Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Зміст

Вступ

Бурові та вибухові роботи є одними з основних технологічних процесів видобутку корисних копалин. Тому вони значною мірою впливають на стан промислової та екологічної безпеки гірничодобувного підприємства, а також визначають економічну ефективність його роботи [1].

Але разом з тим буровибухові роботи (БВР) є джерелом підвищеної небезпеки. Безпосередньо на вибухові роботи припадає 0,7 % смертельного травматизму. Особливу небезпеку становлять можливі наслідки вибухових робіт. В середньому в 20 % випадків вибухові роботи є причиною вибухів метано- і пилоповітряної суміші, спалахів і горіння метану і в 5 % випадків причиною екзогенних пожеж [2]. Для запобігання вибухів метано- і пилоповітряних сумішей застосовують запобіжні вибухові речовини. Для різних гірничо-геологічних умов і ступеня небезпеки виробок за газом і пилом застосовують ВР різних класів.

Крім факторів миттєвої дії, вибухи характеризуються множинними процесами впливу на навколишнє природне середовище, один з яких – забруднення повітряного простору, ґрунтів і вод продуктами підривання [3]. При застосуванні запобіжних ВР в складних гірничо-геологічних умовах залягання пластів з високою температурою порід (до 50 °C) і погано провітрюваних вибоях гірничих виробок, має місце токсична дія на організм людини не тільки продуктів вибуху ВР, але і сильно токсичних інгредієнтів їх складу. Так нітроефіри і тротил, що містяться в складі ЗВР, які, згідно з ГОСТ 12.1.005–88 і ГОСТ 12.1.007–76, належать до I і II класу небезпеки за токсичною дією на організм людини, роблять ці ВВ екологічно небезпечними [4]. Розробка екологічно чистої запобіжної ВР, що не містить в своєму складі токсичних компонентів, дозволить вирішити цю проблему.

1. Актуальність теми

Впровадження емульсійних вибухових речовин призвело до вирішення декількох важливих завдань:

  1. Емульсійні ВР мають низьку чутливість до механічних впливів, що дозволило підвищити безпеку ведення вибухових робіт.
  2. Емульсійні ВР не містять токсичних компонентів, що робить їх екологічно чистими ВР.

Однак на сьогоднішній день всі промислові емульсійні ВР, що випускаються на території України, не володіють запобіжними властивостями, що ускладнює і обмежує їх застосування в шахтах небезпечних по газу і пилу. Тому створення емульсійних ВР, що володіють рівнем запобіжності, який відповідає IV і V класу, є актуальним завданням.

2. Мета і задачі дослідження

Метою досліджень в даній роботі є вивчення можливості забезпечення запобіжних властивостей, шляхом введення до складу емульсійних ВР інгібіторів займання метану. Для досягнення зазначеної мети в роботі необхідно вирішити наступні завдання:

  1. Провести літературний аналіз існуючих інгібіторів займання метану.
  2. Вибрати найбільш ефективні та безпечні інгібітори з точки зору токсичності.
  3. Визначити теоретично необхідну кількість інгібітору у складі емульсійних ВР для надання йому запобіжних властивостей на рівні IV–V класу.
  4. Провести дослідження щодо сумісності компонентів в розчині окислювача емульсійної ВР.
  5. Розрахувати остаточний склад запобіжної ЕВР IV класу.
  6. Розрахувати остаточний склад запобіжної ЕВР V класу.

3. Огляд досліджень та розробок

3.1 Огляд міжнародних джерел

На сьогоднішній день емульсійні ВР набули широкого поширення по всьому світу. Найбільш відомими з них є [5] наступні ЕВР: Пореміт С (ДержНДІ Кристал, Росія); Фортіс 70С (Діно Нобель, Швеція; Оріка, Австралія – США); Тован 60В (ETI, Канада). Їх склад наведено в таблиці 1.

Таблиця 1 – Склади зарубіжних емульсійних ВР
Марка BР Склад, % масс.
NH4NO3 H2O NaNO3 Олива I-20 Эмульгатор Карбамід SiO2 ANFO
NH4NO3 ДП
Фортіс 70С 57,74 14,00 - 1,92 0,77 2,57 - 28,26 1,74
Пореміт 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

Відомі емульсійні ВР для небезпечних умов шахт, розроблені в КНР, %: нітрат амонію 40–52, нітрат натрію 9–11, карбамід 1–2, хлорат калію 1–11, вода 5–9, емульгатор 1,5–2,5 , мінеральна олива 0,5–3,0, віск від 0 до 3, сіль-полум’ягасник (натрію хлорид) 18–25, окис алюмінію (порошок) 0,4–1,5 [6].

У 2009 році в Росії зареєстрований патент Емульсійний запобіжний вибуховий склад і спосіб його одержання. Склад емульсійної запобіжної ВР представлений в таблиці 2 [7].

Цей патент був покладений в основу розробки емульсійних запобіжних ВР IV–V класу, що випускаються ДержНДІ Кристал.

Таблиця 2 – Склад емульсійної запобіжної ВР
Компонент Вміст, % масс.
Калій хлористий (сіль-полум’ягасник) 4,0–18,0
Селітра аміачна 36,0–47,3
Селітра натрова 9,0–13,0
Калій хлористий 7,0–9,0
Вода 8,0–12,0
Олива індустріальна 2,7–3,6
Петролатум або поліізобутілен(стабилізатор емульсіі) 1,0–1,3
Емульгатор 1,3–1,8

3.2. Огляд національних джерел

Для того, щоб виключити або знизити кількість викидів шкідливих речовин, в даний час при розробці корисних копалин широко застосовуються емульсійні ВР вітчизняного виробництва, що володіють підвищеною екологічною чистотою: Украйніт різних модифікацій, Гремікс, Анемікс, Паургель, Емульхім та інші. Але всі перераховані ВР відносяться до I та II класу за умовами застосування, тобто не придатні для застосування в шахтах небезпечних по газу й шахтах, що розробляють пласти небезпечні за вибухами пилу [8]. Властивості і характеристики ВР, які застосовуються в Україні наведені, у таблиці 3 [9].

Таблиця 3 – Властивості і характеристики ВР, які застосовуються в Україні
Характеристика Марка ВР
Украйніт ПП Емульхім ШМ Анемікс Емоніт
Теплота вибуху, ккал/кг 705 840 770 680–783
Швидкість детонації, км/c 4,4–5,0 4,8–5,2 4,8–5,2 4,8–5,2
Критичний діаметр, мм 100 50 70–80 120
Температура вибуху, °С 2100 1900 2060 2070

3.3. Огляд локальних джерел

Розробкою емульсійних ВР в ДонНТУ займаються на факультеті екології та хімічної технології, на кафедрі хімічної технології палива, де під керівництвом Ю. В. Манжоса розроблена нова ЕВР Гремікс-М.

Емульсійним ВР також присвячено ряд наукових статей і досліджень професора кафедри Будівництво шахт і підземних споруд ДонНТУ – С. А. Калякіна [4]. В даний час їм розробляються нові ефективні та безпечні засоби і способи ведення вибухових робіт у вугільних шахтах на основі нанотехнологій отримання інгібіторів окислення метану та вибуху вугільного пилу.

4. Основні дослідження і результати

4.1. Вибір інгібітору для запобіжної емульсійної ВР

У промислових вибухових речовинах IV класу в якості інгібіторів застосовуються – галогени лужних металів. Згідно з дослідженнями, проведеними раніше [10,11], галогени лужних металів є найбільш активними негативними каталізаторами.

Окислення метану киснем повітря описується брутто-реакцією:

CH4 + O2 → CO2 + 2H2O

Загалом, окислення вуглеводнів являє собою складну радикальну ланцюгову реакцію з виродженим розгалуженням ланцюга. Основний ланцюжок, по В. Н. Кондратьєву [12], являє собою переважно реакції за участю вуглеводневих і гідроксильного радикалів, а також атомарного кисню:

Реакція радикальна окислення метану

Рисунок 1 – Радикальна ланцюгова реакція окислення метану
(анімация: 6 кадрів, 8 циклів повторення, 26 кілобайт)

Л. Долан и П. Демпcтер [13] вдуванням порошків в нагрітий сосуд з газом визначали полум’ягасячу здатність ряду солей по відношенню до метано-повітряної суміші і отримали наступний ряд спадання полум’ягасячої здатності: KF, KI, NaAlF3, NaСl, Na2SiF4,KCl. А Т.  Мурат [14] встановив наступний ряд по ефективності полум’ягасників (у порядку убування): NaCl, KCl, K2CO3, Na2CO3, CaCl2, NH4Cl. Але не всі галогени лужних металів можуть входити до складу запобіжних ВР, так наприклад, сполуки лужних металів з F й Br токсичні.

Як видно з представленого вище, досить активним, екологічно чистим, не дефіцитним і дешевим полум’ягасником є NaCl.

Дослідження МакНДІ показали, що для забезпечення запобіжних властивостей емульсійних вибухових речовин на рівні IV класу, вміст полум’ягасника (враховуючи наявність 10 % води, яка також є полум’ягасником) в їх складі має бути не менше 10–12 %. Розчинність NaCl досить низька – 35,9 г/100 г води при 20 °С, і зі збільшенням температури залишається практично незмінною. А вміст води в складі ЕВР не повинен перевищувати 10–12 %, з міркувань збереження високих енергетичних характеристик. Так збільшення вмісту води в складі емульсійної ВР на 1 % знижує енергетику складу на ~2,5 % і тягне за собою зменшення процентного вмісту окисної фази в складі. Таким чином, збільшення вмісту води в складі ЕВР є небажаним, з точки зору втрати корисної працездатності і енергетичних характеристик складу [15].

Максимальна кількість NaCl, яку ми можемо розчинити в 10–12 % води, становить ~3 % по відношенню до 1 кг ВР. Додавання NaCl у вигляді твердої фракції знижує детонаційні характеристики ВР. В якості полум’ягасника також можуть використовуватися такі солі, як KCl и CaCl2, що володіють більш високими значеннями розчинності. Одним з ключових питань даної роботи, стало питання про можливість застосування комбінованого полум’ягасника, що складається з NaCl, KCl та CaCl2, в складі ЕВР.

Проведені нами дослідження показали, що ці солі не мають взаємного впливу на розчинність кожної солі окремо, що дозволяє ввести до складу емульсійної ВР необхідну кількість полум’ягасника.

4.2. Розробка базового складу емульсійної запобіжної ВР

Найбільш поширеним окислювачем є аміачна селітра. Використання як дисперсної фази розчину аміачної селітри пов’язано з певними технологічними труднощами. Так як 90 % розчин аміачної селітри має температуру кристалізації 160 °С. Приготування зворотньої емульсії і підтримка такої високої температури у виробничих умовах кар’єрів технологічно ускладнена і небезпечна, а часто і неможлива [16]. Розглядаючи безліч компонентів, які могли б знизити температуру кристалізації, вибір був зроблений на користь суміші аміачної та кальцієвої селітр. В якості горючої фази в базовому складі використовується індустріальна олива. Емульгатор – Лубрізол.

Розроблений базовий склад наведено в таблиці  4.

Таблиця 4 – Базовий склад розробленої запобіжної емульсійної ВР
Компоненти
Горюча фаза KCl NaCl CaCl2 Вода NH4NO3 Ca(NO3)2
Вміст, % 6 3,2 3,3 6,5 9,4 51,5 20,1

4.3. Розрахунок енергетичних і запобіжних характеристик базового складу запобіжної емульсійної ВР

Рівняння вибухового перетворення базового складу буде мати наступний вигляд:

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

Розрахунок теплоти вибуху будемо вести за формулою:

Q = Qпр. + Qвих.

де Q – теплота вибуху, ккал/кг;

Qпр. – теплота утворення продуктів вибуху, ккал/кг;

Qвих. – телота утворення ВР, ккал/кг.

Значення теплоти утворення компонентів ВР та продуктів вибуху взяті з джерела [10]. Отримане значення Q = 714 ккал/кг або 2991 кДж/кг.

Кисневий баланс базового рецептурного складу розрахуємо за формулою:

К.б. = Σ Xi× к.б.i

де K.б.  – кисневий баланс ВР, %;

Хi – масова частка і-го компоненту,  кг/кг;

к.б.i – кисневий баланс і-го компоненту, %.

Кисневий баланс ВР дорівнює –0,66. Відомо, що при невеликому негативному кисневому балансі у процесі вибухового перетворення ВР виділяється найменша кількість токсичних газів (окису вуглецю та оксидів азоту). Отримане розрахункове значення кисневого балансу знаходиться в наведеному інтервалі, що забезпечує мінімальне виділення токсичних газів при вибуху ВР, тобто забезпечує його екологічну безпеку.

Розрахунок запобіжних властивостей будемо вести за методикою, запропонованою Б. І. Вайнштейном [17]. В якості кількісної характеристики рівня запобіжності розрахуємо масу заряду ВР, при якій в заданих умовах спостерігається 50 % займань, за поданими емпіричним залежностям:

- для зарядів в каналі мортіри:

m50 = 1,41 × 1020 × Q-5 × β-1,83

де m50 – маса заряду ВР, при якій в заданих умовах спостерігається 50 % займань, г;

Q – теплота вибуху ВР, кДж/кг – 2991.

β = D / (0,063 × ρ-0,7 × Q0,5)

де D – швидкість детонації, км/с;

ρ – щільність ВР, при якій виміряна швидкість детонації, г/см3 – 1,2.

Для проведення розрахунків приймаємо значення швидкості детонації 4 км/с (яке визначене для схожої за складом емульсійної вибухової речовини).

Отримане значення m50 – 566 г.

Згідно ГОСТ 7140, при випробуваннях запобіжних ВР IV класу, в дослідному штреку роблять 20 вибухів в каналі мортири без набійки, масою заряду 300 г. При цьому допускається одержання до 50 % займань (9 займань з 20 дослідів). Отже m50 повинно бути більше 300 г.

Отримане нами розрахункове значення m50 в 2 рази перевищує вимоги ГОСТ 7140, що дає можливість з упевненістю сказати, що представлена ВР володіє необхідними запобіжними властивостями.

Висновки

З вище викладеного випливає, що застосування ВР, що містять тротил і нітроефіри, завдає значної шкоди довкіллю. Для підвищення екологічної безпеки промислових запобіжних ВР, необхідно перейти на екологічно чисті склади ВР на основі емульсій.

Для забезпечення запобіжних властивостей емульсійних ВР необхідно застосовувати комбінований полум’ягасник, що дозволяє ввести до складу ВР необхідну кількість полум’ягасника.

Отримані результати досліджень, в майбутньому, будуть покладені в основу розробки промислового зразка запобіжної емульсійної ВР.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не заверщена. Остаточне завершення: грудень 2015 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

  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.