Эмульсионный взрывчатый состав Российский патент 2022 года по МПК C06B31/30 C09K23/00 

Изобретение относится к области изготовления безопасных водоустойчивых эмульсионных взрывчатых составов (ЭВС), которые применяются для ведения взрывных работ при добыче полезных ископаемых на земной поверхности и в забоях подземных выработок рудников и шахт, неопасных по газу или пыли горнодобывающих предприятий для разрушения крепких, в том числе сульфидных пород.

Известен ЭВС «Senatel Magnum» наиболее близкий по достигаемому результату и составу компонентов (научно-технический журнал «Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности» №2, 2012 г., стр. 141-147, Анализ существующих ЭВС II класса, предназначенных для ведения взрывных работ шпуровыми зарядами малого диаметра, Варнаков Ю.В., Макаров А.Ф., Варнаков К.Ю.), принятый за прототип, и содержащий в качестве окислителя водный раствор аммиачной селитры, дополнительный окислитель, стабилизатор кислотности, углеводородное горючее, эмульгатор, гранулированную аммиачную селитру, добавляемую в сухом виде, энергетическую добавку и газогенерирующую добавку.

ЭВС по прототипу хотя и обладает повышенными значениями основных взрывчатых показателей, которые объясняются повышенной плотностью из-за использования в качестве углеводородного горючего смеси парафин+воск, уменьшенного содержания воды в составе и введением в состав дополнительного окислителя моногидрата перхлората натрия, который повышает скорость детонации и чувствительность ЭВС к взрывному импульсу первичных средств инициирования, а также энергетической добавки, увеличивающей теплоту взрыва, но также имеет следующие недостатки:

- наличие в составе значительного количества дорогих компонентов (перхлорат натрия, натуральный воск), повышающего себестоимость изготовления;

- низкие показатели взрывобезопасности при изготовлении и применении из-за наличия токсичного, пожаро- и взрывоопасного перхлората натрия, чувствительного к повышенным температурам, искровым разрядам, открытому пламени и механическим воздействиям (удару и трению);

- величину отрицательного кислородного баланса, которая не позволяет включить в состав ЭВС значительное количество антисульфидного ингибитора и энергетической добавки.

Задачей настоящего изобретения является разработка экономически привлекательного ЭВС высокой мощности с расширенными эксплуатационными возможностями в части его применимости для взрывных работ в крепких породах и рудах, в том числе содержащих сульфиды, за счет оптимизации величины кислородного баланса, что позволяет дополнительного ввести антисульфидный ингибитор при одновременном достижении безопасности за счет сбалансированного использования компонентов, исключающих несанкционированные взрывы при сохранении энергетических характеристик на уровне прототипа.

Поставленная задача решается предлагаемой рецептурой ЭВС, который содержит в качестве окислителя водный раствор аммиачной селитры, дополнительный окислитель, стабилизатор кислотности, углеводородное горючее, эмульгатор, гранулированную аммиачную селитру, добавляемую в сухом виде, энергетическую добавку, газогенерирующую добавку. Особенность заключается в том, что ЭВС дополнительно содержит ингибитор и сенсибилизатор, в качестве углеводородного горючего используют эвтектическую смесь из, по меньшей мере, двух нитрованных ароматических углеводородов и дополнительно биотопливо, в виде смеси моноалкильных эфиров жирных кислот, источником которых являются растительные масла, в качестве дополнительного окислителя используют нитрат натрия или нитрат кальция при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Аммиачная селитра 30,0-50,0 Вода 5,0-15,0 Нитрат натрия или нитрат кальция 6,0-10,0 Стабилизатор кислотности 0,1-0,3 Эвтектическая смесь из, по меньшей мере, двух нитрованных ароматических углеводородов 2,4-3,2 Биотопливо, в виде смеси моноалкильных эфиров жирных кислот, источником которых являются растительные масла 2,4-3,2 Эмульгатор 0,3-1,9 Аммиачная селитра гранулированная, добавляемая в сухом виде 12,0-45,0 Энергетическая добавка 3,0-7,0 Ингибитор 0,2-3,0 Газогенерирующая добавка, сверх 100% 0,1-0,2 Сенсибилизатор, сверх 100% 1,0-3,0

В частности, в качестве, по меньшей мере, двух нитрованных ароматических углеводородов используют смесь 45-55% динитротолуола и 45-55% динитроксилола или 40-45% динитротолуола, 40-45% динитроксилола и 10-20% мононитротолуола и/или мононитроксилола и/или тринитротолуола и/или тринитроксилола.

В частности, в качестве энергетической добавки используют алюминий или ферросилиций, или ферросиликоалюминиевый или алюминиевокремневый сплав.

В заявляемом техническом решении аммиачная селитра является основным окислителем и вводится в состав в виде водного раствора и в сухом гранулированном состоянии (например, аммиачная селитра гранулированная пористая по ТУ 2143-639-00209023-99 и/или по ТУ 2143-029-00203795-2005; аммиачная селитра гранулированная плотная по ГОСТ 2-2013; аммиачная селитра измельченная, фракция 100-1000 мкм), энергетическая добавка, позволяющая повысить теплоту взрыва и детонационные характеристики имеет дисперсность 50-300 мкм и выбирается из ряда: алюминий (например, порошок алюминиевый ПА-4 по ГОСТ 6058-73, порошок алюминиевый вторичный по ТУ 48-5-152-78) или ферросилиций с содержанием кремния более 70% (например, ферросилиций по ГОСТ 1415-93), или ферросиликоалюминиевый или алюминиевокремневый сплав любого вида, содержащий алюминий и/или кремний не менее 70%, карбамид или уротропин играют роль ингибитора для уменьшения содержания воды и возможности использования состава в сульфидных породах (например, карбамид по ГОСТ 2081-2010, уротропин по ГОСТ 1381-73). Благодаря наличию в заявляемом составе ЭВС сенсибилизаторов (например, полимерные микросферы Expancel по ТУ 2291-012-25665344-2013, стеклянные микросферы по ГОСТ Р 57964-2017) и газогенерирующей добавки (например, водный раствор нитрита натрия по ГОСТ 19906-74, водный раствор перекиси водорода по ГОСТ 177-88) проявляется чувствительность к стандартным первичным средствам инициирования, уменьшается критический диаметр детонации, расширяется область применения. В качестве стабилизатора кислотности и эмульгатора используют вещества, принятые к применению в отрасли.

Преимуществом данной рецептуры ЭВС является использование в составе углеводородного горючего, состоящего из по меньшей мере, двух нитрованных ароматических углеводородов (например, динитроксилол, содержащий не менее 80% основного вещества, динитротолуол по ОСТ 84-738-79, эвтектика динитротолуола-динитроксилола по ТУ 07508902-251-2019) и дополнительно биотоплива, в виде смеси моноалкильных эфиров жирных кислот, источником которых являются растительные масла (например, метиловый эфир жирных кислот по ТУ 381119-003-39416946-2019 и/или по ТУ 2435-491-05763441-2005). В отличии от прототипа, горючее которого полностью состоит из нефтепродуктов (парафин, воск), углеводородное горючее в виде эвтектической смеси из, по меньшей мере, двух нитрованных ароматических углеводородов и дополнительно биотоплива, в виде смеси моноалкильных эфиров жирных кислот, источником которых являются растительные масла, увеличивает плотность состава, тем самым повышая объемную энергию. Кроме того, наличие нитрогрупп NO₂ дает дополнительный сенсибилизирующий эффект:

- снижающий критический диаметр детонации ЭВС, что позволяет реализовать энергетические характеристики состава в зарядах малого диаметра и, следовательно, расширить область применения;

- уменьшающий отрицательный кислородный баланс горючего, что позволяет включить в заявляемый состав значительное количество энергетической добавки и повышенное количество ингибитора, снижающего содержание воды, температуру кристаллизации окислительной фазы и повышающего стабильность взрывчатого состава в сульфидных рудах;

- позволяющий реализовать высокие показатели взрывобезопасности при транспортировке и изготовлении - проведенные испытания по ГОСТ Р 54509-2011 показали, что углеводородное горючее в виде эвтектической смеси из, по меньшей мере, двух нитрованных ароматических углеводородов и дополнительно биотоплива, в виде смеси моноалкильных эфиров жирных кислот, источником которых являются растительные масла, не способно распространять детонацию, его температура самовоспламенения выше чем у дизельного топлива.

Рецептуры, экспериментальные результаты определения взрывчатых и детонационных характеристик, расчетные величины теплоты взрыва исследуемых образцов взрывчатых веществ предлагаемого состава и состава по прототипу приведены в Таблице.

В таблице приведены взрывчатые составы, где в качестве эвтектической смеси из, по меньшей мере, двух нитрованных ароматических углеводородов взята смесь из 45-55% динитротолуола и 45-55% динитроксилола, а в качестве энергетической добавки взяты порошки алюминия 50-100 мкм по аналогии с прототипом. Составы, где в качестве энергетической добавки используют ферросилиций, или ферросиликоалюминиевый, или алюминиевокремневый сплавы будут иметь более низкую стоимость при незначительном снижении показателей по теплоте взрыва и по детонационным характеристикам.

Как следует из результатов проведенных испытаний образцов заявляемого состава (Таблица), изготовленных по пяти рецептурам, три из рецептур являются оптимальными (составы №№2-4). Данные рецептуры обладают технологичным для смешения содержанием гранулированной аммиачной селитры, оптимальным количеством ингибитора и кислородным балансом близким к нулевому, что позволяет полностью реализовать энергетический потенциал и использовать данные составы в том числе при подземных работах, а также количество энергетической добавки, в соответствии с существующей потребностью, может быть значительно увеличено по сравнению с максимально возможным количеством энергетической добавки состава по прототипу. Эти составы имеют энергетические характеристики на уровне прототипа (Таблица).

Состав по примеру выполнения №1 обладает малым содержанием энергетической добавки, большим количеством воды, и положительным кислородным балансом, что не позволяет реализовать энергетический потенциал и широко использовать данный состав.

Состав по примеру выполнения №5 обладает большим, сложным для перемешивания количеством гранулированной аммиачной селитры, малым содержанием эмульгатора и сильно отрицательным кислородным балансом, чем определяется сложность практического изготовления и применения данного состава.

Определение теплоты взрыва и кислородного баланса проводили с использованием компьютерной программы REAL, применяемой для расчета термодинамических характеристик (Belov G.V. Thermodynamic Analisys of Combustion Products at High Temperature and Pressure // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. -1998. Vol.23.-P.86-89).

Снижение себестоимости изготовления ЭВС обусловлено наличием серийного производства в России всех компонентов данного взрывчатого состава, небольшим содержанием в составе самого дорогого компонента - смеси нитрованных ароматических углеводородов. Кроме этого есть возможности для снижения себестоимости данного состава при условии подбора альтернативы энергетической добавки, в соответствии с существующей потребностью (замена алюминия на ферросплавы).

В технологии приготовления эмульсионного взрывчатого состава используют широко применяемые на практике способы и оборудование. Входящие в рецептуру компоненты изготавливаются промышленностью. Заявляемый ЭВС приготавливается известным в технике способом, путем смешения входящих компонентов. При этом сначала эмульсию, приготовленную смешением водного раствора аммиачной селитры и нитрата натрия или нитрата кальция и эвтектической смеси из, по меньшей мере, двух нитрованных ароматических углеводородов и дополнительно биотоплива, в виде смеси моноалкильных эфиров жирных кислот, источником которых являются растительные масла, смешивают с гранулированной аммиачной селитрой в сухом виде, предварительно пропитанной эвтектической смесью из, по меньшей мере, двух нитрованных ароматических углеводородов и дополнительно биотоплива, в виде смеси моноалкильных эфиров жирных кислот, источником которых являются растительные масла, в отдельной емкости. И далее полученную смесь тщательно перемешивают с остальными компонентами.

Таким образом, предложенный ЭВС практически реализуем, технологичен и позволяет удовлетворить существующую потребность в решении поставленной задачи.

Изобретение относится к области изготовления безопасных водоустойчивых эмульсионных взрывчатых составов, которые применяются для ведения взрывных работ при добыче полезных ископаемых на земной поверхности и в забоях подземных выработок рудников и шахт, неопасных по газу или пыли горнодобывающих предприятий для разрушения крепких, в том числе сульфидных пород. Эмульсионный взрывчатый состав содержит в качестве окислителя водный раствор аммиачной селитры, дополнительный окислитель, стабилизатор кислотности, углеводородное горючее, эмульгатор, гранулированную аммиачную селитру, добавляемую в сухом виде, энергетическую добавку, газогенерирующую добавку. Дополнительно содержит ингибитор и сенсибилизатор. В качестве углеводородного горючего используют эвтектическую смесь из, по меньшей мере, двух нитрованных ароматических углеводородов и биотопливо, в виде смеси моноалкильных эфиров жирных кислот, источником которых являются растительные масла. В качестве дополнительного окислителя используют нитрат натрия или нитрат кальция. Состав имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:

Аммиачная селитра 30,0-50,0 Вода 5,0-15,0 Нитрат натрия или нитрат кальция 6,0-10,0 Стабилизатор кислотности 0,1-0,3 Эвтектическая смесь из, по меньшей мере, двух нитрованных ароматических углеводородов 2,4-3,2 Биотопливо в виде смеси моноалкильных эфиров жирных кислот, источником которых являются растительные масла 2,4-3,2 Эмульгатор 0,3-1,9 Аммиачная селитра гранулированная, добавляемая в сухом виде 12,0-45,0 Энергетическая добавка 3,0-7,0 Ингибитор 0,2-3,0 Газогенерирующая добавка, сверх 100% 0,1-0,2 Сенсибилизатор, сверх 100% 1,0-3,0.

Обеспечивается исключение несанкционированных взрывов при сохранении энергетических характеристик на уровне прототипа. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Эмульсионный взрывчатый состав, содержащий в качестве окислителя водный раствор аммиачной селитры, дополнительный окислитель, стабилизатор кислотности, углеводородное горючее, эмульгатор, гранулированную аммиачную селитру, добавляемую в сухом виде, энергетическую добавку, газогенерирующую добавку, отличающийся тем, что дополнительно содержит ингибитор и сенсибилизатор, в качестве углеводородного горючего используют эвтектическую смесь из, по меньшей мере, двух нитрованных ароматических углеводородов и дополнительно биотопливо, в виде смеси моноалкильных эфиров жирных кислот, источником которых являются растительные масла, в качестве дополнительного окислителя используют нитрат натрия или нитрат кальция, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Аммиачная селитра 30,0-50,0 Вода 5,0-15,0 Нитрат натрия или нитрат кальция 6,0-10,0 Стабилизатор кислотности 0,1-0,3 Эвтектическая смесь из, по меньшей мере, двух нитрованных ароматических углеводородов 2,4-3,2 Биотопливо, в виде смеси моноалкильных эфиров жирных кислот, источником которых являются растительные масла 2,4-3,2 Эмульгатор 0,3-1,9 Аммиачная селитра гранулированная, добавляемая в сухом виде 12,0-45,0 Энергетическая добавка 3,0-7,0 Ингибитор 0,2-3,0 Газогенерирующая добавка, сверх 100% 0,1-0,2 Сенсибилизатор, сверх 100% 1,0-3,0

2. Эмульсионный взрывчатый состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве, по меньшей мере, двух нитрованных ароматических углеводородов используют смесь 45-55% динитротолуола и 45-55% динитроксилола или 40-45% динитротолуола, 40-45% динитроксилола и 10-20% мононитротолуола, и/или мононитроксилола, и/или тринитротолуола, и/или тринитроксилола.

3. Эмульсионный взрывчатый состав по п. 1, отличающийся тем, что в качестве энергетической добавки используют алюминий или ферросилиций, или ферросиликоалюминиевый или алюминиевокремневый сплав.