ЭМУЛЬСИОННЫЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ ВЗРЫВЧАТЫЙ СОСТАВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
EMULSION SAFETY EXPLOSIVE AND METHOD FOR ITS PRODUCTION

Изобретение относится к области взрывчатых составов для взрывных работ в горной промышленности, предпочтительно в выработках и шахтах опасных взрывом газо-, пылевоздушных смесей, и способам их получения.
В настоящее время с этой целью применяют, главным образом, аммониты, состоящие из тротила (15÷20%), селитры аммиачной (59,5÷71,5%)и соли-пламегасителя из хлорида натрия (11,0÷21,0%). Уровень их предохранительных свойств по газу оценивается массой заряда, который при испытании в мортире без забойки вызывает не более 50% воспламенений метановоздушной смеси, и составляет от 168 до 315 г (ГОСТ 21982-76).
Взрывчатые составы более высокого уровня безопасности - углениты - включают от 8,3% до 15% нитроэфиров, от 0% до 13% тротила, до 75% солей - пламегасителей, ионообменные соли (28,0÷48,3%) и различные технологические добавки. Их испытывают подрывом в метановоздушной смеси открытых («свободноподвешенных») зарядов или взрыванием в канале мортиры без забойки при обратном (от дна мортиры) инициировании.
Недостатками как аммонитов, так и угленитов являются присутствие высокоопасных токсичных компонентов (тротил, нитроэфиры), повышенная чувствительность к механическим воздействиям, недостаточно высокая водоустойчивость, высокая способность к выгоранию.
В технической литературе можно найти информацию о водосодержащих предохранительных взрывчатых веществах (ВВ) на основе концентрированных водных растворов из смеси нитратов аммония и кальция с солью-пламегасителем и загущающих добавок водорастворимых полимероподобных веществ, сенсибилизированных тротилом. Пластичная консистенция таких ВВ позволяет заряжать их насосными установками (УМЗ) на полное сечение шпура (Александров В.Е., Кукиб Б.Н., Иоффе В.Б. «Повышение эффективности и безопасности взрывных работ на угольных шахтах». Секция «Буровзрывные работы» Центрального Правления научно-технического горного общества, М., 1981).
Однако эти составы отличало непостоянство реологии и связанная с этим нестабильность свойств.
Известны также эмульсионные ВВ для опасных условий шахт, разработанные в КНР, %: нитрат аммония 40÷52, нитрат натрия 9÷11, карбамид 1÷2, хлорат калия 1÷11, вода 5÷9, эмульгатор 1,5÷2,5, минеральное масло 0,5÷3,0, воск от 0 до 3, соль-пламегаситель (натрия хлорид) 18÷25, окись алюминия (порошок) 0,4÷1,5 (РЖ «Горное дело», 1985 - 95228).
Тем не менее, наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является предохранительный эмульсионный взрывчатый состав и способ его получения по заявке РФ №97114597/02 от 26.08.97. Он включает дисперсию водного раствора нитратов аммония и натрия с пламегасителем - хлоридом калия в углеводородном горючем из минерального масла или его смеси со стабилизатором и эмульгатором, сенсибилизированную пористым наполнителем из песка перлитового или микросфер или водным раствором газообразующей добавки, отличаясь тем, что окислитель и пламегаситель взяты в соотношении, близком к эвтектическому: нитрат аммония/нитрат натрия/калий хлорид - 72,2/21,8/6,0 при соотношении компонентов в составе, %: нитрат аммония 53,9÷58,3; нитрат натрия 15,5÷18,5; калий хлористый 3,7÷5,6; вода 9,0÷15,0; масло, петролатум, эмульгатор 7,0; пористый наполнитель 2÷10; или водный раствор газифицирующей добавки 0,5÷1,0.
Способ получения этого состава включает стадии получения дисперсии и смешивания ее с сенсибилизатором из пористых частиц или газифицирующей добавки из водных растворов нитрита натрия или смеси их с раствором формальдегида. Способ отличается тем, что смешение с пористыми частицами проводят при 20÷75°С в течение 1÷10 мин при скорости перемешивающего устройства 0,1÷3,5 м/с, а с газифицирующей добавкой в виде растворов - при 20÷85°С в течение 10÷120 с при скорости перемешивающего устройства 4÷15 м/с с последующей выдержкой состава при 20÷75°С в течение 1÷24 часов.
3
Полученный по указанной заявке состав имел следующие характеристики: плотность 1,11÷1,20 г/см; скорость детонации 3,8÷4,5 км/с; массу заряда, не воспламеняющего метановоздушную смесь, 300÷400 г; не воспламеняющего пылевоздушную смесь, - 700÷800 г. Достигнутый уровень предохранительных свойств несколько выше уровня ПВВ IV класса, но существенно ниже, чем необходимо для ПВВ V класса предохранительности.
Из результатов исследований известно, что для повышения уровня предохранительных свойств необходимо уменьшать энергию (теплоту) взрыва и снижать скорость детонации ПВВ (см., например, Кукиб Б.Н., Росси Б.Д. «Высокопредохранительные взрывчатые вещества». М., Недра, 1980). Применительно к ЭВВ реализация этих приемов возможна введением необходимого количества солей-пламегасителей и снижением плотности.
Техническая задача заявляемого изобретения заключается в повышении уровня предохранительных свойств ЭВВ относительно метано-, пылевоздушных смесей.
Технический результат достигается выбранным соотношением компонентов состава и отвечающим ему способом получения, %:
сенсибилизатор - микросферы
8,0÷15,0
соль-пламегаситель - порошкообразный калий хлористый
4,0÷18,0
селитра аммиачная
36,0÷47,3
селитра натриевая
9,0÷13,0
калий хлористый
7,0÷9,0
вода
8,0÷12,0
масло индустриальное
2,7÷3,6
стабилизатор эмульсии - петролатум или полиизобутилен
1,0÷1,3
эмульгатор
1,3÷1,8
Что касается способа получения, то он в основных стадиях подобен способу-аналогу и включает приготовление при нагревании с перемешиванием водного раствора неорганических солей-окислителей и соли-пламегасителя и среды горючей углеводородной фазы, содержащей стабилизатор дисперсии и эмульгатор, диспергирование при интенсивном перемешивании раствора в среде горючей фазы с получением дисперсии, охлаждение ее до 20÷75°С, перемешивание с сенсибилизатором из микросфер. Отличие от способа-аналога состоит в том, что соль-пламегаситель из калия хлористого вводят порционно: 7÷9% к массе состава - в виде раствора с солями-окислителями, а 4÷18% в виде порошка с размером частиц менее 500 мкм - на стадии смешения.
Необходимость такого способа введения соли-пламегасителя обусловлена тем, что при добавлении всего необходимого количества хлорида калия в раствор окислителей происходит повышение температуры кристаллизации раствора, снижающее технологическую устойчивость дисперсии, приводящее к повышению критического диаметра детонации, отрицательно сказываясь на эксплуатационных свойствах состава.
Возможность реализации заявляемого состава показана примерами 1-8. Из них примеры 1 и 2 - образцы-аналоги, взятые из заявки РФ № 97114597/02, и соответствуют сенсибилизации ЭВВ химическим газонасыщением и микросферами.
Пример 1
3
Приготавливают дисперсию водного (13%) раствора окислителей из нитратов аммония 58% и натрия 15,9% с пламегасителем - хлоридом калия 5,6% в углеводородном горючем из смеси масла индустриального (1%), петролатума (3%) с эмульгатором (3%), сенсибилизированную путем перемешивания при 85°С в течение 10 с водным раствором нитрита натрия (0,5%). После завершения газификации (1 час выдержки, 75°С) состав имел характеристики: плотность 1,2 г/см; скорость детонации 4,1 км/с; заряд массой 300 г не воспламенял метановоздушную смесь при взрывании в канале мортиры без забойки с прямым инициированием и расположением у дна мортиры; пылевоздушную смесь не воспламенял зарядом массой 700 г.
Пример 2
3
Приготавливают дисперсию водного (10%) раствора окислителей из нитратов аммония 58,3% и натрия 17,8% с хлоридом калия 4,9% в углеводородном горючем (7%), включая 5% масла индустриального и эмульгатора 2%, сенсибилизированную микросферами из стекла (2%) смешением при 20°С в течение 60 с. Полученный состав имел характеристики: плотность 1,17 г/см; скорость детонации 3,9 км/с; заряд при испытаниях в метановоздушной смеси - 350 г, по пылевоздушной - 750 г в условиях испытаний примера 1.
Пример 3
3
При нагревании с перемешиванием приготавливают раствор солей-окислителей из селитры аммиачной 37%, селитры натриевой 13%, калия хлористого 7% и воды 12% (А). При перемешивании и нагревании приготавливают среду горючей углеводородной фазы, включающую масло индустриальное 2,7%, стабилизатор эмульсии из петролатума 1% и эмульгатор 1,3 (Б). При интенсивном перемешивании раствор А приливают к смеси Б и получают дисперсию (эмульсию), которую охлаждают до температуры 75°С, прибавляют 8% микросфер из стекла и 18% порошкообразного хлорида калия с частицами размером менее 500 мкм. Массу перемешивают, помещают в оболочки диаметром 36 мм и тестируют по соответствующим методикам: плотность 1,0 г/см; скорость детонации 3,9 км/с; масса заряда, не воспламеняющего метановоздушную смесь с прямым инициированием без забойки, - 1000 г; с обратным инициированием без забойки - 600 г; масса заряда, не воспламеняющего пылевоздушную смесь с прямым и обратным инициированием, - 1000 г.
Пример 4
3
По технологии примера 3 приготавливают дисперсию (эмульсию), включающую, %: селитру аммиачную 36; селитру натриевую 9; калий хлористый 7,3; воду 8; масло индустриальное 3,6; стабилизатор эмульсии из полиизобутилена 1,3; эмульгатор 1,8. Охлаждают эмульсию до 20°С и смешивают с 15% микросфер из стекла и с 18% порошкообразного хлорида калия (размер частиц менее 500 мкм). Полученное ЭВВ перерабатывают в патроны диаметром 36 мм и тестируют аналогично примеру 3: плотность 0,8 г/см; скорость детонации 2,8 км/с; масса заряда, не воспламеняющего метановоздушную смесь с прямым инициированием без забойки, - 1000 г; с обратным инициированием без забойки - 800 г; не воспламеняющего пылевоздушную смесь с прямым и обратным инициированием, - 1000 г.
Пример 5
3
По технологии примера 3 приготавливают эмульсию, включающую, %: селитру аммиачную 47,3; селитру натриевую 13; калий хлористый 9; воду 12; масло индустриальное 3,6; стабилизатор из петролатума 1,3; эмульгатор 1,8. Охлаждают эмульсию до 50°С и смешивают с 8% микросфер и 4% порошкообразного хлорида калия (размер частиц менее 500 мкм). Полученное ЭВВ перерабатывают и тестируют аналогично примерам 3 и 4: плотность 1,0 г/см; скорость детонации 3,9 км/с; масса заряда, не воспламеняющего метановоздушную смесь с прямым инициированием без забойки, - 1000 г; с обратным инициированием без забойки - 350 г; не воспламеняющего пылевоздушную смесь с прямым и обратным инициированием, - 1000 г.
Пример 6
3
По технологии примера 3 приготавливают эмульсию, включающую, %: селитру аммиачную 45,6; селитру натриевую 11; калий хлористый 8; воду 10; масло индустриальное 3,6; стабилизатор из полиизобутилена 1,0; эмульгатор 1,8. Охлаждают эмульсию до 75°С и смешивают с 15% микросфер и 4% порошкообразного хлорида калия (размер частиц менее 500 мкм). Полученное ЭВВ перерабатывают и тестируют аналогично примерам 3 и 4: плотность 0,8 г/см; скорость детонации 2,9 км/с; масса заряда, не воспламеняющего метановоздушную смесь с прямым инициированием без забойки, - 1000 г; с обратным инициированием без забойки - 600 г; не воспламеняющего пылевоздушную смесь с прямым и обратным инициированием, - 1000 г.
Пример 7
3
Повторен опыт 6, но в состав введен порошкообразный калий хлористый с размером частиц менее 200 мкм. Получившийся состав имел плотность 0,95 г/см, но не сдетонировал при испытаниях.
Пример 8
3
Повторен опыт 6, но в состав введен порошкообразный калий хлористый с размером частиц менее 700 мкм. Получили состав, имевший плотность 0,78 г/см; скорость детонации 3,2 км/с; заряд, не воспламенявший метановоздушную смесь, с прямым инициированием без забойки - 1000 г, с обратным инициированием - 400 г; заряд, не воспламеняющий пылевоздушные смеси с прямым и обратным инициированием, - 1000 г.
Из примеров видно, что корректировка состава путем увеличения массовой доли микросфер до 8-15% с одновременным введением дополнительного количества соли-пламегасителя из хлорида калия в виде порошка (4-18%) с размером частиц менее 500 мкм положительно повлияла на предохранительные свойства по газу как при прямом, так особенно при обратном инициировании.
Повышение дисперсности хлорида калия (уменьшение размера частиц - менее 200 мкм) отрицательно сказалось на способности состава к детонации (пример 7). При более крупных частицах хлорида калия (пример 8) уровень предохранительных свойств снизился.