Исследования газовой вредности взрывчатых веществ, предназначенных для формирования скважинных зарядов

В.П. Доманов

канд. техн. наук, заведующий лабораторией ОАО «НЦ ВостНИИ»

Ю.В. Варнаков

канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»

Д.Н. Батраков

научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»

К.А. Плешаков

научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»

К.Ю. Варнаков

студент ФГБОУ ВПО «КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева»

УДК 622.235:213.2.3

ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОВОЙ ВРЕДНОСТИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ

Рассматриваются метод и результаты исследований газовой вредности бестротиловых взрывчатых веществ, предназначенных для формирования скважинных зарядов. Ключевые слова: ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ, МАССОВЫЙ ВЗРЫВ, ГАЗЫ ВЗРЫВА, ТОКСИЧНОСТЬ

Проблема защиты окружающей среды от продуктов производственной деятельности человека в настоящее время является приоритетной.

В России для ведения взрывных работ производится и потребляется по разным оценкам от 700 тыс. до 1 млн тонн промышленных взрывчатых веществ (ВВ), до 70 % от общего объема которых используется в Кузбассе. Подавляющее большинство взрывчатых веществ применяется для ведения взрывных работ скважинными зарядами на земной поверхности.

Отказы скважинных зарядов и неполнота протекания реакции взрывчатого превращения по разным причинам являются основными источниками загрязнения окружаю-

щей среды. При этом в атмосферу горнодобывающих предприятий выбрасываются миллионы кубических метров токсичных составляющих газообразных продуктов взрыва, а также загрязняются сточные воды предприятий в результате растворения и вымывания части компонентов из состава ВВ.

Основными причинами отказов и неполноты детонации скважинных зарядов являются недостаточная водоустойчивость применяемых взрывчатых веществ и неравномерность распределения компонентов ВВ по объему взрываемых зарядов.

Частичная потеря компонентов вследствие вымывания грунтовыми водами приводит не только к уменьшению эффективности взры-

ва сформированных зарядов, но и к изменению кислородного баланса (КБ) применяемых ВВ, что, в свою очередь, влечет за собой повышенное выделение токсичных газообразных продуктов взрыва. Неравномерность распределения компонентов в объеме скважинного заряда также снижает эффективность действия взрыва, приводит к изменению КБ взрывчатых веществ в различных частях взрываемого заряда и, как следствие, к повышенному выделению токсичных газов взрыва. Неравномерность распределения компонентов по объему скважинного заряда может быть вызвана различными причинами, в том числе некачественным смешением компонентов в процессе изготовления ВВ, неоптимальным гранулометрическим составом, а

следовательно, смещением равновесия протекания реакции взрывчатого превращения или ошибками в расчетах параметров скважинного заряда при составлении проекта буровзрывных работ.

Устранение большинства перечисленных негативных явлений возможно только при наличии стендовых методов испытаний, позволяющих еще на стадии разработки составов и постановки их на производство оценить количество токсичных составляющих газов, выделяющихся при взрыве испытуемых зарядов ВВ, в том числе после их выдержки в грунтовых водах.

В соответствии с вышеизложенным сотрудниками лаборатории безопасности взрывных работ ОАО «НЦ ВостНИИ» был разработан стенд для определения количества токсичных газов, образующихся при взрывании ВВ [1] и методика «Вещества взрывчатые промышленные. Метод измерения токсичных газов взрыва ВВ с пониженной чувствительностью к детонации»

[2].

Стенд представляет собой герметичную стальную камеру с внутренним объемом 7 м3, схема которой приведена на рисунке 1.

Камера такого объема подобрана с учетом возможности взрывания до 1,0 кг ВВ с пониженной чувствительностью к детонации и ее механической прочности. Камера представляет собой пустотелый цилиндр, оснащенный двумя эллиптическими днищами, с толщиной стенок 36 мм. Оба днища имеют эллиптические крышки, открывающиеся вовнутрь и имеющие по два узла крепления с помощью шпилек на крышке и гаек для герметизации в закрытом положении.

Камера располагается на двух массивных бетонных основаниях (опорах). Между камерой и опорами проложены резинотканевые прокладки. Камера закреплена поясами, заделанными в фундаменты, и оснащена электродами для присоединения изнутри проводов электродетонатора, снаружи - магистрального провода, манометром для

измерения давления газов после взрыва внутри камеры, штуцером для отбора проб газов взрыва, карманом для измерения температуры внутри камеры, системой принудительного проветривания со стальной задвижкой и вентилятором.

К фланцу с нижней стороны камеры болтами через прокладку подсоединена мортира с диаметром канала 110 мм и глубиной 300 мм. Мортира в момент взрыва располагается на массивном бетонном фундаменте для предотвращения смещения в процессе детонации испытуемого заряда.

При разработке методических основ определения выделившегося количества газов при взрыве испытуемых ВВ и их токсичности из исследованных схем взрывания по полноте детонации наиболее приемлемой следует считать схему размещения зарядов в неразру-шаемой стальной мортире. В этих условиях образуется минимальное количество вредных газов. Это объясняется наиболее полным по срав-

1 - корпус камеры;

2 - укрепляющие пояса;

3 - клеммы для присоединения взрывной магистрали;

4 - манометр;

5 - штуцер отбора проб;

6 - термокарман;

7 - устройство крепления крышки люка;

8 - фундамент;

9 - вентилятор;

10 - мортира

Рисунок 1 - Камера для взрывания зарядов ВВ и отбора проб газов после взрыва

1 - фундамент;

2 - мортира;

3 - ограничительное кольцо;

4 - заряд испытуемого ВВ;

5 - промежуточный детонатор;

6 - электродетонатор;

7 - присоединительный патрубок

Рисунок 2 - Схема расположения заряда ВВ в мортире взрывной камеры

нению с другими испытанными оболочками заряда выделением энергии взрывчатого превращения и протеканием вторичных реакций еще в канале мортиры. Тем более, что данная схема моделирует расположение заряда в скважине и взаимодействие продуктов детонации с атмосферой.

При проведении взрываний исследуемые взрывчатые вещества патронировались в гильзы диаметром 80 мм с зазором, равным 15 мм, между гильзой заряда из алюминиевой фольги и стенкой канала мортиры, а также его дном для снижения износа канала мортиры за счет температурной эрозии металла. Масса испытуемого ВВ в таком заряде была равна 800 г, а масса промежуточного детонатора из аммонита № 6ЖВ - 200 г. Промежуточный детонатор патронировался в бумажную гильзу диаметром 50 мм. После размещения заряда камера герметизировалась, и производилось взрывание. По истечении определенного промежутка времени измерялись давление внутри камеры, температура и отбирались пробы газа.

Схема расположения испытуемого заряда в камере представлена на рисунке 2.

Отбор проб газов взрыва осуществлялся через штуцер отбора проб в стеклянные вакуумированные емкости, которые отправлялись на фотоколориметрический анализ. Условия фотоколориметрического анализа: тип фотоколориметра -ФЭК-56М; длина кюветы - 10 мм; длина волны - 540 мм (светофильтр № 6).

Общее количество газов после взрывания в камере рассчитывалось по формуле:

где Ук - объем камеры, л;

Рк и Рат - соответственно давление в камере и атмосфере, Па; ^ - температура в камере во время отбора проб газа, оС;

G - масса взрываемого заряда с промежуточным детонатором, г.

Содержание отдельных газов V определялось по формуле:

Уш рк -273-1000 °~ Р-,- (273 + ?)' в '

И=РЪ._С_,

100

где С - концентрация конкретного компонента газовой смеси, %.

В режиме хроматографического анализа газов взрыва измерялся процентный состав газовой смеси водорода, кислорода, оксида углерода II, углекислого газа, предельных и непредельных углеводородов.

Оксиды азота измерялись фотоколориметрическим методом, основанным на поглощении NO2 щелочью с образованием солей азотистой и азотной кислоты. Азотистая кислота определялась колориметрически по реакции образования азокрасителя с раствором Грисса-Илосвая:

2Ы02 + 2 ЫаОИ = ЫаЫ02 + ЫаЫ03 + И20.

Пробы газа взрыва для определения оксидов азота отбирались в стеклянные бюретки вместимостью 500 мл, в которые предварительно вводили по 20 мл 0,1 моль/л раствора NaOH и откачивали воздух до остаточного давления 0,113 кПа. После отбора проб газа и сбрасывания давления до атмосферного бюретки выдерживали в течение 2 ч, встряхивая время от времени. Для проведения анализа пробы из раствора щелочи объемом 1; 0,1 или 0,01 мл вносили в колориметрические пробирки, объем жидкости доводился до 5 мл с помощью 0,1 моль/л раствора NaOH. Затем в пробирки добавлялось по 1 мл раствора Грисса-Илосвая и пробирки взбалтывались. Через 20 мин измерялась оптическая плотность раствора по фотоколориметру.

Исследованиям токсичности газов взрыва подвергнуты все наиболее широко применяемые промышленные взрывчатые вещества, изготавливаемые специализированными предприятиями-изготовителями России, а также новые составы ВВ, разработанные лабораторией безопасности взрывных работ ОАО «НЦ ВостНИИ», в том числе эмульсионные взрывчатые вещества.

Сведения о результатах исследований по определению содержания токсичных составляющих газообразных продуктов взрыва промышленных ВВ приведены в таблице 1.

Из сведений, приведенных в таблице 1, видно, что наиболее экологически чистыми взрывчатыми веществами, предназначенными для формирования скважинных зарядов, являются водоэмульсионные взрывчатые вещества. Количество выделяемых ЭВВ при взрыве токсичных газов находится в пределах от 20 до 25 л/кг в пересчете на условный оксид углерода II.

Гранулиты при взрыве выделяют большее количество токсичных газов. Игданит, содержащий в своем составе 5,5 % дизельного топлива, выделяет до 30 л/кг в пересчете на условный оксид углерода II [3]. При массовых долях ферросилиция 12,0 % и масла индустриального 3,5 % в составе гранулита АФ-12 количество выделяемых токсичных газов взрыва достигает 80 л/кг также в пересчете на условный оксид углерода II [4]. Для гранулита ЭМ-6, содержащего в качестве горючих добавок пылевидный уголь при массовой доле 5,0 %, алюминиевую пудру - 2,0 % и эмульсионную матрицу в количестве 6,0 %, количество выделяемых токсичных газов взрыва составляет не более 40 л/кг [5]. Сравним точность оценки количества токсичных составляющих газообразных продуктов взрыва в стендовых условиях ОАО «НЦ ВостНИИ» с точностью существующих расчетных методик, применяемых для определения их количества в процессе проведения массовых взрывов скважинными зарядами на земной поверхности.

Для расчета параметров пылегазового облака используем методику «Пылегазовое облако при взрывных работах», изложенную в разделе 6, подразделе 6.10 «Сборника методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами» [6].

В качестве исходных данных для расчета используем результаты приемочных испытаний гранулита ЭМ-6, разработанного сотрудниками лаборатории безопасности взрывных работ ОАО «НЦ ВостНИИ». Приемочные испытания выполнены в период с 2005 по 2006 гг. в ООО «СПБВР «Уралвзрыв» в промышленных условиях карьеров ОАО «Сухоложский цемент», ООО «Бобровский карьер камня» и ЗАО «Гора Хрустальная» в общем объеме испытуемого ВВ 317,8 т. Испытания проведены в сравнении с гранулитом АФ-12 (ТУ 7276-113-07511819-99), допущенным Ростехнадзором к постоянному применению.

Таблица 1 - Результаты исследований газов взрыва промышленных ВВ, выполненных в герметичной камере

Наименование ВВ Наличие пд Содержание газов, л/кг

н2 СН4 С02 СО ИхОу

Аммонит № 6ЖВ . 1,20 0,24 167,5 3,4 2,9

Граммонит 79/21 + 5,91 0,4 134,7 32,9 4,9

Граммонит 30/70 + 3,31 0,17 368,4 39,4 7,0

Г ранулотол + 3,32 0,2 261,2 146,5 8,9

Игданит с 5,5 % ДТ + 10,25 2,0 46,6 26,5 3,8

Гранулит УП-1А + 9,7 2,2 51,3 27.8 3,9

Г ранулит Д-5 + 9,5 2,4 52,1 28,6 3,9

Г ранулит АС-4 + 2,66 0,2 62,8 8,8 6,8

Г ранулит АС-8 + 2,64 0,1 61,9 7,4 6,4

Гранулит АФ-12 + 2,64 0,1 58,8 19,2 9,1

Г ранулит ЭМ-6 + 2,62 0,2 60,9 8,9 4,7

Порэмит + 9,71 1,2 58,5 16,6 1,1

Эмуласт АС-25П + 13,6 1,5 58,3 15,5 1,0

Эмуласт АС-ЗОФП + 14,1 1,4 58,1 15,4 0,9

Примечание - При расчете токсичных составляющих газов взрыва в пересчете на условный оксид углерода II экспериментально полученное суммарное содержание оксидов азота следует увеличивать в 6,5 раз

Как известно, пылегазовое облако, образующееся при взрыве скважинных зарядов промышленных ВВ на открытых горнодобывающих предприятиях, представляет собой залповый неорганизованный выброс взвешенных частиц пыли взрываемых пород и комплекс газов, в том числе токсичных, образующихся в результате взрывчатого превращения. Дополнительно к этому взорванная горная масса представляет собой постоянно действующий в течение всего периода экскавации неорганизованный источник загрязнения атмосферы. Загрязнение атмосферы токсичными газообразными составляющими продуктов осуществляется двумя путями, а именно выделением токсичных газов из пылегазового облака непосредственно при проведении массовых взрывов и выделением токсичных газов, захваченных взорванной горной массой.

Согласно выбранной для сравнения методике расчетов [6], используемой гидрометеорологическими подразделениями, количество токсичных газов взрыва, выбрасываемых в атмосферу пылегазовым облаком, определяется для гра-нулитов марок АФ-12 и ЭМ-6 раздельно для каждого взрывчатого вещества. При этом для упрощения вычислений проведем расчет исключительно для токсичных газов, выделяемых при массовых взрывах, без учета количества пыли согласно формуле, имеющей общий вид:

М = а • К • q • А

где а - безразмерный коэффициент, учитывающий выделение токсичных газов из взорванной горной массы. Значения коэффициента при расчете:

для оксида углерода II (СО) - 1,5; для оксидов азота - 1,0;

К - безразмерный коэффициент, учитывающий гравитационное оседание вредных веществ. Значения коэффициента при расчете количества газов - 1,0;

А - масса взорванного взрывчатого вещества, т;

q - удельное выделение вредных веществ при взрыве 1,0 т ВВ (принятое в зависимости от удельного расхода взрывчатого вещества на 1 м3 взорванной горной массы), составляющее, т/т:

для оксида углерода - 0,79; для оксидов азота - 0,0025;

П - эффективность пылегазоподавления. При использовании гидрозабойки взрывных скважин значения коэффициента газоподавления продуктов взрыва - 0,85.

1 Выброс оксида углерода. В случае использования гранулита АФ-12 выброс оксида углерода II при проведении одиночного массового взрыва составит Мвсо= 0,148 т/взрыв. В случае использования при взрывных работах гранулита ЭМ-6 аналогичный выброс оксида углерода II составит Мвсо = 0,022 т/взрыв.

2 Суммарный выброс оксидов азота в случае использования при взрывных работах гранулита АФ-12 составит Ые№ = 0,049 т/взрыв. Для гранулита ЭМ-6 значение данного показателя составит Мз№ = 0,0074 т/взрыв.

3 Количество вредных веществ, выделяющихся из отбитой горной массы после проведения массового взрыва, по окиси углерода Мгмсо принимается равным 50 % от его залпового выброса в атмосферу с пылегазовым облаком. Количество оксидов азота, выделяющихся из отбитой горной массы, принимается равным нулю вследствие того, что в газообразном состоянии оксиды азота находятся достаточно малый промежуток времени - доокисляются атмосферным кислородом и растворяются в грунтовых водах в виде азотистой и азотной кислот.

4 Общий валовый выброс от проведения одного массового взрыва вычисляют как сумму показателей, определенных по пп. 1 и 2 с учетом п. 3 для каждого из испытуемых промышленных взрывчатых веществ, предназначенных для формирования колонки скважинного заряда по формуле:

М = МСо + МЫх° + М Со, т/взрыв.

в вз г.м. 1 ' '

Общий валовый выброс вредных веществ после проведения одного массового взрыва для гранулита АФ-12, составляет 0,271 т/взрыв.

Общий валовый выброс вредных веществ после проведения одного массового взрыва для гранулита ЭМ-6 составляет 0,04 т/взрыв.

Полученные расчетные данные токсичности гранулитов сравниваемых марок показывают, что токсичность гранулита АФ-12 превышает аналогичные показатели гранулита ЭМ-6 практически в 6,78 раза, то есть количество выделяемых при взрыве гранулита АФ-12 токсичных газообразных продуктов должно составлять 39,45 л/кг • 6,78 = 267,5 л/кг (в пересчете на условный оксид углерода II), а этого не может быть по определению. Согласно сведениям [7], самый высокотоксичный из промышленных взрывчатых веществ - гранулотол выделяет при взрыве до 208 л/кг в пересчете на условный оксид углерода II.

Согласно результатам взрываний в мортире герметичной камеры зарядов гранулита АФ-12, суммарное значение токсичных газообразных продуктов взрыва составляет 78,35 л/кг (в пересчете на условный оксид углерода II), что подтверждается сведениями [4], - не более 80 л/кг (в пересчете на условный оксид углерода II).

Из проведенного сравнения результатов экспериментов и расчетных методов определения количества токсичных составляющих продуктов взрыва наиболее точным является метод определения при взрывании испытуемых зарядов в канальной мортире в герметичной камере.

При проведении исследований газообразные продукты взрыва заключены в герметичный сосуд и не могут быть разбавлены атмосферным воздухом. При своевременном отборе газовых проб после взрыва испытуемых зарядов ВВ для проведения определений токсичных составляющих исключается расслоение газов по плотностям.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Пат. № 79940 на ПМ, Российская Федерация, МПК Е21С 37/00. Стенд для определения количества ядовитых газов, образующихся при взрывании ВВ [Текст] / Варнаков Ю.В., Доманов В.П.; заявитель и патентообладатель Варнаков Ю.В. - №2008133172/22; заявл.12.08.08; опубл. 20.01.09, Бюл. №2.

2 Вещества взрывчатые промышленные. Метод измерения токсичных газов взрыва ВВ с пониженной чувствительностью к детонации. - Кемерово: ВостНИИ. - 1990. - 18 с.

3 ТУ 7276-001-04683349-98 Вещество взрывчатое промышленное. Гранулит «Игданит-И». Технические условия.

4 ТУ 7276-113-07511819-99 Вещества взрывчатые промышленные. Гранулиты АФ. Технические условия.

5 ТУ 7276-067-00173769-2005 Вещества взрывчатые промышленные. Гранулит ЭМ-6. Технические условия.

6 Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - С. 26 - 31.

7 Андреев, К.К. Теория взрывчатых веществ / К.К. Андреев, А.Ф. Беляев. - М.: Оборонгиз, 1960. - 597 с.

STUDIES OF GAS HAZARD EXPLOSIVES INTENDED TO FORM Доманов

BORE-HOLE CHARGES Виктор Петрович

V.P. Domanov, Yu.V. Varnakov, D.N. Batrakov, K.A. Pleshakov, K.Yu. е-mail: vostnii-bvr@yandex.ru

Varnakov

Methods and results of investigations of gas harmful properties of trotyl-free Варнаков

explosives intended for the formation of bore-hole charges are reviewed. Юрий Владимирович

Key words: EXPLOSIVES, EXPLOSION WORKS, MASS EXPLOSION, е-mail: vostnii-bvr@yandex.ru

EXPLOSION GASES, TOXICITY

Батраков

Дмитрий Николаевич

е-mail: vostnii-bvr@yandex.ru

Плешаков

Константин Анатольевич

е-mail: vostnii-bvr@yandex.ru

Варнаков

Кирилл Юрьевич

е-mail:exteel@ngs.ru

научно-технический журнал № 2-2012

ВЕСТНИК

57