Взрывчатое смесевое вещество

Изобретение относится к области взрывных работ, а именно к разработке взрывчатых составов, используемых преимущественно в карьерах на открытой поверхности в качестве скважинных зарядов для разрушения горных пород и добычи полезных ископаемых.

Известен взрывчатый состав, включающий сухую взрывчатую смесь и водосодержащую жидкость, добавленную к сухой взрывчатой смеси Патент РФ 2279419 «Способ изготовления заряда водосодержащего взрывчатого вещества, водосодержащая жидкость (варианты) и водосодержащее взрывчатое вещество» приоритет от 15.05.2003. Этот состав обладает сравнительно высокой стоимостью и относительно низкими показателями давления в детонационной волне и как следствие низким разрушающим воздействием на стенки зарядной полости.

Известен также взрывчатый состав, включающий жидкую фазу - нефтепродукт, и твердую фазу, состоящую из аммиачной селитры, угольного порошка и инертного материала - кристаллического хлорида натрия Патент РФ 2147567 «Водосодержащий взрывчатый состав и его вариант» приоритет от 12.04.1999. В этом составе ВВ жидкая фаза - нефтепродукт - содержится в незначительных количествах и впитывается твердыми частицами. Твердое инертное вещество - хлорид натрия - выполняет больше технологическую функцию, обеспечивая равномерное распределение компонентов в процессе изготовления ВВ, их стабильное состояние в процессе хранения и пр. В механизме возбуждения детонации эта добавка за счет своей твердости способствует интенсивному разогреву веществ и вступлению их в химическую реакцию. Однако хлорид натрия, являясь классическим ингибитором, существенно снижает энергетические характеристики взрыва ВВ. Кроме того, наполнение взрывчатых составов водой в скважинах вследствие растворения хлорида натрия изменяет их физико-химические показатели и стабильность. В этом составе ВВ не определена роль инертной добавки в процессе детонации ВВ и не указан ее гранулометрический состав.

Известен взрывчатый состав, изложенный в книге Дубнова Л.В., Бахаревича Н.С., Романова А.И. Промышленные взрывчатые вещества. - М.: Недра, 1973. - С. 258, принятый в качестве прототипа, содержащий окислитель, горючее (сенсибилизатор), жидкий водосодержащий наполнитель в виде загущенного раствора окислителя или водомасляной эмульсии и минеральный наполнитель с размерами частиц 0,05-0,080 мм в количестве от 5 до 40 мас. %.

Введение тонкоизмельченного плотного инертного минерального наполнителя в составе ВВ приводит к повышению местного давления взрыва и давления в детонационной волне на контакте инертная добавка - ВВ. Кроме того, этот наполнитель играет в ВВ роль «горящих точек», которые активизируют процесс детонации.

Анализ технических характеристик прототипа показал наличие существенных недостатков.

Тонкоизмельченный минеральный наполнитель при детонации ВВ отбирает значительную часть тепла на его перемещение, нагрев и испарение, что ухудшает процесс детонации, снижает скорость детонационной волны, и при определенном его количестве может даже привести к затуханию процесса детонации.

Кроме того, при мелком материале наполнителя ВВ в результате турбулентности потока газообразные продукты детонации могут обтекать частицы без существенного торможения и отражения от твердых частиц. В этом случае снижается степень действия положительного фактора твердых частиц при детонации ВВ - повышение местного давления в области контакта продуктов детонации ВВ с более плотной инертной частицей. Это снижает степень повышения среднего давления детонации смеси в скважине.

Использование мелкодисперсного инертного материала в прототипе приводит к относительно быстрому снижению скорости детонации при увеличении его содержания, что может существенно снижать эффективность взрывчатого вещества.

Необходимо отметить, что существуют оптимальные размеры инертных частиц с определенной плотностью, желательно с большей плотностью, чем у ВВ, при которых эффект, связанный с повышением давления на контакте с частицами в продуктах детонации ВВ. При этом следует ожидать и повышение полноты выделения энергии при взрыве ВВ и величины давления в продуктах детонации заряда ВВ, что значительно увеличит на разрушающие действие взрыва на горные породы.

В основу изобретения поставлена техническая задача повышения эффективности разрушающего действия взрыва взрывчатого вещества на горные породы и снижение его стоимости за счет интенсификации процесса энерговыделения при взрыве на контакте частиц инертного материала и продуктов детонации ВВ.

Поставленная техническая задача решается тем, что в состав используемых ВВ следующих марок взрывчатых веществ Полимикс ГР1-КЖУ- (ТУ у 24.6-25274773-031:2004); Аквамикс 2В (ТУ У 24.6-25274773-041:2011); Аммонит 6ЖВ ГОСТ 21984-76) вводят инертные частицы горной породы размером 2-5 мм.

Суть изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

Фиг. 1 - график зависимости относительных давлений взрыва взрывчатой смеси ВВ с гранитом относительно смеси с солью;

Фиг. 2 - график результатов измерения скорости детонации в аммоните 6ЖВ при введении в него инертных материалов различной плотности и с различными размерами частиц.

Механизм влияния размера частицы и плотности вещества добавки на параметры детонации ВВ и ударной волны (УВ) в разрушаемой среде в настоящее время в полной мере не исследован. Поэтому можно выдвинуть две гипотезы, объясняющие этот механизм. Первый - тепловой, из которого следует, что более мелкая добавка частиц обеспечивает лучший их прогрев при взрыве ВВ, и затраты энергии на прогрев мелких частиц значительно больше, чем у крупной фракции добавки. Кроме того, мелкая фракция добавки лучше вовлекается в движение потоком продуктов детонации ВВ, в связи с чем увеличиваются затраты энергии ВВ на разгон. Второй механизм - это газодинамический эффект взаимодействия потока продуктов детонации ВВ и самих твердых частиц. Он заключается в том, что на границе раздела ВВ-частица происходит взаимодействие потока продуктов детонации с поверхностью частицы. В результате чего в одном случае продукты детонации могут обтекать частичку при ее небольшом размере и маленьком миделевом сечении, следствие высокой турбулентности потока. В другом случае происходит отражение от ее поверхности продуктов детонации ВВ или фронта детонационной волны так как миделевое сечение частицы большое, а ее размер превышает толщину фронта детонации ВВ в котором происходит образование продуктов детонации. В этом случае частица, хотя и тормозит скорость детонационной волны, тем не менее, создает местное повышение давления в продуктах реакции и тем самым снижает степень уменьшения среднего давления продуктов детонации ВВ и теплоты взрыва в результате наполнения ВВ инертным веществом.

Выражение для силы F, с которой продукты детонации взрывчатого вещества (ВВ) действуют на частицу инертного материала, можно записать через коэффициент сопротивления - С в потоке, взаимодействующем с частицей.

Общее выражение для гидродинамики имеет вид:

где ρ - плотность потока продуктов детонации ВВ;

S_n - миделевое сечение частицы;

u - скорость движения потока продуктов детонации ВВ,

где D_BB - скорость детонационной волны ВВ.

Для шарообразной частицы коэффициент сопротивления является безразмерной функцией от числа Рейнольдса N_RE:

При взрыве число Рейнольдса для турбулентного потока продуктов детонации ВВ больше критического значения, и тогда можно принять С = 0,47.

Тогда, с учетом (1) получим

0,24ρu²⋅S_n=F.

Так как давление, которое возникает на поверхности частицы, равно то принимая во внимание (2), получим выражение для давления в падающей на частицу волне (без учета отражения от частицы)

Известно, что при падении волны детонации на акустическую преграду [4] давление на контакте с преградой Р связано с давлением падающей волны зависимостью

где ρ₂, D₂ - соответственно плотность вещества частицы и скорость распространения ударной волны в частице.

В итоге, с учетом ρ≈ρ_BB из (3) и (4), получим

Из (5) следует, что повышение давления во взрывчатом веществе на контакте с частицей существенно зависит от скорости детонации взрывчатого вещества и соотношения акустической жесткости у падающей детонационной волны и ударной волны в инертной частице. В свою очередь, скорости детонации ВВ и ударной волны ориентировочно находятся в прямой зависимости от плотностей ВВ и инертного материала. Поэтому в качестве характеристики области, где действует эффект повышения давления, принято, что плотность материала инертной добавки должна быть выше средней плотности взрывчатого вещества.

Результаты определения давления в детонационной волне и на контакте с породой в условиях экспериментов показали, что давление взрыва ВВ снижается по отношению к давлению взрыва ВВ без добавки. Причем было установлено, что более крупный и более плотный гранит как добавка к ВВ обеспечивает поддержание более высокого уровня давления взрыва ВВ при повышении содержания добавки в ВВ, по сравнению с более мелкой и менее плотной добавки соли. Это подтверждается экспериментальными данными по замеру скоростей детонации ВВ и ударных волн в контактирующей с ВВ породе - песчанике при определении давлений методом «аквариума».

В табл. 1 приведены экспериментальные результаты определения давления взрыва в зарядах аммонита 6ЖВ, содержащих в качестве добавки хлорид натрия (соль) с размерами частиц 0,2-0,5 мм и гранит с размерами частиц 2-5 мм.

На графике (фиг. 1) приведены зависимости относительных давлений взрыва взрывчатой смеси ВВ с гранитом относительно смеси с солью. Из него следует, что добавка гранита обеспечивает более высокий (в 1,23 раза) уровень давления, чем соль. Следует отметить, что приведенная зависимость носит явно экстремальный характер и указывает на целесообразность установления оптимального значения содержания конкретных инертных добавок в каждой из взрывчатых смесях.

При этом, несмотря на снижение давления относительно исходного ВВ без добавки, введение инертной добавки может сохранять разрушающую способность образуемой взрывчатой смеси и даже повысить ее, ввиду того, что эффект разрушения зависит дополнительно от времени действия высокого давления взрыва на разрушаемые породы.

Многочисленными экспериментами авторов установлено, что увеличение количества инертной добавки закономерно снижает скорость детонации взрывчатых смесей, а, следовательно, и давление взрыва в скважине. На графике (фиг. 2) приведены результаты измерения скорости детонации в аммоните 6ЖВ при введении в него инертных материалов различной плотности и с различными размерами частиц. Наивысшей скоростью затухания детонации в заряде ВВ обладают смеси ВВ с магнезитом и гематитом со средними размерами частиц 0,0018 мм. Причем при более высокой плотности наполнителя из гематита, равной 5,3 г/см³, при одинаковом его количестве скорость детонации ориентировочно в 1,1 раза выше скорости детонации смеси с магнезитом, обладающей более низкой плотностью, равной 3,12 г/см³. Многочисленными экспериментами установлено, что заряды диаметром, в 2-3 раза больше критического диаметра детонации ВВ, сохраняют детонационную способность при введении инертных добавок с размерами частиц более 0,1 мм в количестве до 60% и более.

Определение давления взрыва методом «аквариума» с различными инертными добавками подтверждает снижение давления от целого ряда факторов, связанных с условиями взрывания. Это приведет к повышению удельного расхода ВВ, но так как при этом часть дорогого ВВ заменятся применения добавок с более низкой стоимостью, чем ВВ, то можно ожидать, что повысится экономичность взрыва. Экспериментальная полигонная оценка воздействия взрыва взрывчатых веществ, используемых в настоящее время при взрывных работах на карьерах Украины, с инертными добавками проводилась следовым методом. Этим методом по воздействию взрыва зарядов ВВ диаметром 100 мм в асбестоцементных трубах на металлические пластины, располагаемые в торце зарядов определялись вмятины на листах металла. Так же определялась работоспособность зарядов ВВ методом взрывных воронок. Образование воронок выброса в грунте осуществлялось взрывом зарядов диаметром 192 мм в полимерных рукавах, располагаемых в скважинах диаметром 250 мм, глубиной 30 м. Результаты этих экспериментальных работ приведены в табл. 2 и табл. 3. Количество инертной гранитной добавки, которая добавлялась в ВВ указано относительно массы ВВ.

Результаты взрыва зарядов ВВ на пластинах (табл. 2) указывают на явную зависимость глубины вмятины в металлической пластине от величины размера частиц гранитной добавки к ВВ. Оказалась, что с максимальным эффектом обладают инертные частицы гранита размером при 2-5 мм. При таком размере частиц и их содержании в смеси 10-14 мас. % прогиб возрастает в сравнении с прототипом.

Исследование эффективности гранитной добавки в смеси с полимиксом ГР1/8 КЖУ методом образования воронок взрыва в грунте подтверждает оптимальность размеров этих частиц гранита и позволил установить их оптимальное содержания во взрывчатой смеси (табл. 3). Причем очевидно, что это зависит от условий взрывания, в частности от разрушаемых пород. Так, в средневзрываемых породах более эффективной является добавка гранита с размерами частиц 2-4 мм., при оптимальном ее содержании в ВВ не более 14,2 мас. %, эффективность действия взрыва заряда выше, чем при использовании в составе ВВ более мелкой добавки с размерами 0,1-3 мм и даже чистого ВВ без инертной гранитной добавки. В более крепких породах эффективна более мелкая добавка при незначительном ее содержании в составе ВВ не более 6,5 мас. %.

Вероятно, в первом случае (при 14,2 мас. % частиц размерами 2-4 мм) образуется более длительный, но с меньшей амплитудой давления импульс, чем при использовании добавки 6,2 мас. % с размерами частиц 0,1-3 мм.

Увеличение содержания инертной добавки до 30 мас. % не гарантирует сохранения устойчивой детонации различных типов ВВ.

Содержание добавки менее 3 мас. % не дает ощутимых результатов как в изменении свойств ВВ, так и выигрыша в стоимости образуемой смеси.

Ограничение размеров частиц добавки менее 0,1 мм обусловлено относительной неэффективностью мелкой добавки при взрыве ВВ в горной породе. В свою очередь применение крупных частиц размерами более 5 мм являются проблематичным как при смешивании их с ВВ, наблюдается разделение веществ так и при заряжании ВВ в скважины. Кроме того, процесс транспортировки и смешивания подобных взрывчатых смесей с помощью шнеков реальных размеров небезопасен, так как возможно заклинивание этих частиц между корпусом и шнеком. Кроме того, эффективность применения таких частиц снижена по сравнению с частицами оптимальных размеров.

На графике (фиг. 1) приведены давление в детонационной волне (1) и на контакте ВВ-порода (2) взрывчатых смесей аммонит 6ЖВ с добавками из гранита с крупностью частиц (1) относительно аналогичных давлений взрывчатой смеси аммонита 6ЖВ с добавкой соли с размерами частиц 0,2-0,5 мм при различном содержании добавки.

На графике (фиг. 2) приведены зависимости скорости детонации взрывчатых смесей с различными инертными добавками от их содержания относительно скорости детонации взрывчатого вещества (аммонита 6ЖВ). Соответственно обозначены: 1 - магнезит со средними размерами частиц 0,018 мм; 2 - гематит со средними размерами частиц 0,018 мм; 3 - кремнезем со средними размерами частиц 0,075 мм; 4 - гранит с размерами частиц в диапазоне 1,5-2,0 мм; 5 - гранит с размерами частиц в диапазоне 3,0-5,0 мм; 6 - гранит с размерами частиц в диапазоне 10-15 мм.

Новым в предлагаемом изобретении является повышение эффективности разрушающего действия взрыва зарядов и снижение стоимости взрывных работ за счет повышения среднего давления детонации и в разрушаемой породе в результате отражения детонационной волны от инертной добавки, введенной в состав ВВ с размерами частиц от 1,5 мм до 5 мм.

В качестве материала инертной добавки могут быть использованы измельченные горные породы, прежде всего магматического происхождения, плотные отходы различных технологических процессов, например, производства ферросплавов или строительных карьеров.

Технологический процесс производства подобных смесей взрывчатых веществ включает производство или отсев инертной добавки с оптимальным размером, а затем смешивание этой добавки со взрывчатым веществом в количестве, не превышающем 15-20% от исходной массы чистого ВВ. Для достижения максимального эффекта требуются добавки, как правило, с узким диапазоном разброса крупности частиц. Поэтому технологический процесс производства инертной добавки включает сушку, измельчение материала и его классификацию по размерам.

Процесс смешивания взрывчатого вещества с добавкой может осуществляться при смешивании компонентов ВВ или смешивании добавки с готовым ВВ с помощью допущенных для этих целей устройств и механизмов.

При использовании более одной добавки или более одного вещества в добавке допускаются различные процедуры смешивания: предварительно смешиваются все вещества добавки, затем готовая добавка вводится при перемешивании в состав смесевого ВВ; раздельно вводятся вещества добавки при перемешивании в состав смесевого ВВ; комбинированная процедура - часть инертных веществ смешиваются между собой, и полученная смесь инертных веществ смешивается со взрывчатым веществом, с одновременным или последующим введением остальных инертных веществ.