Обоснование технологических параметров эмульпоров
Б.Н.Кутузов
На основании численных экспериментов по определению взрывчатых характеристик Эмульпоров осуществлена технико-экономическая оценка эффективности их применения. Показано, что - при применении скважинных зарядов эмульпоров диаметром более 200 мм , целесообразно окислительную фазу данных ЭВВ готовить только из аммиачной селитры. При этом рекомендуемый расход эмульгатора марки «ПЭВВ» (РЭМ-5) - 1,0-1,25% от массы матричной эмульсии, а плотность заряжания ЭВВ - 1,05-1,10 г/см3.
- при применении скважинных зарядов Эмульпоров диаметром 100-160 мм целесообразно окислительную фазу готовить из смеси аммиачной и кальциевой селитр. При этом рекомендуемый расход эмульгатора марки «ПЭВВ» (РЭМ-5) - 1,25-1,5% от массы матричной эмульсии, а плотность заряжания ЭВВ - 1,10-1,15 г/см3.
- при отбойке обводненных горных пород с низкой устойчивостью уступов и(или) при содержании в разрушаемой среде ценных хрупких включений скважинными зарядами диаметром 150 мм и более целесообразно применение Эмульпоров с окислительной фазой из аммиачной и натриевой селитр. При этом рекомендуемый расход эмульгатора марки «ПЭВВ» (РЭМ-5) - 0,8-1,0% от массы матричной эмульсии, а плотность заряжания ЭВВ - 1,0-1,05 г/см3.
Ключевые слова: Эмульпоры, скорость детонации, коэффициент относительной работоспособности, предельный диаметр, показатель экономичности ЭВВ.
В связи с увеличением глубины горных работ на угольных разрезах Кузбасса все большая часть вскрышных пород является обводненными. При этом длина взрывных скважин на данных разрезах изменяется в диапазонах 10-50м, что обусловлено принятыми системами отработки месторождений. Таким образом применяемое ВВ, кроме водоустойчивости, должно обеспечивать стабильность детонационных свойств при взрывании вертикальных зарядов длиной до 50 метров. Использование для отбойки ЭВВ, сенсибилизированных газовыми пузырьками, в данных условиях приводит к значительному расходу ЭВВ, обусловленному его уплотнением в нижней части скважинного заряда из-за уменьшения размеров газовых пор. Помимо этого, уплотнение ЭВВ приводит к снижению его чувствительности и затруднению протекания полноценной детонации. Таким образом, при применении длинных скважинных зарядов использование ЭВВ, сенсибилизированных газовыми порами, ведет к необоснованным материальным затратам и не обеспечивает надежность детонации этих ЭВВ. Применение ЭВВ, сенсибилизированных стеклянными или пластиковыми микросферами ухудшает экономические показатели взрывных работ вследствие дороговизны данных сенсибилизаторов. Использование в качестве сенсибилизаторов микрогранул перлита, продуктов переработки зол не обеспечивает надежной детонации вследствие возможности образования микрогранул со значительной открытой пористостью. Из пористых органических веществ для их использования в качестве сенсибилизатора при производстве ЭВВ наибольший интерес представляют гранулы вспененного полистирола (гранулы пенополистирола). Данные гранулы характеризуются низкой величиной открытой пористости и, являясь продуктом устойчивого и управляемого органического синтеза, характеризуются повторяемостью внутренней структуры. Кроме этого данный материал доступен, как с точки зрения цены, так и с точки зрения бесперебойного им снабжения.
Поэтому решение научно-технической задачи - обоснования оптимальных составов ЭВВ, сенсибилизированных гранулами пенополистирола, обеспечивающих улучшение технико-экономических показателей при производстве массовых взрывов на карьерах в скважинах глубиной до 50-60 м, является актуальной задачей с точки зрения совершенствования технологии взрывных работ.
В работе [1] представлена методика теоретической оценки детонационных параметров Эмульпоров, сенсибилизированных гранулами пенополистирола во всей совокупности параметров, описывающих данные системы: учет химического состава ВВ, плотностей ЭВВ , структуры ЭВВ (размеры частиц эмульсии), размеров и структуры гранул пенополистирола. Показано хорошее согласие между экспериментальными и расчетными данными. Это позволяет использовать развитые подходы для модельных расчетов.
В настоящей работе представлены результаты численных экспериментов, основанных на схеме, изложенной в [1, 2].
Зависимость скорости детонации от плотности ЭВВ при различных значениях эмульгатора «ПЭВВ» (РЭМ-5) и различных по химической природе окислительных фазах представлены на рис.1-3.
Зависимости коэффициента относительной работоспособности ЭВВ по К.К. Шведову [3] от плотности ЭВВ при различных значениях содержания эмульгатора «ПЭВВ» (РЭМ-5) и различных по химической природе окислительных фазах представлены на рис.4-6.
Зависимости предельного диаметра безоболочечного заряда от плотности ЭВВ при различных значениях содержания эмульгатора «ПЭВВ» (РЭМ-5) и различных по химической природе окислительных фазах представлены на рис.7-9.
Зависимость показателя экономичности от плотности ЭВВ при различных значениях содержания эмульгатора «ПЭВВ» (РЭМ-5) и различных по химической природе окислительных фазах представлены на рис.10-12.
При выполнении расчетов принималось следующее:
- диаметр гранул пенополистирола - 3 мм, а пор в этих гранулах при насыпной плотности 0,035-0,05 г/см3 - 160 мкм [4] ;
- воздушная пористость смешения при механическом смешении: =0,02;
Химический состав эмульсии указан в подрисуночных надписях.
Содержание (величина массовой доли) эмульгатора марки «ПЭВВ» ( РЭМ-5) в составе матричной эмульсии изменялась в пределах от 0,8% до 1,5%. Данные границы обусловлены свойствами данного эмульгатора и технологическими требованиями к вязкости ЭВВ при механическом заряжании.
Расчет показателя экономичности ЭВВ осуществлялся без учета коммерческих наценок по нижеприведенным формулам (1), (2). При определении величины полагали, что объем отбиваемой горной породы пропорционален относительному коэффициенту работоспособности ЭВВ .
, (1)
где . (2)
Рис 1. Зависимость скорости детонации от плотности ЭВВ (NH4NO3-80,55%, H2O-14,2%, топл.фаза 5,25%)
Рис. 2. Зависимость скорости детонации от плотности ЭВВ (NH4NO3-65,6%, Ca(NO3)2-14%, H2O- 14,1%, топл. фаза- 6,3%)
Рис. 3. Зависимость скорости от плотности ЭВВ (NH4NO3- 65,55%, NaNO3- 14,0%, H2O-14,1%, топл. фаза-6,35%)
Рис. 4. Зависимость относительной работоспособности от плотности ЭВВ (NH4NO3-80,55%, H2O-14,2%, топл.фаза 5,25%)
Рис.5 Зависимость относительной работоспособности от плотности ЭВВ (NH4NO3-65,6%, Ca(NO3)2-14%, топл. фаза- 6,3%)
Рис.6. Зависимость относительной работоспособности от плотности ЭВВ (NH4NO3- 65,55%, NaNO3- 14,0%, H2O-14,1%, топл. фаза-6,35%)
Рис. 7. Зависимость предельного диаметра от плотности ЭВВ (NH4NO3-80,55%, H2O-14,2%, топл.фаза 5,25%)
Рис. 8. Зависимость предельного диаметра от плотности ЭВВ (NH4NO3-65,6%, Ca(NO3)2-14%, топл. фаза- 6,3%)
Рис.9. Зависимость предельного диаметра от плотности ЭВВ (NH4NO3- 65,55%, NaNO3- 14,0%, H2O-14,1%, топл. фаза-6,35%)
Рис. 10. Зависимость показателя экономичности от плотности ЭВВ (NH4NO3-80,55%, H2O-14,2%, топл.фаза 5,25%)
Рис. 11. Зависимость показателя экономичности от плотности ЭВВ (NH4NO3-65,6%, Ca(NO3)2-14%, топл. фаза- 6,3%)
Рис. 12. Зависимость показателя экономичности от плотности ЭВВ (NH4NO3- 65,55%, NaNO3- 14,0%, H2O-14,1%, топл. фаза-6,35%)
Обозначения, принятые в (1) и (2) : , , , , , - стоимости на месте производства ЭВВ аммиачной, кальциевой, натриевой селитр, жидкого топлива, эмульгатора и технической воды, соответственно, руб./кг; - стоимость на месте производства ЭВВ гранул пенополистирола , руб/м3; - стоимость бурения 1 п.м. скважины диаметром , р/м; - длина заряда, м; - высота уступа, м; - глубина перебура, м; , , , , , - массовые доли общей топливной фазы, эмульгатора, аммиачной, кальциевой, натриевой селитр и технической воды; - объемная доля гранул пенополистирола при создании ЭВВ; - удельные общехозяйственные и энергетические расходы при производстве ЭВВ, руб./кг; - плотность заряжания, кг/м3; - коэффициент относительной работоспособности, определяемый в соответствии с работой [3] и расчетом детонационных параметров ЭВВ согласно [1,2,5]. Приведенные на рис.10-12 зависимости показателя экономичности построены на основании технико-экономических показателей ЗАО «Спецхимпром» за 4-й квартал 2011г.
Анализ зависимостей, представленных рис.1-6, показывает, что при изменении плотности ЭВВ в практически значимом при отбойке обводненных горных пород диапазоне (1,00-1,15 г/см3) скорость детонации Эмульпоров меняется в диапазоне от 3750 до 4300 м/c, а коэффициент относительной работоспособности ЭВВ по К.К.Шведову от 0,5 до 0,7. При этом (при равной плотности заряжания) наивысшие из указанных показателей имеют Эмульпоры с окислительной фазой на основе аммиачной селитры, далее - на основе аммиачной и кальциевой селитр, а затем - на основе аммиачной и натриевой селитр, что отмечалось ранее в работе [6].
Экономическая оценка эффективности применения Эмульпоров (рис.10-12) показывает, что при применении скважинных зарядов диаметром 200-250 мм и более, целесообразно использование ЭВВ с окислительной фазой из аммиачной селитры. При этом их плотность желательно выдерживать в диапазоне 1,05-1,10 г/см3 . Оптимальное количество используемого эмульгатора марки «ПЭВВ» ( РЭМ-5) при этом составляет 1,0-1,2% от массы матричной эмульсии.
При применении скважинных зарядов диаметром 100-160 мм целесообразно окислительную фазу эмульпоров готовить на основе аммиачной и кальциевой селитр, т.к. данные ЭВВ имеют существенно меньший предельный (и, соответственно - критический) диаметр детонации (рис.7-9). Оптимальное количество используемого эмульгатора марки «ПЭВВ» (РЭМ-5) при этом составляет около 1,25-1,5% от массы матричной эмульсии, а рекомендуемая плотность заряжания - 1,10-1,15 г/см3.
Эмульпоры с окислительной фазой на основе аммиачной и натриевой селитр обладают меньшей разрушительной силой (работоспособностью) по сравнению с другими, рассматриваемыми в настоящей работе ЭВВ (при одинаковой плотности заряжания). Поэтому, если применяются скважинные заряды диаметром 150 мм и более, то данные ЭВВ целесообразно применять при отбойке обводненных горных пород с низкой устойчивостью уступов и(или) при содержании в разрушаемой среде ценных хрупких включений. Оптимальное количество используемого эмульгатора марки «ПЭВВ» (РЭМ-5) при этом составляет около 0,8-1% от массы матричной эмульсии, а рекомендуемая плотность заряжания - 1,0-1,05 г/см3.
эмульпор взрывчатый детонация
Литература
1. Горинов С.А., Маслов И.Ю. Оценка детонационных параметров эмульсионных взрывчатых веществ сенсибилизированных пластиковыми полимикросферами. // ГИАБ №7, 2011. Препринт. С.53-63.
2. Кутузов Б.Н., Горинов С.А. Физико-технические основы создания эмульсионных и гранулированных ВВ и средств их инициирования. // ГИАБ №7, 2011. Препринт. С.34-52.
3. Шведов К.К. Об определении работоспособности взрывчатых веществ. // Физика горения и взрыва, 1984. Т.20. №3. С.60-64.
4. Горинов С.А., Маслов И.Ю., Собина Е.П. Исследование структуры эмульпоров // ГИАБ №9, 2011. Препринт. С.3-14.
5. Горинов С.А., Маслов И.Ю. Теоретическая оценка детонационных параметров гранэмитов, сенсибилизированных пластиковыми полимикросферами// ГИАБ, №9, 2011. Препринт. С.15-25.
6. Горинов С.А., Маслов И.Ю. Влияние химического состава окислительной фазы эмульсии ЭВВ на взрывчатые характеристики при их сенсибилизации пластиковыми полимикросферами // ГИАБ №12, 2011. Препринт. С.9-16.