способ получения водосодержащего взрывчатого вещества

Формула изобретения

Способ получения водосодержащего взрывчатого вещества, включающий растворение окислителя в водном растворе загустителя при нагревании и введение в полученный раствор жидкого и твердого горючего, отличающийся тем, что жидкое горючее вводят при температуре не выше температуры начала кристаллизации с образованием суспензии, которую смешивают с твердым горючим, при этом жидкое горючее вводят в количестве 0,5 - 5,5%, а твердое горючее - в количестве 5 - 17% от массы взрывчатого вещества, окислитель растворяют в водном растворе загустителя в количестве 60 - 95% от его общей массы, а остальное количество вводят при перемешивании в суспензию перед, или одновременно, или после смешения с твердым горючим.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения водосодержащих взрывчатых веществ, используемых, в основном, в горнодобывающих отраслях промышленности для отбойки пород и руд, в том числе особо крепких, а также сульфидсодержащих и трещиноватых пород и руд.

Водосодержащие взрывчатые вещества (ВВВ) используют в горнорудной промышленности для взрывания обводненных массивов. Такие ВВВ изготавливают на местах применения путем смешения горячего раствора окислителя с загущающими, горючими и др. добавками. Применяемые в настоящее время ВВВ содержат в качестве горючей добавки преимущественно тротил, являющийся дефицитным, дорогостоящим и экологически вредным веществом. Перспективным направлением в совершенствовании технологии ВВВ является частичная или полная замена тротила на широко распространенные жидкие нефтепродукты, при этом основной задачей является обеспечение равномерного контакта между частицами жидкого горючего и окислителя и сохранение высоких детонационных и энергетических характеристик получаемого ВВВ.

Известен способ получения водосодержащего взрывчатого вещества (см. Поздняков З.Г., России Б.Д. Справочник по промышленным взрывчатым веществам и средствам взрывания. -М.; Недра, 1977, с. 78-79), включающий растворение окислителя в водном растворе загустителя при нагревании и смешение полученного раствора с твердым горючим, в качестве которого используют тротил в количестве 20-35 мас.%, причем при смешении начальную температуру раствора поддерживают не ниже 90^oC во избежание преждевременной кристаллизации окислителя.

Данный способ характеризуется использованием значительного количества тротила, а также высокой температурой смешения раствора окислителя с тротилом и, соответственно, высокой температурой заряжания, что снижает безопасность ведения взрывных работ.

Наиболее близким к заявленному способу является способ получения водосодержащего взрывчатого вещества (см. Барон В.Л., Кантор В.X. Техника и технология взрывных работ в США.- М.: Недра, 1989, с. 66-81), заключающийся в растворении при нагревании окислителя в водном растворе, содержащем загуститель, и смешении полученного раствора с дополнительным количеством твердого окислителя при температуре не ниже 90^oC и горючими добавками, выполняющими в ряде случаев одновременно и роль сенсибилизаторов. Из твердых горючих - сенсибилизаторов применяют тротил и алюминиевые порошки. В качестве горючих добавок используют порошки угля, серу, гильсонит, водорастворимые соединения, а также нерастворимые в воде жидкие нефтепродукты.

Основными недостатками известного способа являются: относительно неравномерный контакт между частицами жидкого горючего и окислителя по причине того, что жидкое горючее сорбируется преимущественно на внутренней поверхности пористых гранул окислителя, и недостаточно высокие детонационные и энергетические характеристики получаемого ВВВ, обусловленные как неравномерностью контакта между частицами жидкого горючего и окислителя, так и относительно невысокой плотностью ВВВ из-за необходимости использования пористых гранул окислителя.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи повышения детонационных и энергетических характеристик водосодержащего взрывчатого вещества за счет улучшения равномерности контакта между частицами жидкого горючего и окислителя и увеличения плотности ВВВ.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения водосодержащего взрывчатого вещества, включающем растворение окислителя в водном растворе загустителя при нагревании и введение в полученный раствор жидкого и твердого горючего, согласно изобретению, жидкое горючее вводят при температуре не выше температуры начала кристаллизации с образованием суспензии, которую смешивают с твердым горючим, при этом жидкое горючее вводят в количестве 0,5-5,5%, а твердое горючее - в количестве 5-17% от массы взрывчатого вещества, окислитель растворяют в водном растворе загустителя в количестве 60-95%. от его общей массы, а остальное количество окислителя вводят при перемешивании в суспензию перед или одновременно, или после смешения с твердым горючим.

В качестве окислителя используют преимущественно гранулированный нитрат аммония, однако могут быть использованы и его смеси с нитратами щелочных и щелочноземельных элементов, в частности натрия, калия, кальция, вводимых в основном в кристаллическом состоянии.

В качестве жидкого горючего используют дизельное топливо, мазут, минеральное масло, растительное масло, а в качестве твердого горючего применяют тротил или его смесь с алюминием, однако могут быть использованы и другие виды горючего, например карбамид.

В качестве загустителя используют золь-гель кремниевой кислоты (SiO₂), полиакриламид (ПАА), натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ) или их различные сочетания.

Сущность изобретения заключается в следующем. Введение жидкого горючего в загущенный раствор окислителя при температуре не выше температуры начала кристаллизации основано на адсорбции частичек жидкого горючего на активной поверхности микрокристаллов окислителя, равномерно выпадающих из раствора по всему объему по мере охлаждения раствора. За счет того, что жидкое горючее стабильно закрепляется на мельчайших частичках окислителя, равномерно распределенных по всему объему раствора, достигается исключительно равномерный контакт между частицами жидкого горючего и окислителя в образующейся суспензии. При увеличении температуры выше температуры начала кристаллизации раствора окислителя введение в него жидкого горючего становится невозможным ввиду отсутствия частиц, поверхность которых обладала бы способностью адсорбировать частицы жидкого горючего.

Расход жидкого горючего в количестве 0,5-5,5%, а твердого горючего - 5-17% от массы взрывчатого вещества позволяет получить широкую гамму сбалансированных составов ВВВ, а также способствует улучшению реологических свойств получаемого взрывчатого вещества.

Растворение в водном растворе загустителя 60-95% окислителя от его общей массы и введение остальной части окислителя в твердом виде при перемешивании в образующуюся суспензию перед или одновременно, или после смешения с твердым горючим позволяет регулировать в широком интервале температуру введения жидкого горючего в водный раствор окислителя и смешения суспензии с твердым окислителем, а также регулировать плотность получаемого ВВВ, что способствует повышению детонационных и энергетических характеристик последнего при улучшении равномерности контакта между частицами жидкого горючего и окислителя. Растворение более 95% окислителя не приводит к заметному повышению детонационных и энергетических характеристик и улучшению контакта между частицами жидкого горючего и окислителя, но требует усиленного нагревания, что обусловливает высокую температуру смешения раствора окислителя с жидким и твердым горючим и, соответственно, повышенную температуру заряжания ВВВ, что снижает безопасность ведения работ, а также увеличивает затраты на получение ВВВ.

При растворении менее 60% окислителя в результате ухудшения равномерности контакта между частицами жидкого горючего и окислителя, а также уменьшения плотности, значительно снижаются детонационные и энергетические характеристики получаемого ВВВ.

Сущность предлагаемого способа и достигаемые результаты более наглядно могут быть проиллюстрированы следующими примерами.

Пример 1.

В 2410 г водного раствора, содержащего в качестве загустителя 6% ПАА, растворяют при температуре 92^oC до насыщения 18965 г (95%) окислителя в виде гранулированного нитрата аммония. В полученный раствор при 90^oC вводят 1375 г минерального масла при перемешивании и образовавшуюся суспензию смешивают с 1000 г кристаллического нитрата кальция. Конечная температура смешения составляет 86^oC. В полученную массу вводят при перемешивании 2250 г тротила, при этом конечная температура смешения равна 80^oC. Получают 25000 г смеси состава, мас. %: вода - 9,06; полиакриламид - 0,58; нитрат аммония - 75,86; нитрат кальция -4,00; тротил - 5,00; минеральное масло - 5,50. Полученную смесь заливают в картонную цилиндрическую обечайку емкостью 1 л и в стальную трубу с приваренным днищем внутренним диаметром 150 мм и длиной 1250 мм. После полной кристаллизации определяют плотность (d) как среднее значение замеров в обечайке и трубе; из верхней и нижней части цилиндрического образца отбирают пробы и анализируют их на содержание жидкого горючего, после чего определяют коэффициент распределения жидкого горючего (К_ж.г.), численно равный отношению его содержания в верхней и нижней части образца. Смесь в трубе испытывают на полноту детонации при использовании в качестве промежуточного детонатора шашки из литого тротила массой 50 г с одновременным измерением скорости детонации (D). Теплоту взрыва (Q) определяют расчетным методом. Полученное взрывчатое вещество имеет: d = 1,54 г/см³, К_ж.г = 1,1, детонация - полная, D - 4920 м/с, Q - 3645 кДж/кг.

Пример 2. В 2250 г водного раствора, содержащего в качестве загустителя 4,5% SiO₂ и 0,5% КМЦ, растворяют при температуре 75^oC до насыщения 11500 г окислителя в виде гранулированного нитрата аммония и 650 г кристаллического нитрата калия (60%). В полученный раствор при 74^oC вводят 1250 г минерального масла при перемешивании и образовавшуюся суспензию смешивают с 2750 г кристаллического нитрата аммония, 2350 г кристаллического нитрата калия и 3000 г кристаллического нитрата натрия. Конечная температура смешения составляет 65^oC. В полученную массу вводят при перемешивании 1250 г тротила, при этом конечная температура смешения равна 62^oC. Получают 25000 г смеси состава, мас. %: вода - 8,55; SiO₂ - 0,405; КМЦ - 0,045; нитрат аммония - 57,00; нитрат калия - 12,00; нитрат натрия - 12,00; тротил - 5,00; минеральное масло - 5,00. Смесь анализируют и испытывают согласно Примеру 1. Полученное взрывчатое вещество имеет: d = 1,48 г/см³, К_ж.г. = 1,05, детонация - полная, D - 4620 м/с, Q - 3700 кДж/кг.

Пример 3.

В 2425 г водного раствора, содержащего в качестве загустителя 4% SiO₂, растворяют при температуре 87^oC до насыщения 17290 г (95%) окислителя в виде гранулированного нитрата аммония. В полученный раствор при 86^oC вводят 125 г мазута при перемешивании и образовавшуюся суспензию смешивают с 910 г гранулированного нитрата аммония. Конечная температура смешения составляет 83^oC. В полученную массу вводят при перемешивании 4250 г тротила, при этом конечная температура смешения равна 74^oC. Получают 25000 г смеси состава, мас. %: вода - 9,31; SiO₂ - 0,39; нитрат аммония - 72,80; тротил - 17,00; мазут - 0,50. Смесь анализируют и испытывают согласно Примеру 1. Полученное взрывчатое вещество имеет: d = 1,55 г/см³, К_ж.г. = 1,02, детонация - полная, D - 5150 м/с, Q - 3945 кДж/кг.

Пример 4.

В 2400 г водного раствора, содержащего в качестве загустителя 3,1% SiO₂ и 1,7% ПАА, растворяют при температуре 66^oC до насыщения 10935 г (60%) окислителя в виде гранулированного нитрата аммония. В полученный раствор при 65^oC вводят 125 г минерального масла при перемешивании и образовавшуюся суспензию смешивают с 7290 г гранулированного нитрата аммония. Конечная температура смешения составляет 58^oC. В полученную массу вводят при перемешивании 3750 г тротила и 500 г порошкообразного алюминия, при этом конечная температура смешения равна 51^oC. Получают 25000 г смеси состава, мас. %: вода - 9,14; SiO₂ - 0,3; ПАА - 0,16; нитрат аммония - 72,90; тротил - 15,00; алюминий - 2,00; минеральное масло - 0,50. Смесь анализируют и испытывают согласно Примеру 1. Полученное взрывчатое вещество имеет: d = 1,49 г/см³, К_ж.г. = 1,05, детонация - полная, D - 5100 м/с, Q - 4000 кДж/кг.

Пример 5.

В 2325 г водного раствора, содержащего в качестве загустителя 4,8% SiO₂, растворяют при температуре 80^oC до насыщения 14380 г (75%) окислителя в виде гранулированного нитрата аммония. В полученный раствор при 79^oC вводят 500 г минерального масла при перемешивании и образовавшуюся суспензию смешивают с 4795 г гранулированного нитрата аммония. Конечная температура смешения составляет 71^oC. В полученную массу вводят при перемешивании 2500 г тротила и 500 г карбамида, при этом конечная температура смешения равна 64^oC. Получают 25000 г смеси состава, мас.%: вода - 8,85; SiO₂ - 0,45; нитрат аммония - 76,70; тротил - 10,00; минеральное масло - 2,00; карбамид - 2,00. Смесь анализируют и испытывают согласно Примеру 1. Полученное взрывчатое вещество имеет: d = 1,51 г/см³, К_ж.г. = 1,04, детонация - полная, D - 4900 м/с, Q - 3775 кДж/кг.

Пример 6.

В 3000 г водного раствора, содержащего в качестве загустителя 2,42% SiO₂ и 1,67% КМЦ, растворяют при температуре 76^oC до насыщения 16450 г (85%) окислителя в виде гранулированного нитрата аммония. В полученный раствор при 75^oC вводят 650 г минерального масла при перемешивании и образовавшуюся суспензию смешивают с 2900 г гранулированного нитрата аммония. Конечная температура смешения составляет 68^oC. В полученную массу вводят при перемешивании 2000 г тротила, при этом конечная температура смешения равна 62^oC. Получают 25000 г смеси состава, мас.%: вода - 11,51; SiO₂ - 0,29; КМЦ - 0,2; нитрат аммония -77,40; тротил - 8,00; минеральное масло - 2,60. Смесь анализируют и испытывают согласно Примеру 1. Полученное взрывчатое вещество имеет: d = 1,52 г/см³, К_ж.г. = 1,03, детонация - полная, D - 4950 м/с, Q - 3750 кДж/кг.

Пример 7.

В 3750 г водного раствора, содержащего в качестве загустителя 3,0% SiO₂, растворяют при температуре 64^oC до насыщения 16380 г (90%) окислителя в виде гранулированного нитрата аммония. В полученный раствор при 63^oC вводят 550 г дизельного топлива при перемешивании и образовавшуюся суспензию смешивают с 1820 г гранулированного нитрата аммония. Конечная температура смешения составляет 58^oC. В полученную массу вводят при перемешивании 2500 г тротила, при этом конечная температура смешения равна 52^oC. Получают 25000 г смеси состава, мас.%: вода - 14,55; SiO₂ - 0,45; нитрат аммония - 72,80; тротил - 10,00; дизельное топливо - 2,20. Смесь анализируют и испытывают согласно Примеру 1. Полученное взрывчатое вещество имеет: d = 1,52 г/см³, детонация - полная, D - 5150 м/с, Q - 3855 кДж/кг.

Пример 8.

В 2500 г водного раствора, содержащего в качестве загустителя 4,6% SiO₂, растворяют при температуре 82^oC до насыщения 15360 г (80%) окислителя в виде гранулированного нитрата аммония. В полученный раствор при 81^oC вводят 550 г растительного масла при перемешивании и образовавшуюся суспензию смешивают с 3840 г гранулированного нитрата аммония и 2750 г тротила, при этом конечная температура смешения равна 68^oC. Получают 25000 г смеси состава, мас.%: вода - 9,54; SiO₂ - 0,46; нитрат аммония - 76,80; тротил - 11,00; растительное масло - 2,20. Смесь анализируют и испытывают согласно Примеру 1. Полученное взрывчатое вещество имеет: d = 1,515 г/см³, К_ж.г. = 1,07, детонация - полная, D - 5100 м/с, Q-3865 кДж/кг.

Пример 9.

В 2325 г водного раствора, содержащего в качестве загустителя 5% КМЦ, растворяют при температуре 80^oС до насыщения 14375 г (75%) окислителя в виде гранулированного нитрата аммония. В полученный раствор при 79^oC вводят 500 г минерального масла при перемешивании и образовавшуюся суспензию смешивают с 1600 г гранулированного нитрата аммония (конечная температура смешения 74^oC), после чего последовательно вводят смесь 1600 г гранулированного нитрата аммония и 3000 г тротила и 1600 г гранулированного нитрата аммония, при этом конечная температура смешения равна 63^oC. Получают 25000 г смеси состава, мас. %: вода - 8,83; КМЦ - 0,47; нитрат аммония - 76,70; тротил - 12,00; минеральное масло - 2,00. Смесь анализируют и испытывают согласно Примеру 1. Полученное взрывчатое вещество имеет: d = 1,51 г/см³, К_ж.г. = 1,03, детонация - полная, D - 5050 м/с, Q - 3900 кДж/кг.

Примеры 10-13 осуществляют при температуре введения жидкого горючего, растворении доли окислителя и расходах жидкого и твердого горючего, находящихся вне заявленных пределов.

Пример 10.

Процесс ведут в соответствии с условиями Примера 6. Отличие заключается в том, что окислитель растворяют при нагревании до 79^oC, после чего вводят минеральное масло. Смесь анализируют и испытывают по Примеру 1. Полученное взрывчатое вещество имеет: d = 1,52 г/см³, К_ж.г. = 5,15. При испытании на полноту детонации участок трубы длиной 420 мм остался неразрушенным.

Пример 11.

В 3000 г водного раствора, содержащего в качестве загустителя 4,6% SiO₂, растворяют при температуре 52^oC до насыщения 10435 г (55%) окислителя в виде гранулированного нитрата аммония. В полученный раствор при 52^oC вводят 525 г минерального масла при перемешивании и образовавшуюся суспензию смешивают с 8540 г гранулированного нитрата аммония. Конечная температура смешения составляет 43^oC. В полученную массу вводят при перемешивании 2500 г тротила, при этом конечная температура смешения равна 38^oC. Получают 25000 г смеси состава, мас. %: вода - 11,45; SiO₂ - 0,55; нитрат аммония - 75,90; тротил - 10,00; минеральное масло - 2,10. Смесь анализируют и испытывают согласно Примеру 1. Полученное взрывчатое вещество имеет пониженные характеристики: d = 1,455 г/см³, К_ж.г. = 1,08, детонация - полная, D - 4530 м/с, Q - 3675 кДж/кг.

Пример 12.

В 2425 г водного раствора, содержащего в качестве загустителя 4,6% SiO₂, растворяют при температуре 73^oC до насыщения 12520 г (70%) окислителя в виде гранулированного нитрата аммония. В полученный раствор при 72^oC вводят 60 г минерального масла при перемешивании и образовавшуюся суспензию смешивают с 5370 г гранулированного нитрата аммония. Конечная температура смешения составляет 68^oC. В полученную массу вводят при перемешивании 4625 г тротила, при этом конечная температура смешения равна 59^oC. Получают 25000 г смеси состава, мас. %: вода - 9,25; SiO₂ - 0,45; нитрат аммония - 71,56; тротил - 18,5; минеральное масло - 0,24. Полученное взрывчатое вещество имеет пониженные характеристики: d = 1,50 г/см³, К_ж.г.= 1,01, детонация - полная, D - 4900 м/с, Q - 3850 кДж/кг.

Пример 13.

В 2300 г водного раствора, содержащего в качестве загустителя 4,6% SiO₂, растворяют при температуре 81^oC до насыщения 13360 г (65%) окислителя в виде гранулированного нитрата аммония. В полученный раствор при 80^oC вводят 1400 г минерального масла при перемешивании и образовавшуюся суспензию смешивают с 5690 г гранулированного нитрата аммония и 1500 г кристаллического нитрата кальция. Конечная температура смешения составляет 70^oC. В полученную массу вводят при перемешивании 750 г тротила, при этом конечная температура смешения равна 67^oC. Получают 25000 г смеси состава, мас.%: вода - 8,78; SiO₂ - 0,42; нитрат аммония - 76,20; нитрат кальция - 6,00; тротил - 3,00; минеральное масло -5,60. Смесь анализируют и испытывают согласно Примеру 1. Полученное взрывчатое вещество имеет d = 1,48 г/см³. Q - 3615 кДж/кг, К_ж.г. = 1,03. При испытании на полноту детонации участок трубы длиной 700 мм остался неразрушенным.

В Примере 14 (по прототипу) процесс ведут в соответствии с условиями Примера 5. Отличие заключается в том, что остальное количество окислителя вводят в виде пористых гранул нитрата аммония.

Пример 14 (прототип).

В 2325 г водного раствора, содержащего в качестве загустителя 4,8% SiO₂, растворяют при температуре 80^oC до насыщения 14380 г (75%) окислителя в виде гранулированного нитрата аммония. Полученный раствор смешивают с 4795 г пористых гранул нитрата аммония и 500 г минерального масла, при перемешивании и образовавшуюся суспензию смешивают. Конечная температура смешения составляет 71^oC. В полученную массу вводят при перемешивании 2500 г тротила и 500 г карбамида, при этом конечная температура смешения равна 64^oC. Получают 25000 г смеси состава, мас.%: вода - 8,85; SiO₂ - 0,45; нитрат аммония - 76,70; тротил - 10,00; минеральное масло - 2,00; карбамид - 2,00. Смесь анализируют и испытывают согласно Примеру 1. Полученное взрывчатое вещество имеет: d = 1,48 г/см³, К_ж.г. = 1,15, детонация - полная, D - 4750 м/с, Q - 3650 кДж/кг.

Как видно из приведенных Примеров предлагаемый способ позволяет получить водосодержащее взрывчатое вещество, обладающее повышенными детонационными и энергетическими характеристиками при равномерном контакте между частицами жидкого горючего и окислителя. По сравнению с прототипом предлагаемый способ при одинаковом соотношении всех компонентов позволяет улучшить равномерность контакта между частицами жидкого горючего и окислителя на 10%, повысить скорость детонации и теплоту взрыва соответственно на 3,0 и 3,4%. Кроме того, относительно невысокая температура заряжания позволяет использовать получаемое ВВВ для отбойки сульфидсодержащих пород и руд, а благоприятные реологические свойства - для заряжания в трещиноватых горных массивах. Данный способ по сравнению с прототипом уменьшает затраты на приготовление взрывчатого вещества за счет использования более дешевых непористых сортов окислителя.