Перспективы применения бесселитренных промышленных взрывчатых веществ при разработке минеральных ископаемых в арктической зоне России

Брагин Павел Александрович – начальник лаборатории сертификационных испытаний взрывчатых материалов, ООО «Глобал Майнинг Эксплозив – Раша» (г. Москва)
Бредихин Александр Юрьевич – аспирант, Автономная некоммерческая научная организация «Научно-исследовательский институт технологий и безопасности взрывных работ» (АННО НИИ ТБВР, г. Наро-Фоминск)
Конюхов Кирилл Романович – аспирант, АННО НИИ ТБВР
Маслов Илья Юрьевич – кандидат технических наук, директор, АННО НИИ ТБВР
Russian Mining Industry №4 / 2025 p. 36-38

Аннотация: В связи с началом освоения арктической зоны России и разработкой месторождений твердых полезных ископаемых существует угроза экологического ущерба от применения аммиачно-селитренных промышленных взрывчатых веществ (АСВВ): загрязнение почв и водных источников нитратным и аммонийным азотом. Авторами рассмотрен альтернативный аммиачной селитре окислитель в составе смесевых промышленных взрывчатых веществ – пергидроль (перекись водорода); рассмотрен состав, приведены результаты полигонных испытаний такого альтернативного ВВ. Рассмотрены перспективы организации производства пергидроля непосредственно на местах применения в условиях промплощадок горнодобывающих предприятий.

Ключевые слова: аммиачно-селитренные промышленные взрывчатые вещества (АСВВ); освоение арктической зоны; буровзрывные работы; смесевые промышленные взрывчатые вещества; окислитель; пергидроль; пероксид, перекись водорода; метанол, автоокисление антрахинона, скорость детонации

Природная среда в арктической зоне крайне медленно восстанавливается от антропогенного воздействия. Освоение арктической зоны России связано в первую очередь с освоением ее минеральных ресурсов. Добыча
твердых полезных ископаемых, как правило, сопряжена с производством буровзрывных работ. Более 90% применяемого
объема промышленных взрывчатых веществ (ВВ) в настоящее время – это аммиачно-селитренные (АСВВ) (порошкообразные аммониты, гранулиты, водногелевые и эмульсионные).

При контакте зарядов АСВВ с внутрискважинными водами обводненных горных массивов, а также просыпи, проливы, отказы зарядов АСВВ, перемешанные со взорванной горной  массой, загрязняют пластовые воды, которые с водоотливом выбрасываются в отстойники хвостохранилищ и попадают в окружающую среду. Аммоний-ион и нитрат-ион, входящие в состав аммиачной селитры, являются опасными химическими загрязнителями, лимитирующий фактор – токсикологический (отравляюще действуют на водоросли в водоемах, ихтиофауну, микроорганизмы в составе почв, флору и фауну).

Газообразные продукты взрыва АСВВ зачастую также могут содержать значительные количества токсичных окислов азота [3]

Основная часть

Весьма актуальной научной задачей является поиск альтернативного аммиачной селитре окислителя – для использования в составе смесевых промышленных ВВ. Целевой критерий такого поиска – экологичность: причинение минимального вреда окружающей природной среде в случае попадания такого ВВ и его компонентов на природные объекты.

Известны взрывчатые составы, где в качестве окислителя применяют азотную кислоту ⁴. Однако азотная кислота также содержит токсичный нитрат-ион.

Известны жидкие ВВ, где в качестве окислителя используется перекись водорода (пергидроль) ^{1, 8}. Пергидроль в высоких концентрациях является токсичным, но не загрязняющим веществом, так как быстро разлагается на безопасные воду и кислород – безвредные для окружающей среды вещества. Попадание высоких концентраций пергидроля на локальные участки природной среды может одномоментно уничтожить живые объекты, но не приведет к длительному загрязнению местности, где произошел ее выброс, так как пергидроль быстро разлагается. Также и топливный компонент в таких ВВ должен быть экологичным: не загрязнять окружающую среду. В качестве топливного компонента авторы исследовали возможность применения этанола и метанола. Последние также могут служить альтернативой нефтепродуктам в качестве моторных топлив (МТ) для техники на горнодобывающих предприятиях, а это позволяет унифицировать и сократить номенклатуру материалов, закупаемых горнодобывающими предприятиями для обеспечения своей производственной деятельности (когда топливо и для МТ, и для ВВ – один и тот же материал).

При прочих равных условиях технология производства металола более проста – вследствие чего метанол дешевле. Метанол и этанол подвергаются в природной среде естественному метаболизму водорослями и почвенными микроорганизмами; в отличие от нефтепродуктов, обладая токсичностью только при высоких концентрациях, не приводит к загрязнению почв и водоемов. Например, если в открытое море попадет условно 10 тыс. т метанола, то уже через час на месте разлива его концентрация не превысит 0,36%. А через сутки его будет невозможно обнаружить. После разлива метанола (если такое вдруг произойдет) не будет необходимости в длительной очистке воды, берегов, «отмывке» животных и птиц, как это происходит при нефтеразливах. Утечки метанола менее опасны, чем утечки бензина, еще и потому, что бензин содержит много токсичных и канцерогенных веществ (например, бензола), которые разлагаются медленно и более длительное время сохраняются в окружающей среде. Нет никаких научных данных о том, что метанол накапливается в биологических объектах; наоборот, он активно метаболизируется в них. Эффективная очистка сточных вод и грунтов от метанола достигается при использовании источников ультрафиолетового излучения (на длинах волн 172 нм (Xe₂ – эксилампа) и 222 нм (KrCl – эксилампа) и метилотрофных бактерий (Methylomonas methanica и Acinetobacter calcoaceticus, biococann) – под воздействием вырабатываемых ими ферментов, или же при применении готовых биопрепаратов (в виде высушенных активных биомасс бактерий) в устройствах, оснащенных системами интенсивной аэрации) ^{9, 10}.

Дополнительным аргументом в пользу применения пергидроля в качестве окислителя является прогресс в развитии технологий производства пергидроля ⁶, в особенности метода автоокисления антрахинона ^{2, 7}, который возможно реализовать в блочно-модульных производствах непосредственно на местах применения – на промплощадках горнодобывающих предприятий. Это позволит: избавиться от перевозок и хранения больших количеств аммиачной селитры, обнулить опасности и риски аварий, связанных с обращением аммиачной селитры ^{5, 11}.

Результаты исследования

Авторами проведены полигонные испытания зарядов жидкого ВВ на основе 60%-ного пергидроля и метилового спирта с кондиционирующими добавками (состав ВВ приведен в табл. 1):

Таблица 1 Экспериментальный состав пергидроль-спиртового взрывчатого вещества

 При этом первоначально смешивали ГК с метанолом, после чего в полученную суспензию при интенсивном перемешивании вводили пергидроль. В результате образовывался вязкий гель, который нечувствителен к инициирующему импульсу от КД-8. Для повышения восприимчивости к детонационному импульсу полученный гель аэрировали химическим способом. Для чего в качестве газогенерирующего агента (ГГА) применяли 10%-ный водный раствор йодистого натрия, вводя его в количестве до 6,5% в гель. Йод-ион является катализатором химического разложения пергидроля с образованием кислорода (газ) и воды. Равномерно насыщенный микропузырьками газа гель при плотности ниже 1,2 г/см³ становится чувствительным к капсолю-детонатору. В качестве альтернативы ГГА можно применить водный раствор бихромата натрия (калия), но следует принимать во внимание токсичность соединений хрома. Расчетная теплота взрыва указанного в табл. 1 состава находится на уровне 840 ккал/кг (в случае применения безводного пергидроля – 1400 ккал/кг). Скорость детонации состава ВВ по табл. 1, измеренная реостатным методом прибором HandyTrap III, в заряде длиной 1000 мм диаметром 120 мм, материал оболочки: полипропилен толщиной 2 мм (фановая труба) – составила 4100 м/с при плотности ВВ 1,1 г/см³.

При этом имеется возможность регулирования скорости детонации рассматриваемых смесей за счет варьирования их плотности. Возможны варианты сенсибилизации таких смесей как аэрированнем (химическим, механическим), так и введением пористых добавок (пластиковые и стеклянные микросферы, гранулированный пенополистирол и т.п.).

Разработка сульфидсодержащих руд сопряжена с опасностью вступления их в автокагалитическую химическую реакцию с аммиачной селитрой с опасностью разогрева и взрыва. Как показали результаты исследований ¹², основную роль в таком взаимодействии играет присутствие ионов трехвалентного железа (Fe³⁺). В отличие от аммиачной селитры, пергидроль разлагается ионами трехвалентного железа (Fe³⁺) по радикальному, но не по автокагалитическому механизму ¹³, что также дополнительно повышает безопасность применения пергидрольно-спиртовых смесевых ВВ.

Заключение

Результаты проведенных испытаний показывают большие перспективы пергидрольно-спиртовых смесей в качестве альтернативы аммиачно-селитренным смесевым взрывчатым веществам. Применение зарядов жидких ВВ на основе пергидроля и метанола весьма перспективно, так как позволяет использовать: - имеющуюся производственно-сырьевую базу (пергидроля, метанола); - имеющиеся смесительно-зарядные машины для эмульсионных ВВ – без их конструктивных доработок. Сокращаются перевозки аммиачной селитры, сокращаются объемы хранения аммиачной селитры – снижаются риски аварий, связанных с обращением аммиачной селитры. Технически возможно максимально приблизить производство пергидроля к местам применения: размещая блочно-модульные производства пергидроля (по гидрохиноновому методу) на промплощадках горнодобывающих предприятий, включая их в состав пунктов производства невзрывчатых компонентов промышленных ВВ.

Также достигается высокая экологичность применения пергидрольных ВВ за счет отсутствия в сточных водах и газообразных продуктах взрыва аммоний- и нитрат-ионов; в продуктах взрыва содержатся только вода и углекислый газ. Температура замерзания у 60%-ного водного раствора пергидроля минус 60 °C, у метанола – минус 90 °C; этот факт позволяет применять пергидрольные ВВ в арктических условиях без дополнительных энергозатрат на подогрев компонентов, производить их холодное смешивание и применять в холодном виде. Имеются перспективы использования пергидрольных ВВ как на основном взрывании (скважинными и шнуровыми зарядами), так и на специальных работах (контурное взрывание при заряжании взрывчатым веществом скважин на полное сечение низкоплотным ВВ); а также изготовления из них промежуточных детонаторов.

Список литературы

1. Брагин П.А. Заряд взрывчатого вещества для метательного снаряда, способ приготовления этого заряда и метательный снаряд со взрывчатым веществом (варианты) / Брагин П.А., Маслов И.Ю. [и др.]. М.: Роспатент, изобретение №2627393 по заявке №2016133338 от 12.08.2016.

2. Блумфильд С. Установка для получения пероксида водорода и использующий ее способ / Блумфильд С. [и др.]. М.: Роспатент, изобретение №2616928 по заявке №2014141057 от 28.02.2013.

3. Власова Е.А. Оценка взрывчатых характеристик и газовой вредности промышленных ВВ / Е.А. Власова Е.А. [и др.] // Взрывное дело. Выпуск № 99/56. – М.: ЗАО «МВК по взрывному делу», 2008. – С. 119-136.

4. Добрынин А.А. Взрывчатые вещества. Химия, составы. Безопасность / А.А. Добрынин. – М.: Изд. ИД Академии Жуковского, 2014. – 527 с.

5. Литовка О.Б. Анализ аварий при транспортировке аммиачной селитры водным транспортом / О.Б. Литовка [и др.] // Успехи в химии и химической технологии. Том XXIII, 2009, №4(97). – С. 84-87.

6. Тихонов А.С. Обзор промышленных методов производства пероксида водорода / А. С. Тихонов [и др.] // Вестник технологического университета. 2017. Т.20, №16. – С. 42-42.

7. Фанденбусше А. Метод производства перекиси водорода / Фанденбусше А. [и др.]. М.: Роспатент, изобретение № 2616701 по заявке № 2014118591 от 02.10.2012.

8. Шамб У. Перекись водорода / У. Шамб [и др.] – М.: Иностранная литература, 1958. – 580 с.

9. Интернет (на 2025.07.01) : https://mz-don.com/blog/toksichnost-nefteproduktov-i-rastvoritelej-toksichnost-spirtov.html

10. Интернет (на 2025.07.01) : https://neftegaz.ru/science/ecology/331712-ch3oh-ekologicheski-riski-i-metody-ikh-predotvrashcheniya/

11. Интернет (на 2025.07.01) : https://360.ru/tekst/obschestvo/ljudi-gibnut-pri-vzryvah-ammiachnoj-selitry/

12. Маслов И.Ю. Вопросы экспериментального обоснования безопасного применения аммиачно-селитренных ВВ в сульфидсодержащих горных породах. Маслов И.Ю., Горинов С.А. В сб. «Взрывное дело» №126/83, М.: МКВД при АГН, 2020.

13. Прайер У. Свободные радикалы. М.: Атомиздат, 1970. С.131-132.