СОСТАВ ГРАНУЛИРОВАННОГО ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ
COMPOSITION OF GRANULATED EXPLOSIVE SUBSTANCE (VERSIONS) AND PREPARATION METHOD THEREOF

Изобретения относятся к разработке гранулированных взрывчатых смесей, используемых для взрывных работ на земной поверхности и в забоях подземных выработок рудников и шахт, не опасных по газу и пыли.
В настоящее время в горнодобывающей промышленности различных стран используются гранулированные взрывчатые вещества (гранулиты), основу которых составляют гранулированная аммиачная селитра, горючие жидкие добавки (нефтепродукты) и специальные добавки для стабилизации химической и физической стойкости взрывчатых веществ.
В качестве стабилизатора обычно используются невзрывчатые твердые горючие добавки (алюминиевая пудра, угольный порошок, карбамид и др.) предотвращающие стекание жидких добавок с гранул селитры и повышающие стабильность свойств ВВ или взрывчатые вещества в виде чешуированного или гранулированного тротила.
Стабилизаторы являются важнейшим компонентом, поскольку от их эффективности зависят качества ВВ и энергия взрыва (Б.Н.Кутузов. Взрывные работы. М.: Недра, 1980 г., с.75).
Известны механические смеси гранулированных ВВ (гранулиты, граммониты, игданиты и т.д.), содержащие гранулированную аммиачную селитру - 79-96% и горючие добавки - 4-21%.
Технология изготовления заключается в том, что при приготовлении гранулированных ВВ «плотная» аммиачная селитра смешивается с углем, углеродо- и азотосодержащими органическими веществами в количествах, обеспечивающих стехиометрическое соотношение компонентов.
Недостатком известных ВВ является нестабильность и недостаточная эффективность взрывных свойств из-за низкой чувствительности плотной аммиачной селитры к инициирующему импульсу, а также из-за плохой удерживающей способности жидких горючих добавок.
Ближайшими к предложенному являются взрывчатые смеси (патент RU №2230724, С1, 2003.02.12.), в которых используется гранулированная аммиачная селитра пониженной насыпной плотности, мелкодисперсная и полидисперсная селитра в различных сочетаниях. В качестве горючего используют жидкие нефтепродукты или вводно-масляную эмульсию, включающую (масс.%): 60-69 аммиачную селитру, 11,7-16,2 натриевую или кальциевую селитру, 12-16 воды, 4,1-8,5 жидкого нефтепродукта или смесь жидкого нефтепродукта с петролатумом, 1,0-2,0 эмульгатора, 0,001-0,01 технологической добавки, или их смесь, или твердое горючее - порошкообразное органическое горючее с размером частиц 0,007-4,05 мм, например торф или лигнин, древесная мука, или уголь, и/или карбамид с размером частиц 0,001-2,0 мм, и/или металлические порошки с размером частиц 0,005-0,07 мм, например ферросилиций или алюминий, или алюминий кремнистый, силикокальций, и/или взрывчатые индивидуальные соединения.
Составы взрывчатых смесей содержат следующие компоненты, масс., %:
Аммиачная селитра - 19-98;
Жидкое или твердое горючее - 81-2.
Добавка в аммиачную селитру вводно-масляной эмульсии и твердых горючих добавок производится с целью стабилизации и улучшения взрывчатых свойств взрывчатых смесей.
Способ изготовления взрывчатых смесей заключается в том, что все компоненты входящие в их состав, смешиваются одновременно.
Недостатками состава-прототипа и способа их изготовления являются:
- совместное использование гранулированных селитры и карбамида, особенно при содержании в составе гранулированного ВВ карбамида более чем 5% (тем более с водой), из-за их гигроскопичности, значительно увеличивает влажность их смесей, что приводит к смыванию жидких и твердых горючих с гранул селитры, а иногда превращает эту смесь в кашу при хранении;
- использование абразивных материалов типа ферросилиция, силикокальция или алюминия кремнистого тем более с размером частиц 0,005-0,7 мм приводит к сдиранию с поверхности гранул горючих добавок и их комкованию, что ухудшает технологические и детонационные свойства ВВ (сыпучесть, слеживаемость, однородность состава и стабильные взрывчатые характеристики ВВ вплоть до их отказов при взрывах). При этом возможен износ оборудования для приготовления ВВ;
- при размере частиц твердого горючего (пыли или порошка) более 100 микрон невозможно получить равномерное распределение горючих добавок на поверхности гранул селитры, тем более при способах их приготовления, заключающихся или в одновременном смешивании всех компонентов ВВ одновременно или при смешивании твердых горючих добавок сначала с эмульсией, а затем с гранулами селитры;
- использование эмульсии, содержащей перлитовый песок, стеклянные или силикатные (зола) микросферы (кстати тоже абразивные материалы), представляет собой смешивание гранулированной селитры с эмульсионными ВВ, т.к. эмульсии, содержащие воздушные включения, представляют собой взрывчатые вещества. Введение же в эмульсию нитрита натрия 6% (масс.) или технологических добавок (например, щавелевой кислоты) просто опасно, т.к. может привести к разложению селитры и взрыву;
- применение жидких нефтепродуктов с низкой температурой вспышки 35-80°С (мазут, дизельное топливо и т.д.) также представляет собой взрывопожарную опасность, особенно если воды в составе эмульсии меньше 15%, учитывая что водоустойчивые эмульсии готовятся при температуре 80-95°С.
Наиболее близким к изобретению является способ приготовления гранулированного взрывчатого вещества (патент №2303023, С05В 31/28, 20.07.2007 г.), заключающийся в том, что сначала смешивают эмульсию «Порэмита» или «Эмульсолита» в количестве 5-10 мас.% от состава ВВ с гранулированной аммиачной селитрой, а затем полученную смесь смешивают с углем пылевидным и алюминиевой пудрой, количество которых составляет 5-10 мас.% от состава гранулированного ВВ.
Недостатком способа является то, что используются сбалансированные по кислородному балансу составы (кислородный баланс, близкий к нулю), известные эмульсии Порэмитов, Эмульсолитов. Поэтому при попадание воздуха в них из вне, например, при их изготовлении, транспортировании, переливании, дозировании и т.д., эти эмульсии (при снижении их плотности) превращаются во взрывчатые смеси, что представляет определенные сложности и повышает опасность для процесса приготовления гранулированных ВВ. Известны самопроизвольные взрывы эмульсий Порэмитов при их изготовлении и транспортировании. При этом требуется использование повышенного количества дополнительного твердого горючего (уголь, алюминий) для получения стехиометрических по составу смесей гранулированных ВВ, что требует более длительного и тщательного перемешивания всех компонентов ВВ.
Близкими к изобретению являются приготовленные с помощью водно-карбамидных эмульсий гранулированные составы взрывчатых веществ (патент №2120927, С06В 21/00, 27.10.1998 г.), включающие, мас.%:
Гранулированная аммиачная селитра
84,6
Карбамид
3,2
Ферросилиций
7,4
Дизельное топливо
1,7
Вода
2,2
Эмульгатор
0,2
Недостатком известных ВВ является нестабильность физико-химических и взрывных свойств из-за относительно большого содержания карбамида (повышающего гигроскопичность селитры) и воды в составах гранулированного ВВ. Так как известно, что при увлажнение до 1,5% гранулы селитры снижают прочность до такой степени, что разрушаются при растирании в пальцах руки. (З.Г.Поздняков, Б.Д.Росси «Справочник по промышленным взрывчатым веществам и средствам взрывания», Издательство «Недра», 1977 г., стр.133,).
Сущность изобретения заключается в том, что в составе гранулита, содержащего гранулированную аммиачную селитру, жидкие и твердые горючие добавки, в качестве жидкой горючей добавки используется водоустойчивая эмульсия на основе водных аммиачно-карбамидных растворов, причем массовая доля компонентов при их дозировании в процессе изготовления предлагаемого гранулированного ВВ составляет, мас.%:
селитра аммиачная гранулированная
85-89
матрица эмульсионная
7-5
уголь пылевидный
5,5-4,5
пудра алюминиевая
2,5-1,5
При этом, в составе предполагаемого гранулированного ВВ, содержащего гранулированную аммиачную селитру, эмульсию и твердые горючие добавки, компоненты представлены в следующих соотношениях, мас.%:
(селитра аммиачная, карбамид) - суммарно
- 89 -93
(масло индустриальное, эмульгатор), - суммарно
- 0.5-0,15
уголь пылевидный
- 4,5-5,5
пудра алюминиевая
- 1,5-2,5
Для приготовления ВВ предлагается использовать эмульсию (эмульсионную матрицу) («Эмуласт АС-30ФП» ТУ 7276-014-163592200-2004) следующего состава мас.%: минеральное масло (индустриальное) - 4,5-7, аммиачная селитра 68-73, карбамид - 4-6, вода - 15-20, эмульгатор - 1,5-2,5, а в качестве твердых горючих материалов каменный уголь и алюминиевую пудру (неабразивные материалы) с размером частиц от 0,7 мкм до 100 мкм.
Введением такой эмульсии в состав гранулита достигаются новые свойства, позволяющие повысить стабильность детонации гранулированных ВВ. В частности, за счет исключения жидких нефтепродуктов обеспечивается равномерность смешивания горючих добавок с гранулированной селитрой свойства. Содержание карбамида в эмульсии и гранулированном ВВ повышает их безопасность, т.к. карбамид нейтрализует нежелательные кислоты, обуславливающие автокаталитическое разложение аммиачной селитры. При этом карбамид (кислородный баланс (- 80)) относится к горючим веществам, что позволяет в меньшем количестве использовать дополнительные горючие добавки в составе ВВ.
Кроме вышеприведенного новым свойством является повышение взрывчатых характеристик гранулита (бризантность) за счет использования в составе ВВ мелкодисперсного угля и алюминиевой пудры, в связи с тем, что увеличивается полнота сгорания твердых горючих добавок при взрыве ВВ.
Таким образом, совместное использование гранулированной аммиачной селитры, эмульсии и горючих пылевидных добавок в составе гранулита обеспечивает достижение нового эффекта - повышение стабильности взрывчатых свойств за счет равномерного распределения пылевидной добавки и повышения эффективности технологических и детонационных свойств, а также безопасности ВВ.
До настоящего времени водоустойчивые эмульсии на основе смеси водных растворов селитры и карбамида с жидкими нефтепродуктами и эмульгатором применялись как основной компонент патронированных эмульсионных взрывчатых веществ («Эмуласт АС-30ФП» ТУ 7276-014-163592200-2004), где путем введения в них газообразующих добавок достигали превращения эмульсии из невзрывчатого вещества в ВВ.
Технология приготовления патронированного ВВ «Эмуласт» заключается в том, что в 70% ранее полученной эмульсии вводят 30% гранулированной селитры, а затем в полученную после перешивания, жидкую пластичную смесь при температуре 65-80 °С дополнительно вводят водный раствор нитрита натрия, который, реагируя с аммиачной селитрой, образовывает в эмульсии газовоздушные включения, выполняющие роль сенсибилизатора.
В предлагаемом изобретении данная эмульсия, наоборот, в отличие от вышеуказанной технологии получения патронированных эмульсионных ВВ вводится в гранулированную селитру, в результате чего получается сыпучая гранулированная смесь, а роль сенсибилизатора выполняют горючие добавки (уголь, алюминий), которые затем поочередно вводятся в нее.
В предлагаемом ВВ эмульсия используется по новому назначению с получением нового положительного эффекта. Количество вводимой добавки из эмульсии в гранулит ограничено определенными пределами от 5 до 7%, что обусловлено, во-первых, необходимым содержанием в составе гранулированного ВВ карбамида (наиболее эффективной добавкой, способствующей замедлению термического разложения аммиачной селитры, является карбамид. Известно, что введение 0,2-0,3 карбамида в значительной степени тормозит разложение нитрата аммония (Кильман Я.И., Бархатова Г.С., Кузина М.А. - Труды ГИАП, М., 1971, вып.6, с.321-333), во-вторых, детонационной способностью ВВ в зависимости от содержания в них гранулированной селитры и горючих добавок, в-третьих, равномерностью распределения в составе ВВ его компонентов.
Новым в способе приготовления гранулированного ВВ, включающем смешивание гранулированной аммиачной селитры с эмульсиями и твердыми горючими добавками, является то, что в процессе приготовления ВВ в нее после смешивания ее с эмульсией сначала вводится алюминиевая пудра, а затем угольная пылевидная добавка. Если состав ВВ готовится в другой последовательности, возникает вероятность неравномерного распределения компонентов ВВ в составе, а также ухудшение технологических свойств (потеря сыпучести).
Совокупность признаков, в т.ч. то, что после перемешивания эмульсии с гранулированной селитрой производится опудривание ее сначала одной, а затем другой пылевидной добавкой, соответствует критерию «Новизна».
Введением эмульсии, содержащей карбамид и жидкие нефтепродукты с температурой вспышки не менее 160С°, а также неабразивных твердых горючих в состав гранулита достигаются новые свойства, позволяющие признать техническое решение соответствующим критерию «Существенные отличия».
В частности, за счет исключения жидких нефтепродуктов с низкой температурой вспышки и абразивных крупнодисперсных горючих добавок повышается безопасность процесса приготовления ВВ и равномерность смешивания горючих добавок с гранулированной селитрой, что повышает стабильность детонации гранулита. При разработке и исследованиях в производственных условиях было установлено, что наличие карбамида (отрицательный кислородный баланс (-80)) вместо части аммиачной (кислородный баланс (+20)) или натриевой селитры (кислородный баланс (+40)) в эмульсии позволяет повысить ее пластичность и снизить ее положительный кислородный баланс.
В связи с этим, по сравнению с изготовлением гранулированного состава по патенту №2303023 упрощается процесс приготовления ВВ (время смешивания всех компонентов) и повышается безопасность (снижение запыленности воздуха) за счет снижения количества эмульсии на 3%, а угольного порошка и алюминиевой пудры на 2%.
Сущность предлагаемого способа и достигаемые результаты могут быть более наглядно проиллюстрированы следующими примерами.
Пример 1. В 700 г эмульсии «Эмуласт» ввели 150 г угольного порошка и 150 г алюминиевой пудры. Все это перемешали в механической мешалке. Получили пластичную нетекучую смесь. Затем в 860 г гранулированной селитры ввели 140 г полученной смеси. Перемешали в шнеке. Получили комкующуюся и несыпучую смесь.
Пример 2. Предварительно смешали в механической мешалке 700 г угольного порошка с 300 г алюминиевой пудры. Получили плохо сыпучий порошок. Потом 900 г гранулированной селитры смешали в шнеке с 100 г эмульсии «Эмуласт». Получили сыпучую, жирную на ощупь гранулированною смесь. Затем 930 г гранулированной селитры, омасленной эмульсией, смешали в шнеке с 70 г порошка (смесь угля с алюминием). Получили удовлетворительно сыпучую гранулированную смесь. Однако межгранульное пространство ее было частично заполнено горючим порошком. При пересыпании этой смеси из одной емкости в другую было заметно выделение пыли. При этом часть горючего порошка осталась на полостях шнека.
Пример 3. Сначала смешали 900 г гранулированной селитры с 100 г эмульсией «Эмуласт», затем 950 г вышеуказанной полученной смеси смешали с 50 г угольного порошка. Потом 980 г этой смеси смешали с 20 г алюминиевой пудры. Смешивание производили в шнеке при поочередной подаче горючих компонентов в гранулированную селитру. Получили хорошо сыпучую смесь гранулированного ВВ. Затем в соответствии со стандартными методиками определили характеристики этого ВВ. Критический диаметр - 120 мм; бризантность - 26 мм; эффективность взрыва - 36 мм. Статический угол естественного откоса, 44 град.
Пример 4. Сначала смешали 930 г гранулированной селитры с 70 г эмульсией «Эмуласт», Затем 940 г вышеуказанной полученной смеси смешали с 60 г угольного порошка. Потом 980 г этой смеси смешали с 20 г алюминиевой пудры. Смешивание производили в шнеке при поочередной подаче горючих компонентов в гранулированную селитру. Получили хорошо сыпучую смесь гранулированного ВВ. Однако в межгранульном пространстве смеси было зафиксировано наличие, в небольшом количестве, горючих порошков в виде агломератов. Затем в соответствии со стандартными методиками определили характеристики этого ВВ. Критический диаметр - 100 мм; бризантность - 28 мм; эффективность взрыва - 38 мм. Статический угол естественного откоса, 36 град.
Пример 5. Сначала смешали 930 г гранулированной селитры с 70 г эмульсией «Эмуласт», потом 980 г этой смеси смешали с 20 г алюминиевой пудры. Затем 950 г вышеуказанной полученной смеси смешали с 50 г угольного порошка. Смешивание производили в шнеке при поочередной подаче горючих компонентов в гранулированную селитру. Получили хорошо сыпучую смесь гранулированного ВВ. Затем в соответствии со стандартными методиками определили характеристики этого ВВ. Критический диаметр - 100 мм; бризантность - 28 мм; эффективность взрыва - 38 мм. Статический угол естественного откоса, 32 град.
Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице.
Из вышеуказанных примеров, а также из таблицы видно, что составы гранулитов, содержащие предложенную эмульсию, обладают повышенными взрывчатыми характеристиками по сравнению с гранулитами, взятыми за прототип. Кроме того, гранулиты, содержащие эмульсию на основе растворов селитры и карбамида, более сыпучи и стабильны по детонационным свойствам, чем ВВ, приготовленные на других видах эмульсий. При этом наиболее эффективными являются составы ВВ, приготовленные при смешивание селитры сначала с эмульсией, потом с алюминиевой пудрой, а затем с пылевидным углем.
Предложенные гранулиты имеют следующие преимущества перед известными ВВ:
- обладают повышенными взрывчатыми свойствами;
- обеспечивают стабильные взрывчатые свойства при хранении ВВ.
- обеспечивают безопасность приготовления ВВ.
Таблица
Результаты испытаний смесевых ВВ с различным содержанием эмульсии и горючих добавок
Компоненты и характеристики ВВ
Гранулит (прототип)
Образцы составов (опытных)
Селитра аммиачная (прототип), %
86
-
-
-
-
-
-
-
-
Селитра аммиачная (предлагаемая), %
90
90
89
81
80
86
86
87
Эмульсия (прототип), %
7
-
-
-
-
-
-
-
-
Эмульсия (предлагаемая), %
-
4
5
5
10
11
7
7
5
Угольный порошок (прототип), %
5
-
-
-
-
-
-
-
-
Угольный порошок (предлагаемый), %
-
4
4
4,5
7
7
6
5,5
5,5
Алюминиевый порошок, %
2
-
-
-
-
-
-
-
-
Алюминиевая пудра, %
2
1
1,5
2
2
1
1,5
2,5
Значение показателей
День взрыва
1
30
1
30
1
30
1
30
1
30
1
30
1
30
1
30
1
30
Бризантность, мм
22
16
18
18
20
28
28
28
18
18
18
18
24
24
28
28
26
26
Эффективность, мм
36
32
34
34
35
35
38
38
34
34
34
34
36
36
38
38
37
37
Критический
диаметр открытого заряда, мм
140
180
120
120
120
120
100
100
120
120
120
120
120
120
100
100
100
100
Статический угол
естественного откоса, град
62
80
36
36
36
36
32
32
57
62
57
62
38
42
40
42
36
36
Динамический
угол естественного откоса, град
60
76
32
32
34
36
30
30
54
62
55
56
36
40
38
40
34
34