Разработка новых составов взрывчатых веществ для горной промышленности

В.А.Матвеев, Д.В.Майоров, В.И.Захаров, А.Р.Алишкин (Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья КНЦ РАН, г.Апатиты);
В.И.Почекутов, В.С.Шаповал, Е.М.Сапронов, Н.А.Вяткина (ОАО «Карельский окатыш», г.Костомукша);
Д.Р.Красовский (Костомукшский филиал ИТЦ «Взрывиспытания», г.Костомукша)


Эффективность и безопасность применения взрывчатых веществ (ВВ) для горной промышленности зависит не только от их взрывчатых характеристик, но и от физико-химических свойств, в частности, расслаивания. Расслаивание характерно для ВВ, компоненты которых существенно различаются по плотности, агрегатному состоянию и т.п. Так, у смесевых сыпучих ВВ типа АС-ДТ наблюдается стекание жидкого горючего в нижние слои ВВ, а для водосодержащих взрывчатых веществ, имеющих в своем составе жидкий нефтепродукт, напротив, характерна миграция жидкого горючего в верхние слои заряда ВВ.

В настоящее время в отечественной горной промышленности для заряжания обводненных скважин все более широкое применение находят горячельющиеся водосодержащие ВВ типа акватол, использование которых вместо гранулотола позволило значительно повысить технико-экономические показатели взрывных работ. Однако и в этом случае требуется использование большого количества тротила (до 35%), т.к. нулевой кислородный баланс может быть получен при строго определенном соотношении тротила и аммиачной селитры. Поэтому ассортимент сбалансированных ВВ ограничен. Весьма перспективным направлением в совершенствовании технологии данного типа ВВ является замена части тротила на жидкий нефтепродукт, т.к. известно, что удельная энергия взрыва тротила не выше, чем у ВВ с обычным высококачественным жидким нефтепродуктом [1, 2]. При этом использование жидкого нефтепродукта позволяет значительно расширить ассортимент получаемых сбалансированных составов. Выполненные в работе [2] и авторами настоящей статьи расчеты показали (рис. 1), что снижение содержания тротила до 5% при его замене на соответствующее количество жидкого нефтепродукта практически не влияет на работоспособность ВВ (А), определяемую, как произведение энергии взрыва (Qвзр.) на объем выделившихся газов (Vг.). Однако до последнего времени отсутствовали методы, позволяющие равномерно и стабильно распределить жидкий нефтепродукт в объеме водосодержащего ВВ, за исключением метода эмульгирования. Предложение распределять жидкий нефтепродукт в водном растворе аммиачной селитры с использованием вспученного гидрофобизированного вермикулита, аморфного кремнезема и сажи [3] оказалось нереализуемым на практике, поскольку вермикулит, имеющий значительно меньшую плотность, чем раствор нитрата аммония, практически полностью всплывает вместе с горючим на поверхность после завершения перемешивания.

В этой связи нами была поставлена задача разработки относительно простого и надежного метода равномерного и стабильного распределения жидкого нефтепродукта в объеме водосодержащего ВВ.

При решении этой задачи исходили из того, что маслоудерживающая способность гранулированных и кристаллических видов аммиачной селитры обеспечивается за счет прочной физической сорбции жидкого нефтепродукта на поверхности гранул (кристаллов). В связи с этим была изучена сорбционная способность частиц нитрата аммония по отношению к жидкому нефтепродукту.

В качестве исходного материала использовали гранулированную аммиачную селитру марки Б. Для получения частиц АС различной крупности гранулы дробили и рассеивали с использованием стандартного набора сит. АС различного функционального состава смешивали с жидким горючим, в качестве которого использовали ДТ, из расчета его содержания в смеси 25 мас.%, т.е. заведомо избыточное его количество. Часть смеси помещали в цилиндры с перфорированным дном и выдерживали в течение трех суток, фиксируя во времени количество вытекшего ДТ. Другую часть смеси засыпали в центрифугу периодического действия с диаметром ротора 150 мм, вращающимся со скоростью 25 с-1, и замеряли объем фугата. В качестве фильтрующей перегородки использовали лавсановую ткань. По разнице массы введенного и вытекшего или отфугованного горючего определяли содержание ДТ в смеси. Полученные результаты приведены в таблице 1.

Как видно из  полученных данных, средняя толщина слоя и, соответственно, содержание ДТ в смесях одной и той же крупности после центрифугирования примерно в два раза ниже, чем в соответствующих смесях в цилиндре. Однако в любом случае с уменьшением размера частиц АС возрастает равновесная концентрация ДТ в получаемой смеси. Известно, что самые мелкие частицы вещества могут быть получены при его кристаллизации из раствора. По данным [4] диаметр частиц, образующихся на начальной стадии кристаллизации, для большинства веществ составляет (12-17)х10-6 м. Однако наличие водной среды не может сказаться на толщине слоя сорбированного на поверхности таких частиц жидкого нефтепродукта, что приведет к изменению сорбционной емкости кристаллов нитрата аммония.

В связи с вышеизложенным была изучена сорбция жидкого нефтепродукта на кристаллах аммиачной селитры в водной среде. Увлажнение аммиачной селитры резко снижает ее сорбционную емкость по отношению к ДТ [5], что, вероятно, связано как с уменьшением толщины его слоя на поверхности гранул, так и вытеснением ДТ водой из пор (в случае применения пористых сортов аммиачной селитры), особенно в водной среде. Экспериментально было установлено, что толщина слоя ДТ при свободном растекании его капли на водной поверхности составляет 1.575 х10-6 м, что более чем на порядок меньше, чем на поверхности гранул. Следовательно, для того, чтобы компенсировать снижение сорбционной емкости поверхности частиц аммиачной селитры в водной среде требуется получить частицы значительно меньших размеров. Масса микрокристаллов, а, следовательно, и общая поверхность сорбции, может регулироваться температурой охлаждения насыщенного раствора АС. В таблице 2 приведены расчетные величины снижения температуры, требуемые для сорбции необходимого количества ДТ, в зависимости от начальной концентрации раствора аммиачной селитры. Расчеты были выполнены при принятых толщине слоя ДТ на частицах аммиачной селитры 1.575 х10-6 м и средних размерах кристаллов 10 х10-6 и 16 х10-6 м.

С целью подтверждения высказанных предположений и выполненных расчетов была проведена экспериментальная проверка. Органическую добавку, в качестве которой использовали индустриальное масло марки И-20А в количестве 3 мас.%, что соответствует нулевому кислородному балансу для ВВ типа акватол, вводили при перемешивании в водный раствор, содержавший 90 и 85 мас.% нитрата аммония, температура начала кристаллизации которых составляла 95 и 75°С соответственно. В таблице 3 приведены средние (по результатам 3-х параллельных опытов) данные проведенных экспериментов.

Полученные результаты однозначно свидетельствуют о том, что температурный режим введения масла в раствор нитрата аммония оказывает определяющее влияние на полноту поглощения и равномерность объемного распределения масла. Полученные экспериментальные результаты подтвердили предположение о сорбции жидкого нефтепродукта на поверхности частиц аммиачной селитры и, в основном, совпали с расчетными данными, позволив отметить общую закономерность, в соответствии с которой наиболее полное поглощение масла достигается тогда, когда его вводят при температуре не выше температуры начала кристаллизации и затем полученную суспензию охлаждают при перемешивании.

На рисунке 2 приведены микрофотографии закристаллизовавшихся капель раствора нитрата аммония без и в присутствии масла, сделанные с использованием различных светофильтров. Масло вводили как в оптимальном температурном режиме, так и при его несоблюдении. При кристаллизации из чистого раствора нитрат аммония выделяется в виде характеристик игольчатых призм (рис. 2, А). Присутствие масла видоизменяет форму кристаллов: они становятся округлыми. Причем, когда масло введено в оптимальном температурном режиме, то, как отчетливо видно на микрофотографии (рис. 2, В), оно адсорбируется на поверхности кристаллов, покрывая тонким слоем практически каждую частицу нитрата аммония. Если температурный режим не соблюден, то на снимке явно видно отсутствие масла на поверхности кристаллов (рис. 2, С).

На рисунке 3 представлены фотографии срезов тех же образцов диаметром 60 мм. На снимках отчетливо видно, что поверхность срезов первых двух образцов имеет однородную поверхность, в то время как на срезе третьего образца ясно выделяется рыхлая зона в центре, где концентрируется масло. Вероятно, в последнем случае масло, не будучи адсорбированным на поверхности частиц нитрата аммония, в процессе кристаллизации образца постепенно вытесняется от стенок в центр образца.

Учитывая, что в реальных условиях скважины кристаллизация происходит медленно и начинается от стенок скважины, существует вероятность того, что масло, даже введенное в оптимальном режиме, может вытесняться к центру колонки заряда. С целью проверки этого была изготовлена отливка диаметром 200 мм. На рисунке 4 приведена фотография поперечного среза такого образца. Визуальный анализ показывает, что поверхность среза однородна. Количественный химический анализ подтвердил, что содержание масла на периферии и в центре образца практически одинаково, что свидетельствует о прочной адсорбции масла на поверхности кристаллизующихся частиц нитрата аммония.

Проведенные исследования позволили разработать новый метод равномерного и стабильного распределения жидкого нефтепродукта в объеме водного раствора нитрата аммония, заключающийся в сорбции масла на поверхности кристаллизующихся частиц окислителя, а также разработать рецептуры и способ изготовления водосодержащих ВВ типа акватол [6, 7], в составе которых половина и более количества тротила заменена соответствующим нулевому кислородному балансу количеством жидкого нефтепродукта. Взрывчатое вещество, получившее название «Акватол Т-8М», имеет состав и характеристики, приведенные в таблицах 4 и 5. В ОАО «Карельский окатыш», ОАО «Олкон» и ОАО «Апатит» проведены промышленные испытания «Акватола Т-8М» для отбойки руд и пород любой степени обводненности, в том числе содержащих примеси сульфидов. Изготовление «Акватола Т-8М» не потребовало внесения существенных изменений в действующую технологию получения водосодержащего ВВ и дополнительных капитальных затрат. Приготовление «Акватола Т-8М» осуществлялось в серийно выпускаемых смесительно-зарядных машинах Акватол-1У и Акватол-3. Всего было изготовлено и взорвано около 3000 т данного ВВ. Взрывчатое вещество «Акватол Т-8М» рекомендовано приемочными комиссиями к постоянному применению на вышеуказанных предприятиях.

Предложенный способ равномерного и стабильного распределения жидкого горючего в водном растворе окислителя был использован при разработке рецептур и методов получения бестротилового водосодержащего ВВ [8]  и смесевого ВВ типа гранулит [9].

Таким образом, впервые установлено, что равномерное и физически стабильное распределение жидкого горючего в объеме водного раствора окислителя может быть достигнуто за счет адсорбции жидкого горючего на активной поверхности микрокристаллов, образующихся в процессе кристаллизации раствора окислителя. Разработанный метод создает реальные перспективы для разработки новых рецептур и методов изготовления различных типов ВВ на основе нитрата аммония. n

Литература

1. М.А.Кук. Наука о промышленных взрывчатых веществах. М.: Недра, 1980, с. 26–27.

2. В.Г.Шеменев, А.С.Маторин, В.П.Ветлужских и др. Исследования энергетических и детонационных характеристик водосодержащих взрывчатых веществ с пониженным содержанием тротила. В сб. докладов VI Всероссийского совещания по взрывным работам, г.Междуреченск, 1997, с. 59–64.

3. Пат. РФ № 2115643. Взрывчатое вещество и способ его изготовления. Н.Н.Мельников, С.П.Месяц, Д.С.Подозерский и др. Б.И. № 20. 1998, с. 337.

4. Е.В.Хамский. Кристаллизация из растворов. Л.: Наука, 1967, с .63.

5. Л.В.Дубнов, Н.С.Бахаревич, А.И.Романов. Промышленные взрывчатые вещества. М.: Недра, 1988, с. 201.

6. Пат. РФ № 2100331. Способ получения водосодержащего взрывчатого вещества. В.И.Захаров, В.А.Матвеев, Д.В.Майоров и др. Б.И. № 36. 1977, ст. 274.

7. Решение о выдаче Патента по заявке № 97120806/02 от 06.05.99 г. «Способ получения водосодержащего взрывчатого вещества». В.И.Захаров, В.А.Матвеев, Д.В.Майоров и др.

8. Пат. РФ № 2103248. Способ получения взрывчатого вещества. В.И.Захаров, В.А.Матвеев, Д.В.Майоров и др. Б.И. № 3. 1998, с. 215.

9. Пат. РФ № 2118306. Способ получения водосодержащего взрывчатого вещества. В.А.Матвеев, В.И.Захаров, Д.В.Майоров и др. Б.И. № 24. 1988, с. 214.

Журнал "Горная Промышленность" №4 1999