||
ДонНТУ >
Портал магистров ДонНТУ
Виды и свойства оболочек, применяемых для взрывчатых веществ
Оборудование для патронирования взрывчатых веществ
Для проведения буровзрывных работ промышленные взрывчатые вещества (ВВ) крайне редко используются в исходном виде (сыпучие или эмульсионные). Практически всегда применению ВВ предшествует операция его патронирования, то есть формирования отдельных патронов в оболочке с определенной плотностью вещества в нем. Эта операция является необходимой для обеспечения свободного транспортирования взрывчатого вещества к месту проведения работ, его хранения, обеспечения стабильной детонации и постоянства взрывчатых характеристик, минимизации контакта людей с токсичными компонентами ВВ.
Способ патронирования зависит от физического состояния вещества. Наиболее используемыми на данный момент в мире являются сыпучие взрывчатые вещества (гранулированные). Это объясняется их невысокой стоимостью, которая часто является решающей характеристикой. Для образования патрона из таких ВВ используют ряд методов. Материал подвергают воздействию давления до достижения необходимой плотности и прочности (прессование), а потом заворачивают в бумажные гильзы. Это особо опасный процесс, который всегда проводится без участия человека. Прессование требует громоздкого оборудования, постоянного контроля за состоянием прессинструмента и является достаточно длительным. Другим методом уплотнения сыпучих взрывчатых материалов является шнекование (например, в автоматах Коростылева). Это также особо опасный процесс, к тому же дополнительной опасностью является образование пыли, которая оседает на частях механизмов, и постоянная возможность защемления продукта, однако шнекование требует меньше времени, чем прессование, и легче поддается автоматизации. Для образования больших патронов (диаметром свыше 90 мм) используют уплотнение ВВ с помощью вибрации. Но этот метод дает меньшую плотность патронов, чем остальные, и требует уже готовых гильз из бумаги или другого материала.
Для формования пластичных взрывчатых веществ используют метод экструзии, то есть продавливания материала через фильеру необходимой формы под воздействием давления, которое создается шнек-винтом. Процесс является особо опасным, постоянно существует возможность защемления или переуплотнения продукта шнеком. Способ имеет сравнительно высокую производительность.
В большинстве аппаратов для патронирования эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ) необходимое давление создают при помощи шнек-винтов. Учитывая нечувствительность эмульсионных ВВ к механическим и тепловым воздействиям, можно сделать вывод, что из всех описанных методов именно патронирование ЭВВ является наиболее безопасным, к тому же процесс хорошо поддается автоматизации [1].
Эмульсионные взрывчатые вещества представляют собой принципиально новые смеси, которые отличаются высокой работоспособностью, относительно максимальной безопасностью и экологической чистотой, возможностью регулировать их детонационные характеристики, стабильностью состава и водоустойчивостью.
Эти качества выдвинули их на первый план и способствовали широкому использованию, особенно в обводненных породах.
В горнорудной промышленности Украины с каждым годом увеличиваются объемы потребления ЭВВ. Изготавливаются они в основном в наливном виде на месте проведения взрывных работ. Использование ЭВВ в патронированном виде имеет место на карьерах, удаленных от мест изготовления эмульсионных композиций и с небольшим объемом взрывных работ. Патронированные эмульсионные ВВ используют в комбинированных скважинных зарядах ЗАРС, они предназначены для взрывных работ в качестве основного заряда при ручном заряжании сухих и обводненных скважин любой степени обводненности в крепких, средних, слабых породах и углях, в том числе склонных к воспламенению при взрывном дроблении и в сульфидных рудах. Также могут использоваться в качестве промежуточных детонаторов и оживителей детонации колонки заряда из низкочувствительных ВВ.
Патронированные ЭВВ могут сохранять свои физико-химические характеристики и взрывчатые свойства в широком интервале температур (для эмульсолита от +50 до -50 0С).
Поскольку именно эмульсионные взрывчатые вещества являются наиболее перспективным направлением в развитии промышленных ВВ, особое внимание в работе уделяется особенностям работы с этим видом ВВ. Целью работы является анализ различных видов оболочек и определение их пригодности к использованию для патронирования взрывчатых веществ, в частности эмульсионных.
С расширением применения эмульсионных взрывчатых веществ возникла проблема с их патронированием, поскольку весь существующий ассортимент оборудования для патронирования промышленных ВВ оказался непригоден. Исследование различных оболочек для применения в контакте с ВВ позволит расширить возможности использования ЭВВ, которые являются более безопасными в обращении и относительно экологически безопасными, и минимизировать контакт человека при работе с ВВ.
Исследования по данной теме можно разделить на 2 направления: разработки, относящиеся к свойствам оболочек для патронирования промышленных ВВ, и разработки, посвященные оборудованию для патронирования взрывчатых веществ.
Доцентом ДонНТУ Калякиным С.А. в соавторстве с Терентьевой Е.В. была проведена работа по исследованию возможности применения полимерной оболочки для зарядов предохранительных ВВ с целью повышения их экологической безопасности [2].
В технологии добычи угля применяется буровзрывной способ его разрушения с помощью зарядов взрывчатых веществ . Для применения в угольных шахтах тех или иных ВВ к ним предъявляется ряд дополнительных требований, которым они должны соответствовать. Одним из таких требований является отсутствие вредного воздействия на организм человека в процессе обращения с ВВ. Этому требованию должны соответствовать и предохранительные взрывчатые вещества (ПВВ), которые применяют при ведении взрывных работ в шахтах опасных по газу и взрывам угольной пыли. Данное требование подразумевает отсутствие в составе ПВВ веществ относящихся к I-II классу опасности согласно ГОСТ 12.1.005-88 и ГОСТ 12.1.007-76, или же при наличии таковых в составе, обеспечение патрону ПВВ должной герметизации, позволяющей блокировать негативное воздействие этих веществ на организм человека. Анализ последних исследований в этой области показал, что в состав современных ПВВ входят такие опасные вещества, как нитроэфиры (углениты 13П и 10П) и тротил (аммониты).
Поскольку на сегодняшний день в Украине еще не разработаны ПВВ, не содержащие в своем составе сильнодействующих на организм человека сенсибилизаторов, то снизить уровень токсичного воздействия компонентов современных ПВВ на горнорабочих можно, если рабочих патронировать их в оболочки, обеспечивающие хорошую герметизацию и прочность патронов.
При патронировании ПВВ для изготовления оболочек применяют такой материал, как бумага. Бумажные оболочки имеют низкую надежность, т.к. достаточно велика вероятность ее разрыва. К тому же бумажная оболочка не обеспечивает должной герметичности патрона ПВВ, через нее проникают пары жидких нитроэфиров, входящих в состав нитроэфирсодержащих ВВ.
Перед ведением взрывных работ осуществляется ряд подготовительных работ: переноска патронов ПВВ, заряжание их в шпуры и т.д. Из-за плохой герметичности и низкой надежности оболочки имеет место прямой контакт рабочих с ПВВ, а значит и токсичное воздействие этих ПВВ на их организм. По этой же причине, в результате просыпа, ПВВ попадают в рабочую зону, откуда полностью их удалить не возможно и они становятся загрязнителями шахтных вод. Частично оставаясь в области рабочей зоны, ПВВ проявляют свое негативное воздействие на людей, как в периоды подготовки к ведению взрывных работ, так и после их завершения. Содержание особо опасных веществ в составе ПВВ, а также существование возможностей проявления токсического действия этих веществ на человека и загрязнения окружающей среды, позволяет относить их к разряду экологически не безопасных.
Очевидно, что замена бумажной оболочки на более прочную и герметичную, позволит уменьшить вероятность контакта рабочих с вредными веществами и попадание последних в область рабочей зоны, что послужит шагом к повышению экологической безопасности ведения взрывных работ. Такую замену можно найти среди материалов на основе полимерных соединений. В качестве материала для изготовления полимерных оболочек для патронов ПВВ можно применить полиэтилен, имеющий более высокую прочность и обеспечивающий оболочке герметичность по сравнению с бумагой. Такое направление за всю историю разработки и применения ПВВ несколько раз практически использовалось, как у нас, так и за рубежом. Правда, применение полиэтиленовой оболочки было направленно на повышения предохранительных свойств и водоустойчивости патронов ПВВ, а не на снижение уровня токсического воздействия вредных веществ на рабочий персонал. В бывшем Советском Союзе были разработаны предохранительные V - VI класс патроны ПВП-1 и СП-1, а также П12ЦБ-2М. Для изготовления патронов ПВП-1 применяли полиэтиленовые ампулы, для изготовления которых использовали полиэтилен высокого давления, обладающий большим относительным удлинением при растяжении и не теряющий эластичных свойств при низкой температуре. Патрон П12ЦБ представлял собой одностенную прочную полиэтиленовую оболочку, запатронированную угленитом 12ЦБ, массой 300г. Патроны снабжены соединительным узлом, чтобы образовывать монозаряд и избежать образования зазора между патронами в шпуре при групповом взрывании. За рубежом в Чехии патроны их ПВВ II класса Остравита Ц размещались также в полиэтиленовом монозаряде, а в России в сборных жестких оболочках по ТУ 7288-006-41103410-04. Таким образом, сложилось вполне технически достигнутое направление патронирования токсичных для человека ПВВ в герметичные полиэтиленовые оболочки. Следует отметить, что патронирование в полиэтиленовые оболочки не должно привести к ухудшению детонационных параметров ВВ и предохранительных свойств ПВВ.
Проверка и обоснование параметров патронов ПВВ в герметичных полиэтиленовых оболочках были проведены в МакНИИ. Испытания патронов в герметичных полиэтиленовых оболочках проводили на соответствие их техническим требованиям к патронированным ВВ V и VI классов с повышенной устойчивостью против выгорания. Высокопредохранительные нитроэфирсодержащие ВВ угленит 13П (V класс) и угленит 10П (VI класс) были запатронированы в полиэтиленовые оболочки диаметром 37 - 38 мм, которые герметизировались туго посаженной крышечкой из полиэтилена. Патронирование угленитов в полиэтиленовые оболочки производили на химическом объединении имени Г.И. Петровского, единственного производителя угленитов 13П и 10П. Образцы от валовых партий угленитов 13П и 10П, а также экспериментальные патроны были представлены на испытания в МакНИИ. Методы и методики испытаний ПВВ V и VI классов изложены в технических требованиях. Испытания угленитов в полиэтиленовых оболочках проводили параллельно с патронами в бумажных оболочках, взятых от валовых партий.
Результаты испытаний угленитов 13П и 10П в герметичных полиэтиленовых оболочках показали следующее. При патронировании угленитов 13П и 10П в герметичных полиэтиленовых оболочках каких-либо технологических трудностей не возникало. Выделение нитроэфиров в чистом виде или в виде паров при хранении и транспортировании не наблюдалось. Взрывотехнические показатели угленитов 13П и 10П в герметичных полиэтиленовых оболочках значительно выросли. Скорость детонации 13П выросла на 15,5%, 10П на 3,7% по сравнению с угленитами в бумажной оболочке. Работоспособность увеличилась для угленитов 13П и 10П в полиэтиленовой оболочке в среднем на 10 - 15%. Особо необходимо отметить увеличение водоустойчивости патронов угленитов в полиэтиленовой оболочке. Их герметизация позволила добиться высокой детонационной способности в воде при ее избыточном давлении до 5 - 10 атм. Исследование водоустойчивости патронов угленитов 13П и 10П в полиэтиленовой оболочке проводили с целью изучения их герметичности и исключения возможности выделения паров и капель нитроэфира из патронов.
Таким образом, герметизация патронов угленитов повысила их водоустойчивость и позволила использовать эти патроны при гидровзрывании – самом эффективном и безопасном способе взрывания ВВ в угольных шахтах. Вместе с тем, если рассматривать обычные условия взрывания герметичных полиэтиленовых патронов угленитов, то нужно отметить снижение их уровня предохранительных свойств в метано-воздушной смеси (МВС). Оказалось, что патроны угленита 13П имеют уровень предохранительных свойств по газу примерно в два раза ниже, чем патроны в бумажной оболочке. Угленит 10П показал при взрывании в этих условиях снижения уровня предохранительных свойств в 1,13 раза. Решение возникшей проблемы снижения уровня предохранительных свойств по газу у таких патронов угленитов было найдено.
При гидровзрывании зарядов этих ВВ под избыточным давлением воды до 20 атм вода частично проникает внутрь герметичной полиэтиленовой оболочки через неплотности посадки крышечки в торце патрона и смачивает состав ВВ.
Углениты 13П и 10П в составе содержат натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ), которая желатинизируется водой и придает ВВ гелеобразное состояние типа, густой массы, обладающей труднотекучей консистенцией. Исследования показали, что полученные гелеобразные системы из угленитов и воды устойчиво детонируют в монозарядах, состыкованных из отдельных патронов в полиэтиленовых оболочках, если содержание воды в составах не превышает 12%. Патроны угленита 13П, содержащие от 8,5 до 11% воды были испытаны в уголковой мортире, расположенной в МВС. Испытания показали, что патрон угленита 13П в полиэтиленовой оболочке общей массы около 347 г (11% воды) не давал воспламенений МВС, тогда как «сухие» патроны угленита 13П давали в этих условиях испытаний – 100% воспламенений метана. Заряд угленита 13П из двух состыкованных патронов в полиэтиленовой оболочке общей массой из ВВ и воды 685 г (около 9% воды) показал воспламеняющую способность в 2 раза ниже, чем «сухие» заряды угленита 10П. Таким образом, оказалось, что водонаполненные заряды угленита 13П повысили его уровень предохранительных свойств до уровня ПВВ VI класса. В связи с этим представляли интерес опыты по определению работоспособности, замоченных в воде патронов из угленита, содержащего около 10% воды. Опыты проводили на 10-ти тонном баллистическом маятнике путем взрывания четко подобранных по массе патронов ВВ. При испытании было установлено, что бумажные патроны угленита 13П (300 г) дали отклонения маятника 142,9 мм, сухие полиэтиленовые патроны 154 мм, а мокрые с увлажненным угленитом 146 мм. Оказалось, что несмотря на снижение работоспособности угленитов в мокрых полиэтиленовых патронах по сравнению с сухими, все же их работоспособность выше, чем в бумажных оболочках на 2,2% и это при резком, более чем в 5 раз, возрастании предохранительных свойств. Таким образом, удалось путем герметизации угленитов 13П и 10П в полиэтиленовых оболочках снизить опасность отравления рабочих нитроэфирами, одновременно решив задачи повышения безопасности применения этих ПВВ во взрывоопасной среде и работоспособности.
Сотрудниками ОАО "ППП Кривбассвзрывпром" и Украинского государственного химико-технологического университета проведена работа, обосновывающая целесообразность применения полимерных изолирующих рукавов для зарядов ВВ [3].
На базе ГосНИИХП проводились разработки по созданию промежуточных детонаторов с применением полиэтиленовых оболочек [4].
Полиэтиленовые оболочки используют для некоторых видов промежуточных детонаторов, в частности на основе смеси аммиачная селитра – нитрометан (рис.1).
a б
В Украине проводились опыты по созданию оболочек, препятствующих возгоранию метано-воздушной смеси [5].
Отдельные виды оболочек используют для предотвращения возгорания метано-воздушной смеси. Инертные предохранительные оболочки изготовляют из порошкообразных или прессованных пламегасителей (солей) или из аммиачно-селитренного водного раствора. Толщина предохранительной оболочки вокруг патрона ВВ составляет 4—5 мм. Защитное действие предохранительных оболочек сводится главным образом к тому, что при взрыве ВВ окружающая их оболочка поглощает 25—30% теплоты взрыва, снижая температуру газообразных продуктов взрыва. В процессе взрыва ВВ предохранительная оболочка измельчается в очень тонкую инертную пыль, а при жидкой оболочке — в водонасыщенный туман, который смешивается с газообразными продуктами взрыва ВВ и насыщает прилегающий рудничный воздух инертным материалом. Кроме того, предохранительная оболочка, ограничивая разброс продуктов детонации и горящих частиц ВВ, способствует более устойчивому распространению детонации по заряду ВВ.
Все эти совокупно действующие факторы значительно уменьшают опасность воспламенения метано- и пылевоздушных смесей. ВВ в предохранительных оболочках целесообразно применять в особо опасных по метану забоях и, в первую очередь, в бутовых и вентиляционных штреках, проводимых в трещиноватых породах. ВВ в предохранительных оболочках должны быть малослеживаемыми, так как слежавшееся ВВ затрудняет изготовление патронов- боевиков. Кроме того, слежавшееся ВВ теряет восприимчивость к детонации и может выгорать.
Предохранительные оболочки подразделяют на инертные и активные. Инертные оболочки не содержат взрывчатых компонентов, активные оболочки, помимо инертной основы, содержат небольшие количества нитроэфиров. Активные оболочки представляют собой слабое по взрывному действию, но очень восприимчивое к детонации ВВ. Поэтому в процессе взрыва ВВ в активной оболочке происходит более полное и тонкое распыление инертной соли, обеспечивающее максимальную эффективность ее предохранительного действия.
Существует несколько патентов США, соответствующих теме работы. Это патенты на упаковку для патронирования ВВ, упаковочную систему для ВВ и систему для транспортирования взрывчатых веществ: [6],[7],[8],[9].
Поскольку наиболее перспективными являются эмульсионные взрывчатые вещества, основным направлением разработок в данной области является оборудование для работы с этим видом ВВ.
К моменту написания данной работы разработок в ДонНТУ на эту тему не проводится.
На текущий момент не удалось найти информацию о работах на данную тему в Украине.
Близкими по теме работы являются патенты на способы патронирования взрывчатых веществ и устройства для их осуществления [11],[12], [13], [14], статья В.Н. Попова и М.К. Алипбергенова об изготовлении патронированных взрывчатых веществ на местах их использования [15].
Имеется информация о современном оборудовании для патронирования эмульсионных ВВ.
Внешний вид аппаратов представлен на рис. 2.
Автомат термосварки и клипсования TSCA-N
Страна-производитель: Германия
Основные характеристики:
| Параметр | TSCA-N 65 | TSCA-N 120 |
|---|---|---|
| Ширина, мм | 1420 – 1880 | 2010 |
| Длина, мм | 1120 – 2150 | 1250 – 2950 |
| Высота, мм | 1700 – 1900 | 1900 – 2950 |
| Масса, кг | 640 | 1150 |
| Напряжение, В | 200 – 230 | 380 – 460 |
| Расход энергии, кВ | 4,4 | 5,1 |
| Предохранитель , А | 32 | 32 |
| Сжатый воздух, МПа (бар) | 0,5 – 0,7 (5 – 7) | 0,5 – 0,7 (5 – 7) |
| Расход воздуха, л/ход | 2,5 | 2,5 |
| Стоимость, $ | 58 000 | 62 800 |
Необходимо дополнительное оборудование для наполнения [16].
Автомат для патронирования ЭВВ RYZ-32
Страна-производитель: Китай
Пневматический привод, наполнение ведется в полимерные оболочки, собранные в картриджи.
Основные характеристики:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Мощность производства,кг/час, для патронов 150 г (200 г) | 1800 (2200) |
| Рабочее давление, МПа | 5 |
| Мощность привода, кВт | 11 |
| Длина, мм | 3300 |
| Ширина, мм | 2800 |
| Высота, мм | 2750 |
| Масса, кг | 2500 |
| Стоимость, $ | 77 450 |
Шприц вакуумный КОМПО-ОПТИ 2000-01
Страна-производитель: Беларусь.
Предназначен для наполнения разнообразных оболочек с дополнительным вакуумированием мясопродуктов с размерами кусочков не более 16 мм[17].Основные характеристики:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Производительность при максимальной скорости вращения винтов вытеснителя, кг/час, не менее | 1600 |
| Теоретическая производительность (при свободном истечении наполнителя), кг/час, не менее | 7500 |
| Емкость бункера, м3 | 0,25 |
| Установленная мощность, кВт, не больше | 8,35 |
| Длина | 1195 |
| Ширина | 1215 |
| Высота | 1920 |
| Занимаемая площадь, м2 | 1,46 |
| Масса шприца, кг | 580 |
| Предельное остаточное давление в вакуумной системе не менее, МПа | 0,02 |
| Диапазон регулирования величины разовой дозы, г | 100 – 9999 |
| Диапазон регулирования величины паузы, с | 0,3 – 9,9 |
| Номинальное напряжение сети электропитания, В | 400 |
| Частота сети электропитания, Гц | 50 |
| Количество электродвигателей, шт. | 2 |
| Электродвигатель главного привода: тип | 5А132М6 СУ2 |
| исполнение | IM1081 |
| мощность, кВт | 7,5 |
| частота вращения, об/мин | 960 |
| Электродвигатель вакуумного насоса: тип | SKh 80-2A2 |
| мощность, кВт | 0,75 |
| частота вращения, об/мин | 2800 |
| Электродвигатель дозирующего устройства: тип | АИР 80В6 У3 |
| исполнение | IM3081 |
| мощность, кВт | 1,1 |
| частота вращения,об/мин | 920 |
| Средний полный срок эксплуатации, лет | 10 |
| Стоимость, $ | 52 000 |
Для испытания пригодности вакуумного шприца КОМПО-ОПТИ для патронирования эмульсионных взрывчатых веществ проводились исследования на невзрывчатой смеси, физико-механические характеристики которой аналогичны характеристикам эмульсионного взрывчатого вещества второго класса «Гремикс». Вещество представляет собой эмульсию типа «вода в масле», в которой капли растворенного окислителя окружены водоизолирующей пленкой топлива, в качестве сенсибилизаторов добавлены стеклянные микросферы. Имитирующая смесь состоит из раствора окислителя, загущенного натриевой солью карбоксиметилцеллюлозы с добавлением углекислого кальция в качестве твердой фазы. Соотношение компонентов имитатора дает вязкость, удельный вес и абразивные свойства, соответствующие «Гремиксу». Для испытания было приготовлено 10 кг смеси.
Для патронирования эмульсионных взрывчатых веществ применять вакуумирование не обязательно, поскольку включения воздуха способствуют распространению детонации в веществе.
Испытуемая смесь загружалась в приемный бункер аппарата КОМПО-ОПТИ 2000-01, на головку шприца одевался полимерный рукав диаметром 36 мм. При задании программы на изготовление патронов массой 300 г отклонение от заданной массы составляло 5 г, при программировании на изготовление патронов массой 200 г 3 г. При программировании аппарата на изготовление патронов определенной длины, размеры патрона соблюдались до миллиметра. При испытаниях минимальная масса патрона составляла 2 г, максимальная – 600 г. Наполнение оболочки производилось за 0,2 с независимо от заданной массы патрона.
Также были проведены опыты по наполнению оболочек водой с целью проверки герметичности заделки торцов патронов на аппарате. При хранении патронов, наполненных водой, на протяжении более 1,5 месяцев, истечения продукта не происходило, упаковка оставалась герметичной.
Для обеспечения безопасности процесса наполнения оболочек эмульсионными взрывчатыми веществами осуществлены некоторые модификации вакуумного шприца: оборудование выполнено в искробезопасном исполнении, зазор шнеков увеличен до 0,25 мм, шнеки изготавливаются одновременно на станке с числовым программным управлением, что обеспечивает их одинаковый износ, то есть ни при каких условиях не будет происходить контакт поверхностей.
ЗаключениеВакуумный шприц КОМПО-ОПТИ 2000-01 успешно прошел испытания на пригодность к изготовлению патронов эмульсионных взрывчатых веществ. В настоящее время данный аппарат устанавливается на ДКЗХИ.
В дальнейшем планируется анализ различных оболочек на пригодность к использованию для патронирования взрывчатых веществ и поиск оптимального варианта.
На данный момент работа находится в разработке, окончание планируется на декабрь 2010 года. Полный текст работы можно будет получить у научного руководителя или автора.
