и камерных зарядов

Рассматривается возможность безопасного применения тротилсодержащих взрывчатых веществ II класса, предназначенных для механизированного, в том числе пневматического, заряжания шпуров, скважин и камер в подземных условиях рудников и шахт, не опасных по газу или пыли.

Ключевые слова: БЕЗОПАСНОСТЬ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ, ГРАММОНИТ, ГРАНУЛОТОЛ, ГРАНУЛИРОВАННАЯ АММИАЧНАЯ СЕЛИТРА, ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ

Проблема оснащения горнодобывающих предприятий, ведущих взрывные работы в подземных выработках шахт, не опасных по газу или пыли, взрывчатыми веществами (ВВ) II класса, обладающими высокой работоспособностью и показателями безопасности, остается актуальной и в настоящее время.

Гранулированные ВВ, применяющиеся для ведения взрывных работ (ВР) в подземных условиях и предназначенные для механизированного заряжания, в том числе пневматического, представляют собой, как правило, механическую смесь компонентов, находящихся в свободном несвязанном виде.

В качестве компонентов смесевых гранулированных ВВ обычно используются:

- окислитель - гранулированная аммиачная селитра (АС) индивидуально или в сочетании с другими окислителями, в том числе с измельченной (дробленой или порошкообразной) АС;

- горючее - чешуированный или гранулированный «-тринитротолуол («-ТНТ или иначе тротил) в чистом виде или в сочетании с добавками жидкого нефтепродукта (индустриальные масла,

дизельное топливо и др.), а также порошкообразные энергетические добавки (алюминиевый и угольный порошок и др.);

- инертные порошкообразные материалы - мел, тальк и др. для предотвращения расслоения компонентов в объеме формируемых зарядов, в том числе для предотвращения стекания жидкого нефтепродукта с поверхности гранул АС.

Перечисленные вещества, за исключением алюминиевого порошка (или алюминиевой пудры), по своей природе являются диэлектриками, способствующими накоплению зарядов статического электричества в процессе механизированного транспортирования и заряжания.

Наличие чешуированного или гранулированного «-тринитротолуола, а также вязкого нефтепродукта в совокупности с мелкодисперсными горючими и инертными добавками способствует налипанию заряжаемого продукта на внутренних поверхностях зарядных шлангов и поверхностях исполнительных органов зарядных машин и механизмов. Полное перекрытие проходного сечения зарядных шлангов приводит к возникновению аварийных ситуаций, в которых подъем давления выше критического значения для заряжаемого ВВ приводит к его несанкционированному взрыву.

Пыление порошкообразных материалов при их транспортировании и заряжании ведет к изменению массовых долей компонентов и, как следствие, к изменению кислородного баланса ВВ, к снижению взрывчатых показателей, к отказам взрываемых зарядов, к неудовлетворительному дроблению горной массы, к образованию негабаритов, «стаканов» при взрывании шпуровых зарядов и др., а также к увеличенному выделению в процессе взрывчатого превращения токсичных составляющих газообразных продуктов взрыва.

Все перечисленные негативные явления способствуют возникновению аварийных ситуаций, приводящих к травматизму и профессиональным заболеваниям рабочих горнодобывающих предприятий, занимающихся буровзрывными работами, то есть к снижению безопасности и эффективности ВР.

Наиболее широко применяемым до последнего времени промышленным взрывчатым веществом II класса являлся граммонит 79/21, изготавливаемый в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 21988-76 или ТУ 84-08628424-814-2005 и запрещенный Ростехнадзором к использованию для механизированного заряжания, в том числе в подземных выработках шахт, не опасных по газу или пыли, после ряда произошедших аварий.

Граммонит 79/21 является сбалансированным по кислороду ВВ (КБ = + 0,02). Стехиометрическое соотношение компонентов предполагает максимальное выделение энергии взрывчатого превращения ВВ (1030 ккал/кг) и минимальный выход токсичных газов взрыва (35 - 50 л/кг).

Массовая доля «-тринитротолуола (чешуированного или гранулированного) в составе граммонита 79/21 составляет (21,0 ± 1,5) %, остальное - гранулированная АС (79,0 ± 1,5) %, то есть соотношение массовых долей гранулотола и гранулированной аммиачной селитры характеризуется как 1 : 4.

Применение граммонита 79/21 для взрывного дробления скальных руд и пород крепостью до 20 по шкале проф. М.М. Протодьяконова в условиях подземных выработок было экономически целесообразно. Однако недостатки, перечисленные выше, привели к запрещению использования ВВ для механизированного формирования взрываемых зарядов.

Из вышеизложенного видно, что не следует пренебрегать разработками новых гранулированных ВВ на основе «-тринитротолуола. Необходимо только, чтобы недостатки, присущие классическому граммониту 79/21, во вновь разрабатываемых составах были бы устранены.

Достичь желаемого результата можно введением в состав граммонита 79/21 калиброванного гранулотола с обязательным выполнением следующих условий:

- минимальный диаметр гранулы гранулотола должен превышать максимальный линейный размер межгранульного пространства, образуемого четырьмя гранулами аммиачной селитры;

- суммарная масса четырех гранул АС должна быть равной, а лучше значительно большей, чем масса одной гранулы гранулотола.

Соблюдение перечисленных условий позволит ограничить свободу перемещения гранул «-тринитротолуола в общей массе гранулированной аммиачной селитры, свести к минимуму контакт частиц гранулотола с трущимися и вращающимися поверхностями исполнительных органов зарядных машин и механизмов, а также внутренними поверхностями зарядных шлангов, что, в свою очередь, позволит избежать образования «корок» из подплавленного, а впоследствии остывшего тротила в смеси с пылью истираемых гранул аммиачной селитры малого диаметра.

Схематично, в идеальном случае, структура вновь разрабатываемого ВВ - граммонита 21ТМЗ должна напоминать структуру своеобразной достаточно жесткой кристаллической решетки, изображенной на рисунке 1.

• - схематичное изображение гранул «-тринитротолуола;

О - схематичное изображение гранул аммиачной селитры

Рисунок 1 - Схема идеальной структуры граммонита 21ТМЗ

Для изготовления практически всех типов гранулированных ВВ используют селитру аммиачную гранулированную марок А или Б, получаемую в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 2-85, а также водоустойчивую гранулированную аммиачную селитру марки ЖВГ, производимую в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 14702-79 и содержащую в своем составе водоотталкивающую смесь жирных кислот при массовой доле 0,3 - 0,4 % в отличие от гранулированной АС по ГОСТ 2-85.

С целью увеличения скорости детонации при взрывном дроблении крепких и скальных пород в процессе изготовления гранулированных ВВ используют пористые марки гранулированной АС, изготавливаемые отечественной промышленностью по ТУ 2143-635-00209023-99, или другие марки пористой гранулированной аммиачной селитры, в том числе импортного производства, по документации предприятия-изготовителя (фирмы-изготовителя). Применение пористых марок гра-

нулированной аммиачной селитры может быть частичным (в смеси с аммиачной селитрой по ГОСТ 2-85 в любом соотношении) или индивидуальным.

Гранулометрический состав аммиачной селитры несколько различается по маркам, но, тем не менее, подавляющее количество (до 95 %) гранул аммиачной селитры имеет диаметр в пределах от 1,0 до 4,0 мм. Из них до 80 % составляют гранулы диаметром от 2,0 до 4,0 мм и, соответственно, 20 % - гранулы АС диаметром менее 2,0 мм.

Гранулотол изготавливается отечественной промышленностью в соответствии с техническими требованиями [1] из расплава «-тринитротолуола марок А и Б. Марки А и Б различаются между собой значениями температуры кристаллизации - 80,0 оС для марки А и 77,5 оС для марки Б. Значения температуры кристаллизации продукта характеризуют наличие и количество примесей нестабильных изомеров тринитротолуола (Д у, п, £ и 3). Чем выше температура кристаллизации, тем чище и стабильней продукт в течение всего времени его хранения. Наличие примесей снижает взрывчатые показатели тротила и повышает его чувствительность к механическим и тепловым воздействиям, а также чувствительность к электростатическим разрядам.

Диэлектрические свойства и показатели пожаро- и взрывобезопасности гранулотола характеризуются значениями:

удельное электрическое сопротивление, Ом-м 107...10-9

относительная диэлектрическая проницаемость 2,1

минимальная энергия воспламенения пылевоздушной

смеси при ее оптимальной концентрации 6 кг/м , мДж 2,8

Из приведенных сведений видно, что гранулотол является диэлектриком и способствует накоплению зарядов статического электричества в процессе изготовления и/или механизированного заряжания ВВ, а также способствует налипанию продукта на исполнительные органы машин и механизмов как при изготовлении ВВ, так и при его заряжании.

Гранулометрический состав гранулотола марок А и Б также одинаков и характеризуется следующими значениями, %:

проход гранул через сито № 5 по ГОСТ 3826-82 Не менее 50

остаток гранул и их сростков на сите с сеткой № 10

по ГОСТ 3826-82 Не более 3

Плотность монокристалла, г/см :

«-тринитротолуола 1,663

аммиачной селитры 1,725

Несмотря на то, что плотность монокристалла аммиачной селитры больше, чем плотность монокристалла «-тринитротолуола, насыпная плотность перечисленных гранулированных веществ, указанная в нормативной документации на компоненты, соответственно равна, г/см : для гранулотола 0,9...1,0

для гранулированной аммиачной селитры 0,8.0,9

3

Соотношение насыпных плотностей максимальной для гранулотола (р = 1,0 г/см ) и минимальной для гранулированной аммиачной селитры (р = 0,8 г/см3) составляет 1,25.

Расчет массы гранул для каждого из компонентов граммонита 21ТМЗ, разрабатываемого

взамен существующего граммонита 79/21, проводился с учетом плотности монокристаллов

«-тринитротолуола и аммиачной селитры, соотношения их насыпных плотностей, а также соотношения их массовых долей по формулам:

т = V' р,

где V - объем гранулы, см3;

р - плотность монокристалла компонента, г/см3.

тгр = 1,25  mac,

где тгр - масса гранулы гранулотола, г;

тас - масса гранулы аммиачной селитры, г.

Результаты произведенных расчетов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Наиболее предпочтительные варианты гранулометрического состава

компонентов в рецептуре граммонита 21ТМЗ с учетом насыпной плотности компонентов

№ п/п Номер сетки по ГОСТ 3826-82 Суммарная масса четырех гранул аммиачной селитры 10- , г Номер сетки по ГОСТ 3826-82 Масса гранулы гранулотола 10-2, г

1 2 18,5 3,2 22,78

2 2,2 24,62 3,2 22,78

3 2,5 36,13 3,5 29,93

4 2,2 24,62 3,5 29,93

Примечание. Диаметр гранул компонентов подобран с учетом размеров ячеек стандартных сит, изготавливаемых в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 3826-82, гранулометрического состава гранулотола по ГОСТ 25857-83 и аммиачной селитры по ГОСТ 2-85.

Из данных таблицы 1 видно, что наиболее предпочтительными вариантами для компоновки граммонита 21ТМЗ являются варианты 2 и 3.

Вследствие того, что разница между суммарной массой четырех гранул АС и массой гранулы гранулотола значительно больше в варианте 3, чем в варианте 2, а рассев гранулотола на сите с сеткой № 3,2 по ГОСТ 3826-82 является более трудоемким, чем рассев на сите № 3,5 по ГОСТ 3826-82, что связано с диэлектрическими свойствами продукта, то самым целесообразным является изготовление граммонита 21ТМЗ с использованием компонентов с гранулометрическими характеристиками, представленными в варианте 3 таблицы 1.

Еще одним важным условием безаварийного применения разрабатываемого граммонита 21ТМЗ при взрывных работах с механизированным заряжанием является условие, при котором минимальный размер гранулы гранулотола должен превышать максимальный линейный размер межгранульного пространства, образуемого четырьмя гранулами аммиачной селитры диаметром 2,5 мм в случае идеальной структуры взрывчатого вещества, изображенной на рисунке 1.

Согласно экспериментальным данным, минимальный линейный размер межгранульного пространства гранул АС колеблется в пределах 1,0 - 1,25 мм.

Вероятность наступления события, при котором структура взрывчатого вещества будет идеальной, как идеальной будет и сферическая форма гранул АС, чрезвычайно мала. К тому же

получение гранул гранулотола указанного размера и менее в процессе гранулирования расплавленного «-тринитротолуола весьма проблематично. Это обусловлено размером фильер, формирующих капли расплава определенного диаметра, технологией гранулирования (непосредственно в воду после каплеобразования), а также значением сил поверхностного натяжения расплава тротила и его вязкостью.

На основании изложенного и с учетом мнения разработчиков граммонита 21ТМЗ контроль минимального диаметра гранул гранулотола осуществлять не имеет смысла, тем более что техническими требованиями [2] предусмотрен контроль гранулометрического состава изготовленного взрывчатого вещества в целом.

Граммонит 21ТМЗ изготовлен с использованием в составе калиброванных компонентов:

1) гранулотола с фракцией:

проход через сито № 3,5 по ГОСТ 3826-82, % Не менее 100

2) гранулированной аммиачной селитры с гранулометрическим составом:

остаток на сите с сеткой № 4 по ГОСТ 3826-82, % Не более 3

остаток на сите с сеткой № 2,5 по ГОСТ 3826-82, % Не менее 95

Исследования эксплуатационных (взрывчатых) показателей и характеристик безопасности применения разработанного граммонита 21ТМЗ проведены согласно стандартам и по методикам, предназначенным для оценки параметров безопасности и эксплуатационных свойств ВВ. Неконтролируемые расчетные характеристики определены по методам расчетов, изложенным в технической литературе. Результаты испытаний граммонита 21ТМЗ приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Показатели безопасности и эффективности действия граммонита 21ТМЗ

Показатель Значение показателя

Теплота взрыва, кДж/кг

Объем газов взрыва, л/кг, в том числе токсичных, в пересчете 895

на оксид углерода (II) 4 О 5 о

Кислородный баланс, % + 0,02

Тротиловый эквивалент по теплоте взрыва (От = 4186 кДж/кг) 1,02

Насыпная плотность, г/см3 ,9 0, ,8 0,

Скорость детонации, км/с 3,2.3,5

Критическая плотность, г/см3 1,45

Рекомендуемая плотность механизированного заряжания, г/см3 1,00.1,25

Критический диаметр детонации открытого заряда в бумажной оболочке, мм 80.90

Критический диаметр детонации в стальной трубе диаметром 30х3 по ГОСТ 8732-78 при плотности 1,00-1,10 г/см3, мм 24

Бризантность в стальном кольце при насыпной плотности по гОсТ 5984-99, мм 20.25

Фугасность по ГОСТ 4546-88, см3 360.370

Чувствительность к удару по ГОСТ 4545-88: нижний предел в приборе 2, мм 500

частость взрывов в приборе 1, % 4.12

Чувствительность к трению при ударном сдвиге на приборе К-44-3 по ГОСТ Р 50835-95: нижний предел, МПа

Чувствительность к инициирующему импульсу ЭД, КД, ДШ Недостаточно чувствителен

Удельное электрическое сопротивление, Омм 107.109

Минимальная энергия воспламенения пылевоздушной смеси тротила, мДж 2,8

Результатами выполненных и изложенных в настоящей статье исследований доказано, что для исключения налипания заряжаемого продукта на внутренних поверхностях зарядных шлангов и поверхностях исполнительных органов зарядных машин и механизмов необходимо использовать следующие материалы:

1) селитру аммиачную гранулированную марок А или Б (высший сорт) [3] или селитру аммиачную водоустойчивую марки ЖВГ [4], или пористую гранулированную аммиачную селитру [5], или другие марки гранулированной аммиачной селитры с характеристиками не ниже указанных, в том числе импортного производства, по документации предприятия-изготовителя, или их смесь в любых соотношениях с гранулометрическим составом, %:

остаток на сите с сеткой № 4 по ГОСТ 3826-82 Не более 3

остаток на сите с сеткой № 2,5 по ГОСТ 3826-82 Не менее 95

2) гранулотол марок А и Б по ГОСТ 25857-83 с гранулометрическим составом, %:

проход через сито № 3,5 по ГОСТ 3826-82 Не менее 100

Взрывчатые показатели, расчетные характеристики и свойства безопасности граммонита 21ТМЗ не уступают аналогичным параметрам существующего граммонита 79/21, изготавливаемого в соответствии с техническими требованиями [6] или [7]. Результаты исследований включены в Технические условия [2].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 ГОСТ 25857-83. Гранулотол. Технические условия.

2 ТУ 7276-005-07511005-2010. Вещества взрывчатые промышленные. Граммонит 21ТМЗ. Технические условия.

3 ГОСТ 2-85. Селитра аммиачная. Технические условия.

4 ГОСТ 14702-79. Селитра аммиачная марки ЖВГ. Технические условия.

5 ТУ 2143-635-002090023-99. Аммиачная селитра гранулированная пористая. Технические условия.

6 ГОСТ 21988-76. Вещества взрывчатые промышленные. Граммониты. Технические условия.

7 ТУ 84-08628424-814-2005. Вещества взрывчатые промышленные. Граммониты 79/21 и 30/70. Технические условия.

SAFE USAGE OF TROTYL-CONTAINING GRANULAR EXPLOSIVES OF II CLASS AIMED AT FORMATION OF BOREHOLE AND CHAMBER CHARGES

D.N. Batrakov, K.Yu. Varnakov

Possibility of safe usage of trotyl-containing explosives aimed at mechanized, including pneumatic, boreholes and chambers charging in ubderground conditions of mines not dangerous for gas or dust is considered.

Key words: SAFETY, EFFICIENCY, EXPLOSIVES, BLAST WORKS, GRAMMONITE, GRANULOTO-LITE, GRANULAR AMMONIUN NITRATE, GRANULOMETRIC COMPOSITION

Батраков Дмитрий Николаевич E-mail: vostnii-bvr@yandex.ru Варнаков Кирилл Юрьевич E-mail: vostnii-bvr@yandex.ru