||
ДонНТУ>
Портал магістрів ДонНТУ
Види та властивості оболонок, що використовуються для вибухових речовин
Обладнання для патронування вибухових речовин
Для проведення буровибухових робіт промислові вибухові речовини (ВР) дуже рідко використовують у вихідному стані (сипучі чи емульсійні). Практично завжди використанню ВР передує операція його патронування, тобто формування окремих патронів у оболонці з визначеною щільністю речовини у ньому. Ця операція є необхідною для забезпечення вільного транспортування вибухової речовини до місця проведення робіт, її зберігання, забезпечення стабільної детонації та постійності вибухових характеристик, мінімізації контакту людей з токсичними компонентами ВР.
Спосіб патронування залежить від фізичного стану речовини. Найбільш уживаними на теперішній час у світі є сипкі вибухові речовини (гранульовані). Це пояснюється їх невисокою вартістю, яка часто є вирішальною характеристикою. Для утворення патрона з таких ВР використовують ряд методів. Матеріал піддають впливу тиску до досягнення необхідної щільності та міцності (пресування), а потім загортають у паперові гільзи. Це особливо небезпечний процес, який завжди відбувається без участі людини. Пресування вимагає громіздкого обладнання, постійного контролю за станом прес-інструменту та є досить довгим. Іншим методом ущільнення сипких вибухових речовин є шнекування (наприклад, у автоматах Коростильова). Це також особливо небезпечний процес, до того ж додатковою небезпекою є утворення пилу, який осідає на частинах механізмів, та постійна можливість защемлення продукту, але шнекування вимагає менше часу, ніж пресування, та легше піддається автоматизації. Для утворення великих патронів (діаметром понад 90 мм) використовують ущільнення ВР за допомогою вібрації. Але цей метод дає меншу щільність патронів, ніж інші, та вимагає вже готових гільз з паперу чи іншого матеріалу.
Для формування пластичних вибухових речовин використовують метод екструзії, тобто протискання матеріалу крізь фільєру необхідної форми під впливом тиску, що утворюється шнек-гвинтом. Процес є особливо небезпечним, постійно існує можливість защемлення чи переущільнення продукту шнеком. Спосіб має відносно високу продуктивність.
У більшості апаратів для патронування емульсійних вибухових речовин (ЕВР) необхідний тиск створюють за допомогою шнек-гвинтів. Враховуючи нечутливість емульсійних ВР до механічних та теплових впливів, можна зробити висновок, що за всіх описаних методів саме патронування ЕВР є найбільш безпечним, до того ж цей процес добре піддається автоматизації [1].
Емульсійні вибухові речовини являють собою принципово нові суміші, які відрізняються високою роботоздатністю, відносно максимальною безпечністю та екологічною чистотою, можливістю регулювати їх детонаційні характеристики, стабільністю складу та водостійкістю.
Ці якості висунули їх на перший план та сприяли широкому використанню, особливо у зводнених породах.
У гірничорудній промисловості України з кожним роком збільшуються обсяги споживання ЕВР. Виготовляються вони в основному у наливному вигляді на місці проведення вибухових робіт. Використання ЕВР у патронованому вигляді має місце на кар’єрах, віддалених від місць виготовлення емульсійних композицій та з невеликим обсягом вибухових робіт. Патроновані емульсійні ВР використовують у комбінованих свердловинних зарядах ЗАРС, вони призначені для вибухових робіт у якості основного заряду при ручному заряджанні сухих та зводнених свердловин будь-якого ступеню зводненості у міцних, середніх, слабких породах та вугіллі, в тому числі схильних до спалахування під час вибухового подрібнення та у сульфідних рудах. Також можуть використовуватися у якості проміжних детонаторів та оживлювачів детонації колонки заряду з низкочутливих ВР.
Патроновані ЕВР можуть зберігати свої фізико-хімічні характеристики та вибухові властивості у широкому інтервалі температур (для емульсоліту від +50 до -50 0С).
Оскільки саме емульсійні вибухові речовини є найбільш перспективним напрямком у розвитку промислових ВР, особлива увага у роботі приділяється особливостям роботи з цим видом ВР. Метою роботи є аналіз різноманітних видів оболонок та визначення їх придатності до використання для патронування вибухових речовин, зокрема емульсійних.
З розширенням застосування емульсійних вибухових речовин виникла проблема з їх патронуванням, оскільки весь існуючий асортимент обладнання для патронування промислових ВР виявився непридатним. Дослідження різних оболонок для застосування у контакті з ВР дозволить розширити можливості використання ЕВР, які є більш безпечними у використанні та відносно екологічно безпечними, та мінімізувати контакт людини з ВР.
Дослідження за даною темою можна розділити на 2 напрямки: розробки, що відносяться до властивостей оболонок для патронування промислових ВР, та розробки, які присвячені обладнанню для патронування вибухових речовин.
Доцентом ДонНТУ Калякиным С.А. у співавторстві з Терентьєвою О.В. була проведена робота з дослідження можливості застосування полімерної оболонки для зарядів запобіжних ВР з метою підвищення їх екологічної безпеки [2].
У технології видобутку вугілля застосовується буропідривний спосіб його руйнування за допомогою зарядів вибухових речовин. Для застосування у вугільних шахтах тих чи інших ВР до них висувається ряд додаткових вимог, яким вони повинні відповідати. Однією з таких вимог є відсутність шкідливого впливу на організм людини в процесі поводження з ВР. Цій вимозі повинні відповідати й запобіжні вибухові речовини (ЗВР), які застосовують при проведенні вибухових робіт у шахтах небезпечних по газу та вибухам вугільного пилу. Ця вимога передбачає відсутність у складі ЗВР речовин, які відносяться до I-II класу небезпеки згідно з ГОСТ 12.1.005-88 та ГОСТ 12.1.007-76, або ж за наявності таких у складі, забезпечення патрону ПВР належної герметизації, що дозволяє блокувати негативний вплив цих речовин на організм людини. Аналіз останніх досліджень в цій області показав, що до складу сучасних ПВР входять такі небезпечні речовини, як нітроефіри (угленіти 13П і 10П) та тротил (амоніти).
Оскільки на сьогоднішній день в Україні ще не розроблені ПВР, які не містять в своєму складі сильнодіючих на організм людини сенсибілізаторів, то знизити рівень токсичного впливу компонентів сучасних ПВР на гірників можна, якщо патронувати їх в оболонки, які забезпечують якісну герметизацію та міцність патронів.
При патронуванні ПВР для виготовлення оболонок застосовують такий матеріал, як папір. Паперові оболонки мають низьку надійність, оскільки досить велика ймовірність її розриву. До того ж паперова оболонка не забезпечує належної герметичності патрона ПВР, крізь неї проникають пари рідких нітроефірів, що входять до складу нітроефірвмістких ВР.
Перед проведенням вибухових робіт здійснюється ряд підготовчих робіт: переноска патронів ПВР, заряджання їх у шпури та ін. Через погану герметичність та низьку надійність оболонки має місце прямий контакт робітників з ПВР, а значить і токсична дія цих ПВР на їх організм. З цієї ж причини, в результаті просипу, ПВР потрапляють в робочу зону, звідки повністю їх видалити неможливо і вони стають забруднювачами шахтних вод. Частково залишаючись в області робочої зони, ПВР виявляють свій негативний вплив на людей, як у періоди підготовки до проведення вибухових робіт, так і після їх завершення. Зміст особливо небезпечних речовин у складі ЗВР, а також існування можливостей прояву токсичної дії цих речовин на людину та забруднення навколишнього середовища, дозволяє відносити їх до розряду екологічно небезпечних.
Очевидно, що заміна паперової оболонки на більш міцну та герметичну, дозволить зменшити імовірність контакту робітників зі шкідливими речовинами і та потрапляння останніх в область робочої зони, що послужить кроком до підвищення екологічної безпеки проведення вибухових робіт. Таку заміну можна знайти серед матеріалів на основі полімерних сполук. Як матеріал для виготовлення полімерних оболонок для патронів ПВР можна застосувати поліетилен, що має більш високу міцність та забезпечує оболонці герметичність в порівнянні з папером. Такий напрямок за всю історію розробки і застосування ПВР кілька разів практично використовувалося, як у нас, так і за кордоном. Щоправда, застосування поліетиленової оболонки було направлене на підвищення запобіжних властивостей та вологостійкості патронів ПВР, а не на зниження рівня токсичного впливу шкідливих речовин на робочий персонал. У колишньому Радянському Союзі були розроблені запобіжні V - VI класу патрони ПВП-1 і СП-1, а також П12ЦБ-2М. Для виготовлення патронів ПВП-1 застосовували поліетиленові ампули, для виготовлення яких використовували поліетилен високого тиску, що володіє великим відносним подовженням при розтягуванні і не втрачає еластичних властивостей при низькій температурі. Патрон П12ЦБ являв собою одностінні міцну поліетиленову оболонку, запатронованого угленіту 12ЦБ, масою 300г. Патрони забезпечені з'єднувальним вузлом, щоб утворювати монозаряд та уникнути утворення зазору між патронами в шпурі при груповому підриванні. За кордоном у Чехії патрони їхнього ПВР II класу Остравіта Ц розміщувалися також у поліетиленовому монозаряді, а в Росії у збірних жорстких оболонках за ТУ 7288-006-41103410-04. Таким чином, склався цілком технічно досягнутий напрямок патронування токсичних для людини ПВР в герметичні поліетиленові оболонки. Слід зазначити, що патронування в поліетиленові оболонки не повинне призвести до погіршення детонаційних параметрів ВР та запобіжних властивостей ПВР.
Перевірка та обґрунтування параметрів патронів ПВР в герметичних поліетиленових оболонках були проведені в МакНДІ. Випробування патронів у герметичних поліетиленових оболонках проводили на відповідність їх технічним вимогам до патронованих ВР V та VI класів з підвищеною стійкістю проти вигоряння. Високозапобіжні нітроефірвмісткі ВР угленіт 13П (V клас) та угленіт 10П (VI клас) були запатроновані в поліетиленові оболонки діаметром 37 - 38 мм, які герметизували туго посадженої кришечкою з поліетилену. Патронування угленіту в поліетиленові оболонки виконувалося на хімічному об'єднанні імені Г.І. Петровського, єдиного виробника угленіту 13П і 10П. Зразки від валових партій угленіту 13П і 10П, а також експериментальні патрони були представлені на випробування в МакНДІ. Методи та методики випробувань ПВВ V і VI класів викладені в технічних вимогах. Випробування угленіту в поліетиленових оболонках проводили паралельно з патронами в паперових оболонках, взятих від валових партій.
Результати випробувань угленіту 13П і 10П у герметичних поліетиленових оболонках показали наступне. При патронуванні угленіта 13П і 10П у герметичні поліетиленові оболонки будь-яких технологічних труднощів не виникало. Виділення нітроефірів в чистому вигляді або у вигляді пари при зберіганні та транспортуванні не спостерігалося. Вибухотехнічні показники угленіту 13П і 10П в герметичних поліетиленових оболонках значно зросли. Швидкість детонації 13П виросла на 15,5%, 10П на 3,7% в порівнянні з угленітом у паперовій оболонці. Працездатність збільшилася для угленіту 13П та 10П в поліетиленовій оболонці в середньому на 10 - 15%. Особливо необхідно відзначити збільшення вологостійкості патронів угленіту в поліетиленовій оболонці. Їх герметизація дозволила добитися високої детонаційної здатності у воді при її надмірному тиску до 5 - 10 атм. Дослідження вологостійкості патронів угленіту 13П і 10П в поліетиленовій оболонці проводили з метою вивчення їх герметичності та виключення можливості виділення пари та крапель нітроефірів з патронів.
Таким чином, герметизація патронів угленіту підвищила їх вологостійкість та дозволила використовувати ці патрони при гідровибуху - найефективнішому та безпечному способі підривання ВР у вугільних шахтах. Разом з тим, якщо розглядати звичайні умови підривання герметичних поліетиленових патронів угленіту, то потрібно відзначити зниження їх рівню запобіжних властивостей у метано-повітряній суміші (МПС). Виявилося, що патрони угленіту 13П мають рівень запобіжних властивостей по газу приблизно в два рази нижчий, ніж патрони в паперовій оболонці. Угленіт 10П показав при підриванні в цих умовах зниження рівня запобіжних властивостей в 1,13 рази. Рішення виниклої проблеми зниження рівня запобіжних властивостей по газу у таких патронів угленіту було знайдено.
При гідровибуху зарядів цих ВР під надлишковим тиском води до 20 атм вода частково проникає всередину герметичної поліетиленової оболонки крізь нещільність посадки кришечки в торці патрона та змочує ВР.
Угленіти 13П і 10П у складі містять натрієву сіль карбоксиметилцелюлози (Na-КМЦ), яка желатинізується водою та додає ВР гелеподібний стан типу густої маси, що володіє важкотікучею консистенцією. Дослідження показали, що отримані гелеподібні системи з угленіту і води стійко детонують у монозарядах, що складаються з окремих патронів у поліетиленових оболонках, якщо вміст води у речовині не перевищує 12%. Патрони угленіту 13П, що містять від 8,5 до 11% води були випробувані в кутовій мортири, розташованої в МПС. Випробування показали, що патрон угленіту 13П в поліетиленовій оболонці загальної маси близько 347 г (11% води) не давав займання МПС, тоді як «сухі» патрони угленіту 13П давали в цих умовах випробувань - 100% займання метану. Заряд угленіту 13П з двох зстикованих патронів в поліетиленовій оболонці загальною масою з ВР і води 685 г (близько 9% води) показав запалювальну здатність в 2 рази нижчу, ніж «сухі» заряди угленіту 10П. Таким чином, виявилося, що водонаповнені заряди угленіту 13П підвищили його рівень запобіжних властивостей до рівня ПВВ VI класу. У зв'язку з цим становлять інтерес досліди з визначення працездатності замочених в воді патронів з угленіту, що містить близько 10% води. Досліди проводили на 10-титонному балістичному маятнику шляхом підривання чітко підібраних за масою патронів ВР. При випробуванні було встановлено, що паперові патрони угленіту 13П (300 г) дали відхилення маятника 142,9 мм , сухі поліетиленові патрони 154 мм, а замочені з угленіту 146 мм. Виявилося, що незважаючи на зниження працездатності угленіту в мокрих поліетиленових патронах в порівнянні з сухими, все-таки їх працездатність вище, ніж в паперових оболонках на 2,2% і це при різкому, більш ніж у 5 разів, зростанні запобіжних властивостей. Таким чином, вдалося шляхом герметизації угленіту 13П і 10П в поліетиленових оболонках знизити небезпеку отруєння робітників нітроефірами, одночасно вирішивши завдання підвищення безпеки застосування цих ПВВ у вибухонебезпечному середовищі та працездатності.
Співробітниками ВАП "ППП Кривбасвибухпром" та Українського державного хіміко-технологічного університету проведена робота, яка обгрунтовує доцільність використання полімерних ізолюючих рукавов для зарядів ВР [3].
На базі ДержНДІХП проводилися розробки по створенню проміжних детонаторів з використанням поліетиленових оболонок [4].
Поліетиленові оболонки використовують для деяких видів проміжних детонаторів, зокрема на основі суміші аміачна селітра - нітрометан (рис.1).
a б
В Україні проводилися досліди по створенню оболонок, що попереджають запалення метано-повітряної суміші [5].
Окремі види оболонок використовують для запобігання спалаху метано-повітряної суміші. Інертні запобіжні оболонки виготовляють з порошкоподібних чи пресованих полум'ягасників (солей) або з аміачно-селітреного водного розчину. Товщина запобіжної оболонки навколо патрона ВР становить 4-5 мм. Захисна дія запобіжних оболонок зводиться головним чином до того, що під час вибуху ВР зовнішня оболонка поглинає 25-30% теплоти вибуху, знижуючи температуру газоподібних продуктів вибуху. У процесі вибуху ВР запобіжна оболонка подрібнюється в дуже тонкий інертний пил, а при рідкій оболонці - у водонасичений туман, який змішується з газоподібними продуктами вибуху ВР та насичує прилегле рудничне повітря інертним матеріалом. Крім того, запобіжна оболонка, обмежуючи розкид продуктів детонації та гарячих частинок ВР, сприяє більш стійкому розповсюдженню детонації по заряду ВР.
Всі ці чинники, діючи сукупно, значно зменшують небезпеку займання метано-та пилоповітряних сумішей. ВР у запобіжних оболонках доцільно застосовувати в особливо небезпечних по метану вибоях та, в першу чергу, в бутових і вентиляційних штреках, що проводяться в тріщинуватих породах. ВР у запобіжних оболонках повинні бути малозлежуваними, так як злежані ВР ускладнюють виготовлення патронів-бойовиків. Крім того, злежана ВР втрачає сприйнятливість до детонації та може вигоряти.
Запобіжні оболонки підрозділяють на інертні та активні. Інертні оболонки не містять вибухових компонентів, активні оболонки, крім інертної основи, містять невеликі кількості нітроефірів. Активні оболонки являють собою слабку за вибуховою дією, але дуже сприйнятливу до детонації ВР. Тому в процесі вибуху ВР в активній оболонці відбувається більш повне та тонке розпорошення інертної солі, що забезпечує максимальну ефективність її запобіжної дії.
Існує декілька патентів ОША, що відповідають темі роботи. Це патенти на упаковку для патронування ВР, пакувальну систему для ВР та систему для транспортування вибухових речовин: [6],[7],[8],[9].
Оскільки найбільш перспективними є емульсійні вибухові речовини, основним напрямком розробок у цій галузі є обладнання для роботи з цим видом ВР.
До моменту написання даної роботи розробок ДонНТУ на цю тему не проводиться.
На теперішній час не вдалося знайти інформацію про роботи на цю тему в Україні.
Близькими за темою роботи є патенти на способи патронування вибухових речовин, та пристрої для їх здіснення [11],[12], [13], [14], стаття В.Н. Попова та М.К. Аліпбергенова про виготовлення патронованих вибухових речовин на місцях іх виготовлення [15].
Існує інформація про сучасне обладнання для патронування емульсійних ВР.
Зовнішній вигляд апаратів наведений на рис.
Автомат термозварки та кліпсування TSCA-N
Країна-виробник: Германія.
Основні характеристики:
| Параметр | TSCA-N 65 | TSCA-N 120 |
|---|---|---|
| Ширина, мм | 1420 – 1880 | 2010 |
| Довжина, мм | 1120 – 2150 | 1250 – 2950 |
| Висота, мм | 1700 – 1900 | 1900 – 2950 |
| Маса, кг | 640 | 1150 |
| Напруга, В | 200 – 230 | 380 – 460 |
| Витрати енергії, кВ | 4,4 | 5,1 |
| Запобіжник, А | 32 | 32 |
| Стиснене повітря, МПа (бар) | 0,5 – 0,7 (5 – 7) | 0,5 – 0,7 (5 – 7) |
| Витрати повітря, л/хід | 2,5 | 2,5 |
| Вартість, $ | 58 000 | 62 800 |
Необхідне додаткове обладнання для наповнення [16].
Автомат для патронування ЕВР RYZ-32
Країна-виробник: Китай.
Пневматичний привод, наповнення ведеться у полімерні оболонки, зібрані у картриджі.
Основні характеристики:
| Параметр | Значення |
|---|---|
| Потужність виробництва,кг/год, для патронів 150 г (200 г) | 1800 (2200) |
| Робочий тиск, МПа | 5 |
| Потужність привода, кВт | 11 |
| Довжина, мм | 3300 |
| ширина, мм | 2800 |
| Висота, мм | 2750 |
| Маса, кг | 2500 |
| Вартість, $ | 77 450 |
Шприц вакуумний КОМПО-ОПТИ 2000-01
Країна-виробник: Беларусь.
Призначений для наповнення різноманітних оболонок з додатковим вакуумуванням м'ясопродуктів з розмірами шматочків не більше 16 мм [17].Основні характеристики:
| Параметр | Значення |
|---|---|
| Продуктивність при максимальній швидкості обертання гвинтів витіснювача, кг/год, не менш | 1600 |
| Теоретична продуктивність (при вільному витеченні наповнювача), кг/год, не менш | 7500 |
| Ємність бункера, м3 | 0,25 |
| Встановлена потужність, кВт, не більш | 8,35 |
| Довжина | 1195 |
| Ширина | 1215 |
| Висота | 1920 |
| Площа, що займає, м2 | 1,46 |
| Маса шприца, кг | 580 |
| Граничний залишковий тиск у вакуумній системі, не менш, МПа | 0,02 |
| Діапазон регулювання величини разової дози, г | 100 – 9999 |
| Діапазон регулювання величини паузи, с | 0,3 – 9,9 |
| Номінальна напруга мережі електроживлення, В | 400 |
| Частота мережі електроживлення, Гц | 50 |
| Кількість електродвигунів, шт. | 2 |
| Електродвигун головного приводу: тип | 5А132М6 СУ2 |
| виконання | IM1081 |
| потужність, кВт | 7,5 |
| частота обертання, об/хв | 960 |
| Електродвигун вакуумного насоса: тип | SKh 80-2A2 |
| потужність, кВт | 0,75 |
| частота обертання, об/хв | 2800 |
| Електродвигун дозуючого пристрою: тип | АИР 80В6 У3 |
| виконання | IM3081 |
| потужність, кВт | 1,1 |
| частота обертання,об/хв | 920 |
| Середній повний термін експлуатації, років | 10 |
| Вартість, $ | 52 000 |
Для випробування придатності даного апарату для патронування емульсійних вибухових речовин проводилися дослідження на невибухових суміші, фізико-механічні характеристики якої аналогічні характеристикам емульсійної вибухової речовини другого класу «Гремікс». Речовина являє собою емульсію типу «вода в маслі», в якій краплі розчиненого окислювача оточені вологоізолюючою плівкою палива, у якості сенсибілізаторів додані скляні мікросфери. Імітуюча суміш складається з розчину окислювача, загущеного натрієвою сіллю карбоксиметилцелюлози з додаванням вуглекислого кальцію у якості твердої фази. Співвідношення компонентів імітатору дає в'язкість, питому вагу та абразивні властивості, відповідні «Греміксу». Для випробування було виготовлено 10 кг суміші.
Для патронування емульсійних вибухових речовин застосовувати вакуумування не обов'язково, оскільки включення повітря сприяють поширенню детонації в речовині.
Суміш для випробувань завантажувалася в приймальний бункер апарату КОМПО-ОПТИ 2000-01, на голівку шприца одягався полімерний рукав діаметром 36 мм. При завданні програми на виготовлення патронів масою 300 г відхилення від заданої маси становило 5 г, при програмуванні на виготовлення патронів масою 200 г - 3 р. При програмуванні апарату на виготовлення патронів певної довжини, розміри патрона дотримувалися до міліметру. Під час випробувань мінімальна маса патрона становила 2 г, максимальна - 600 р. Наповнення оболонки проводилося за 0,2 с незалежно від заданої маси патрона.
Також були проведені досліди по наповненню оболонок водою з метою перевірки герметичності торців патронів. При зберіганні патронів, наповнених водою, протягом більше 1,5 місяців, витечення продукту не відбувалося, упаковка залишалася герметичною.
Для забезпечення безпеки процесу наповнення оболонок емульсійними вибуховими речовинами здійснені певні модифікації вакуумного шприца: обладнання виконано в іскробезпечному варіанті, зазор шнеків збільшений до 0,25 мм, шнеки виготовляються одночасно на станку з числовим програмним керуванням, що забезпечує їх однаковий знос, тобто ні за яких умов не буде відбуватися контакт поверхонь.
ВисновкиВакуумний шприц КОМПО-ОПТИ 2000-01 успішно пройшов випробування на придатність до виготовлення патронів емульсійних вибухових речовин. Зараз цей апарат встановлюється на ДКЗХВ.
У подільшому планується аналіз різноманітних оболонок на придатність до використання для патронування вибухових речовин та пошук оптимального варіанту.
На даний момент робота знаходиться у розробці, завершення планується на грудень 2010 року. Повний текст роботи можна буде отримати у наукового керівника чи автора.
