Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Буровые и взрывные работы являются одними из основных технологических процессов добычи полезных ископаемых. Поэтому они в значительной степени влияют на состояние промышленной и экологической безопасности горнодобывающего предприятия, а также определяют экономическую эффективность его работы [1].

Но вместе с тем буровзрывные работы (БВР) являются источником повышенной опасности. Непосредственно на взрывные работы приходится 0,7 % смертельного травматизма. Особую опасность представляют возможные последствия взрывных работ. В среднем в 20 % случаев взрывные работы являются причиной взрывов метано- и пылевоздушной смеси, вспышек и горения метана и в 5 % случаев причиной экзогенных пожаров [2]. Для предотвращения взрывов метано- и пылевоздушных смесей применяют предохранительные взрывчатые вещества. Для различных горно-геологических условий и степени опасности выработок по газу и пыли применяют ВВ различных классов.

Кроме факторов мгновенного действия, взрывы характеризуются множественными процессами влияния на окружающую природную среду, один из которых – загрязнение воздушного пространства, грунтов и вод продуктами взрывания [3]. При применении предохранительных ВВ в сложных горно-геологических условиях залегания пластов с высокой температурой пород (до 50°С) и плохо проветриваемых забоях горных выработок , имеет место токсичное действие на организм человека не только продуктов взрыва ВВ, но и сильно токсичных ингредиентов их состава. Так содержащиеся в составе ПВВ нитроэфиры и тротил, которые, согласно ГОСТ 12.1.005–88 и ГОСТ 12.1.007–76 , относятся к I и II классу опасности по токсичному действию на организм человека, делают эти ВВ экологически опасными [4]. Разработка экологически чистого предохранительного ВВ, не содержащего в своём составе токсичных компонентов, позволит решить эту проблему.

1. Актуальность темы

Внедрение эмульсионных взрывчатых веществ привело к решению нескольких важных задач:

  1. Эмульсионные ВВ имеют низкую чувствительность к механическим воздействиям, что позволило повысить безопасность ведения взрывных работ.
  2. Эмульсионные ВВ не содержат токсичных компонентов, что делает их экологически чистыми ВВ.

Однако на сегодняшний день все промышленные эмульсионные ВВ, выпускаемые на территории Украины, не обладают предохранительными свойствами, что затрудняет и ограничивает их применение в шахтах опасных по газу и пыли. Поэтому создание эмульсионных ВВ, обладающих уровнем предохранительности, который соответствует IV и V классу, является актуальной задачей.

2. Цель и задачи исследования

Целью исследований в данной работе является изучение возможности обеспечения предохранительных свойств, путём введения в состава эмульсионных ВВ ингибиторов воспламенения метана. Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

  1. Провести литературный анализ существующих ингибиторов воспламенения метана.
  2. Выбрать наиболее эффективные и безопасные ингибиторы с точки зрения токсичности.
  3. Определить теоретически необходимое количество ингибитора в составе эмульсионного ВВ для придания ему предохранительных свойств на уровне IV–V класса.
  4. Провести исследования по совместимости компонентов в растворе окислителя эмульсионного ВВ.
  5. Рассчитать окончательный состав предохранительного ЭВВ IV класса.
  6. Рассчитать окончательный состав предохранительного ЭВВ V класса.

3. Обзор исследований и разработок

3.1. Обзор международных источников

На сегодняшний день эмульсионные ВВ получили широкое распространение по всему миру. Наиболее известными из них являются [5] следующие ЭВВ: «Поремит С» (ГосНИИ «Кристалл», Россия); «Фортис 70 С» («Дино Нобель», Швеция; «Орика», Австралия – США); «Тован 60В» (ETI, Канада). Их состав приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Составы зарубежных эмульсионных ВВ
Марка BB Состав, % масс.
NH4NO3 H2O NaNO3 Масло I-20 Эмульгатор Карбамид SiO2 ANFO
NH4NO3 ДТ
Фортис 70С 57,74 14,00 - 1,92 0,77 2,57 - 28,26 1,74
Поремит С 62,25 9,25 16,5 9,25 4,75 2,35 - 16,5
Тован 60В 37,26 9,40 9,48 2,76 1,10 - 1,5 37,68 2,32

Известны эмульсионные ВВ для опасных условий шахт, разработанные в КНР, %: нитрат аммония 40–52, нитрат натрия 9–11, карбамид 1–2, хлорат калия 1–11, вода 5–9, эмульгатор 1,5–2,5, минеральное масло 0,5–3,0, воск от 0 до 3, соль-пламегаситель (натрия хлорид) 18–25, окись алюминия (порошок) 0,4–1,5 [6].

В 2009 году в России зарегистрирован патент «Эмульсионный предохранительный взрывчатый состав и способ его получения». Состав эмульсионного предохранительного ВВ представлен в таблице 2 [7].

Этот патент был положен в основу разработки эмульсионных предохранительных ВВ IV–V класса, выпускаемых ГосНИИ «Кристалл».

Таблица 2 – Состав эмульсионного предохранительного ВВ
Компонент Содержание, % масс.
Сенсибилизатор-микросферы 8,0–15,0
Калий хлористый (соль-пламегаситель) 4,0–18,0
Селитра аммиачная 36,0–47,3
Селитра натриевая 9,0–13,0
Калий хлористый 7,0–9,0
Вода 8,0–12,0
Масло индустриальное 2,7–3,6
Петролатум или полиизобутилен(стабилизатор эмульсии) 1,0–1,3
Эмульгатор 1,3–1,8

3.2. Обзор национальных источников

Для того, чтобы исключить или снизить количество выбросов вредных веществ, в настоящее время при разработке полезных ископаемых широко применяются эмульсионные ВВ отечественного производства, обладающие повышенной экологической чистотой: Украинит различных модификаций, Грэмикс, Анэмикс, Паургель, Эмульхим и т.д. Но все перечисленные ВВ относятся к I и II классу по условиям применения, то есть не пригодны для применения в шахтах опасных по газу и разрабатывающих пласты опасные по взрывам пыли [8].Свойства и характеристики ВВ, применяемых в Украине приведены, в таблице 3 [9].

Таблица 3 – Свойства и характеристики ВВ, применяемых в Украине
Характеристика Марка ВВ
Украинит ПП Эмульхим ШМ Анемикс Эмонит
Теплота взрыва, ккал/кг 705 840 770 680–783
Скорость детонации, км/c 4,4–5,0 4,8–5,2 4,8–5,2 4,8–5,2
Критический диаметр, мм 100 50 70–80 120
Температура взрыва, °С 2100 1900 2060 2070

3.3. Обзор локальных источников

Разработкой эмульсионных ВВ в ДонНТУ занимаются на факультете экологии и химической технологии, на кафедре химической технологии топлива, где под руководством Ю. В. Манжоса разработано новое ЭВВ «Гремикс-М».

Эмульсионным ВВ также посвящён ряд научных статей и исследований профессора кафедры «Строительство шахт и подземных сооружений» ДонНТУ – С. А. Калякина [4]. В настоящее время им разрабатываются новые эффективные и безопасные средства и способы ведения взрывных работ в угольных шахтах на основе нанотехнологий получения ингибиторов окисления метана и взрыва угольной пыли.

4. Основные исследования и результаты

4.1. Выбор ингибиторов для предохранительного эмульсионного ВВ

В промышленных взрывчатых веществах IV класса в качестве ингибиторов применяются – галогены щелочных металлов. Согласно исследованиям, проведённым ранее [10,11], галогены щелочных металлов являются наиболее активными отрицательными катализаторами.

Окисление метанан кислородом воздуха описывается брутто-реакцией:

CH4 + O2 → CO2 + 2H2O

В общем, окисление углеводородов представляет собой сложную радикальную цепную реакцию с вырожденным разветвлением цепи. Основная цепочка, по В. Н. Кондратьеву [12], представляет собой преимущественно реакции с участием углеводородных и гидроксильного радикалов, а также атомарного кислорода:

Реакция радикальная окисления метана

Рисунок 1 – Радикальная цепная реакция окисления метана
(анимация: 6 кадров, 8 циклов повторения, 26 килобайт)

Л. Долан и П. Демпcтер [13] вдуванием порошков в нагретый сосуд с газом определяли пламегасящую способность ряда солей по отношению к метано-воздушной смеси и получили следующий ряд по убыванию пламегасящей способности: KF, KI, NaAlF3, NaСl, Na2SiF4,KCl. А Т. Мурат [14] установил следующий ряд по эффективности пламегасителей (в порядке убывания): NaCl, KCl, K2CO3, Na2CO3, CaCl2, NH4Cl. Но не все галогены щелочных металлов могут входить в состав предохранительных ВВ, так к примеру, соединения щелочных металлов с F и Br токсичны.

Как видно из представленного выше, достаточно активным, экологически чистым, не дефицитным и дешёвым пламегасителем является NaCl.

Исследования МакНИИ показали, что для обеспечения предохранительных свойств эмульсионных взрывчатых веществ на уровне IV класса, содержание пламегасителя (учитывая наличие 10 % воды, которая также является пламегасителем) в их составе должно быть не менее 10–12 %. Растворимость NaCl достаточно низкая – 35,9 г/100 г воды при 20 °С, и с увеличением температуры остаётся практически неизменной. А содержание воды в составе ЭВВ не должно превышать 10–12 %, из соображений сохранения высоких энергетических характеристик. Так увеличение содержания воды в составе эмульсионного ВВ на 1 % снижает энергетику состава на ~2,5 % и влечёт за собой уменьшение процентного содержания окислительной фазы в составе. Таким образом, увеличение содержания воды в составе ЭВВ является нежелательным, с точки зрения потери полезной работоспособности и энергетических характеристик состава [15].

Максимальное количество NaCl, которое мы можем растворить в 10–12 % воды, составляет ~3 % по отношению к 1 кг ВВ. Добавление NaCl в виде твёрдой фракции снижает детонационные характеристики ВВ. В качестве пламегасителя также могут использоваться такие соли, как KCl и CaCl2, обладающие более высокими значениями растворимости. Одним из ключевых вопросов данной работы, стал вопрос о возможности применения комбинированного пламегасителя, состоящего из NaCl, KCl и CaCl2, в составе ЭВВ.

Проведённые нами исследования показали, что эти соли не оказывают взаимного влияния на растворимость каждой соли в отдельности, что позволяет ввести в состав эмульсионного ВВ требуемое количество пламегасителя.

4.2. Разработка базового состава эмульсионного предохранительного ВВ

Наиболее распространенным окислителем является аммиачная селитра. Использование в качестве дисперсной фазы раствора аммиачной селитры связано с определенными технологическими трудностями. Так как 90 % раствор аммиачной селитры имеет температуру кристаллизации 160 °С. Приготовление обратной эмульсии и поддержание такой высокой температуры в производственных условиях карьеров технологически затруднено и не безопасно, а зачастую и невозможно [16]. Рассматривая множество компонентов, которые могли бы снизить температуру кристаллизации, выбор был сделан в пользу смеси аммиачной и кальциевой селитр. В качестве горючей фазы в базовом составе используется индустриальное масло. Эмульгатор – «Лубризол».

Разработанный базовый состав приведен в таблице 4.

Таблица 4 – Базовый состав разработанного предохранительного эмульсионного ВВ
Компоненты
Горючая фаза KCl NaCl CaCl2 Вода NH4NO3 Ca(NO3)2
Содержание, % 6 3,2 3,3 6,5 9,4 51,5 20,1

4.3. Расчёт энергетических и предохранительных характеристик базового состава предохранительного эмульсионного ВВ

Уравнение взрывчатого превращения базового состава будет иметь следующий вид:

0,177C24H50 + 0,43KCl + 0,56NaCl + 0,58CaCl2 + 5,22H20 + 6,44NH4NO3 + 1,22Ca(NO3)2 → 0,43KCl + 0,56NaCl + 0,58CaCl2 + 1,22CaCO3 + 22,5H20 + 2,67CO2 + 0,36CO

Расчет теплоты взрыва будем вести по формуле:

Q = Qпр. + Qисх.

где Q – теплота взрыва, ккал/кг;

Qпр. – теплота образования продуктов взрыва, ккал/кг;

Qисх. – теплота образования ВВ, ккал/кг.

Значение теплот образования компонентов ВВ и продуктов взрыва взяты из источника [10]. Полученное значение Q = 714 ккал/кг или 2991 кДж/кг.

Кислородный баланс базово рецептурного состава вычислим по формуле:

К.б. = Σ Xi× к.б.i

где K.б.  – кислородный баланс ВВ, %;

Хi – массовая доля і-го компонента, кг/кг;

к.б.i – кислородный баланс і-го компонента, %.

Кислородный баланс ВВ равняется –0,66. Данное значение является приближенным к нулю, что обеспечивает минимальное выделение токсичных газов при взрыве ВВ, то есть обеспечивает его экологическую безопасность. Кроме того, исследования МакНИИ показали, что при небольшом отрицательном кислородном балансе выделение условной окиси углерода меньше, чем при нулевом.

Расчет предохранительных свойств будем вести по методике, предложенной Б. И. Вайнштейном [17]. В качестве количественной характеристики уровня предохранительности рассчитаем массу заряда ВВ, при которой в заданных условиях наблюдается 50 % воспламенений, по представленным эмпирическим зависимостям:

- для зарядов в канале мортиры:

m50 = 1,41 × 1020 × Q-5 × β-1,83

где m50 – масса заряда ВВ, при которой в заданных условиях наблюдается 50 % воспламенений, г;

Q – теплота взрыва ВВ, кДж/кг – 2991.

β = D / (0,063 × ρ-0,7 × Q0,5)

где D – скрость детонации, км/с;

ρ – плотность ВВ, при которой измерена скорость детонации, г/см3 – 1,2.

Для проведения расчётов принимаем значение скорости детонации равное 4 км/с (определённое для схожего по составу эмульсионного ВВ).

Полученное значения m50 – 566 г.

Согласно ГОСТ 7140, при испытаниях предохранительных ВВ IV класса в опытном штреке производят 20 взрывов в канале мортиры без забойки, массой заряда 300 г. При этом допускается получение до 50 % воспламенений (9 воспламенений из 20 опытов). Следовательно m50 должна быть более 300 г.

Полученное нами расчётное значение m50 в 2 раза превышает требование ГОСТ 7140, что даёт возможность с уверенностью сказать, что представленное ВВ обладает необходимыми предохранительными свойствами.

Выводы

Из выше изложенного следует, что применение ВВ, содержащих тротил и НЭ, наносит значительный ущерб окружающей среде. Для повышения экологической безопасности промышленных предохранительных ВВ, необходимо прейти на экологически чистые составы ВВ на основе эмульсий.

Для обеспечения предохранительных свойств эмульсионных ВВ необходимо применять комбинированный пламегаситель, позволяющий ввести в состав ВВ требуемое количество пламегасителя.

Полученные результаты исследований, в будущем, будут положены в основу разработки промышленного образца предохранительного эмульсионного ВВ.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2015 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Захаренков Е. И. Состояние взрывного дела в Украине. Государственный надзор в сфере обращения со взрывчатыми материалами промышленного назначения / Е. И. Захаренков // Информационный Бюллетень УСИВ. – 2010. – № 4. – С. 4–8. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://usiv.com.ua.
  2. Александров С. М. Охорона праці у вугільній промисловості: Учбовий посібник для студентів гірничих спеціальностей вищих учбових закладів / C. М. Александров, Ю. Ф. Булгаков, В. В. Яйло. – Д.: РІА ДонНТУ – 2004. – 480 c.
  3. Корнет В. В. К вопросу использования взрывчатых веществ на горнорудных предприятиях Кривбасса / В. В. Корнет, О. В. Прохода, С. М. Чухарев // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. – 2014. – Вип. 4/2014 (87). – С. 113–117. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.kdu.edu.ua.
  4. Калякин С. А. Обоснование технических требований к экологически чистым предохранительным ВВ / С. А. Калякин, К. Н. Лабинский, Е. В. Терентьева // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. – 2014. – Вип. 6/2009 (59). Частина 1 – С. 169–174. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.kdu.edu.ua.
  5. Купрін В. П. Оцінка детонаційних характеристик емульсійних вибухових речовин марки «Украйніт» та «Емоніт» / В. П. Купрін, О. Ю. Вілкул, М. І. Іщенко, О. В. Колтунов // Информационный бюллетень УСИВ. – 2012. – № 4. – C. 5–10. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.usiv.com.ua.
  6. РЖ «Горное дело». – 1985.
  7. Пат. 2375336 Российская Федерация, МПК С06В31/28, С06В29/02. Эмульсионный предохранительный взрывчатый состав и способ его получения. / Илюхин В. С., Колганов Е. В., Соснин В. А., Макогон Л. В., Лобаева Л. В.; заявитель Государственный научно-исследовательский институт «Крситалл». – № 2008103414/02; заявл. 29.01.2008; опубл. 10.12.2009.
  8. Тимофеева А. М. Разработка экологически чистого предохранительного ВВ / А. М. Тимофеева, Ю. В. Манжос // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Материалы IX Международной научной конференции аспирантов и студентов. – Донецк, ДонНТУ – 2015.
  9. Желтоножко А. А. Состояние и перспективы развития промышленных взрывчатых веществ и средств инициирования в Украине и за рубежом / А. А. Желтоножко, В. Р. Закусило // Информационный бюллетень УСИВ. – 2009. – № 3. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.usiv.com.ua.
  10. Дубнов Л. В. Промышленные взрывчатые вещества / Л. В. Дубнов, Н. С. Бахаревич, А. И. Романов. – М.: Недра, 1988. – 358 с.
  11. Светлов Б. Я. Теория и свойства промышленных взрывчатых веществ / Б. Я. Светлов, Н. Е. Яременко. – М.: Недра, 1973. – 208 с.
  12. Кондратьев В. Н. О теории горения углеводородов / В. Н. Кондратьев // «Журнал физической химии». – 1946. – № 4–5. – C. 345–354.
  13. Dolan L. E., Dempster P. B. Journ. of applied Chemistry. V. 5, part 9. – 1955. – pр. 510–517.
  14. Murata T. Диффузионная теория горения метана / T. Murata // Japan Sci. Rev. Engang Dci., 2. – 1952. – № 4. – pр. 421–427.
  15. Тимофеева А. М. Исследование возможностей обеспечения предохранительных свойств ЭВВ / А. М. Тимофеева, Ю. В. Манжос // Инновационные перспективы Донбасса. Материалы Международной научно-практической конференции. – Донецк – 2015.
  16. Стрилец А. П. Выбор состава и концентрации раствора окислителя для приготовления эмульсионных взрывчатых веществ типа украинит / А. П. Стрилец // Сборник научных трудов НГА Украины – 2009. – № 12, Том 2. – C. 145–149.
  17. Технические требования к патронированным ВВ IV и V. Методика предварительной (аналитической) оценки основных свойств предохранительных ВВ. – Изд. МакНИИ, Макеевка – Донбасс, 1983. – 88 с.