Научные основы безопасного производства и применения эмульсионных взрывчатых веществ типа «сибиритов» на горных предприятиях

Горнодобывающая промышленность в настоящее время является не только одной из наиболее динамично развивающихся отраслей, но и отраслью, во многом определяющей уровень экономического развития страны в целом. При этом добыча руд и минерального сырья в основном ориентирована на открытый способ, как наиболее технологически эффективный, экономичный и безопасный.

Дальнейшие перспективы развития этого способа добычи связаны с работой в усложняющихся горно-геологических условиях, переходом на более глубокие горизонты и другими трудностями, приводящими к соответствующему увеличению объемов работ.

Вполне понятно, что с углублением карьеров (разрезов) возрастают и объемы вскрышных работ, большее значение приобретает качество подготовки горной массы, вопросы обеспечения промышленной безопасности при ведении работ и охраны окружающей среды.

Выполнение этих задач непосредственно зависит от эффективности и безопасности технологии ведения взрывных работ — важнейшей составляющей горной технологии.

Буровзрывной способ добычи полезных ископаемых при открытой разработке месторождений является основным, что иллюстрируют данные об объемах применения взрывчатых веществ. Так, мировое годовое потребление промышленных ВВ в настоящее время превысило 6 млн.т., из которых более 2 млн.т. потребляется в США. После спада, связанного с периодом экономического кризиса, в России в последние годы отмечается рост объемов производства и потребления промышленных ВВ, превысивших уже 600 тыс.т.

Экономическая эффективность взрывных работ определяется эффективностью применяемых ВВ и возможностью максимальной механизации процессов, связанных с их изготовлением и применением. Этот вид работ, и без того выделяющийся своей повышенной опасностью, с повышением уровня их механизации и увеличением производительности может сделаться еще более опасным.

Исходя из вышеизложенного, в основе решения указанной задачи лежит выполнение трех, не всегда совместимых между собой требований, как повышение эффективности взрыва промышленных ВВ, а также уровней механизации и технологической безопасности при их изготовлении и применении.

Исторический путь развития промышленных взрывчатых веществ был обусловлен старанием совместить эти важнейшие требования.

Тем не менее, взрывные работы всегда отличались повышенным уровнем опасности. Так, несмотря на то, что средний уровень травматизма в 1986;1990гг. в целом по горнодобывающей промышленности составлял 5,2% [1], доля случаев с тяжелым и смертельным исходом была равна 15% от этой величины. При этом более половины всех случаев связано с операциями, производимыми с взрывчатыми веществами [2].

Повышение экономической эффективности взрывных работ и их безопасности, наметившееся в последние два десятилетия, связано с появлением взрывчатых веществ простейшего состава и водосодержащих ВВ.

Объемы применения таких ВВ в высокоразвитых горнодобывающих странах, таких, как, например, США, Канада, Австралия, в настоящее время превышают 90%. При этом значительная доля этих ВВ, особенно предназначенных для беспатронного механизированного заряжания скважин, изготавливается непосредственно на горных предприятиях.

Россия также следует общемировым тенденциям. Так, по данным Госгортехнадзора РФ более 50% взрывчатых веществ изготавливается на местах применения. Необходимо отметить, что с усилением роли экономических факторов в работе предприятий, доля ВВ, изготавливаемых на горных предприятиях, в последние годы постоянно увеличивается. Если в 1991 г. эта величина составляла всего 16%, то в 1999 г. она уже стала равна 43,5%, а в 2001 г. превысила 50% и, по-видимому, будет продолжать расти.

Важное место в этом ряду занимают эмульсионные взрывчатые вещества, основными достоинствами которых являются наиболее высокий уровень безопасности производства и применения, возможность полной механизации процесса заряжания, регулирования энергетических характеристик, а также доступность и дешевизна сырья. В составе этих ВВ не содержится индивидуальных взрывчатых веществ, а, следовательно, снимаются проблемы, сопутствующие перевозке и хранению опасных грузов. Однако необходимо помнить, что не бывает абсолютно безопасных взрывчатых веществ, а любая смесь окислителя и горючего является потенциально взрывоопасной, и степень ее реальной опасности в обращении зависит от множества факторов.

Очевидная привлекательность этого типа взрывчатых веществ привела к активному строительству комплексов по их производству и применению на многих горнодобывающих предприятиях, особенно крупных.

В настоящее время в России действует 14 таких заводов, в т. ч. 6 из них введены в эксплуатацию в последние три года.

Начиная с 1990 г. при непосредственном участии и под техническим руководством автора, ЗАО «Нитро Сибирь» занимается разработкой рецептур, технологии изготовления и применения эмульсионных ВВ, а также проектированием, строительством и эксплуатацией комплексов по производству эмульсионных взрывчатых веществ, получивших название «Сибириты», на крупных горнодобывающих предприятиях России.

ЗАО «Нитро Сибирь» осуществило проектирование, изготовило оборудование, разработало необходимую конструкторскую и технологическую документацию и ввело в эксплуатацию комплексы по производству и применению «Сибиритов» на угольных разрезах «Нерюнгринский» (май 1996 г.), «Бачатский» (март 1999 г.) и «Междуреченский» (май 1999 г.).

В декабре 2002 г. завершено строительство и осуществлен пуск крупнейшего в Европе комплекса производственной мощностью 35−40 тыс.т. в год в ОАО «Карельский окатыш».

Таким образом, в горнодобывающей отрасли существует актуальная научно-техническая проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение и состоящая в необходимости разработки методологии обеспечения промышленной безопасности при изготовлении и применении промышленных эмульсионных взрывчатых веществ на горных предприятиях, основанной на полном исключении или минимизации риска и тяжести последствий аварии на каждой из стадий технологического цикла ведения взрывных работ.

Цель работы — создание научных основ безопасного производства и применения эмульсионных взрывчатых веществ типа «сибиритов» на горных предприятиях.

Идея работы заключается в разработке комплексной системы обеспечения промышленной безопасности при производстве и применении на горном предприятии эмульсионных взрывчатых веществ типа «сибиритов», основанной на использовании невзрывчатых полуфабрикатов с регулируемой химической активностью, смешиваемых в процессе механизированного заряжания скважины и приобретающих взрывчатые свойства с требуемой задержкой во времени, и включающей меры и способы физико-химического, технологического, конструкторского и проектного характера, направленные на исключение возможности создания опасной ситуации на каждой из стадий процесса производства и применения «сибиритов» или минимизации тяжести последствий аварии.

К защите представлены следующие научные положения;

1) возникновение и развитие опасной ситуации при производстве и применении связано с несанкционированным снижением относительной плотности и содержания воды в составе эмульсионной матрицы в процессе технологического обращения с ней, приводящим к тому, что интенсивность технологических или случайных воздействий становится выше критических параметров, характеризующих чувствительность вещества к данному воздействию в конкретных внешних условиях;

2) управление дисперсностью эмульсионной матрицы позволяет регулировать эксплуатационные характеристики эмульсионного ВВ, такие как физическая стабильность, вязкость и детонационные параметры, соответственно, конкретным условиям применения данного ВВ;

3) безопасность при хранении и транспортировании эмульсионной матрицы, а также при изготовлении эмульсионного ВВ в процессе заряжания скважины обеспечивается оптимизацией показателя кислотности (рН) раствора окислителей, регулирующего термохимическую стабильность эмульсионной матрицы и время запаздывания ее перехода во взрывчатое состояние после завершения процесса заряжания;

4) надежность и эффективность взрывания скважинного заряда эмульсионного ВВ, сенсибилизированного газовыми включениями и испытывающего воздействие гидростатического давления, зависящего от глубины скважины, обеспечивается при относительной плотности слоя, размещенного в донной части скважины, при которой диаметр скважины будет, по крайней мере, вдвое больше критического диаметра эмульсионного ВВ при данной плотности;

5) применение смесей эмульсионного ВВ с ВВ простейшего состава в виде комбинированных зарядов коаксиальной формы, в которых эмульсионное ВВ выполняет функцию осевого линейного инициатора, позволяет при оптимальном соотношении между компонентами заряда (25/75) обеспечить надежность взрывания низкочувствительных простейших ВВ и увеличить эффективность их взрыва в 1,8 раза.

Практическая ценность работы: разработаны нормативные документы, позволяющие осуществлять безопасную эксплуатацию комплексов по производству и применению эмульсионных взрывчатых веществ «сибиритов» на горных предприятиях, а также программы подготовки персонала, участвующего в технологическом процессеразработана рецептура и организовано промышленное производство высокоэффективного эмульгатора ИНС-6, применение которого позволило снизить минимально необходимую интенсивность технологических нагрузок, тем самым, повысив безопасность производства эмульсии «сибиритов" — разработаны рецептуры безопасных при производстве и применении, высокоэффективных эмульсионных взрывчатых веществ «сибиритов» различных типов, обладающих низкой газовой токсичностью и предназначенных для механизированного заряжания скважин в породах любой степени обводненности, а также для использования (в виде патронов) в качестве промежуточных детонаторов скважинных зарядов и зарядов для дробления «негабаритов», и технология производства и применения этих взрывчатых веществразработана конструкторская документация, позволившая осуществить изготовление технологического оборудования, смесительно-зарядных и транспортировочных машин для комплексов по производству и применению эмульсионных ВВ «сибиритов».

7.3. Выводы.

1) В период 1996;1999гг. построены и успешно эксплуатируются 3 комплекса по производству и применению эмульсионных ВВ «Сибиритов» на угольных разрезах Якутии, центрального и южного Кузбасса с фактическим объемом производства, достигшим 40 тыс. т/год и продолжающим возрастать.

2) Переход на применение эмульсионных ВВ «Сибиритов» позволил горным предприятиям практически полностью отказаться от использования дорогостоящих, более опасных в обращении и экологически вредных тротилсодержащих ВВ, повысив при этом уровень механизации взрывных работ до 100%.

3) На угольных разрезах юга Кузбасса впервые в России освоена технология эффективного применения эмульсионных ВВ «Сибиритов» в глубоких скважинах (до 50м) при их заряжании смесительно-зарядными машинами МСЗ-8 и МСЗ-20, позволяющими строго контролировать плотность «Сибирита» при заряжании.

4) Применение эмульсионных ВВ «Сибиритов» различного назначения на разрезе «Междереченский» позволило на 25% увеличить выход взорванной горной массы с 1 п.м. скважины, на 60% повысить производительность экскаваторов, сократив в 2 раза их простои по мех. части, и уменьшить на 20% выход «негабаритов».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, представляющей собой законченную научную работу, на основе исследования характерных закономерностей поведения взрывчатых эмульсий при различных технологических воздействиях разработаны научные основы безопасного производства и применения эмульсионных ВВ типа «сибиритов» на горных предприятиях, базирующиеся на использовании невзрывчатых полуфабрикатов с регулируемой химической активностью, смешиваемых в процессе механизированного заряжания скважины и приобретающих взрывчатые свойства с требуемой задержкой, включающие пооперационный анализ, позволяющий оценить потенциальную опасность каждой из операций и технологии в целом, установление количественных критериев, характеризующих опасность и выработку научно-обоснованных физико-химических и инженерно-технических решений, направленных на исключение возможности создания опасной ситуации на любой из стадий технологического цикла или минимизации тяжести последствий аварии.

Решение этой проблемы, помимо научного, имеет важное народнохозяйственное и социальное значение.

Основные научные результаты и выводы.

1. Причиной возникновения и развития опасной ситуации при производстве и применении эмульсионных ВВ является несанкционированное изменение физико-химических характеристик вещества в процессе технологического обращения с ним, приводящее к тому, что интенсивность технологических или случайных воздействий становится выше критических параметров, характеризующих чувствительность вещества к данному воздействию в конкретных внешних условиях.

2. Опасность при производстве эмульсионной матрицы возникает вследствие повышения ее чувствительности, связанного с уменьшением относительной плотности. Относительная плотность эмульсионной матрицы, при которой обеспечивается технологическая безопасность при ее производстве, должна составлять не менее 0,98.

3. Причиной возникновения опасности при перекачивании эмульсионной матрицы и эмульсионного ВВ на ее основе во внештатных режимах является испарение воды из состава и кристаллизация матрицы. Содержание воды в эмульсионных ВВ, предназначенных для механизированного заряжания скважин, при котором обеспечивается безопасность перекачивания должно составлять не менее 15% по весу.

4. Для предотвращения возможности распространения детонационного процесса по оборудованию и минимизации тяжести последствий аварии диаметр эмульсионных массопроводов должен быть существенно меньше критического диаметра детонации эмульсионной матрицы при данной плотности.

5. Минимально необходимая интенсивность технологических воздействий на эмульсионную матрицу при ее производстве может быть снижена более, чем на порядок, за счет применения высокоэффективного эмульгатора ИНС-6 и оптимизации состава по содержанию в нем воды и масляной фазы.

6. Управление дисперсностью эмульсионной матрицы позволяет обеспечить безопасность при хранении и регулировать эксплуатационные характеристики эмульсионного взрывчатого вещества на ее основе, такие как вязкость, физическую стабильность и детонационные параметры. Оптимальные эксплуатационные характеристики реализуются при среднестатистических размерах глобул, не превышающих 25−30 мкм.

7. Безопасность процесса заряжания, обеспечиваемая запаздыванием перехода эмульсионной матрицы во взрывчатое состояние после завершения заряжания, регулируется кислотностью раствора окислителей и температурой эмульсии. Оптимальное значение показателя кислотности рН, при котором переход эмульсии во взрывчатое состояние завершается при температурах не ниже 65 °C в пределах 20−30 мин, для «сибирита-1000» составляет 2,5, а для «сибирита-1200» — 1,5.

8. При применении эмульсионного ВВ относительная плотность, при которой гарантируется надежное инициирование и детонация зарядов, должна составлять не более 0,96.

Изменение содержания воды в эмульсионной матрице от 10% до 15−17% по весу позволяет регулировать чувствительность эмульсионного ВВ к внешним воздействиям, в т. ч. к инициирующему импульсу с учетом назначения ЭВВ и предполагаемых средств инициирования.

9. Разработан критерий безопасного и надежного взрывания заряда эмульсионного взрывчатого вещества, учитывающий влияние гидростатического давления на заряд в зависимости от глубины скважины и инженерный метод расчета параметров заряжания.

10. Применение смесей эмульсионных ВВ с ВВ простейшего состава в виде комбинированных зарядов коаксиальной формы при весовом соотношении между компонентами 25/75, где эмульсионное ВВ выполняет функцию осевого линейного инициатора, позволяет повысить надежность взрывания и увеличить эффективность взрыва в 1,8 раза.

11. Разработана рецептура и организовано промышленное производства высокоэффективного эмульгатора ИНС-6, позволяющего при его содержании в эмульсии в 2−3 раза ниже общепринятого получить структуру со среднемассовым размером глобул, отвечающим максимально достижимому.

12. Разработаны рецептуры безопасных при производстве и применении, высокоэффективных эмульсионных взрывчатых веществ «сибиритов» различных типов, обладающих низкой газовой токсичностью и предназначенных для механизированного заряжания скважин в породах любой степени обводненности, а также для использования (в виде патронов) в качестве промежуточных детонаторов скважинных зарядов и зарядов для дробления «негабаритов».

13. Разработаны нормативные документы, позволяющие осуществлять безопасное производство и применение эмульсионных взрывчатых веществ типа «сибиритов» на горных предприятиях, а также программы подготовки персонала, участвующего в технологическом процессе.

14. Результаты исследований, изложенных в настоящей работе, реализованы при строительстве и эксплуатации комплексов по производству и применению эмульсионных взрывчатых веществ «сибиритов» с суммарной мощностью более 100 тыс. т/год на крупных горнодобывающих предприятияхГУП «Якутуголь», ОАО «Разрез Бачатский», ОАО «Междуречье» и ОАО «Карельский окатыш».