Автор: Ефремов Э.И.
Источник: Вісник КТУ, вип. 23, 2009
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. Одним из важнейших направлений повышения эффективности и безопасности взрывных работ на карьерах является расширение области применения взрывчатых смесей простейшего состава. Это продиктовано не только необходимостью сокращения расхода дорогостоящих взрывчатых веществ, что приводит к удорожанию взрывных работ, но и значительным повышением требований к их технологической и экологической безопасности [1]. Этим в основном, а также достаточной эффективностью при отбойке скальных пород средней и ниже средней крепости можно объяснить активное использование ВВ простейшего состава ведущими горнодобывающими странами мира. В частности, на карьерах США, Канады, Австралии и других стран объемы использования ВВ простейшего состава типа АN-FО составляют 80-90 % [2]. Следует отметить, что при этом в качестве основного компонента такого типа ВВ используется пористая аммиачная селитра, обеспечивающая физическую стабильность взрывчатой смеси.
Ассортимент промышленных ВВ на открытых горных работах в Украине представлен в основном тротилсодержащими (граммониты 79/21 50/50, полимиксы), эмульсионными и простейшими ВВ. Однако объемы применения ВВ простейшего состава не превышают 5-7 %. Исключение составляют гранитные карьеры (доля простейших ВВ около 18 %) и карьеры по добыче флюсовых известняков и доломитов (50-80 %).
Как отмечает Б.Н. Кутузов [3], сдерживающими факторами масштабного применения на карьерах СНГ ВВ простейшего состава являются: небольшой диаметр взрывных скважин и связанное с этим неблагоприятное протекание детонационных процессов в зарядах ВВ; отсутствие промышленного производства пористой аммиачной селитры, способной исключить миграцию дизельного топлива; высокая обводненность горных пород, достигающая, например, на железорудных карьерах Кривбасса 90 %, что затрудняет или исключает использование неводоустойчивых ВВ простейшего состава. Наконец, определяющим фактором является низкая физическая стабильность простейших взрывчатых смесей.
Цель работы. Расширение области применения взрывчатых смесей простейшего состава путем обеспечения их максимальной физической стабильности и повышения мощности, а также создания условий для использования их при отбойке обводненных горных пород.
Изложение материала и результаты исследований. На карьерах Украины в качестве компонента окислителя для приготовления ВВ простейшего состава применяют аммиачную селитру марок «А» и «Б», которые не способны удержать на поверхности гранул более 2,5 % масс дизельного топлива (при необходимом количестве 5-6 %). Как следствие, при длительном хранении ВВ в скважине дизельное топливо стекает в нижние слои заряда, что, с одной стороны, нарушает стехиометрическое соотношение компонентов ВВ, а с другой - повышает концентрацию дизельного топлива во взрывчатой смеси в перебуре скважины до 10-12 % массы смеси, создавая условия для потери детонационной способности ВВ. Выделение энергии при взрыве нестабильного состава аммиачно-селитренных ВВ уменьшается более чем в 1,5-2,0 раза. Увеличивается также количество выделяющихся при взрыве вредных газов.
Отсутствие пористой аммиачной селитры в Украине вынуждает искать другие пути решения проблемы физической стабильности ВВ простейшего состава. Наибольшее распространение при этом получили способы, основанные на включении в состав смесей твердых мелкодисперсных горючих добавок типа алюминиевой пудры, тонкоизмельченного каменного и древесного угля, древесных опилок и др., хорошо адсорбирующих жидкие компоненты.
Отметим, в частности, что введение в качестве горючей добавки в состав взрывчатой смеси алюминиевого порошка повышает на 20-40 % теплоту взрыва, а также объемную концентрацию энергии ВВ благодаря увеличению его плотности. Введение в состав взрывчатой смеси угольного порошка увеличивает эффективность взрыва на 17-20 % [4].
Одним из способов увеличения поверхности контакта окислителя (АС) с жидкими компонентами, повышающими физическую стабильность заряда ВВ простейшего состава, является предварительное дробление (измельчение) части гранул аммиачной селитры [1]. При этом повышается плотность заряжания и, соответственно, энергия взрыва.
Как известно, объемная концентрация энергии взрыва Еv относится к числу важнейших параметров, определяющих в значительной мере эффективность действия взрыва при разрушении горных пород [5]. Ее абсолютное значение находится в прямой зависимости от теплоты взрыва Q и плотности заряда ВВ.
Таким образом, решая проблему физической стабильности простейшей взрывчатой смеси за счет измельчения части гранул аммиачной селитры, мы повышаем плотность заряда ВВ и, соответственно, объемную концентрацию энергии ВВ. В свою очередь, при повышении плотности ВВ увеличивается его скорость детонации, характеризующая скорость высвобождения тепловой энергии, заключенной во взрывчатом веществе. С увеличением скорости детонации возрастает энергия ударной волны, что способствует повышению степени дробления горных пород.
В работе [6] отмечается, что для многокомпонентных ВВ, представляющих собой механическую смесь окислителя и горючего материала, первоначально наблюдается увеличение скорости детонации с плотностью заряда. С дальнейшим возрастанием плотности происходит снижение скорости. При плотности выше некоторой критической (последняя зависит от диаметра заряда) стационарная детонация невозможна.
Исследования влияния изменения плотности заряда простейшей взрывчатой смеси за счет измельчения гранул аммиачной селитры были проведены в полигонных условиях [1]. Взрывчатые смеси с различным содержанием измельченной аммиачной селитры (10, 20 и 30 %) размещали в полиэтиленовых трубах диаметром 160 мм. Скорость детонации фиксировали регистратором временных интервалов РВИ и ионизационными датчиками.
При этом установлено, что скорость детонации смесевых ВВ (игданитов) зависит не только от содержания измельченных зерен аммиачной селитры (плотности ВВ), но и от времени (сутки) выдержки смеси до взрыва. Если в первый день испытаний увеличение массы измельченной аммиачной селитры (и, соответственно, плотности ВВ) от 10 до 30 % привело к росту скорости детонации от 3,58 до 3,70 км/с (на 3,3 %), то после четырехдневной выдержки взрывчатой смеси эти данные значительно изменились: от 2,8 км/с при стандартном составе игданита до 3,65 км/с при содержании измельченной АС в пределах 30 % (на 30,3 %).
Принимая во внимание, что комплексным показателем [5], учитывающим одновременно количество высвобождаемой при взрыве тепловой энергии из единицы объема заряда ВВ Ev и скорость ее высвобождения (скорость детонации Vd), является коэффициент мощности ВВ - Км, можно полагать, что для повышения эффективности (мощности) взрывчатой смеси простейшего состава необходимо стремиться к увеличению скорости детонации.
Скорость детонации заряда ВВ и, следовательно, мощность взрыва конкретного взрывчатого вещества зависит от многих факторов, в том числе, как отмечено выше, от плотности, а также от размера частиц ВВ, диаметра заряда, направления инициирования и других технологических приемов.
Каждое взрывчатое вещество характеризуется минимальным диаметром заряда, при котором происходит детонация, называемый критическим dKP, а также максимальным диаметром заряда dnp, при котором реализуется идеальная скорость детонации. Детонация, протекающая в зарядах с dKp,d,dnp называется неидеальной.
При этом снижение скорости детонации цилиндрических зарядов ВВ с уменьшением диаметра связано с радиальным расширением вещества и энергетическими потерями [6]. Впервые связь между критическим диаметром и временем химических реакций в детонационной волне рассмотрел Ю.Б. Харитон. Прямым подтверждением идеи о том, что разлет в стороны является главной причиной затухания скорости детонации, служат экспериментальные данные о влиянии оболочки на dnp
Для каждого типа ВВ увеличение диаметра его заряда до определенного предела влияет на скорость его детонации. Увеличению диаметра соответствует повышение скорости вплоть до достижения максимальной предельной скорости детонации.
Факт увеличения скорости детонации с увеличением диаметра заряда наблюдался многими исследователями. В частности, М.А. Кук [8] при испытании свойств взрывчатой смеси АС-ДТ установил, что изменение диаметра заряда с 127 до 254 мм (при неизменной плотности заряда рвв = 0,82г/см3) привело к увеличению скорости детонации заряда от 3,56 до 4,02 км/с, т.е. на 13,0 %.
При исследовании [9] зарядов ВВ простейшего состава типа ИВД-5 (игданит высокого давления), критический диаметр которого в стальной трубе составляет 36 мм, была прослежена четкая зависимость скорости детонации от диаметра заряда. В процессе эксперимента заряды игданита размещали в стальных трубах диаметром 40-200 мм. Масса ВВ колебалась от 0,6 до 31,4 кг. Установлено: при диаметре заряда 40 мм скорость детонации - 2,8 км/с, при диаметре заряда 100 мм - 3,4 км/с, а при диаметре заряда 200 мм - 4,4 км/с. Таким образом, при увеличении диаметра заряда игданита от 40 до 200 мм скорость детонации возросла в 1,5 раза, что обеспечило высокие результаты отбойки пород крепостью до 18 баллов на руднике «Сухая балка».
Аналогичные испытания были проведены в условиях ОАО «Докучаевский флюсо-доломитный комбинат» при исследовании влияния диаметра заряда многокомпонентного ВВ простейшего состава типа ПВС-1У на скорость и полноту его детонации. Заряды взрывчатой смеси ПВС-1У массой 6,3; 9,3 и 18,0 кг размещались в картонных цилиндрах диаметром 90, 110 и 160 мм. Ионизационные датчики, размещенные внутри цилиндров, через выносной кабель соединялись с регистратором временных интервалов РВИ-1. Результаты полигонных испытаний подтвердили факт роста скорости детонации зарядов ПВС-1У с увеличением диаметра заряда: если при диаметре заряда 90 мм средняя скорость детонации составила 2,4 км/с, то при диаметре 160 мм она возросла до 2,6 км/с, т.е. почти на 8,0 %.
Одним из недостатков ВВ простейшего состава является их неводоустойчивость. В то же время, с каждым годом растут объемы добычи обводненных горных пород. И если уровень обводненности пород, достигающий на отдельных железорудных карьерах Украины 90 %, стал общепризнанным фактом, то уже и на карьерах нерудной промышленности, основными потребителями неводоустойчивых ВВ простейшего состава, уровень обводненности пород достигает 50-60 %.
Как известно, использование неводоустойчивых ВВ при отбойке обводненных пород возможно при формировании скважинных зарядов в водоизоляционных оболочках (рукавах) после предварительного осушения скважин. При этом существует вероятность порыва полиэтиленовых рукавов при их опускании в скважину. Вода, проникающая в заряды, может привести к растворению аммиачной селитры и флегматизации ВВ. Вместе с тем, наличие в заряде определенного количества воды может стать положительным фактором. Насыщенный раствор аммиачной селитры заполняет поры ВВ, способствуя повышению их плотности и тем самым увеличивая запас энергии в единице объема.
Этот факт предопределил необходимость проведения исследований влияния обводненности пород на стабильность детонации ВВ простейшего состава типа ПВС-1У [10].
Взрывчатая смесь массой 16 кг, увлажненная путем добавления воды в определенном процентном соотношении (от 0,2 до 14,0 %), размещалась в полиэтиленовых рукавах диаметром 160 мм и длиной 1,5 м. Инициирование зарядов осуществлялось тротиловыми шашками. При увлажнении взрывчатой смеси от 0 до 6 % происходит повышение скорости детонации от 3040 до 3250 м/с, или на 7 %, что обусловлено увеличением плотности заряда. Дальнейшее увеличение влажности взрывчатой смеси приводит к снижению скорости детонации ВВ, так как происходит его флегматизация. В частности, если при влажности смеси, равной 6 %, скорость детонации составила 3250 м/с, при влажности 8 % - 3150 м/с, то при влажности смеси, равной 14 %, скорость детонации снизилась до 2600 м/с, или на 17,5 %.
Испытаниями установлено, что рациональный уровень водонасыщения простейших ВВ с позиции полноты и скорости детонации находится в пределах 2-6 %.
Выводы и рекомендации. Повышение эффективности ВВ простейшего состава и расширение области их применения при отбойке горных пород различной крепости и обводненности возможно путем увеличения мощности взрывчатых смесей и диаметра заряда. При этом следует учитывать не только физико-механические свойства и структурные особенности разрабатываемых пород, но и технические возможности предприятий. Для железорудных карьеров проблема повышения эффективности ВВ простейшего состава может быть решена как за счет увеличения плотности заряда, так и его диаметра. В то же время для предприятий нерудной промышленности такой подход может оказаться неприемлемым. Во-первых, на этих предприятиях в последние годы активно внедряются станки малого диаметра, что для ВВ простейшего состава, имеющих большие критические диаметры, нерационально. Во-вторых, повышение плотности заряда ведет к увеличению скорости детонации, что скажется на увеличении объема переизмельченной горной массы. Поэтому нужны компромиссные решения, основанные на создании технологически надежных способов формирования зарядов в скважинах. Во всех случаях определяющими являются экономические и экологические показатели.
Список литературы