Развитие горнодобывающих отраслей промышленности России неразрывно связано с разработкой месторождений полезных ископаемых открытым способом. Одним из наиболее энергоемких процессов добычи полезных ископаемых является взрывоподготовка горной массы, которая во многом определяет эффективность и себестоимость добычи. От качества взрывной отбойки зависят результаты работы всего технологического комплекса и полнота извлечения полезных компонентов из недр.
Важным направлением совершенствования взрывных работ на карьерах является разработка эффективных ресурсосберегающих технологий разрушения крупноблочных обводненных скальных горных пород. Основные резервы повышения эффективности взрывных работ на карьерах связаны с разработкой и применением взрывчатых веществ (ВВ), характеристики которых максимально соответствуют параметрам разрушаемых пород и обеспечивают оптимальную степень их дробления, минимальные потери и разубоживание руд.
В настоящее время отбойка крепких руд в горной промышленности и строительстве производится с применением промышленных ВВ, которые по своим энергетическим параметрам могут уступать баллиститным и смесевым составам, используемыми в оборонной промышленности. Поэтому конверсия оборонной промышленности открывает широкие возможности в использовании утилизируемых составов из демонтируемого вооружения в мирных целях.
Следует отметить, что существующие промышленные взрывчатые вещества заводского изготовления имеют практически одинаковые термодинамические характеристики, что не всегда позволяет выполнить указанное выше требование о соответствии термодинамических характеристик ВВ параметрам разрушаемой породы. Поэтому широкая гамма изменений свойств разрушаемых пород вызывает необходимость разработки новых типов ВВ с изменяемыми в широких пределах энергетическими и взрывчатыми характеристиками. Эта актуальная проблема может быть решена путем создания новых взрывчатых материалов с использованием конверсионных компонентов боеприпасов.
Однако влияние вида и количества конверсионных компонентов боеприпасов, вводимых в состав водосодержащих ВВ, на их детонационные и энергетические характеристики до последнего времени практически не изучалось, что существенно осложняет составление рецептур подобных ВВ.
Поэтому установление закономерностей влияния вида и количества конверсионных компонентов боеприпасов, вводимых в состав водосодержащих ВВ, на их термодинамические характеристики, позволяющие установить области рационального применения для разрушения массивов горных пород и обеспечить безопасность производства и применения данных ВВ, является важной научной задачей.
Большой вклад в развитие этого направления горного дела внесли ученые В. А. Белин, В. В. Галкин, А. С. Державец, Е. Ф. Жегров, Б. П. Жуков, Н. Н. Казаков, В. Х. Кантор, В. И. Комащенко, Г. М. Крюков, Б. Н. Кутузов, Б. Н. Кукиб, В. Н. Лапшин, Б. А. Меньшиков, Г. А. Нишпал, А. Н. Осавчук, В. И. Пепекин, ИЛ. Петровский, Н. Я. Репин, Ю. Г. Щукин и другие.
При решении вопросов утилизации боеприпасов особое место занимают задачи переработки порохов и твердых ракетных топлив (П и ТРТ), которые до настоящего времени большей частью уничтожаются сжиганием, что экономически нецелесообразно и, в ряде случаев, небезопасно для окружающей среды [1,2].
П и ТРТ создавались с целью обеспечения устойчивого горения в различных режимах, однако при инициировании достаточно мощным ударным импульсом они способны устойчиво детонировать. В настоящее время существует ряд ТРТ, которые по своему энергетическому уровню значительно превосходят штатные промышленные ВВ.
Анализ различных вариантов утилизации порохов и твердых ракетных топлив показывает, что одним из наиболее рациональных способов является их непосредственное использование в качестве промышленных ВВ или переработка в промышленные ВВ [1,3,4,5,6,7]. При этом процесс их изготовления должен максимально базироваться на существующей на заводах технологической базе по производству порохов и топлив. Вновь создаваемые промышленные взрывчатые вещества на основе утилизируемых компонентов по своей эффективности, технологической и экологической безопасности должны быть не хуже аналогичных стандартных ВВ, используемых в горнодобывающей промышленности.
Однако пороха и твердые ракетные топлива, получаемые при расснаря-жении боеприпасов, как правило, не могут быть использованы непосредственно в качестве промышленных ВВ ввиду высокой чувствительности к воспламенению, экологически неблагоприятного состава продуктов взрыва, а в ряде случаев и повышенной токсичности[8,9].
Этим определяется актуальность изучения возможности применения утилизируемых составов в качестве энергетических добавок в составе водосодер-жащих ВВ на основе аммиачной селитры.
Настоящая диссертационная работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям водосодержащих ВВ с использованием утилизируемых компонентов боеприпасов, позволяющим установить области их рационального применения для разрушения массивов горных пород и обеспечению безопасности производства и применения ВВ с использованием конверсионных компонентов.
Цель работы состоит в установлении закономерностей влияния свойств конверсионных компонентов, вводимых в состав водосодержащих ВВ, на их детонационные и энергетические характеристики, позволяющих разработать рациональные параметры ведения буровзрывных работ на карьерах, повышающие эффективность и снижающие их себестоимость.
Идея работы заключается в использовании утилизируемых компонентов боеприпасов в составе водосодержащих ВВ для повышения эффективности разрушения горных пород данными ВВ и расширения области их применения.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:
1. Впервые установлено, что использование в качестве компонента водосодержащих и эмульсионных ВВ баллиститных ракетных твердых топлив.
БРТТ) приводит к увеличению скорости детонации и снижению критического диаметра зарядов, а при использовании смесевых твердых ракетных топлив (СТРТ) — к увеличению теплоты взрыва и увеличению критического диаметра заряда, по сравнению с соответствующими характеристиками акватола Т-20.
2. Определено, что зависимость теплоты взрыва эмульсионных ВВ от содержания БРТТ носит параболический характер, а оптимальное содержание БРТТ в составе эмульсионных ВВ находится в пределах 35−38%, при этом объемная концентрация энергии достигает 5350 кДж/л, скорость детонации 55 005 700 м/с, а коэффициент относительной работоспособности составляет 0,76.
3. Впервые установлено, что измельченные пироксилиновые пороха (ПП) и БРТТ в составе эмульсионных и гелеобразных водосодержащих ВВ обладают уровнем чувствительности к механическим и тепловым воздействиям, соответствующим штатным ВВ, что позволяет их использовать при механизированном заряжании скважин.
4. Установлено, что величина критического диаметра заряда водосодержащих ВВ, содержащих БРТТ, обратно пропорциональна их содержанию, что позволило разработать способ взрывного разрушения крепких скальных горных пород, заключающийся в использовании измельченных БРТТ в скважинных зарядах эмульсионного или гелеобразного ВВ, в которых масса промежуточного детонатора определяется величиной критического диаметра заряда.
Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждаются корректным выбором методов измерений, использованием современной измерительной аппаратуры с высокой помехоустойчивостью, использованием современных методов обработки результатов экспериментов, достаточным объемом экспериментальных измерений, повторяемостью результатов экспериментов и сопоставимостью их с известными ранее теоретическими и экспериментальными результатами.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей влияния свойств конверсионных компонентов, вводимых в состав водосодержащих ВВ, на их детонационные и энергетические характеристики.
Практическое значение состоит в повышении эффективности и применения водосодержащих ВВ, в том числе и в сульфидосодержащих рудах, а также расширении области их применения за счет введения в их состав конверсионных компонентов.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные результаты диссертационной работы использованы при составлении Рекомендаций по применению эмульсионных ВВ с элементами утилизируемых баллиститных твердых ракетных топлив для взрывания горных пород в условиях карьеров Костомукш-ского месторождения железистых кварцитов, разрабатываемых ОАО «Карельский окатыш».
Апробация работы. Основные положения диссертации и некоторые отдельные результаты докладывались на семинарах научного симпозиума «Неделя горняка» (Москва, 1997, 1998, 1999гг.), научной конференции «Высокоэнергетические конденсированные системы» в МГТУ им. Баумана (Москва, 1998 г.), научной конференции молодых специалистов и ученых в ФЦДТ «Союз» (г. Дзержинский, 1998 г.), международной конференции «Взрывное дело-99» (Москва, 1999 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 76 наименований, включает 30 рисунков и 26 таблицы.
2.9 Выводы.
1. Впервые установлено, что при использовании в качестве компонента водосо-держащих и эмульсионных ВВ баллиститных ракетных твердых топлив (БРТТ) приводит к увеличению скорости детонации и снижению критического диаметра зарядов, а при использовании смесевых твердых ракетных топлив (СТРТ) — к увеличению теплоты взрыва и увеличению критического диаметра заряда, по сравнению с соответствующими характеристиками акватола Т-20.
2. Определено, что зависимость теплоты взрыва эмульсионных ВВ от содержания БРТТ носит параболический характер, а оптимальное содержание БРТТ в составе эмульсионных ВВ находится в пределах 35−38%, при этом объемная концентрация энергии достигает 5350 кДж/л, скорость детонации 5500−5700 м/с, а коэффициент относительной работоспособности составляет 0,76.
3. Установлено, что величина критического диаметра зарядов водосодержащих ВВ, содержащих БРТТ, обратно пропорциональна их содержанию и изменяется в пределах 50−85 мм, что позволяет применять данные ВВ при буровзрывных работах с использованием скважин малого диаметра.
4. Проведенными расчетами и экспериментальными исследованиями показано, что изменяя содержание вводимых в состав водосодержащих ВВ утилизируемых компонентов различных видов, можно создавать ВВ, обладающие эксплуатационными и технологическими характеристиками, отвечающими конкретным условиям проведения взрывных работ.
3. Обеспечение заданных эксплуатационных и взрывчатых характеристик водосодержащих ВВ, с использованием утилизируемых компонентов, при отрицательных температурах.
3.1 Исследование детонационных характеристик водосодержащих ВВ, содержащих элементы утилизируемых порохов и твердых ракетных топлив, при отрицательных температурах.
Учитывая природные и климатические условия России, для обеспечения безопасности проведения взрывных работ необходимо, чтобы промышленные ВВ сохраняли свои свойства в широком температурном диапазоне, в частности, сохраняли работоспособность и не повышали опасность обращения с ними при отрицательных температурах. Так гелеобразное ВВ типа «сларри», содержащее 20% элементов утилизируемых СТРТ в виде кубиков 5x5x5 мм или чипсов гидрорезки изделия из СТРТ, разработанное в ФЦДТ «Союз» совместно с американо ской фирмой United Technologies Corporation, при плотности 1,2 г/см устойчиво детонирует со скоростью до 4200 м/с при диаметре заряда 100 мм[51,52]. Однако, в ходе испытаний выяснилось, что данный состав является детонационноспо-собным в диапазоне температур 0^-+30°С. Таким образом, было показано, что данная рецептура ВВ не позволяет применять его в российских климатических условиях, т.к. в процессе транспортировки или хранения при отрицательных температурах оно теряет свои взрывчатые свойства.
В связи с необходимостью обеспечения требуемых эксплуатационных и технологических характеристик зарядов данного гелеобразного ВВ с элементами утилизируемых порохов и твердых ракетных топлив при отрицательных температурах были проведены исследования возможности расширения температурного диапазона применения промышленных ВВ подобного типа.
Ранее в диссертационной работе подробно рассмотрены возможные механизмы протекания детонационной реакции в зарядах промышленных ВВ. Кратко остановимся на некоторых из них, свойственных для водосодержащих ВВ.
Как отмечается в работах Андреева К. К., Беляева А. Ф., местные разо-гревы могут образовываться разными путями [49,50]. Если ВВ механически неоднородно, частицы или слои его приходят в движение с разной скоростью и между ними возникает трение. Кроме того, при механической неоднородности ВВ неравномерен и нагрев, вызываемый ударной волной. Неравномерность же разогрева благоприятствует возникновению реакции в участках, где температура выше. Сжатие и адиабатический разогрев пузырьков воздуха или иного газа при прохождении ударной волны является одной из основных причин появления очагов разогрева для жидких ВВ [50,53,54,55]. При этом роль газовых пузырьков объясняют тем, что вследствие большого коэффициента сжимаемости газов при сжатии их достигается гораздо более высокая температура, чем в конденсированной фазе.
Физико-механическая структура заряда ВВ определяет не только возможность распространения, но также и легкость возникновения детонации. Одним из вероятных факторов, определяющих это влияние, являются размеры пузырьков газа, разогрев которых вследствие адиабатического сжатия приводит к образованию очагов детонационной реакции.
Так Андреев К. К. и Беляев А. Ф. в своей работе [49] показали, что существуют оптимальные размеры пузырьков. При больших пузырьках достигается более высокая температура, но удельная поверхность, на которой возникает горение, мала. Если пузырьки малы, то их разогрев меньше из-за большего тепло-отвода в конденсированную фазу.
Детонационная реакция в исследуемом ВВ гелеобразного типа протекает по так называемому «пузырьковому» механизму. Пузырьки газа образуются в процессе смешения компонентов ВВ за счет введения газогенерирующих добавок. При снижении температуры окружающей среды размеры пузырьков уменьшаются и в какой-то период времени становятся меньше оптимального, что приводит к затуханию детонационного процесса в заряде данного ВВ.
Для обеспечения стабильных детонационных характеристик зарядов гелеобразного ВВ с элементами утилизируемых П и ТРТ было предложено отказаться от введения в их состав газогенерирующих добавок. Таким образом был изменен механизм протекания детонационной реакции в заряде ВВ и, кроме того, плотность ВВ повысилась до 1,45−1,55 г/см3, что привело к увеличению объемной концентрации энергии взрыва.
Однако, в ходе исследований выяснилось, что заряды гелеобразного ВВ, содержащего 20% элементов утилизируемых СТРТ диаметром 100 мм при плотности 1,5 г/см3 не детонируют при температуре -15°С. Увеличение содержания элементов СТТ до 32% также не обеспечивает устойчивого протекания детонационной реакции в заряде ВВ диаметром 100 мм при отрицательных температурах. Результаты проведенных испытаний зарядов гелеобразных ВВ с элементами утилизируемых СТРТ различной плотности в диапазоне температур -15+18°С представлены в таблице 3.1.1.
Заключение
.
В результате проведенных в диссертационной работе исследований решена важная научная задача, заключающаяся в установлении закономерностей влияния вида и количества конверсионных компонентов боеприпасов, вводимых в состав водосодержащих ВВ, на их термодинамические характеристики, позволяющие установить области рационального применения для разрушения массивов горных пород, а также разработать рациональные параметры ведения буровзрывных работ на карьерах, повышающие эффективность и снижающие их себестоимость.
По результатам проведенных исследований сформулированы следующие научные выводы:
Впервые установлено, что использование в качестве компонента водосодержащих и эмульсионных ВВ баллиститных ракетных твердых топлив (БРТТ) приводит к увеличению скорости детонации и снижению критического диаметра зарядов, а при использовании смесевых твердых ракетных топлив (СТРТ) — к увеличению теплоты взрыва и увеличению критического диаметра заряда, по сравнению с соответствующими характеристиками акватола Т-20.
Определено, что зависимость теплоты взрыва эмульсионных ВВ от содержания БРТТ носит параболический характер, а оптимальное содержание БРТТ в составе эмульсионных ВВ находится в пределах 35−38%, при этом объемная концентрация энергии достигает 5350 кДж/л, скорость детонации 5500−5700 м/с, а коэффициент относительной работоспособности составляет 0,76.
Установлено, что величина критического диаметра зарядов водосодержащих ВВ, содержащих БРТТ, обратно пропорциональна их содержанию и изменяется в пределах 50−85 мм, что позволяет применять данные ВВ при буровзрывных работах с использованием скважин малого диаметра.
Проведенными расчетами и экспериментальными исследованиями показано, что изменяя содержание вводимых в состав водосодержащих ВВ утилизируемых компонентов различных видов, можно создавать ВВ, обладающие эксплуатационными и технологическими характеристиками, отвечающими конкретным условиям проведения взрывных работ.
Установлены закономерности влияния отрицательных температур на детонационные характеристики водосодержащих ВВ, содержащих утилизируемые компоненты.
Разработан способ обеспечения заданных эксплуатационных характеристик водосодержащих ВВ в широком температурном диапазоне.
Впервые установлено, что измельченные пироксилиновые пороха (ПП) и БРТТ в составе эмульсионных и гелеобразных водосодержащих ВВ обладают уровнем чувствительности к механическим и тепловым воздействиям, соответствующим штатным ВВ, что позволяет их использовать при механизированном заряжании скважин.
Разработана методика лабораторных испытаний, моделирующая возможные механические воздействия на ВВ в процессе механизированного заряжания скважин.
Установлено, что по эффективности разработанные эмульсионные ВВ с конверсионными компонентами при разрушении массивов горных пород 1П-1У категорий трещиноватости с коэффициентом крепости от 8 до 18 по шкале проф. М. М. Протодьяконова на 10−13% превосходят штатные акватолы-Т20ГК.
Разработан способ взрывного разрушения крепких скальных горных пород, заключающийся в использовании измельченных БРТТ в скважинных зарядах эмульсионного или гелеобразного ВВ, в которых масса промежуточного детонатора определяется величиной критического диаметра заряда. На основе выполненных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований разработаны «Рекомендации по применению эмульсионных ВВ с элементами утилизируемых баллиститных твердых ракетных топлив для взрывания горных пород в условиях карьеров Костомукшского месторождения железистых кварцитов, разрабатываемых ОАО „Карельский окатыш“». Экономический эффект от внедрения составит 0,74 руб/м3 взорванной горой массы.
