Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Выбор рационального ассортимента взрывчатых материалов для отбойки обводненных горных пород. Цели и задачи исследования . с. 13
1.1. Анализ современного ассортимента промышленных взрывчатых веществ для отбойки обводненных горных пород на карьерах с. 13
1.2 Анализ влияния способа сенсибилизации эмульсии на детонационные характеристики ЭВВ. с. 17
1.3 Анализ технологических схем сенсибилизации ЭВВ путем механического внесения в них очагов пористости с. 20
1.4 Цели, задачи и методы исследования с.24
Глава 2. Теоретическая оценка возможности использования ЭВВ, сенсибилизированных гранулами пенополистирола, для отбойки горных пород глубокими скважинами (до 50 м) с.27
2.1. Расчет плотности по высоте колонки заряда для ЭВВ с сенсибилизацией газовыми порами и с сенсибилизацией гранулами пенополистирола, учитывающий термомеханические свойства ЭВВ. с.27
2.2. Зависимость скорости детонации ЭВВ с сенсибилизацией газовыми и с пенополистирольной сенсибилизацией от глубины заряда . с.33
2.3. Теоретическая оценка механической прочности гранул пенополистирола и экспериментальная проверка их химической стойкости. с.37
2.4. Обоснование области применения низкоплотных Эмульпоров. с.43
Выводы по второй главе. с.46
Глава 3. Результаты лабораторных исследований структуры Эмульпора Методика расчета детонационных параметров Эмульпоров и ее опытно полигонная проверка . с.47
3.1. Результаты микроскопических исследований эмульпоров. с.47
3.2. Методика проведения полигонных исследований скорости детонации Эмульпора. с. 52
3.3. Методика расчета детонационных параметров Эмульпора . с.55
3.4. Результаты полигонных исследований скорости детонации Эмульпоров. с.60
3.5. Методика и результаты полигонных исследований физико-химических характеристик Эмульпора и эмулита ВЭТ-П. с.73
Выводы по третьей главе с. 88
Глава 4. Промышленные испытания Эмульпоров . с. 90
4.1. Оценка относительной работоспособности ВВ и методика определения оптимальных параметров взрывания при изменении характеристик ВВ. с.90
4.2. Методика определения оптимальных параметров взрывания при изменении характеристик ВВ. с.92
4.3. Разработка технологии производства Эмульпоров с. 102
4.4. Промышленные испытания технологий изготовления Эмульпоров, заряжания и отбойки горных пород. с. 121
4.5. Технико-экономическая оценка эффективности применения эмульпоров при отбойке легко и средневзрываемых обводненных пород с. 124
4.6. Применение низкоплотных Эмульпоров для контурного взрывания. с. 131
Выводы по четвертой главе с. 132
Заключение с. 133
Литература
- Анализ влияния способа сенсибилизации эмульсии на детонационные характеристики ЭВВ.
- Зависимость скорости детонации ЭВВ с сенсибилизацией газовыми и с пенополистирольной сенсибилизацией от глубины заряда
- Методика расчета детонационных параметров Эмульпора
- Разработка технологии производства Эмульпоров
Введение к работе
Актуальность работы. Важнейшей стратегической задачей горнодобывающего комплекса России, в условиях современной экономики, является обеспечение добычи и переработки минерального сырья для поставок конкурентоспособной товарной продукции на внешний и внутренний рынок.
В настоящее время, в России, вскрышные и добычные работы на горнодобывающих предприятиях осуществляются преимущественно с применением буровзрывных работ (БВР) и на ближайшую перспективу альтернативы им нет. В связи с увеличением глубины горных работ, все большая часть горных пород является обводненной.
Приоритетное направление при ведении взрывных работ в горной промышленности в нашей стране и за рубежом имеет применение эмульсионных взрывчатых веществ для взрывания обводненных горных пород. Данные ВВ водоустойчивы, безопасны, позволяют в широких пределах варьировать их взрывчатые характеристики.
Однако, при сенсибилизации эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ) газовыми порами, происходит увеличение плотности взрывчатого вещества с увеличением глубины скважины, вследствие уменьшения размеров газовых пор с возрастанием гидростатического давления. Повышение плотности ЭВВ снижает надежность их детонации и при определенных условиях приводит к прекращению детонации - к отказу, что влечет за собой большие материальные потери, а ликвидация отказа является одним из самых опасных процессов в технологии взрывных работ.
Например, при производстве взрывных работ по вскрыше на угольных разрезах Кузбасса, длина вертикальных взрывных скважин изменяется в широких диапазонах и достигает 50м, при таких условиях применение ЭВВ с химической газификацией приводит к повышению плотности ВВ выше критической и взрывание становится невозможным.
Для надежного обеспечения качественного дробления горных пород взрывом на практике рекомендуется применение ЭВВ, сенсибилизированных стеклянными или пластиковыми микросферами. При этом за счет обеспечения надежности детонации скважинного заряда практически при любых гидростатических давлениях, возникающих в скважине, но дороговизна этих сенсибилизаторов существенно сказывается на экономических показателях подготовки горных пород на карьерах.
Для одновременного снижения себестоимости взрывной подготовки горной массы и решением вышеуказанных технических и экономических проблем, присущих удлиненным зарядам с ЭВВ, возможно в качестве сенсибилизатора ЭВВ использовать гранулы вспененного полистирола (гранулы пенополистирола). Детонационные свойства данного ЭВВ слабо зависят от гидростатического давления в скважине, а изменение отношения смешиваемых объемов матричной эмульсии и гранул пенополистиролапозволяет изменять плотность данного ЭВВ, а следовательно и объемную энергию заряда, в существенно более широком диапазоне (от 300 до 1150кг/м3), чем при химической газификации эмульсии. Кроме того, возможность формирования заряда с низкой плотностью заряжания и, соответственно, с низкой объемной энергией позволяют применять такие ВВ для механизированного заряжания контурных скважин на полное их сечение при постановке бортов карьеров в конечное положение (заоткоска) , что является альтернативой гирляндным зарядам и ручному труду.
Таким образом, повышение эффективности взрывной подготовки горной массы на обводненных карьерах с высокими уступами и с различными физико-техническими характеристиками горных пород при заданной степени дробления горной массы, а также механизация процесса заряжания контурных скважин могут быть достигнуты путем придания необходимых характеристик ЭВВ, сенсибилизированному
пенополистиролом.
Поэтому задача обоснования и разработки технологии взрывной подготовки горных пород с применением ЭВВ, сенсибилизированных гранулами пенополистирола, с заранее заданными взрывчатыми характеристиками является актуальной.
Объект исследования - взрывание обводненного массивов горных пород методом скважинных зарядов глубиной до 50м на открытых горных работах эмульсионными взрывчатыми веществами, сенсибилизированными гранулами пенополистирола (Эмульпоры), и применение низкоплотных ЭВВ при постановке бортов карьеров в конечное положение (заоткоска).
Цель работы - состоит в разработке научного обоснования технологии взрывной подготовки обводненных высоких уступов (в том числе при глубине скважин до 50м) на открытых горных работах методом скважинных зарядов с применением ЭВВ, сенсибилизированных гранулами пенополистирола при повышении безопасности комплекса буровзрывных работ за счет снижения вероятности отказов скважинных зарядов.
Основная идея работы состоит в использовании для взрывной подготовки горной массы на карьерах ЭВВ, сенсибилизированных гранулами пенополистирола.
Задачи исследования:
Разработать методику расчета взрывчатых характеристик ЭВВ, сенсибилизированных пенополистиролом в зависимости от параметров наполнителя и эмульсии:
Провести опытно-полигонные взрывы с инструментальным измерением скорости детонации ЭВВ, сенсибилизированных гранулами пенополистирола
Разработать технологию взрывной отбойки обводненных г.п. глубокими скважинами (до 50 м) с применением ЭВВ на основе пенополистирола, включая технологию изготовления Эмульпоров, устройства для их заряжания обводненных и сухих скважин, технологию создания механизированным способом скважинных зарядов для заоткоски уступов, а также обоснование размеров сетки взрывных скважин на основе оценки относительной работоспособности ЭВВ с различным наполнителем.
4. Провести промышленные взрывы и дать экономическую оценку эффективности применения разработанной новой технологии взрывной отбойки обводненных горных пород глубокими скважинами, заряженными ЭВВ с наполнителем из пенополистирола, по сравнению с традиционными ВВ.
Методы исследования включают анализ современных представлений о путях повышения эффективности взрывных работ на открытых горных работах; лабораторные и теоретические исследования; методы математической статистики; опытно-полигонные испытания; промышленные эксперименты; технико-экономический анализ.
Защищаемые научные положения:
предельная глубина заряжаемых скважин для ЭВВ с химической газогенерацией не превышает 15 м, а при использовании ЭВВ с пенополистиролом для взрывной отбойки обводненных массивов горных пород эта величина не зависит от глубины взрываемых скважин до 50 м;
детонационные параметры ЭВВ, сенсибилизированных гранулированным мультипористым наполнителем (пенополистиролом), зависят от объемного содержания, размеров гранул наполнителя в ЭВВ и диаметра его мультипор;
применение эмульсионных взрывчатых веществ на основе пенополистирола для взрывной отбойки горных пород позволяет заряжать обводненные скважины глубиной до 50 м, регулировать объемную концентрацию энергии по длине скважины и, как следствие, степень дробления разрушаемого массива, а также возможность механизированного заряжания контурных скважин с обеспечением безопасности БВР при температуре среды от минус 40 до плюс 500С.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
сопоставимостью результатов, полученных экспериментальным и аналитическим путем (результаты аналитических исследований и опытно- полигонных испытаний имеют расхождение не более 5 %);
положительными результатами опытно-промышленных взрывов на карьерах ОАО «Ураласбест»;
положительным результатом внедрения ЭВВ, сенсибилизированных гранулами пенополистирола, при дроблении обводненных горных пород средней и ниже средней крепости на угольном разрезе «Междуреченский».
Научная новизна результатов исследований: 1. Получены зависимости изменения плотности ЭВВ с химической газогенерацией и с пенополистирольной сенсибилизацией (с учетом термоусадки) от высоты колонки заряда.
Установлены закономерности, позволяющие определять предельную глубину скважины (высоту заряда) или предельную начальную плотность ЭВВ в верхней части колонки заряда, при которых не допускается переуплотнение ЭВВ в нижней части заряда и, соответственно, не происходит затухание процесса детонации.
Установлены аналитические зависимости детонационных параметров ЭВВ от характеристик наполнителя, плотности заряжания и диаметра заряда, а также экспериментальные зависимости изменения скорости детонации скважинного заряда ЭВВ с химической газогенерацией и пенополистиролом от плотности, со сходимостью с аналитическими в пределах 2,5%.
Получена взаимосвязь относительной работоспособности Эмульпора от его плотности по действию ударной воздушной и сейсмической волнам.
Определены конкретные значения скоростей детонации, фактической работоспособности и переводной коэффициент для различных марок низко плотного Эмульпора НП, что позволяет определить их оптимальную область применения для различных горно-геологических условий при постановке бортов карьера в предельное положение, а также выбирать рациональную технологию БВР: диаметр, сетка, тип ВВ, порода.
Доказана возможность применения механизированного заряжания контурных скважин на полное сечение низкоплотными ЭВВ, сенсибилизированными гранулами пенополистирола, при заданных параметрах взрывания контурной отбойки, без применения гирляндных зарядов, заряжаемых вручную.
Доказано, что при взрывании обводненных скважин цельные заряды из Эмульпора без ухудшения качества дробления горной массы и проработки подошвы уступов являются экономически более эффективными по сравнению с цельными или комбинированными с ANFO зарядами из эмуланов и эмулитов и позволяют сократить количество эмульсии для производства ЭВВ на 20 %.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований и их решении, организации и участии в промышленных и лабораторных экспериментах, анализе полученных результатов экспериментов и выявлении зависимостей, оптимальных параметров взрывания от взрывчатых характеристик ЭВВ, сенсибилизированных гранулами пенополистирола, а также в разработке технологии изготовления и механизированного применения данного вида ВВ.
Практическая значимость работы состоит:
в разработке методики применения технических средств изготовления ЭВВ, сенсибилизированных гранулами пенополистирола, с заранее заданными взрывчатыми характеристиками.
в разработке технологии взрывной отбойки обводненных горных пород глубокими скважинами (до 50 м) с использованием ЭВВ на основе пенополистирола, включая технологии изготовления ЭВВ на основе пенополистирола, устройств для заряжания ЭВВ, технологию заряжания глубоких обводненных скважин, уточненные параметры сетки взрывных скважин, технологию механизированного заряжания контурных скважин.
Реализация результатов работы.
Научные положения, рекомендации и методики, представленные в диссертации, использовались при проектировании и производстве взрывных работ методом скважинных зарядов на вскрышных работах на угольных разрезах Кузбасса и при опытно-промышленных взрывах на карьерах ОАО «Ураласбест».
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации и её отдельные результаты докладывались на всероссийской научной конференции «Развитие ресурсосберегающих технологий во взрывном деле» (IV Уральский горнопромышленный форум, г. Екатеринбург - 2011г.), на Международном научном симпозиуме «Неделя горняка-2012» (г.Москва, 2012 г), на технических совещаниях по повышению эффективности взрывных работ (ОАО «Междуречье» и ООО «Олекминский рудник» ), на Х1 Международной конференция «Новые идеи в науках о земле» РГГРУ (г. Москва, 2013).
Публикации. По теме диссертации получено 4 патента (в т.ч. на одно изобретение и три на полезные модели), зарегистрирован один товарный знак, а также опубликовано 10 статей, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 158 страницах машинописного текста, включает 35 рисунков, 6 фотографий, 18 таблиц, список литературы из 97 наименований и 4 приложения.
Анализ влияния способа сенсибилизации эмульсии на детонационные характеристики ЭВВ.
Повышение эффективности взрывной подготовки горных пород может быть осуществлено за счет: - совершенствования технологии и техники подготовки и производства массовых взрывов [1-3, 9-28]; - получения заданных характеристик и свойств взрывчатых веществ (ВВ), которые позволяют оптимизировать параметры взрывания [29-42].
Совершенствование технологии взрывных работ неразрывно связано с ассортиментом взрывчатых веществ, так как именно свойства ВВ во многом определяют эффективность и безопасность взрывной технологии [3-5,7,18,29,30,33,34,42].
Оптимизацией параметров взрывания путем задания ВВ необходимых характеристик, разработкой технологии и технических средств для приготовления и заряжания скважин посвящены работы российских (советских) ученых Н.В. Мельникова, Л.Н. Марченко, Л.И. Барона, Л.В. Дубнова, К.К. Шведова, Г.П. Демидюка, С.Д. Викторова, М.Ф. Друкованного, СВ. Иляхина, В.Н. Комира, Э.И. Ефремова, Б.Н. Кутузова, В.К. Рубцова, В.И. Борщ-Компанейца, А.А. Дерибаса, А.Н. Ханукаева, Б.Н. Кукиба и др.
Значительный вклад в теорию и практику применения ВВ на горных работах внесли зарубежные исследователи М.А. Кук, К. Иохансон, Дж.П. Густафсон, Р. Браун, Э. Володарчик, А. Маранда, П. Кохличек, В. Ксюгуанг и другие ученые. Отбойка горных пород в настоящее время производится с применением ВВ, как заводского изготовления, так и ВВ, изготавливаемых на местах применения в условиях горнодобывающего предприятия [2,3,7,19,34,43-49]. Современный ассортимент взрывчатых веществ, допущенных к применению на открытых горных работах, насчитывает более 50 наименований [44].
Однако, несмотря на широкий ассортимент ВВ, остаются технические и экономические задачи при производстве взрывных работ, для решения которых требуются новые научные и технологические решения при разработке необходимых рецептур ВВ .
Для отбойки обводненных горных в настоящее время предлагаются ВВ [44,50,51], как заводского изготовления, так и изготавливаемые на местах применения. При этом приготовление ВВ в условиях добычного предприятия может осуществляться как из невзрывчатых компонентов, так и с использованием взрывчатых компонентов [1-4,5,7,45,50-54]. ВВ заводского изготовления: - гранулированные, содержащие индивидуальное ВВ повышенной чувствительности - тротил: гранулотол, алюмотол, граммониты 50/50 и 30/70, а также конверсионные (например, тротил-У); - прессованные конверсионные на базе баллистных и пироксилиновых порохов (содержат нитроцеллюлозу): гранипоры разных модификаций [51]; - тротилосодержащие полуфабрикаты для изготовления из них на горном предприятии акватолов: 65/35С, М-15; - сенсибилизированные тротилом гели, содержащие антифриз: АВ, АВМ,МГ; - полуфабрикат для приготовления акванита АРЗ-8Н (данное вещество не содержит тротил).
ВВ приготовляемые в условиях горного предприятия из компонентов, содержащих в своем составе достаточно чувствительное взрывчатое вещество - тротил - гелевые водосодержащие ВВ: акватолы, карботолы, акваналы и акваниты. С физической точки зрения данные ВВ являются супензиями кристаллов аммиачной селитры и частичек тротила (и (или) порошка алюминия (силумина, ферросилиция) в насыщенном растворе аммиачной селитры. Для ликвидации седиментационных явлений, данный раствор загущают водорастворимыми полимерами (например, натриевой солью карбоксиметилцеллюлозы), которые сшиваются ионами поливалентных металлов [32,34,52]. В целях удешевления продукции часть тротила в акватоле может быть заменена диспергированным жидким углеводородом [15,53,54]
Применение перечисленных выше ВВ связано с перевозкой и хранением значительных количеств взрывчатых веществ повышенной чувствительности (тротил, нитроцеллюлоза). Однако, существующие в настоящее время правила перевозки и требования к организации хранения указанных веществ очень жесткие. Выполнение их приводит к значительным организационным и материальным затратам - что, в конечном итоге, удорожает продукцию горнодобывающих предприятий. Кроме этого, отпускные цены на эти ВВ заметно превышают стоимость ВВ, изготовленных на месте применения.
Указанные обстоятельства обуславливают переход крупных горных предприятий к производству ВВ на месте применения - различных гранулитов (в сухих скважинах или в рукавах) и эмульсионных взрывчатых веществ (в обводненных скважинах). Наибольшее развитие получило направление производства ЭВВ на основе эмульсии типа «вода в масле» (т.н. обратных, или «инвертных» эмульсий) [5,7].
Дисперсную фазу данной эмульсии составляет гидрофильная, полярная жидкость, именуемая «водой», в виде капель (глобул) диаметром порядка 0,1 - 100 мкм. Непрерывную фазу - иначе дисперсионную среду, в таких эмульсиях составляет гидрофобная, неполярная жидкость, именуемая «маслом». В качестве дисперсной фазы преимущественно используют водные растворы нитрата аммония, а также его смеси с нитратами щелочных и щелочноземельных металлов. Дисперсионную среду эмульсии образуют преимущественно продукты переработки нефти (минеральные масла, воски, парафины - в чистом виде или в виде смеси указанных веществ). Получаемая структура обеспечивает данной эмульсии высокую водоустойчивость [24,38-40].
Сами эмульсии, вследствие присутствия в их составе значительной доли воды (8-15 масс.%), имеют очень большие критические диаметры детонации до - 1,0м. Вследствие этого, эмульсии не находят практического применения в качестве ВВ без дополнительной специальной обработки, называемой «сенсибилизацией» [5,7,38-40].
Эмульсионные ВВ в своем составе не содержат высокочувствительных взрывчатых веществ. Транспортировка и хранение компонентов эмульсии осуществляется по значительно менее жестким правилам, а сами компоненты существенно дешевле, чем высокочувствительные взрывчатые вещества (например - тротил, нитроцеллюлоза и т.п.).
ЭВВ, помимо указанных организационно-экономических преимуществ, являются более безопасными при изготовлении и транспортировании невзрывчатых компонентов к месту заряжания. ЭВВ характеризуются высокой санитарной безопасностью при обращении с ними и их компонентами, т.к. отсутствует пыление при транспортировании и заряжании, а сами компоненты ЭВВ менее опасны для здоровья, чем тротилосодержащие вещества [1,5,7].
ЭВВ позволяют регулировать в достаточно широком диапазоне свои взрывчатые характеристики при механизированном изготовлении взрывчатой смеси в процессе заряжания скважин.
У ЭВВ диапазон регулирования плотности заряжания очень широк - от 300 до 1280 кг/м , что позволяет получать необходимую для конкретных условий концентрацию энергии ВВ в единице объема заряжаемой скважины.
Зависимость скорости детонации ЭВВ с сенсибилизацией газовыми и с пенополистирольной сенсибилизацией от глубины заряда
Из анализа графиков на рис.2.6, 2.7 следует, что в отличии от ЭВВ с химической газогенерацией плотность эмульпора от глубины скважины (до 50м) является практически неизменна, и скорость детонации эмульпора в рамках данных колебаний плотности практически не меняется.
Полученные экспериментальные данные о поведении скорости детонации эмулинов и эмуланов в зависимости от их плотности полностью согласуются результатами многочисленных исследований [5-7 и др.]. Скорость детонации в ЭВВ с сенсибилизацией газовыми порами (химической газогенерацией) растет при увеличении плотности ЭВВ под действием гидростатического давления до некоторого. При дальнейшем увеличении давления скорость детонации снижается. При достижении ЭВВ критической плотности детонация прекращается. В соответствии с данными [6] для ЭВВ с химической газогенерацией (без твердых включений) критической является плотность 1270-1280 кг/м , что хорошо согласуется с полученными нами данными для эмулинов.
Таким образом, доказано первое научное положение работы, что при сенсибилизации матричной эмульсии гранулами пенополистирола, имеющими размер 1-4 мм и насыпную плотность более 0,05 г/смЗ, плотность полученного ЭВВ слабо зависит от глубины взрывной скважины, и данное ЭВВ, в отличии от ЭВВ с газовой сенсибилизацией, не переуплотняется и сохраняет способность к детонационному разложению по всей длине даже очень длинного заряда (до 50м ).
Гранулы пенополистирола в процессе изготовления Эмульпоров, подачи их во взрывную скважину, нахождении достаточно длительного времени во взрывной скважине при наличии гидростатического давления в ЭВВ, могут быть раздавлены. В этом случае они уменьшаются в размере, что приводит к увеличению расстояния между гранулами. Тогда увеличивается время прогорания ВВ между порами и, соответственно, увеличивает размеры зоны химической реакции при детонации рассматриваемых ЭВВ [58]. Процесс детонации становится затрудненным. Следовательно, при решении вопроса о применении гранул пенополистирола в качестве сенсибилизатора в ЭВВ необходимо рассмотреть вопрос о формоустойчивости данных гранул.
При отбойке горных пород глубокими скважинами (до 50 м) дополнительное давление в нижнем сечении 5 0-метрового вертикального заряда плотностью 1000-1150 кг/м3, вызываемое только весом ЭВВ, составляет 2800-3400 кг/см2.
Предварительно рассмотрим устойчивость тонкой сферической оболочки в среде с гидростатическим давлением Р. Введем следующие
обозначения: h - толщина оболочки; R0 - наружный радиус сферы; Е , v, о6 - модуль Юнга, коэффициент Пуассона и предел текучести материала оболочки, соответственно. Полагаем, что выполняется условие — «1.
Согласно [65-67] в этом случае, критическое внешнее гидростатическое давление, при котором начинаются бифуркационные процессы оболочки в области упругих деформациях, для идеальной сферы равно
При величине внешнего давления больше, чем (2.4), происходит потеря устойчивости оболочки, и самопроизвольно возрастают малые изменения формы даже очень прочной оболочки.
При отклонениях от сферичности и колебаниях толщины стенок оболочки критическое внешнее давление может быть найдено по формуле где Kmd - коэффициент неидеальности (согласно [67] кш « 0,34 ); Kf - коэффициент запаса прочности (согласно [68] для условий прохода смеси «эмульсия+гранулы пенополистирола» через шестеренчатый насос целесообразно принимать Kf « 24).
Однако оболочка может разрушиться и по прочностным соображениям. Согласно [69,70], при выполнении условия —«1 критическое внешнее давление при пластических деформациях оболочки равно
Приведенные расчеты действительны при температуре гранулы не более 35-40С, когда упругие и прочностные параметры полистирола соответствуют приведенным выше значениям [55]. При более высоких температурах упругие и прочностные характеристики полистирола снижаются, и получение эмульпора практически невозможно вследствие термоусадки гранул пенополистирола. При термоусадке указанных гранул плотность эмульпора увеличивается, и он теряет детонационные свойства.
Кроме этого необходимо, чтобы полистирол не вступал в химическое взаимодействие с веществом эмульсии.
Известно, что полистирол химически инертен по отношению к воде, растворам солей, кислот и щелочей [55,75,76] . Следовательно, полистирол химически инертен по отношению к окислительной фазе эмульсионных ВВ.
Однако полисторол растворим в сложных эфирах, ацетоне и ароматических углеводородах [55,75,76], а под воздействием бензола полистирол набухает и теряет упругие свойства [76]. Растворимость данного вещества в ароматических углеводородах ограничивает химический состав топливной фазы, которая может быть использована при создании эмульпоров. Действительно, при производстве указанных ЭВВ целесообразно отказаться от применения в топливной фазе дизельного топлива. Причина состоит в том, что дизтопливо представляет сложную смесь парафиновых (10-40%), нафтеновых (20-60%) и ароматических (14-30%) углеводородов [77,78]. При создании эмульпоров в топливной фазе целесообразно использовать дешевые сорта индустриального масла, являющиеся смесью высокомолекулярных углеводородов [79,80]. Данные масла практически не содержат ароматических углеводородов и, поэтому, практически не влияют на устойчивость гранул пенополистирола.
Для проверки указанных соображений по влиянию химического состава топливной фазы на устойчивость гранул пенополистирола были проведены следующие лабораторные опыты.
Готовились две эмульсии следующих составов: первый - аммиачная селитра - 74%; вода - 18%; топливная фаза - 8% (1% - эмульгатор, 7% дизтопливо) и второй состав, отличающийся от первого только тем, что вместо 7% дизтоплива (ГОСТ 305-82) вводилось 7% индустриального масла И-20 (ГОСТ 20779-88). Данные эмульсии при начальной температуре 30-35С смешивались деревянными лопатками с гранулами пенополистирола в объемном соотношении «эмульсия : гранулы» = 70 : 30. Затем измерялась удельная плотность полученного. Далее порцию изготовленного эмульпора помещали в специальный мерный цилиндр, позволяющий поддерживать в эмульпоре постоянное внешнее давление в диапазоне до 3 атм. Производилось измерение смещения поршня через 3, 7, 14 и 21 сутки после начала испытания. По результатам измерений вычисляли плотность эмульпора на момент измерения. Сравнивали полученное значение с расчетным значением плотности ЭВВ при уменьшении только воздушной пористости (пористости, обусловленной подхватом воздуха при перемешивании гранул пенополистирола с эмульсией) и расчетным значением плотности при раздавливании указанных гранул (уменьшается как воздушная пористость, так и пористость гранул). При определении расчетных значений плотностей использовали следующие уравнения (объемом полистирола в грануле пенополистирола пренебрегаем по сравнению с объемом гранулы
Методика расчета детонационных параметров Эмульпора
Первая серия опытно-полигонных испытаний проводилась на предприятии ОАО «Ураласбест» .
Изготавливалась эмульсия Порэмита-1А следующего состава: NH4NO3 - 75,0 % массы, Н20 - 18 % массы, эмульгатор - 1,0 % массы, индустриальное масло - 6,0 % массы. Изготовление эмульсии производилось на заводе по выпуску эмульсионных ВВ в г.Асбест (ОАО «Ураласбест»). Плотность эмульсии при данном химическом составе согласно результатов лабораторных анализов составила 1328 кг/м3.
Размер частиц эмульсии определялся на основе микроскопических исследований по ранее описанной методике в разделе 3.1. Для сенсибилизации использовались гранулы пенополистирола насыпной плотностью 120 кг/м3 и средним диаметром 3,0мм с радиусом внутренних пор Rmp « бОмкм. Готовили смеси указанной эмульсии (ЭМ) с гранулами пенополистирола (ППС.) - т.е. Эмульпоры, марок «НП» (низко плотные): «НП-40» : в соотношении объемных частей: 4 ЭМ. и 3 ППС. Плотность смеси составила 841 кг/м ; «НП-50»: в соотношении 1 ЭМ. и 1 1111С. Плотность составила 731 кг/м ; «НП-60» : 3 ЭМ. и 4 ППС. Плотность 718 кг/м3. Плотность исходной эмульсии Порэмита-1А = 1,328г/см . Насыпная плотность пенополистирола = 0,120г/см . Размер гранулы пенополистирола -3 мм.
Каждая марка изготовленного Эмульпора «НП» заряжалась в картонные гильзы диаметрами 120, 140 и 160мм, длиной 85см. Всего изготовлено 27 удлиненных зарядов (по три заряда каждого диаметра от каждой плотности - итого 3x3x3=27 зарядов в картонных гильзах).
Во всех случаях, в качестве промежуточного детонатора применялась шашка-детонатор РУВ-850, обмотанная 1м. ДШЭ. Инициирование электродетонатором ЭДКЗПМ. Было взорвано 27 гильз. При взрывании каждого заряда определялись скорость детонации (прибором «VOD Mate fristantel»).
Вторая серия опытно-полигонных испытаний была проведена на Ковдорском ГОКе. Изготавливалась эмульсия следующего состава: NH4NO3 - 74,9 % массы, Н20 - 17,7 % массы, эмульгатор - 1,0 % массы, индустриальное масло - 6,4 % массы. Изготовление производилось на заводе по выпуску эмульсионных ВВ в г.Ковдор (ООО «ИМС»). Плотность эмульсии при данном химическом составе, согласно лабораторным данным -1320 кг/м3.
Размер частиц эмульсии определялся на основе исследований навески ЭВВ изучаемого состава под микроскопом.
Для сенсибилизации использовались гранулы пенополистирола насыпной плотностью 120 кг/м3 и средним диаметром 3,0мм.
Определялась скорость детонации открытых зарядов Эмульпора диметром 240, 200, 160, 120, 75мм при соотношении смешиваемых объемов эмульсии и гранулированного пенополистирола 0 равном 0,430; 1,00; 1,666 . Плотность Эмульпора, в зависимости от величины 0, составляла
соответственно 780; 618; 488 кг/м3 (при меньшем 0- большая плотность меньше пенополистирола - больше плотность).
Эмульпор изготавливался путем смешивания вручную эмульсии и гранул пенополистирола. Изготовленное ВВ размещали в заранее изготовленные картонные гильзы. Длина каждой гильзы 1м, а внутри каждой гильзы был наклеен датчик «Инстантелл» - для измерения скорости детонации реостатным методом.
Заполнение ЭВВ в гильзы и их подрыв осуществлялся поочередно -во избежание влияния ударной воздушной волны на Эмульпор и картонные гильзы. Инициирование зарядов производилось от промежуточного детонатора, состоящего из: - шашки ТГФ-850Э и капсюля U-500 системы «Нонель» - для диаметров 240, 200, 160 и 120мм; - одного патрона аммонита 6ЖВ-32 и капсюля U-500 системы «Нонель» -для диаметра 75мм. К волноводу внутрискважинного детонатора U-500 присоединяли волновод «Динолайн» (который вытягивали до блиндажа -установленного за пределами опасной зоны). Волновод инициировали стартовым устройством «Диностарт». Третья серия опытно-полигонных испытаний (г. Междуреченск).
Эмульсия была изготовлена в следующем составе: NH4NO3 - 69,7 % массы, Ca(N03)2 - 14,0% массы, Н20 - 9,3 % массы, эмульгатор - 1,75 % массы, индустриальное масло - 5,25 % массы. Изготовление производилось в лабораторных условиях на заводе по выпуску эмульсионных ВВ в г.Междуреченск (ЗАО «ПВВ»). Плотность эмульсии при данном химическом составе согласно лабораторным данным - 1384 кг/м3. Размер частиц эмульсии определялся на основе исследований навески ВВ под микроскопом.
Для сенсибилизации использовались гранулы пенополистирола насыпной плотностью 50 кг/м3 и средним диаметром 3,0мм.
Определялась скорость детонации открытых зарядов Эмульпора диметром 240, 120мм при соотношении смешиваемых объемов эмульсии и гранулированного пенополистирола 0 равном 1,00. Плотность заряда Эмульпора была равна 915 кг/м3.
Подготовленное заряды Эмульпора размещали в картонные гильзы длиной 1 м с размещенным внутри каждой датчиком «Инстантелл» для измерения скорости детонации.
Изготовление зарядов и их подрыв осуществлялся поочередно. Инициирование зарядов производилось от промежуточного детонатора, состоящего из шашки ТГФ-850Э и капсюля U-500 системы «Нонель».
Величину dhm, в данном случае, считали меньше 120мм (скорости детонации зарядов диаметром 120 и 240 мм практически совпадают). Четвертая серия опытно-полигонных испытаний (г. Междуреченск). была предпринята для оценки влияния размеров гранул пенополистирола на детонационные характеристики Эмульпоров.
Испытывалась эмульсия следующего состава: NH4NO3 - 75 % массы, Н20 - 18 % массы, эмульгатор - 0,9 % массы, индустриальное масло - 6,1 % массы. Изготовление производилось на заводе по выпуску эмульсионных ВВ в г.Междуреченск (ЗАО «ПВВ») на двухстадийном аппарате эмульгирования [83].
Плотность эмульсии при данном химическом составе согласно лабораторным данным - 1328 кг/м3.
Размер частиц эмульсии определялся экспериментально под окуляром микроскопа. Средний размер частиц эмульсии составил 3 мкм. Для сенсибилизации использовались мелкие гранулы пенополистирола насыпной плотностью 50 кг/м3 и средним диаметром 1,5мм.
Определялась скорость детонации открытых зарядов Эмульпора диметром 240, 200мм при соотношении смешиваемых объемов эмульсии и гранулированного пенополистирола 0 равном 0,334 (1 объемная часть пенополистирола к 3 объемным частям эмульсии). Плотность полученного Эмульпора была равна 1100 кг/м3.
Изготовленное ЭВВ размещали также в заранее склеенные картонные гильзы длиной 1м с размещенным внутри датчиком для измерения скорости детонации реостатным методом. Изготовление зарядов и их подрыв осуществлялся поочередно - во избежание влияния ударной воздушной волны на Эмульпор и картонные гильзы. Инициирование зарядов производилось от промежуточного детонатора, состоящего из шашки ТГФ-850Э и капсюля U-500 системы «Нонель».
Обработка фотографий микроскопических исследований (рис. 3.3.-3.5 и в Приложении 3.) для первой серии экспериментов, показала, что средний размер частиц эмульсии равен 5 мкм.
Обработка полученных осциллограмм для определения скорости детонации ЭВВ в заряде, согласно ранее изложенной методики, производилась применяемыми аппаратно-программными средствами «Instantel» и «HandiTrap» автоматически, с вычислением тангенса угла наклона полученной линии (физический смысл которого и есть скорость детонации) на диаграмме «длина заряда - время» (рис.3.10, 3.11 и в Приложении 4).
Разработка технологии производства Эмульпоров
Шнек подачи 4 служит для предохранения от попадания эмульсии в бункер 1 с гранулированным продуктом.
Бункер 8 служит для хранения запаса и расходования эмульсии. Бункер 8 снабжен горизонтальным шнековым питателем 9, расположенным в донной части бункера, по всей его длине. Шнековый питатель 9 приводится во вращение приводом 10 (гидравлического или электрического типа). Подшипниковые узлы опор шнекового питателя 9 выполнены герметично для исключения вытекания через них в окружающую среду эмульсии (этого не требуется от аналогичных устройств шнека 2 в бункере 1 - так как гранулированный продукт не течет).
Шнековый питатель 9 собирает вязкую эмульсию со дна бункера 8 по всей его длине и направляет ее к разгрузочному штуцеру бункера 8. Разгрузочный штуцер бункера 8 дополнительно снабжен запорным устройством 11 (шаровой кран или шиберная задвижка) - которое закрывается в случае проведения ремонтных работ на насосе 12. Насос 12 героторного, шестеренного или диафрагменного типа, приводится в работу приводом 13 (гидравлического или электрического типа) . Насос 11 засасывает эмульсию из бункера 7 и нагнетает ее в шнек-смеситель 13. Насос 11 и привод 13 - реверсивного типа, что позволяет как выкачивать эмульсию из бункера 8, так и закачивать эмульсию в бункер 8 из внешнего бункера-накопителя, или доставщика, или бункера эмульсии другой смесительно-зарядной машины (СЗМ) - через приемный патрубок оснащенный быстроразъемным соединением 14 (например, типа «Е-Clamp»). Через этот же патрубок, при необходимости производят слив эмульсии из бункера 8 в накопитель, в доставщик или в другую СЗМ. Направление потока эмульсии после насоса 12 определяется положением трехходового крана 15: в положения «на патрубок» или «на турбулизатор». Бункер 16 служит для хранения запаса и расходования раствора кислоты (первого компонента бинарной газогенерирующей добавки). Бункер имеет верхнюю заливную горловину с крышкой, боковую трубку-уровнемер (или смотровое стекло) для определения степени заполнения бункера 16 раствором, а также нижний сливной патрубок, оборудованный запорным устройством 17 (шаровой кран) - которое закрывается в случае проведения ремонтных работ на насосе 18. Насос 18 - героторного, шестеренного или диафрагм енного типа, приводится в работу приводом 19 (гидравлического или электрического типа) . Насос 18 засасывает раствор из бункера 16 и нагнетает его через обратный клапан 20 в участок трубопровода подачи эмульсии непосредственно перед всасывающим патрубком насоса 12. В участок трубопровода подачи эмульсии напротив обратного клапана 20 врезан патрубок, оснащенный запорным устройством 21 (шаровой кран) и быстроразъемным соединением 22 (например, типа «Е-Clamp») - для промывки насоса 12, трехходового крана 15, патрубка 14, турбулизатора 23 до шнека смесителя 24 - от остатков эмульсии.
Интенсивное перемешивание потока эмульсии с первым компонентом бинарной газогенерирующей добавки происходит в турбулизаторе 23, который представляет собой последовательно расположенные сужения и организованные повороты потока внутри трубопровода на участке от трехходового крана 15 до шнека-смесителя 24. Местное сужение проходного сечения переводит ламинарный режим течение среды по трубопроводу в турбулентный - что обеспечивает интенсивное перемешивание эмульсии с первым компонентом бинарной газогенерирующей добавки. Шнек-смеситель 24 приводится во вращение приводом 25 (гидравлического или электрического типа). Шнек подачи 24 имеет установленную производительность, определяемую геометрией шнека (диаметр и шаг винтовой образующей шнека) а также частотой его вращения. Производительность шнека подачи 24 больше совокупной производительности шнека подачи 4, насоса 12 и насоса 18 - что необходимо для предотвращения запрессовывания шнека-смесителя 24. Шнек-смеситель 24 имеет нижний инспекционный люк 26, предназначенный для очистки шнек-смесителя 24 от остатков гранулированной селитры, эмульсии и первого компонента бинарной газогенерирующей добавки после прекращения работы СЗМ. Смесь эмульсии, гранулированного продукта и первого компонента бинарной газогенерирующей добавки (далее - готовый продукт) поступает в приемный бункер 28 насоса готового продукта 29.
Приемный бункер 28 оборудован заслонкой 27 - которая закрывает подачу готового продукта с выхода шнека-смесителя 24 в горловину приемного бункера 28. Заслонка 27 предохраняет насос 29 от выхода из строя вследствие попадания в него избытка гранулированного продукта при калибровке и проведении других пуско-наладочных работ на смесительно-зарядной машине.
