СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОДОСОДЕРЖАЩИХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 1998 года по МПК C06B21/00 C06B25/24 C06B31/28 

Изобретение относится к области изготовления промышленных взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано, в частности, в условиях предприятий горнодобывающей промышленности при производстве взрывных работ.

Водосодержащие ВВ состоят из окислителя, преимущественно аммиачной селитры (АС), горючего и воды. Вода, растворяя окислитель полностью или частично, образует сплошную жидкую фазу, в которой равномерно распределено горючее. Сплошная жидкая фаза придает водосодержащим ВВ текучесть, что позволяет полностью заполнять сечение скважины, обеспечивая высокую объемную энергию заряда за счет большой плотности ВВ. Сплошная жидкая фаза, представленная раствором окислителя, придает водосодержащим ВВ некоторую водоустойчивость. Если их закачать в обводненную скважину под столб воды, то в скважине с непроточной водой они сохраняют какое-то время взрывчатые свойства вследствие того, что высокая плотность раствора окислителя препятствует проникновению воды в заряд.

Так как окислители растворяются в воде с поглощением тепла, водосодержащие ВВ получают путем смешения предварительно приготовленного раствора с горючим. Известен способ изготовления водосодержащих ВВ путем смешения раствора АС с гранулотолом и сыпучей АС в соотношении 40:20:40 [1].

Общим существенным признаком заявляемого и известного способов является смешение раствора АС с гранулотолом и сыпучей АС. Однако из-за большого содержания твердой фазы в смеси (60%) она обладает низкой способностью к перекачиванию насосами, вследствие чего ее практически невозможно закачать под столб воды. Увеличение содержания раствора АС повышает текучесть смеси, но приводит к расслоению заряда. Получаемые по этому способу водосодержащие ВВ неводоустойчивы, и их применяют для заряжания сухих скважин.

Для обеспечения физической стабильности и повышения водоустойчивости ВВ раствор окислителя загущают высокомолекулярными соединениями, которые существенно повышают его вязкость. За рубежом в качестве загустителя используют гуаргам, в нашей стране - натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и полиакриламид. При определенной, достаточно высокой концентрации загустителя, раствор окислителя приобретает гелеобразную консистенцию за счет переплетения длинно-цепочечных макромолекул загустителя. Прочность структуры гелеобразной фазы достаточна для удержания во взвешенном состоянии твердых частиц с большим удельным весом. Однако получение гелеобразных водосодержащих ВВ путем простого увеличения концентрации загустителя приводит как к их удорожанию, так и чрезмерному увеличению вязкости, что затрудняет их перекачивание насосами. Поэтому перспективным направлением получения физически стабильных и водоустойчивых водосодержащих ВВ является химическое структурирование загущенных растворов окислителя путем введения в них структурирующих агентов.

Известен способ изготовления водосодержащих ВВ, заключающийся в том, что сначала готовят водный раствор АС 90%-ной концентрации, в котором растворяют загуститель - КМЦ [2]. Затем на месте применения загружают в смеситель зарядной машины последовательно загущенный раствор АС при температуре от 85 до 93^oC, гранулотол, перемешивают в течение 1-3 мин и смесь насосом закачивают в скважину по гибкому зарядному рукаву. Структурирующий агент - буру или бихромат калия в количестве от 0,10 до 0,15% от массы ВВ вводят в виде 10%-ного водного раствора в зарядный рукав под давлением. Содержание КМЦ в водосодержащем ВВ составляет 1,0-1,5%.

Общими существенными признаками являются растворение в воде АС, загущение раствора АС с помощью КМЦ, смешение загущенного раствора АС с гранулотолом, структурирование смеси и перекачивание ее в скважину.

Недостатком известного способа является то, что изготовленное по этому способу водосодержащее ВВ имеет низкие физическую стабильность и водоустойчивость, потому что используемые структурирующие агенты - бура и бихромат калия не эффективны для КМЦ. Они не образуют сетчатой структуры геля с прочностью, необходимой для удержания во взвешенном состоянии гранул тротила и практически не повышают водоустойчивость. Кроме того, из-за высокой температуры эти ВВ опасны в обращении и использовании, а процессы изготовления и заряжания разъединены во времени.

Известен способ изготовления физически стабильных и водоустойчивых водосодержащих ВВ, загущенных КМЦ, с использованием в качестве структурирующего агента солей трехвалентного хрома [3], принятый нами за прототип. По этому способу сначала готовят водный раствор окислителя и загущают его с помощью КМЦ. Затем загущенный раствор окислителя смешивают при температуре 20-40^oC с горючим и сыпучей АС, и смесь подают в скважину. В процессе подачи взрывчатого вещества в скважину в него вводят раствор структурирующего агента - соли трехвалентного хрома, исходя из соотношения между КМЦ и солью трехвалентного хрома 1 : (0,015 - 0,030).

Общими существенными признаками заявляемого и известного способов являются приготовление раствора окислителя, загущение его с помощью КМЦ, смешение загущенного раствора окислителя с горючим и сыпучей АС, структурирование смеси и подача взрывчатого вещества в скважину.

Большая скорость структурирования не позволяет получать водоустойчивые ВВ при температуре более 40^oC. Вследствие этого изготовляемые по этому способу водосодержащие ВВ с необходимой водоустойчивостью содержат не менее 16% воды, поэтому имеют сравнительно низкую энергию взрыва.

Задачей заявляемого изобретения является расширение за счет управления скоростью структурирования температурного диапазона, в котором можно получать физически стабильные и водоустойчивые водосодержащие ВВ.

Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является повышение работоспособности ВВ за счет снижения содержания воды; получение водосодержащих ВВ с различной работоспособностью в зависимости от энергоемкости разрушаемого массива.

По заявляемому изобретению сначала готовят водный раствор окислителя, загущают его натриевой солью карбоксиметилцеллюлозы и вводят в него кислоту до слабокислой реакции (pH от 4,0 до 6,0), затем этот раствор смешивают с горючим и сыпучей АС, смесь структурируют хроматами или бихроматами (в дальнейшем (би)хроматами) щелочных металлов в присутствии восстановителя и подают в скважину.

Один из структурирующих агентов - (би)хромат щелочного металла или восстановитель может быть добавлен в раствор окислителя заранее, а второй - восстановитель или (би)хромат щелочного металла - в смесь при подаче ее в скважину.

Перемешивание загущенного и подкисленного раствора окислителя с горючим, сыпучей АС, (би)хроматом щелочного металла и восстановителем может осуществляться одновременно с подачей взрывчатого вещества в скважину.

В качестве восстановителя используют калий пиросернистокислый, натрий пиросернистокислый, натрий сернистокислый, натрий серноватистокислый или их смеси.

Соотношение между натриевой солью карбоксицеллюлозы, (би)хроматом щелочного металла и восстановителем принимают равным 1 : (0,015 - 0,05) : (0,01 - 0,10).

Отличительными от прототипа признаками, в совокупности обеспечивающими получение технического результата во всех случаях, являются введение в загущенный раствор окислителя кислоты до значения pH от 4,0 до 6,0 и структурирование смеси хроматами или бихроматами щелочных металлов в присутствии восстановителя.

Отличительными признаками, характеризующими изобретение в частных случаях, являются:
введение одного из структурирующих агентов - (би)хромата или восстановителя в раствор окислителя, а второго - в смесь при подаче ее в скважину;
перемешивание загущенного раствора окислителя с горючим, сыпучей АС, (би)хроматом щелочного металла и восстановителем одновременно с подачей взрывчатого вещества в скважину;
использование в качестве восстановителя калия пиросернистокислого, натрия пиросернистокислого, натрия сернистокислого, натрия серноватистокислого или их смесей;
соотношение между натриевой солью карбоксиметалцеллюлозой, (би)хроматом щелочного металла и восстановителем 1 : (0,015 - 0,05) : (0,010 - 0,10).

При добавлении в состав ВВ би(хромата) щелочного металла он в первую очередь взаимодействует с восстановителем. В результате этой окислительно-восстановительной реакции шестивалентный хром восстанавливается до трехвалентного. Затем вновь образованные ионы трехвалентного хрома реагируют с молекулами КМЦ по определенным участкам, образуя гелеобразную структуру в результате трехмерного сшивания молекул КМЦ. Так как обмены зарядов происходят последовательно, в несколько стадий, то подобные реакции протекают в течение заметного промежутка времени. Скорость гелеобразования зависит от химической активности восстановителя, pH среды и концентрации взаимодействующих веществ.

Регулирование pH раствора окислителя производят введением в него кислоты, например уксусной, серной, азотной и др.

(Би)хромат щелочного металла и восстановитель могут быть добавлены в смесь одновременно или последовательно, предпочтительно сначала ввести восстановитель.

Количество КМЦ в составе водосодержащего ВВ зависит от его сорта, чистоты и условий применения ВВ. В общем случае оно определяется требуемой консистенцией геля и может изменяться от 0,5 до 2,0%. В этом интервале при оптимальном содержании (би)хромата щелочного металла и стехиометрическом соотношении между ним и восстановителем получаются высокоэластичные гели, способные к перекачиванию насосами.

Нижний предел (би)хромата щелочного металла определяется необходимой прочностью гелеобразной структуры. Предпочтительным содержанием является 1,5-5,0 частей (би)хромата на 100 частей КМЦ (по массе). Избыточное его количество оказывает неблагоприятное влияние на стабильность ВВ, вызывая синерезис при хранении.

Количество восстановителя должно быть достаточным, чтобы перевести в трехвалентное состояние весь шестивалентный хром или, по крайней мере, большую его часть и зависит от требуемой скорости гелеобразования.

В качестве окислителя используют аммиачную селитру или смесь аммиачной селитры с натриевой.

В качестве горючего используют тротил, бездымный порох, порошки алюминия или его сплавы с кремнием, ферросилиций, силикокальций, углеводороды, углесодержащее горючее, жидкие нефтепродукты и их смеси.

По заявляемому способу водосодержащие взрывчатые вещества готовят преимущественно в известных смесительно-зарядных машинах [4] непосредственно в процессе заряжания скважин. Способ изготовления водосодержащих ВВ реализуют следующим образом.

В теплообменном аппарате растворяют в воде при перемешивании и подводе тепла КМЦ и окислитель из расчета получения насыщенного раствора при температуре от 40 до 60^oC, раствор перегревают на 10-40^oC выше температуры насыщения и добавляют в него кислоту до pH от 4,0 до 6,0. Степень перегрева принимают из расчета, чтобы после перемешивания раствора окислителя с горючим и сыпучей АС температура смеси была на несколько градусов выше температуры насыщения исходного раствора окислителя.

Полученный перегретый раствор окислителя перекачивают в теплоизолированную цистерну, установленную на самоходной смесительно-зарядной машине. Затем в отдельные емкости этой же машины загружают сыпучую АС, горючее, растворы (би)хромата щелочного металла и восстановителя. Один из структурирующих агентов - (би)хромат щелочного металла или восстановитель может быть добавлен заранее в раствор окислителя.

На заряжаемом блоке в скважину опускают зарядный рукав и включают мешалку в смесителе. Затем в смеситель подают одновременно и с заданной скоростью (в соответствии с рецептурой изготовляемого ВВ) загущенный раствор окислителя, сыпучую АС, горючее, растворы (би)хромата щелочного металла и восстановителя и включают насос, который перекачивает готовое ВВ в скважину со скоростью, равной суммарной скорости подачи составных частей ВВ в смеситель. Время гелеобразования по данному изобретению составляет 5-20 с, поэтому на выходе из зарядного рукава получают гелеобразное взрывчатое вещество, обладающее физической стабильностью и водоустойчивостью. После заряжания скважины подачу ингредиентов и композиций в смеситель отключают и выключают насос и мешалку.

Этим способом были изготовлены 4 образца, указанные в таблице. В примерах содержание компонентов приведено в массовых процентах.

Для оценки влияния существенных признаков изобретения на технический результат в примерах приняты одинаковыми с прототипом (пример 1) тип и содержание горючего (тротил), а также содержание раствора окислителя.

На выходе из зарядного рукава композиции 2-5 имеют гелеобразную консистенцию, в скважинах детонируют от стандартного боевика. Для сравнения приготовили водосодержащие ВВ такого же состава, как в примерах 2-5, но без добавления кислоты в раствор окислителя: время гелеобразования составило несколько часов. Смесь расслаивается, что приводит к потере взрывчатых свойств.

Управление скоростью гелеобразования путем структурирования смеси (би)хроматом щелочного металла в присутствии восстановителя в кислой среде позволяет получать физически стабильные и водоустойчивые водосодержащие ВВ при более высоких температурах по сравнению с прототипом и, следовательно, использовать для их изготовления растворы окислителя с более высокой концентрацией. За счет этого существенно снижается содержание воды и соответственно повышается работоспособность водосодержащих ВВ. Широкий диапазон изменения работоспособности ВВ, изготавливаемых по заявляемому способу, позволяет применять их для взрывания пород с различными прочностными свойствами.

Изобретение относится к области горнодобывающей промышленности, в частности к промышленным взрывчатым веществам. Водосодержащие взрывчатые вещества получают путем смешения загущенного с помощью натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы и подкисленного до pH 4,0-6,0 раствора окислителя с горючим и сыпучей аммиачной селитрой и структурирование смеси хроматами или бихроматами щелочных металлов в присутствии восстановителя. Технический результат - повышение работоспособности ВВ за счет снижения содержания воды, получение водосодержащих ВВ с различной работоспособностью, в зависимости от энергоемкости разрушаемого массива. 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ изготовления водосодержащих взрывчатых веществ, включающий перемешивание загущенного с помощью натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы водного раствора окислителя с горючим и сыпучей аммиачной селитрой, структурирование смеси и подачу взрывчатого вещества в скважину, отличающийся тем, что сначала в загущенный раствор окислителя добавляют кислоту до значения pH от 4,0 до 6,0, затем этот раствор перемешивают с горючим и сыпучей аммиачной селитрой, а структурирование осуществляют двумя агентами - хроматами или бихроматами щелочных металлов и восстановителем. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что один из структурирующих агентов - хромат или бихромат щелочного металла или восстановитель вводят в раствор окислителя, а второй вводят в смесь при подаче взрывчатого вещества в скважину. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемешивание загущенного раствора окислителя с горючим, сыпучей аммиачной селитрой, хроматом или бихроматом щелочного металла и восстановителем производят одновременно с подачей взрывчатого вещества в скважину. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве восстановителя используют калий пиросернистокислый, натрий пиросернистокислый, натрий сернистокислый, натрий серноватистокислый или их смесь. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение между натриевой солью карбоксиметилцеллюлозы, хроматом или бихроматом щелочного металла и восстановителем принимают равным 1 : (0,015 - 0,05) : (0,010 - 0,10).