ВЗРЫВЧАТОЕ ВЕЩЕСТВО Российский патент 1998 года по МПК C06B31/28 

Изобретение относится к промышленным взрывчатым веществам смесевого состава, предназначенным для проведения взрывных работ в горнорудной промышленности, в условиях, требующих резкого снижения ядовитых газов, вплоть до их полного отсутствия.

Известны взрывчатые вещества с гидрогелевой забойкой, в составе которой имеются вещества, вступающие с ядовитыми газами в обменные химические реакции [1]
Эффект газоподавления окислов азота в этих случаях основан на растворимости нитрозных газов в воде. Последняя в больших объемах появляется в момент разрыва тиксотропных связей гидрогеля под действием волны напряжения. Под действием высоких давлений вода распыляется, образующиеся ядовитые газы входят с ней в контакт, затем поглощаются или растворяются.

Известны способы газоподавления путем нанесения пенного экрана на взрываемый блок [2] При взрыве такого блока происходят аналогичные реакции, как и при гидрогелевой забойке. Однако, если более активная NO₂ достаточно хорошо абсорбируется и растворяется в воде, то NO химически малоактивна. Так, при критической температуре воды 100^oC и порциальном давлении газа 101,3 кПа ее один объем поглощает 2,63 объема NO₂, а NO не растворяется в воде. В последующем NO в присутствии кислорода, содержащегося в воздухе, окисляется до NO₂ и далее переходит в азотную кислоту.

Недостатками данных веществ являются малая эффективность взаимодействия выделяющихся газов, невозможность связать их в вещества химически малоактивные, не вредные для окружающей среды. Не менее важными причинами, снижающими эффективность газоподавления, является высокая степень неопределенности по условию газообразования при взрыве, а также наличие некоторой доли непредсказуемости последствий взрыва.

Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности существенных признаков является взрывчатый состав, содержащий аммиачную селитру, дизельное топливо, вспененный полистирол и ПАВ [3]
Недостатком данного состава является присутствие ядовитых газов при проведении взрывных работ в горнорудной промышленности. Это обусловлено тем, что введение ПАВ в состав взрывчатого вещества благоприятно сказывается в основном на взрывчатых свойствах, реакции же подавления окисления азота из-за физической стабильности компонентов, нестехнометричности смеси, протекает неполно. В результате приведенных причин в продуктах взрыва присутствует значительное количество окислов азота. Это положение характерно и для ВВ заводского приготовления, что подтверждается и проведенными экспериментами при дроблении кимберлитовых руд (см. табл.1).

Целью изобретения является снижение токсичности газообразных продуктов взрыва.

Поставленная цель достигается тем, что взрывчатое вещество, включающее аммиачную селитру, вспененный полистирол и дизельное топливо, дополнительно снабжено циануровой кислотой при следующем соотношении компонентов, мас.

Аммиачная селитра 92-94
Вспененный полистирол 3,0-4,0
Дизельное топливо 2,0-3,5
Циануровая кислота 0,5-1,5
Введение во взрывчатый состав циануровой кислоты в указанном соотношении позволяет получить при детонации строго равновесную необратимую химическую систему, состоящую из газовых продуктов, обеспечивающих максимальное значение теплоты взрыва.

В общем виде циануровая кислота это твердый циклически построенный полимер, который описывается формулой (HOCN)₃. Она представляет собой мелкокристаллический белый порошок с относительной плотностью кристаллов 1,768 и температурой плавления 360^oC. Стабильна в воде, в которой при стандартных условиях растворяется не более 0,25 г/л. Изготовление циануровой кислоты марки "Ч" производится по условиям МРТУ 06.09.6118.69.

В структурном плане молекула циануровой кислоты обладает важной особенностью: имеет три открытые легковозбудимые электронные пары кислорода, которые представлены в виде трех групп C=0.

В этих группах атом углерода, как и атом кислорода, находится в возбужденном состоянии.

Известно, что некоторые химические процессы идут более эффективно, если они основаны на поверхностных реакциях твердых веществ с газообразными веществами. Например, если реакции происходят на сильно разветвленной поверхности порошка углерода. Образование последнего в ходе взрывчатого разложения смеси и его детонационное диспергирование до порошков, имеющих форму пластин с толщиной до и размером по основанию до нескольких сотен , с удельной поверхностью 400 м²/г способствует возможности прохождения части химических реакций по типу поверхностных. Существование таких реакций объясняется наличием большого объема реакционноспособных, призматических граней углерода, способных сорбировать на свой поверхности атомы кислорода с образованием связи . Затраты энергии при этом составляют около 70 ккал/моль. В присутствии циануровой кислоты у углерода, вновь образованного и подготовленного в процессе взрыва, проявляется способность сорбировать атомы кислорода при температурах вплоть до 1100 K. В свою очередь формирование на поверхности углерода отрицательно заряженного монослоя кислорода вызывает приток к нему катионов, в том числе защемленных внутри решетки углерода. Сближение последних с монослоем повышает реакционную способность вещества, и, как следствие, высокую способность к обмену в условиях указанных температур.

В силу своего структурного строения циануровая кислота обладает способностью при высокой температуре поставлять химически активные радикалы за счет разрыва одинарных связей и расщепления молекулы на свободные радикалы CN, CNO, OCN, способные вступать в химические реакции с кислородом с образованием углекислого газа и молекулярного азота.

Таким образом, в общем виде, действие циануровой кислоты в процессе взрывчатого разложения направлено на образование реакционно-способных поверхностей углерода и стимулирование на них реакций, идущих с сорбированием молекулярного азота. В силу энергетических особенностей последних на их поверхности не образуется нитрозных газов. А наличие свободных радикалов обеспечивает появление конкурентных реакций, идущих с образованием нейтрального молекулярного азота и относительно не ядовитого углекислого газа.

Соотношение циануровой кислоты обосновано экспериментально, данные занесены в таблицу 2.

Как следует из опытных данных, представленных в табл. 2, полученные смеси в заявленных диапазонах содержания компонентов при взрыве не образуют ядовитых окислов азота. Кроме того, уменьшилось общее количество ядовитых газов. Последнее наблюдается за счет резкого снижения окиси углерода, как составляющей ядовитых газов. При этом в зависимости от содержания циануровой кислоты в образцах наблюдается снижение окиси углерода во взрывных газах более чем в 100 раз (образец 2.6), вплоть до полного его отсутствия (образцы 4.10 и 4.11) Следует отметить, что последнее касается и образцов, имеющих значительные отклонения по кислородному балансу, в том числе для тех, в которых суммарный процент отклонения составляет 6%
Наиболее полно условиям, обеспечивающим полное подавление ядовитых окислов азота, отвечают заявленные смеси в образцах 5,6,10-14 (табл.2). Полученные смеси имеют насыпную плотность от 0,36 до 46 г/см³ и детонируют при взрыве со скоростью до 2640 м/с. Относительно большие отклонения кислородного баланса от нулевого значения вызывают необходимость иметь в составе смеси повышенное содержание циануровой кислоты до 1,5%
При этом более плотные смеси с большим содержанием циануровой кислоты способствуют более эффективному снижению окислов азота, а также уменьшению окиси углерода вплоть до полного подавления (образцы 10,11). Соответственно кислородный баланс этих смесей составляет 0,17 и + 1,34.

При предельно малом содержании циануровой кислоты (0,5 мас.) наблюдается некоторое увеличение окиси углерода (до 0,9 мас. в образце 14). Однако и в этом случае окислы азота отсутствуют.

Таким образом, следуя полученным экспериментальным данным, представленным в табл. 2, следует признать, что смеси образцов 5,6,10-14 позволяют получить желаемый взрывной эффект, при полном отсутствии во взрывных газах окислов азота.

В качестве примера приведен подбор взрывчатой смеси для отбойки кимберлитов II, III, IV категорий взрываемости, как наиболее характерных для алмазодобывающих карьеров АК "Алмазы России-Саха", например карьера "Удачный".

Приготовление взрывчатого вещества и последующий его выпуск в зарядную полость (скважину) осуществляется на серийных отечественных машинах, предназначенных для транспортирования, смешивания и заряжания многокомпонентных смесевых ВВ, например M3-3. Согласно техническим условиям зарядно-доставочная машина этого типа снабжена двумя бункерами для раздельного хранения и транспортирования сухих компонентов смеси.

Для изготовления заявленного взрывчатого состава используются отечественная гранулированная аммиачная селитра ГОСТ 2-85 марки A; полистирол по ОСТ 6-05-202-78, марки ПСВ-С, вспененный до шариков размером 3-5 мм и плотности 40 кг/м³; дизельное топливо по ГОСТ 305-52: марок "Л" или "З", циануровая кислота, марки "Ч" по МРТУ 6-09-6118-69.

Составы готовились путем механического смешивания приготовленных в весовом соотношении компонентов. При этом вспенивание необходимого количества полистирола марки ПСВ-С осуществлялось в воде при температуре 95-100^oC в течение 2 мин. В результате получен вспененный полистирол с насыпной плотностью 35-40 кг/м³. Так, для приготовления опытного образца 4.10 30 г полистирола вспенивалось в 1 л воды в течение 2 мин при температуре 100^oС. При этом получен вспененный полистирол с насыпной плотностью 40 кг/м³. На поверхность гранул полученного пенополистирола путем напыления наносится 15 г пылевидной циануровой кислоты, способной удержаться на поверхности за счет действия электростатических сил. Полученная таким образом смесь 30 г пенополистирола и 15 г циануровой кислоты смешивается с 930 г аммиачной селитры и 25 г дизельного топлива. После смешивания получается взрывчатая смесь массой 1000 кг, плотностью 0,46 г/см³, способная устойчиво детонировать со скоростью 2640 м/с.

Изготовление опытных образцов в приведенных в табл. 2 сериях 2, 4, 5 осуществлялось подобным образом.

Полученные таким образом скважинные заряды на кимберлитовом блоке, расположенном в карьере на глубине 360 м, взорвали путем последовательной передачи детонации и выполнили оценку газовой обстановки на различных высотных отметках. При этом расчет параметров и результатов взрывной отбойки производился по следующим формулам

где d 0,25 м диаметр заряда;
ρ плотность заряда, кг/м³;
E потенциальная энергия заряда, Мкал/кг;
E_скв энергия заряда в скважине, Мкал;
P линейная плотность энергии ВВ, Мкал/кг;
l_зф длина заряда, равная 14,5 м;
V объем взорванной горной массы, м³;
d расстояние между зарядами, м;
H_у высоты уступа, 15 м.

В представленных в табл. 3 расчетных и фактических данных следует, что предложенные составы с оптимальным содержанием компонентов в смеси обеспечивают приемлемые параметры взрывной отбойки во всем диапазоне категорий взрываемости кимберлитов. При этом удельные энергетические затраты на разрушение кимберлитов не превышают норм расхода штатных (заводского изготовления), в том числе эталонного ВВ, сбалансированных по кислороду.

Оценка токсических свойств взрывных газов производилась по содержанию окислов азота, окиси углерода и их суммарной ядовитости. С этой целью для определения окислов азота газовые пробы воздуха отбирали в вакуумированные бутылки, содержащие 20 мл 5%-ного раствора щелочи, окиси углерода в резиновые камеры. Концентрацию окислов азота определяли фотоколориметрическим способом, окиси углерода на кондукторметрической установке. Отбор проб производился в рабочей зоне карьера на глубинах 360, 315, 245 и 205 м. Результаты анализа газовых проб, взятых из атмосферы карьера после взрыва эталонного и предлагаемого ВВ, представлены в табл. 4.

Как следует из данных табл. 4, в нижней, слабопроветриваемой части карьера снижение содержания окиси углерода до величины, близкой к предельно допустимой концентрации (см. табл. 1), при взрыве эталонного ВВ на глубине 245 м происходит через 4 ч. Однако, с учетом ядовитости окислов азота, на этой глубине суммарное содержание ядовитых газов на 55% превышает норму ПДК. С учетом последней работа карьера с отметкой 205 м может возобновиться не раньше чем 5 ч после взрыва.

Как следует из табл. 4, при взрыве предлагаемого взрывчатого вещества образуется значительное количество окиси углерода, которое при разбавлении в воздушной атмосфере карьера в 3,3 раза меньше нормы ПДК. При этом на всех глубинных отметках не зафиксировано окислов азота.

Таким образом, как видно из приведенных данных, представленный взрывной состав обеспечивает вполне удовлетворительные объемы разрушения кимберлитов, не образует при взрыве окислов азота, наиболее токсической составляющей газовых продуктов взрыва.

Использование: взрывные работы в условиях, требующих низкого содержания ядовитых газов в продуктах взрыва. Сущность изобретения: вещество содержит (в мас.%): 92-94 аммиачной селитры, 3,0-4,0 вспененного полистирола, 2,0-3,5 дизельного топлива, 0,5-1,5 циануровой кислоты. Состав готовят на машинах, предназначенных для транспортирования, смешения, заряжания смесевых взрывчатых веществ. 4 табл.

Взрывчатое вещество, содержащее аммиачную селитру, дизельное топливо и вспененный полистирол, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит циануровую кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.

Аммиачная селитра 92 94
Дизельное топливо 20 35
Вспененный полистирол 3 4
Циануровая кислота 0,5 1,5