Разработка, синтез и производство эмульгаторов обратных эмульсий марок «РХ»

Р.В. Куприн, генеральный директор ООО «РудХим»

И.Ю. Селин, главный инженер ООО «РудХим»

И.Л. Коваленко, технический консультант ООО «РудХим»

Эффективность и безопасность буровзрывных работ определяется детонационными параметрами и качеством применяемых промышленных эмульсионных взрывчатых веществ (ПЭВВ). Основным преимуществом ПЭВВ является практически полная реализация потенциальной энергии при взрыве (95–98%), что обеспечивает высокую скорость детонации и минимальное количество образующихся токсичных газов.

Как показали измерения, проведённые специалистами экспертной организации на крупнейших российских ГОКах, при установившемся стационарном развитии взрывного процесса среднее значение скорости детонации составляет 5360 м/с, что гарантирует разрушение горных пород даже крепостью f - 20 по шкале М.М. Протодьяконова при выбранной сетке скважин.

Вместе с тем в ряде экспериментов наблюдается затухание детонации, начиная с 4–5-го метра заряда. Затухание детонации скважинного заряда ПЭВВ приводит не только к некачественному дроблению горной массы, но и к образованию до 500 л/кг токсичных газов, в то время как при стационарной детонации эта величина составляет 15–30 л/кг в пересчёте на СО.

Это может быть связано со следующими факторами:

- с образованием водной линзы внутри заряда при заряжании через воду («сверху») или при прерывании сплошности заряда в результате слишком быстрого подъёма шланга при заряжании со дна скважины («снизу»);

- недостаточно высокой водостойкостью ЭВВ, особенно при длительном нахождении заряда в скважине;

- неудовлетворительной физической стабильностью эмульсии и её смеси с гранулированной аммиачной селитрой (расслоение заряда);

- неравномерной или некачественной сенсибилизацией эмульсии газовыми пузырьками или микросферами.

Табл. 1 Состав эмульсионных матриц ТОВАН

Табл. 1 Состав эмульсионных матриц ТОВАН

Ряд перечисленных факторов устраняется технологическими приёмами, однако обеспечение высокой стабильности и водоустойчивости требует применения высококачественных эмульгаторов, в том числе и на полимерной основе. Так, на ГОКах Белгородской области используются две марки эмульсионной матрицы ПЭВВ ТОВАН (табл. 1). При этом наилучшими детонационными параметрами и экономичностью характеризуются ПЭВВ на основе матрицы «С», т.е. изготовленные на монорастворе аммиачной селитры (рис. 1).

Рис. 1 Теоретически возможная скорость детонации эмульсионных ВВ с различным составом окислителя

Рис. 1 Теоретически возможная скорость детонации эмульсионных ВВ с различным составом окислителя

Однако эмульсионные матрицы на монорастворе аммиачной селитры малоустойчивы. Особенно трудно обеспечить длительную (более 14 дней) стабилизацию для эмульсионных матриц на основе монораствора аммиачной селитры. При этом основными причинами разрушения таких эмульсий являются появление зародышей кристаллов аммиачной селитры и их стремительный рост. Это приводит к резкому снижению детонационных и эксплуатационных характеристик ПЭВВ.

Устойчивость обратных эмульсий, используемых в качестве матриц для получения промышленных эмульсионных взрывчатых веществ (ПЭЭВ), определяется в первую очередь природой и свойствами эмульгатора [1].

Проведённые исследования показали, что традиционно используемые эмульгаторы типа СМО (SMO) и продукты на их основе обладают высокой эмульгирующей способностью, но не могут обеспечить срок жизни эмульсионной матрицы более 5–10 дней.

Это объясняется химическим строением молекулы СМО, гидрофильная часть которой обладает высокой энергией гидратации, т.е. способна притягивать к себе молекулы воды, что провоцирует рост кристаллов аммиачной селитры и разрушение эмульсии.

Проведённые эксперименты с отечественными и зарубежными образцами СМО, а также эмульгаторами на их основе (Lonzest, SP80 и т.д.) показали, что на 5-й день в эмульсии появляются множественные кристаллы селитры, а на 10-е сутки эмульсия полностью закристаллизовывается. Получить эмульсионную матрицу на монорастворе аммиачной селитры со сроком жизни около трех недель при использовании эмульгаторов на основе СМО невозможно.

Рис. 2 Микрофотографии (увеличение Ѕ500) эмульсионных матриц на монорастворе аммиачной селитры (вода – 15,6%) с использованием различных эмульгаторов: а) эмульгатор Lonzest (США) – срок хранения эмульсии 5 сут; б) эмульгатор «РХCП» (Россия) – срок хранения эмульсии 3 недели

Рис. 2 Микрофотографии (увеличение Ѕ500) эмульсионных матриц на монорастворе аммиачной селитры (вода – 15,6%) с использованием различных эмульгаторов: а) эмульгатор Lonzest (США) – срок хранения эмульсии 5 сут; б) эмульгатор «РХCП» (Россия) – срок хранения эмульсии 3 недели

Проблема надёжной стабилизации эмульсии на монорастворе аммиачной селитры была решена за счёт создания новых эмульгаторов марки РХ-П [2], которые обеспечивают отсутствие кристаллов в эмульсии в течение нескольких месяцев.

Строение молекул эмульгаторов полимерных марки «РХ-П» таково, что их гидрофильная часть способна к специфической адсорбции на поверхности наноразмерных зародышей кристаллов, уменьшая их линейный размер. Это приводит к полному торможению роста кристаллов аммиачной селитры в эмульсионной матрице.Рис. 3 Снижение межфазного натяжения (а) и адсорбция на межфазной границе (б) для различных эмульгаторов

Рис. 3 Снижение межфазного натяжения (а) и адсорбция на межфазной границе (б) для различных эмульгаторов

По своим свойствам разработанные эмульгаторы марок «РХ-М», «РХ-П1», «РХ-П2» не уступают лучшим аналогам полимерных эмульгаторов (Lubrizol, LZX, Experse, Nelson) и обладают высокой межфазной активностью, создают надежный структурно-механический барьер, а также характеризуются малым значением параметра ККМ (критическая концентрация мицелообразования). Чем ниже ККМ, тем меньше эмульгатора необходимо использовать для получения эмульсии.

Сравнительные адсорбционные испытания показали [3], что эмульгатор «РХ-П» по своим параметрам обеспечивает надежную стабилизацию эмульсий на монорастворе, а также предотвращает появление кристаллов в дисперсной фазе эмульсии (табл. 2).

Табл. 2 Параметры, определяющие эффективность эмульгаторов

Табл. 2 Параметры, определяющие эффективность эмульгаторов

Проведенные испытания показали, что эмульсии, полученные на основе эмульгатора «РХ-П», обладают также высокой водостойкостью и устойчивостью при термоциклировании.

На сегодняшний день поставки смесевого эмульгатора осуществляются предприятиям, имеющим собственное производство ЭВВ: Кемеровской и Свердловской областей, республики Казахстан.

Технология эмульгирования с использованием высокоэффективных эмульгаторов полимерного типа может потребовать модернизации модулей подготовки топливной смеси и получения эмульсии. При выполнении этих требований полученные эмульсионные матрицы на монорастворе аммиачной селитры будут характеризоваться высокой дисперсностью, устойчивостью к кристаллизации и максимальными детонационными параметрами.

Табл. 3 Параметры эмульсионной матрицы на монорастворе, полученной на эмульгаторе РХП

Табл. 3 Параметры эмульсионной матрицы на монорастворе, полученной на эмульгаторе РХП

Промышленные мощности производства эмульгаторов марки РХ-П (ТУ 2483-007-22297561-2016) располагаются в Белгородской области.

Список литературы
1. Эмульсионные промышленные взрывчатые вещества. В 2 кн. Книга 1. Составы и свойства / Е.В. Колганов, В.А. Соснин. Дзержинск: ГосНИИ «Кристалл», 2009.
2. Пат. 2652714 RU Универсальный эмульгатор обратных эмульсий.
3. Kovalenko I.L., Kuprin V.P. Emulsifier development for high)concentrated reverse emulsions // Odes’kyi politechnichnyi universytet. Pratsi. 2016. №1 (48).

Журнал "Горная Промышленность" №4 / 2020, стр.81