Увеличение эффективности и безопасности использования промышленного взрывчатого вещества граммонита 79/21

Обеспечение безопасности жизнедеятельности при разработке, производстве и эксплуатации взрывчатых веществ (ВВ) является крайне актуальной задачей. При разработке новых промышленных взрывчатых веществ (ПВВ), усовершенствовании уже существующих составов стремятся к получению безвредных продуктов взрыва в результате взрывчатого превращения ВВ и к высоким энергетическим показателям. В данной работе исследовался состав граммонит 79/21, проведены эксперименты и расчеты для его усовершенствования.

Граммонит 79/21 представляет собой сыпучую механическую смесь 79% аммиачной селитры и 21% тротила. Взрывчатое превращение граммонита протекает по следующей реакции:

Соотношение окислителя и горючих компонентов в составе ВВ определяет полное или неполное окисление горючих элементов. Это соотношение характеризуется кислородным балансом ВВ. Недостаток кислорода в ВВ приводит к неполному окислению горючих элементов, в этом случае ВВ имеет отрицательный кислородный баланс. Если в ВВ окислителя хватает для полного окисления горючих элементов, то он характеризуется нулевым кислородным балансом, если имеется избыток – положительным. В случае полного окисления (кислородный баланс смеси близкий к нулю) будут образовываться безвредные продукты взрыва СО₂, Н₂О и N₂.

Для ВВ, которое имеет состав С_aН_bN_сО_dАl_e, кислородный баланс можно выразить в процентах избытка или недостатка кислорода для полного окисления горючих элементов в молекуле ВВ:

где а, b, d и e – число атомов углерода, водорода, кислорода и алюминия в молекуле; 16 – атомная масса кислорода; M_ВВ – молекулярная масса ВВ.

Если для полного окисления горючих элементов не хватает кислорода, то он должен вступать, прежде всего, в те реакции, которые сопровождаются максимальным выделением тепла. Поэтому при взрыве ВВ с отрицательным кислородным балансом в зависимости от относительного количества кислорода образуются либо ядовитый оксид углерода с меньшим выделением тепла, чем при образовании углекислоты, либо чистый углерод в виде сажи, снижающий образование газов.

Таким образом, ВВ с нулевым кислородным балансом выделяют максимальное количество энергии и минимальное – ядовитых газов.

При положительном кислородном балансе ВВ образуются различные оксиды азота, являющиеся весьма ядовитыми газами, образование которых сопровождается поглощением тепла. Оксиды азота NO, NO₂, N₂O₃ при вдыхании в лёгких, вступая в реакцию с водой, образуют азотную и азотистую кислоты, действие которых приводит к отёку лёгких и смерти. Особую опасность оксиды азота представляют из-за того, что они способны накапливаться в организме. Поэтому по токсическому действию они считаются в 6,5 раза более ядовитыми, чем оксид углерода.

В ходе многолетней практики использования граммонита также выявлены следующие недостатки этого ПВВ: слеживаемость, пыление и электризуемость.

Слеживаемость граммонита 79/21 появляется из-за гигроскопичности аммиачной селитры и ее способности к полиморфным превращениям. Слеживаемость приводит к зависанию вещества в бункерах, сводообразованию, при пневмнозаряжании скважин осложняется транспортировка взрывчатки по трубопроводам и шлангам к местам заряжания.

Пыление граммонита появляется при пневмотранспортировке и пневмозаряжании скважин. При механизированном заряжании необходимо принимать меры, которые предупреждают просыпание, а также выделение пыли или частиц взрывчатого вещества в окружающее пространство. При этом во всех случаях содержание компонентов ВВ в воздухе рабочей зоны, независимо от времени контакта с ними людей, не должно превышать предельно допустимой концентрации, которая составляет 0,5 мг/м³ (по тротилу как наиболее вредному веществу).

Граммонит 79/21 упаковывается в мешки, которые состоят из двух слоев: внутренний – полиэтиленовый, и внешний – полипропиленовый. Из-за этого повышается электризуемость граммонита. В производственных условиях накопление зарядов статического электричества может достигать таких пределов, при которых их разряд способен воспламенить или вызвать взрыв чувствительных к искровым разрядам веществ. Кроме того, при электризации могут образовываться технологические препятствия, такие как, налипание продуктов на стенки аппаратов и трубопроводов, трудности при просеивании и др. Поэтому явление электризации необходимо учитывать при изготовлении и применении взрывчатых веществ.

Для уменьшения рассмотренных выше недостатков были проведены исследования, а именно в состав граммонита 79/21 вводилась обволакивающая добавка в виде индустриального масла марки И-20 и опудривающая добавка в виде графита марки С-1. Составлялись смеси аммиачной селитры с графитом, а также селитры с 0,5% масла и графитом. Содержание графита варьировалось от 0,24% до 1,02%. В результате проведенных экспериментов было определено, что добавление графита уменьшает электризуемость аммиачной селитры и смесей на ее основе. Полученные смеси сохраняют сыпучесть в течении 6 месяцев, к концу этого периода образуют небольшие комки, легко разрушающиеся при надавливании пальцами. Оптимальным рекомендуемым содержанием добавок можно считать 0,5% ИМ и 0,8% графита.

Проведены расчеты кислородного баланса и теплоты взрыва нового состава. Кислородный баланс исходного граммонита 79/21 составляет +0,02, кислородный баланс усовершенствованной смеси по расчетам составляет -3,6. Теплота взрыва граммонита до введения добавок составляет 4280 кДж/кг, при введении 0,5% ИМ и 0,8% графита этот показатель увеличился до 4710 кДж/кг.

В ходе работы усовершенствовали взрывчатый состав граммонит 79/21, путем введения добавок в виде индустриального масла И-20 и графита С-1. Усовершенствованный состав обладает меньшей электризуемостью и слеживаемостью. Оптимальное содержание добавок составляет: 0,5% индустриального масла и 0,8% графита. Были произведены расчеты энергетических характеристик нового состава. Его кислородный баланс уменьшился и составляет -3,6, теплота взрыва увеличилась с 4280 до 4710 кДж/кг.