ПАТРОН ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО ЭМУЛЬСИОННОГО ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА

Полезная модель относится к производству патронов предохранительных эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ) для горных взрывных работ в подземных выработках и шахтах, опасных по взрыву пыли и газов.
3
Известен патрон водоэмульсионного взрывчатого вещества включающий оболочку из эластичного материала с гидрофобными свойствами, в которой размещена эмульсия типа "вода в масле", имеющая плотность 1000-1180 кг/м, содержащая в расчете на массу эмульсии дисперсную фазу из 9,5-11,5 мас.% воды, 70-76 мас.% азотнокислого аммония и 9,5-11,5 мас.% азотнокислого натрия в качестве окислителя, дисперсионную среду из углеводородного топлива в количестве 1-6,5 мас.%, эмульгатор в количестве 1-2 мас.% и легковесные частицы сенсибилизатора в количестве до 5 мас.% сверх 100% эмульсии. Оболочка имеет цилиндрическую форму с наружным диаметром 32-36 мм, дисперсная фаза имеет средний размер глобул менее 10 мкм. Указанный окислитель дополнительно содержит, в расчете на массу эмульсии, 1-3 мас.% карбамида, а указанная дисперсионная среда состоит из 0,5-2,5 мас.% стабилизатора вязкости и 0,5-4,0 мас.% индустриального масла - патент РФ на полезную модель №37202, F42D 1/08, С06В 45/02, 2004 г.
Данное техническое решение не предусматривает использования пламегасителей для обеспечения предохранительных свойств патрона.
Известно предохранительное ЭВВ, которое, в частности, может быть использовано в патронированном виде. Для приготовления ЭВВ сначала готовят эмульсионную смесь следующего состава, мас.%: аммиачная селитра 82-90, натриевая селитра 3-7, парафин 0,8-1,8, канифоль 0,3-0,8, вазелин 1,5-3, эмульсификатор 1,2-2,0 и вода 2,5-4,0, затем к полученной смеси добавляют пламегаситель 4-12 мас.% хлористого калия. Такое ЭВВ стабильно при хранении при температурах до - 40°С - патент Китая №101125785 А, С06В 31/28, С06В 31/00, 2008 г.
Недостатком данного технического решения является введение пламегасящей добавки в состав раствора окислителя, а также применение в качестве пламегасителя хлорида калия, который отрицательно действует на химическую стабильность аммиачной селитры. Наличие ионов натрия и калия в растворе окислителя приводит к образованию окислов этих металлов в продуктах взрыва, что, в свою очередь, приводит к снижению количества газообразных продуктов взрыва и снижению фугасности взрыва такого состава.
Прототипом полезной модели является патрон предохранительного ЭВВ, включающий оболочку, заполненную предохранительным ЭВВ, которое содержит микросферы в качестве сенсибилизатора, дисперсию водного раствора неорганических солей-окислителей (аммиачную селитру и натриевую селитру) и соли-пламегасителя (калий хлористый) в среде горючей углеводородной фазы, состоящей из индустриального масла, стабилизатора дисперсии (петролатум или полиизобутилен) и эмульгатора, а также - дополнительно в качестве пламегасителя - порошкообразный калий хлористый с размером частиц менее 500 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
микросферы
8,0-15,0
порошкообразный калий хлористый
4,0-18,0
аммиачная селитра
36,0-47,3
натриевая селитра
9,0-13,0
калий хлористый
7,0-9,0
вода
8,0-12,0
масло индустриальное
2,7-3,6
петролатум или полиизобутилен
1,0-1,3
эмульгатор
1,3-1,8
- патент РФ №2375336, С06В 31/28, 29/02, 2009 г.
Данное предохранительное ЭВВ изготавливают следующим образом. Сначала получают дисперсию путем нагревания с перемешиванием водного раствора аммиачной и натриевой селитр в качестве неорганических солей-окислителей и калия хлористого в качестве соли-пламегасителя и горючей углеводородной фазы из индустриального масла, петролатума или полиизобутилена в качестве стабилизатора дисперсии и эмульгатора и диспергирования при интенсивном перемешивании полученного водного раствора в среде горючей углеводородной фазы. Затем охлаждают полученную водную дисперсию до 20÷75°С, перемешивают ее с сенсибилизатором в виде микросфер и с порошкообразным калием хлористым с размером частиц менее 500 мкм. Полученное ЭВВ патронируют в оболочки (см. пример 3).
Недостатком прототипа является наличие хлорида в растворе селитры, что снижает ее химическую стабильность. Хлористый калий, подмешиваемый к готовой эмульсии, играет роль балласта: при взрыве не образует газообразных продуктов взрыва и, тем самым, снижает фугасное действие патрона ЭВВ.
Технической задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание патрона предохранительного эмульсионного взрывчатого вещества (ПЭВВ) IV класса предохранительности, позволяющего вести взрывные работы в подземных выработках и шахтах, опасных по взрыву пыли и газов.
Эта задача решена патроном предохранительного эмульсионного взрывчатого вещества, включающем оболочку и размещенное в ней предохранительное эмульсионное взрывчатое вещество, содержащее эмульсию «вода в масле», состоящую из окислительной и топливной фаз, стеклянные микросферы и пламегаситель, при этом, в качестве оболочки он содержит цилиндрическую полимерную трубку, один торец которой открыт для заполнения взрывчатым веществом и имеет внутри буртик, а другой, герметизированный торец, выполнен с возможностью соединения с открытым торцем аналогичного второго патрона фиксатором в виде наружной поперечной канавки для возможности взаимодействия с буртиком внутри открытого торца второго патрона после установки в его оболочку пробки, используемой после заполнения оболочки эмульсионным предохранительным взрывчатым веществом, полученным путем смешивания эмульсии «вода в масле» до однородности с 3,5-5,0 мас.% стеклянных микросфер от массы эмульсии, добавления к полученной смеси пламегасителя в количестве 5-10 мас.% от массы этой смеси и механического перемешивания до однородности смеси, при этом эмульсия «вода в масле» состоит из 93,3 мас.% окислительной фазы, содержащей 75,18 мас.% аммиачной селитры, 10,45 мас.% натриевой селитры и 14,37 мас.% воды, и 6,7 мас.% топливной фазы, состоящей из 20,0 мас.% парафина, 40,0 мас.% минерального масла и 40,0 мас.% эмульгатора, в качестве стеклянных микросфер - микросферы из натриевого стекла с размером частиц от 50 до 400 микрон, а в качестве пламегасителя - хлористый аммоний с размером частиц от 20 до 400 микрон.
Конкретная форма реализации устройства предполагает наличие в центре пробки зоны минимально возможной толщины - для прокалывания и ввода детонатора.
Для достижения требуемого уровня предохранительности использован пламегаситель - хлористый аммоний в количестве от 5 до 10 мас.% от массы смеси эмульсии с микросферами.
Кроме того, в указанных пределах содержания компонентов состава ПЭВВ, продукты его взрыва не токсичны. ПЭВВ обладает повышенной фугасностью за счет того, что использованный пламегаситель при взрыве не образует дополнительного количества твердых продуктов.
При введении хлористого аммония в количестве ниже 5 мас.% эффект предохранительности не достигается. При введении хлористого аммония более 10 мас.% в продуктах взрыва появляется соляная кислота (хлороводород). В качестве хлористого аммония может быть использован как химически чистый, так и технический хлористый аммоний. Хлористый аммоний необходимо использовать с размером частиц от 20 до 400 микрон, т.к. при использовании с меньшей дисперсностью он комкуется (слипается) и трудно перемешивается до однородности с эмульсией. Хлористый аммоний с размером частиц более 400 микрон снижает скорость детонации ПЭВВ, не давая должного эффекта предохранительности (увеличивается число вспышек метано-воздушной среды при испытаниях: на 20 опытов - 50% вспышек).
2
2
В качестве микросфер для сенсибилизации эмульсии использованы микросферы из натриевого стекла. Натриевое стекло представляет собой сплав оксида натрия и оксида кремния вида [m*NaO]*[n*SiO].
Экспериментально установлено, что применение микросфер из натриевого стекла в сочетании с применением в составе ПЭВВ в качестве пламегасителя хлористого аммония, приводит к связыванию хлор-ионов ионами натрия и, как следствие, - к исключению возможности образования ядовитого хлористого водорода. Пределы содержания микросфер также подобраны экспериментально, исходя из требования чувствительности патрона ПЭВВ к первичным средствам инициирования, принимая во внимание реальное качество микросфер (плотность зависит от толщины стенок оболочки, наличия разрушенных частиц и т.п.). Микросферы должны быть с размером частиц от 50 до 400 микрон. Это обусловлено следующим. Эмульсия представляет собой капли (глобулы) раствора селитры в сплошной фазе нефтепродукта. Диаметр этих капель - от 0,1 до 40 мкм (по Гауссовскому распределению). Экспериментально установлено, что частица сенсибилизатора должна быть не более 10 характерных размеров (т.е. диаметра глобулы) частицы ВВ. Кроме того, микросфера диаметром менее 50 мкм слишком толстостенная (большое количество стекла на количество пустоты внутри), при этом масса стекла забирает тепло из зоны химической реакции детонационного фронта и реакция затухает. Микросфера диаметром более 400 мкм слишком тонкостенная и механически непрочная, что приводит к ее разрушению при перемешивании и заполнении оболочек патронов.
Для приготовления ПЭВВ используют эмульсию, содержащую парафин, что позволяет увеличить вязкость, повысить однородность смеси (предотвратить миграцию стеклосфер и частиц пламегасителя по объему эмульсии) и снизить растекаемость ПЭВВ в результате прокола оболочки патрона.
Процентное содержание компонентов в окислительной и топливной фазах, используемых для приготовления эмульсии, а также содержание фаз в самой эмульсии, подобраны экспериментально, исходя из достижения максимальной работоспособности патрона ПЭВВ и стабильности его эксплуатационных свойств. При несоблюдении процентного содержания компонентов ПЭВВ нарушается стехиометрический состав между окислителем и горючим, патрон теряет чувствительность к первичным средствам инициирования.
Применение в составе раствора окислителя натриевой селитры значительно повышает его кислородный баланс, в результате чего соотношение окислителя и горючего в эмульсии становится близким к стехиометрическому. Это положительно сказывается на чувствительности ПЭВВ к первичным средствам инициирования, увеличивается скорость детонации.
Пример реализации полезной модели.
Процесс изготовления ПЭВВ периодический (порционный). Порции исходных компонентов отмеряют весовым методом. Только так можно выдержать строгую пропорцию между компонентами (качество смешения в потоке недостаточно по причине возможных пульсаций в поточном дозировании компонентов).
Сначала готовят окислительную фазу при температуре +80°С (как правило, окислительную фазу готовят в интервале температур +75+85°С), которая содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
аммиачная селитра
75,18
натриевая селитра
10,45
вода
14,37
Кроме того, готовят топливную фазу при температуре 80°С (как правило, температура приготовления топливной фазы может составлять +75+85°С), содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.%:
парафин
20,0
минеральное масло
40,0
эмульгатор
40,0
Затем проводят эмульгирование окислительной и топливной фаз (при соотношении 93,3% окислительная фаза +6,7% топливная фаза) с получением эмульсии типа «вода в масле» следующего компонентного состава, мас.%:
аммиачная селитра
70,14
натриевая селитра
9,75
вода
13,41
парафин
1,34
минеральное масло
2,68
эмульгатор
2,68
В полученную эмульсию добавляют 3,5 мас.% стеклянных микросфер с размером частиц от 50 до 400 микрон. Перемешивают смесь до однородного состояния (однородность контролируют измерением плотности образцов, взятых из разных точек объема смеси), что, примерно, составляет 10-15 минут. При этом получают смесь следующего состава, мас.%:
аммиачная селитра
67,68
натриевая селитра
9,41
вода
12,94
парафин
1,29
минеральное масло
2,59
эмульгатор
2,59
микросферы
3,5
После этого к полученной смеси эмульсии со стеклянными микросферами добавляют 5 мас.% пламегасителя - хлористого аммония с размером частиц от 20 до 400 микрон. Перемешивают смесь до однородного состояния (однородность контролируют измерением плотности образцов, взятых из разных точек объема смеси), что, примерно, составляет 10-15 минут. При этом получают смесь следующего состава, мас.%:
аммиачная селитра
64,30
натриевая селитра
8,94
вода
12,29
парафин
1,23
минеральное масло
2,46
эмульгатор
2,46
микросферы
3,32
хлорид аммония
5,0
Готовую смесь подают в винтовой насос и производят заполнение оболочек патронов с частотой вращения рабочего органа насоса не более 300 об/мин. Режим заполнения оболочек патронов должен быть подобран экспериментально, исходя из конкретных условий производства с обеспечением минимального механического воздействия на состав ПЭВВ, что в свою очередь, позволяет обеспечить стабильность эксплуатационных свойств патрона, а именно, сохранить нужную степень сенсибилизации ПЭВВ (микросферы не должны разрушаться). Проведенные эксперименты показали, что при прохождении ПЭВВ через винтовой насос при заполнении оболочек патронов допустимо разрушение до 10% стеклянных микросфер.
На фиг.1 представлена конструкция патрона, на фиг.2 - стыковка двух патронов.
Оболочка патрона представляет собой полимерную трубку 1 (полиэтилен, полипропилен, полистирол, полихлорвинил и т.п.материалы) с одним открытым торцем 2, через который происходит наполнение ПЭВВ трубки 1. Толщина стенки 3 трубки 1 зависит от применяемого для ее изготовления материала и должна обеспечивать жесткость трубки при изгибающем моменте, равном 1 кг/м. Открытый торец 2 имеет внутри буртик 4, второй торец патрона герметичен, имеет плоское дно 5 и расширяющуюся от него коническую поверхность 6, переходящую в стенку 3 через поперечную канавку 7.
Описанная конструкция закрытого торца патрона предназначена для возможности фиксации при стыковке нескольких патронов: для этого трубка 1 закрытым торцем вводится в открытый торец полимерной трубки 8 второго патрона (фиг.2). Буртиком 4, при его попадании в поперечную канавку 7, осуществляется фиксация соединения трубок 1 и 8 обоих патронов.
После заполнения патрона ПЭВВ, открытый торец 2 трубки 1 внутри герметизируется пробкой 9, (фиг.2), удерживающейся внутри как за счет трения, так и упором в буртик 4.
В центре пробки 9 имеется зона 10 минимально возможной толщины - для прокалывания и ввода детонатора.
Полученные патроны ПЭВВ детонационно чувствительны к инициирующему импульсу от первичных средств инициирования (капсюль-детонатор, электродетонатор, детонирующий шнур). По классификации ГОСТ 19433-88 ЭВВ классифицируется как «1.1.D». Предложенные патроны ПЭВВ относятся к четвертому классу предохранительности и чувствительны к инициирующему импульсу первичных средств инициирования.
Кроме того, ПЭВВ в патроне устойчиво детонирует в виде патронов малого диаметра - от 26 мм и выше; обладает повышенной фугасностью.
Еще одним положительным свойством решения является то, что в качестве ПЭВВ может быть использовано ПЭВВ, полученное как из горячей (свежеприготовленной эмульсии), так и из остывшей (до минус 20°С). Причем, в последнем случае организацию производства патронов ПЭВВ можно максимально приблизить к месту потребления (не транспортировать готовое ВВ по дорогам общего пользования, а перевозить эмульсию как полуфабрикат). Транспортирование эмульсии безопасно (эмульсия сама по себе не взрывчатая - класса 5.1 по ГОСТ 19433-88, имеет номер опасного груза по списку ООН-3375 "эмульсия или суспензия на основе нитрата аммония, сырье для бризантных ВВ").
Организовать производство предохранительных ЭВВ на месте применения возможно в «полевых» условиях, т.к. смешение компонентов (эмульсия, стеклосфера и пламегаситель) можно осуществлять и при отрицательных температурах в неотапливаемых помещениях на поверхности, приспособленных подземных выработках.