Реферат: Результаты экспериментальной оценки эффективности применения баллиститного ракетного топлива в качестве сенсибилизаторов в эмульсионных ВВ

С.А.Семенов (МГГУ,физико-технический факультет, группа ГФ-2-96)

Результатыэкспериментальной оценки эффективностиприменениябаллиститного ракетного топлива в качествесенсибилизаторовв эмульсионных ВВ

Введение.

В настоящеевремя в горнодобывающей промышленности широко используются тротилсодержащие ВВ.Применяемые на открытых горных работах аммиачноселитренные ВВ с содержаниемтротила 20-35% не являются достаточно водоустойчивыми, а применениеводоустойчивого дорогостоящего гранулотола повышает себестоимость буровзрывныхработ. Водосодержащие ВВ, такие как ифзаниты, акватолы, карботолы, горячельющиеся составы типа ГЛТ, достаточно  водоустойчивы, мало чувствительнык внешним воздействиям и обеспечивают высокую плотность заряжания, однаконедостатком водосодержащих ВВ является сам факт присутствия в составе ВВ водыдо 15%, оказывающей флегматизирующее действие на заряд, что требует введения вего состав не менее 20-30% тротила или его сплавов, что сильно увеличиваетстоимость ВВ.

В то же время,проблема утилизации порохов и твердых ракетных топлив из расснаряжаемыхбоеприпасов стоит достаточно остро. Химический состав порохов практически неотличается от химического состава ВВ, поэтому конверсия обороннойпромышленности открывает широкие возможности в использовании утилизируемыхсоставов из демонтируемого вооружения в качестве сенсибилизирующих добавок всоставе ВВ.

В данной работепроведена сравнительная оценка эффективности применения балиститных ракетныхтвердых топлив (БРТТ) в составе эмульсионных ВВ (ЭВВ) с целью изучениявозможности их использования в промышленности для  отбойки горных пород вместоштатных ВВ.

Методикаэкспериментальной оценки эффективности

применения БРТТв качестве сенсибилизаторов в составе ЭВВ

Исследованияпроводились в НТЦ «Взрывобезопасность»  ФЦДТ «Союз».

Для оценкиэффективности применения БРТТ в качестве сенсибилизаторов в составе ЭВВпроводились эксперименты по определению работоспособности ЭВВ с содержаниемутилизируемых компонентов по воронке выброса и исследования  их детонационныххарактеристик. Для сравнения детонационных характеристик ЭВВ с содержаниемБРТТ  в качестве эталона было выбрано одно из наиболее распространенныхводосодержащих ВВ акватол Т-20ГК, содержащий 20% тротила, и имеющий следующиехарактеристики: плотность 1,45 г/см3, скорость детонации 5000-5300м/с, критический диаметр детонации 120мм, теплоту взрыва 3700кДж/кг, объемную концентрацию энергии 5365 кДж/дм3 и объем газов 900л/кг (1250 л/дм3).

Определениескорости детонации

Определениескорости детонации для зарядов эмульсионного ВВ диаметром 105мм длиной 4,5-5диаметров заряда в оболочке из полимерной пленки осуществлялось при помощискоростного фоторегистратора типа СФР-2, частотомера Ч3-34А и электрическихконтактных датчиков по дешифровке кадров скоростной киносъемки.

ФоторегистраторСФР-2 состоит из двух основных блоков: камеры и пульта управления .

Камерапредназначена для регистрации на фотопленку быстро протекающих физическихпроцессов. Камера может использоваться как фоторегистратор, дающий непрерывнуюразвертку, или как лупа времени, дающая ряд  последовательных фотографийизучаемого процесса.

На рис.1.представлена оптическая схема камеры СФР-2.

/>

Рис.1. Оптическая система камеры СФР-2

1 — входной объектив

2 — щель

3 — затвор

4 — второй объектив

5 — зеркало

6 — фотопленка

Для определенияскорости детонации заряд устанавливают вертикально на подставке в центревзрывной камеры. Инициирование зарядов осуществлялось шашкой прессованноготротила массой 400г утопленной в заряд. К нижнему торцу заряда прикреплялииндикаторы прохождения процесса в виде отрезков детонирующего шнура (ДШ) ишнура из баллиститного состава «эластит» диаметром 5мм, на концах которыхустанавливались свинцовые пластины-свидетели.

Фоторегистраторнаводят на заряд таким образом, чтобы в фокусе была наибольшая часть заряда.Для определения масштаба съемки на заряд укрепляют масштабную ленту. Установивтребуемую скорость врящения зеркала, инициируют заряд. Свечение детонирующегозаряда экспонирует фотопленку, образуя кривую линию.

Скоростьдетонации ВВ определяется путем нахождения тангенса угла наклона касательной ккривой, запечетленной на фотопленке,  и умножения его на скорость вращениязеркала камеры и масштаб съемки.

D=tga×M×w,                                                                                      (1)

где:М — масштаб съемки;

w — скорость вращения зеркала камерыСФР-2.

Схема проведенияиспытаний зарядов ЭВВ с использованием утилизируемых компонентов представленана рис.2.

/>

Рис. 2. Схемапроведения испытаний зарядов ЭВВ.

Результатыиспытаний по определению скорости детонации эмульсионного ВВ с добавкой БРТТ сразличным процентным содержанием представлены в табл. 1:

Таблица 1.

Зависимость скорости детонации эмульсионного ВВ

от содержания утилизируемых компонентов

Вид утилизируемого

Компонента

Содержание,

%

Плотность,

 г/см3

Состояние индикаторов детонации   Скорость

детонации, м/с

ДШ эластит Крошка БРТТ 20 1,51 + + 5200 Крошка БРТТ 30 1,52 + + 5500 Крошка БРТТ 50 1,52 + + 6200  Примечание:  «+» — индикатор детонациисработал;«-»- индикатор детонации не сработал;

Зависимость скорости детонации зарядов эмульсионногоВВ от содержания утилизируемых компонентов показана на рис. 3:

/>

Рис. 3. Зависимость скорости детонации зарядовэмульсионного ВВ

 диаметром 105 мм от содержания утилизируемыхкомпонентов

Скорость детонации ЭВВ, содержащего 20% крошки БРТТтипа РСТ-4к составляет 5200 м/с, а при содержании крошки РСТ-4к равном 50 %скорость детонации данного ВВ достигает 6200 м/с, что существенно выше скоростидетонации акватола Т-20ГК.

Определение критического диаметра детонации

Для зарядов ЭВВ с различным содержанием утилизируемыхкомпонентов по методу цилиндрических зарядов был определен критический диаметрдетонации (dкр). Результаты определения критического диаметрадетонации представлены в табл. 2. Зависимость критического диаметра детонацииот содержания БРТТ представлена на рис.4.

Таблица 2.Результатыопределения критического диаметра детонации зарядов ЭВВ,содержащихутилизируемые компоненты Вид утилизируемого      компонента Содержа-ие,

%

Плот-ность, г/см3 dкр, мм Скорость детонации крит., м/с Крошка БРТТ 20 1,51 85 4950 Крошка БРТТ 30 1,51 70 5100 Крошка БРТТ 50 1,52 50 5300

/>

Рис.4. Зависимость критического диаметра детонации отсодержания БРТТ

Сравнительная оценка работоспособностиводосодержащих ВВ с различнымсодержанием утилизируемых компонентов

Помимо скоростидетонации необходимо знать другие характеристики ВВ. Работоспособность – однаиз основных характеристик ВВ. Она отражает его потенциальные возможностисовершать работу взрыва. Так как, обычно, действие взрыва производится надопределенной средой, то часто рассматриваются конкретные формы полезной работы(выброс грунта, дробление оболочки, метание породы и т.д.).

Для правильнойоценки работоспособности ВВ необходимо обеспечить одинаковые условия испытанийи исключить возможное влияние режима взрывчатого превращения. Это означает, чтоиспытания необходимо проводить по одинаковой технологии на зарядах одинаковоймассы, детонирующих в идеальном или близком к нему режимах. Все эти условия, впринципе, можно обеспечить при промышленных взрывах. Однако, подобные испытанияявляются дорогими, требуют много времени на подготовку и проведение. Крометого, эти испытания проводятся в различных горно-геологических условиях безнадежного контроля за свойствами горных пород и режимами взрывчатогопревращения ВВ, что делает результаты подобных испытаний практически невоспроизводимыми.

Наиболее полноопределить работоспособность промышленных ВВ позволяет метод, основанный наизмерении воронки выброса. Данный метод прямо воспроизводит условия практическогоиспользования ВВ. Он достаточно широко известен и изучен, используется длямоделирования промышленных взрывов и не требует сложной измерительнойаппаратуры.

 Несмотря накажущуюся простоту этот метод включает в себя ряд особенностей, которые невозможносмоделировать в других испытаниях. При взрыве в породе учитывается частьэнергии взрыва, расходуемая на ее деформацию и нагрев. Пористость породысоздает условия взаимодействия с ней продуктов детонации. Важной особенностьювзрыва на выброс является наличие свободной поверхности, преодоление силтяжести при подъеме породы и сравнительно большие времена совершения работы.

Основнымнедостатком этого метода можно считать трудоемкость и сравнительно невысокуюточность, так погрешность по оценке некоторых авторов может достигать 10-14%.Однако, представляется возможным уменьшить погрешность измерений за счетулучшения контроля за состоянием среды и повышения точности определения объемаворонки выброса.

Как ужеотмечалось, для достоверности определения работоспособности необходимодостижение идеальных или близких к идеальным режимов детонации. При диаметреоткрытого заряда более 100мм для большинства испытываемых ВВ прирост скоростидетонации при увеличении диаметра практически прекращается. Это указывает надостижение близких к идеальному режимов детонации.

Для выхода нанормальный режим детонации необходимо, чтобы длина заряда при мощном инициаторесоставляла не менее 3-х его диаметров. При подобном соотношении масса зарядадиаметром 105 мм и длиной 3dз при плотности ВВ 1,45г/см3составляет около 3 кг.

Исходяиз вышеуказанного, испытания по определению работоспособности ВВ проводились поворонке выброса. Поскольку изготовление изотропной прочной среды, в которойкроме воронки выброса можно было бы получить данные по качеству дробленияпороды, большого объема  на один подрыв практически невозможно, при проведениииспытаний было решено использовать песок. Важным его достоинством являетсяизотропность, отсутствие прочности и близость по свойствам к реальным грунтам.Кроме того, возможно неоднократное проведение экспериментов с использованиемодного и того же объема песка.

Дляпроведения экспериментов в песчаном карьере была подготовлена горизонтальнаяплощадка размером 5ґ5 м с однородным погрансоставу песком плотностью 1,53-4,56 г/см3 и влажностью 5-10%.  Вцентре площадки при помощи ручного бура подготавливали скважину, в которуювручную при помощи веревок опускали подготовленный заряд. Сверху скважинузасыпали тем же песком.

Послевзрыва заряда и проветривания площадки измерялись радиус воронки и глубины попрофилю, а затем расчитывался объем воронки. Самый простой и быстрый способопределения объема, при котором измеряются только радиус и глубина воронки.Объем в этом случае рассчитывается по формуле:

/>;                                                                               (2)

Этотспособ имеет весьма низкую точность и не может быть рекомендован к применению.Наиболее точным является способ со съемом профиля воронки. В этом случае черезравные отрезки диаметра измеряется высота до стенки воронки.

Объемворонки вычисляется как сумма объемов элементарных усеченных конусов:

      />;                                                     (3)

Данныйспособ, как наиболее точный, использовался в данной работе для определенияобъема воронки выброса при оценке сравнительной эффективности ЭВВ. Длясравнительной оценки работоспособности были подготовлены заряды эмульсионногоВВ, содержащие 20%, 30%, 50% дробленной структуры БРТТ типа РСТ-4к имоноблочные заряды из БРТТ типа РСТ-4к. Масса зарядов составляла 3,0 кг,диаметр 105 мм, плотность 1,3-1,6 г/см3. Заряды инициировались припомощи тротиловой шашки типа Т-400г диаметром 80 мм.

Значения глубинворонок по профилю и их диаметры представлены в табл.3:

Таблица 3.

ТНТ прессован-ный РСТ-4к моноблоч-ный Эмульсия+50% РСТ-4к Эмульсия+30% РСТ-4к Эмульсия+20% РСТ-4к

Расстояние по профилю воронки ri, см

Глубина по профилю воронки hi, см

25 26 12 15 19 22 50 46 28 30 33 49 75 77 49 47 54 82 100 94 68 62 73 91 125 113 81 76 86 107 150 124 95 85 92 122 175 122 107 94 104 122 200 111 111 97 112 115 225 95 97 96 119 99 250 72 81 92 99 85 275 53 59 83 75 70 300 27 35 68 58 54 325 20 54 33 29 350 37 17 22 375 22 400

Примечание: ширина воронки выбросаэмульсия+30% РСТ-4к равна 370см

Схема расположения заряда в ЭВВ вскважине представлена на рис.5, а схема определения объема воронки на рис.6.

/> 

Рис.5. Схемарасположения заряда в ЭВВ при оценке работоспособности по воронке выброса.

/>

Рис.6. Схемаопределения объема воронки выброса.

Поперечные сечения воронок представленына рис.7.

Зависимость объема воронки выброса от содержанияутилизируемого пороха  показана на рис.8. (эмульсия + РСТ-4к).

/>/>/>/>/>

Рис.8.Зависимость воронки выброса от содержания утилизируемого пороха.

Всеэкспериментальные данные  были приведены к единой влажности 5,2%, котораянаиболее часто фиксировалась при проведении испытаний. Поскольку при проведенииэкспериментов влажность песка изменялась от 5,2% до 10,5%, возникланеобходимость построения корректировочного графика, позволяющего при расчетахучитывать влияние влажности. Полученный корректировочный график представлен нарис.9. График построен по двум точкам, полученным в результате взрыва зарядовна одной глубине при разной влажности. Влажность песка определялась сушкой допостоянного веса при Т=900С проб песка, взятых с глубинырасположения заряда (130 см).

/>/>

Рис.9. Зависимостьудельного расхода ВВ от влажности грунта

Дляопределения глубины заложения заряда, т.е. глубины, при которой удельный расходВВ при взрыве на выброс будет минимальным, предварительно была проведена серияэкспериментов с зарядами граммонита 79/21 массой 3 кг, расположенных наразличной глубине. В результате проведенных экспериментов показано, чтооптимальной глубиной заложения заряда является 125-130 см. В последующихэкспериментах испытываемые заряды располагали на указанной глубине.

Относительнаяработоспособность ЭВВ определялась как отношение объема воронки выброса утротила к объему воронки выброса у ЭВВ. Значения объема воронки выброса, относительнойработоспособности и удельного расхода ВВ пред­ставленыв табл. 3:

Таблица 3

Результаты определения относительнойработоспособности и удельного расхода для различных типов ВВ

Тип ВВ Объем воронки выброса, л,  (влажность 5,2%) Относительная работоспособность

Удельный расход,

кг/м3

РСТ-4к (моноблочный заряд) 3899,5 1,107 0,871 Тротил прессованный 4322 1,014 0,786 Крошка РСТ-4к + 75% раствор АС 5375,8 0,803 0,632 ЭСВВ + 20% РСТ-4к 4370,7 0,989 0,777 ЭСВВ + 30% РСТ-4к 5523,8 0,786 0,616 ЭСВВ + 50% РСТ-4к 4935,7 0,876 0,689

Как видно из результатов проведенных испытаний,содержание БРТТ в составе ЭВВ в пределах 35-38% оптимально, испытанные ЭВВ сиспользованием элементов утилизируемых БРТТ по работоспособности значительно(на 10-25%) превосходят тротил. Моноблочные заряды из БРТТ типа РСТ-4к поработоспособности уступают тротилу.

Для эмульсионных ВВ с различным содержанием утилизируемыхБРТТ максимальной работоспособностью обладают составы, содержащие 37% дробленойструктуры состава типа РСТ-4к. Зависимость относительной работоспособности ЭВВот содержания БРТТ представлена на рис.10:

 

/>/>

Рис.10. Зависимостьотносительной работоспособности ЭВВ от содержания БРТТ

Определениепоказателя относительной  эффективности ЭВВ с содержанием БРТТ в качестве сенсибилизатора

Для оценкиэффективности применения ЭВВ с конверсионными компонентами для взрывной отбойкиразличных типов горных пород применен комплексный критерий эффективности,разработанный в МГГУ. Комплексный критерий эффективности (Е) связываеткак свойства самого конверсионного ВВ, так и свойства разрушаемых пород ипозволяет с достаточной точностью прогнозировать способность конверсионного ВВк эффективному дроблению и перемещению разрушаемых горных пород.

К числу характеристик, учитывающих сопротивляемостьгорных пород действию взрыва, относятся:

S — параметр,учитывающий сопротивляемость пород действию взрыва, который определяется поформуле:

S=(AЧf)0.25ЧКl;                                                                                    (4)

где:   А — акустическийпоказатель трещиноватости массива;

f — коэффициенткрепости породы по шкале М.М.Протодьяконова;

Kl<sub/>- показательотносительной вязкости;

/>;                                                                       (5)

где:   l0 — среднестатистический показатель вязкости пород (l=3-7);

lпор<sub/>-  показательвязкости пород по Тарасенко В.П.

(lпор=6,5- 0,5Ч(sсж /tсдв — 3));

В общем видепоказатель эффективности ВВ имеет вид:

/>;                                                            (6)

где:   /> - параметр, учитывающийэнергонасыщенность ВВ;

          /> - параметр,учитывающий удельное газообразование;

/>;                         (7)

где:   Qэт и Qисп - теплота взрыва эталонного и испытуемого ВВ;

рэт и  рисп-  плотность заряжания эталонного и испытуемого ВВ;

Dэт и Dисп — скорости детонации эталонного и испытуемого ВВ;

Рэт и Рисп — давление продуктов детонации в зарядной полости при взрыве эталонного ииспытуемого ВВ;

Из приведеннойформулы следует, что если Е<1, то испытуемое конверсионное ВВ болееэффективно, чем эталонное промышленное ВВ.

В табл. 5приведены рассчитанные значения показателя эффективности применения ЭВВ ссодержанием БРТТ равному 37% для пород Костомукшского месторождения, имеющихразличный коэффициент крепости и степень трещиноватости, определяющих параметрсопротивляемости разрушению S.

Таблица 5

Зависимостькомплексного критерия эффективности применения ЭВВ, содержащего 37%утилизируемых БРТТ для применения в условиях Костомукшского ГОКа.

Наименование пород

Коэффи-циент

крепости, f

Акустический

Показатель

Трещиноватости, А

Коэффи-циент вязкости, Kl

Показатель

Сопротивляе-мости

Разрушению,

S

Эффектив-ность,

Е

Амфибол-магнегитовые кварциты 18,3 0,55 0.873 1,55 0,90 Магнетитовые кварциты 15,4 0,54 0,875 1,49 0,89 Плагиопорфиры. Филитовидные сланцы 14,1 0,32 0,877 1,09 0,88 Кварц-биотитовые сланцы 8.4 0,30 0,883 1,14 0,87

Для полученияодинакового качества дробления породы при взрывных работах необходимопроизвести пересчет параметров сетки (аґb) скважин с учетом полученногозначения показателя эффективности применения ВВ (Е):

авв=ао/Е;                                                                                 (8)

bвв=bо/Е;

где:   авв  и ао — расстояние между скважинами в ряду  предлагаемого (вв) и применяемого (о) ВВ;

          bвв и bо — расстояние между рядами скважин предлагаемого (вв) и применяемого (о) ВВ;

Из табл. 5видно, что при использовании ЭВВ содержащего 37% БРТТ, показатель эффективностиЕ=(0,87 — 0,9), для взрывания в условиях ОАО «Карельский окатыш» существующиепараметры сетки скважин, при использовании штатных ВВ (акватол Т-20ГК), можноувеличить на 10-13%, при использовании предлагаемых ЭВВ сенсибилизированныхутилизируемыми порохами. А также из-за снижения критического диаметра детонациивозможно применение более производительных буровых станков.

Заключение

В результате проведенных лабораторно-полигонныхэкспериментов установлено, что использование утилизируемого баллиститногоракетного топлива в качестве сенсибилизаторов в составе ЭВВ приводит кулучшению термодинамических характеристик ВВ и повышению эффективностииспользования таких ВВ в сравнении со штатными ВВ.

Проведенныеисследования позволили установить:

  Оптимальное содержание БРТТ всоставе ЭВВ составляет 35-38%.

  Величина критического диаметразарядов ЭВВ  составляет 50-85 мм, что позволяет использовать буровой инструменти, следовательно, скважинные заряды малого диаметра.

  Максимальной работоспособностьюобладают ЭВВ, содержащие 37% состава типа РСТ-4к.

  Эффективность использования ЭВВсодержащего 35-38% баллиститного ракетного топлива на 10-13% выше применяющихсясейчас ВВ типа акватолов в промышленности, что позволяет увеличить сеткускважин и снизить затраты по статье «буровые работы» на 1 м3взрываемой породы.

Литература:

1.  Б.Н.Кутузов, «Разрушениегорных пород взрывом», Москва, МГГУ, 1992.

2.  В.П.Тарасенко,В.И.Сивенков «Взрываемость массивов горных пород, выбор рациональногоассортимента ВВ», Москва, МГГУ, 1989.

3.  Б.Н.Кутузов,Г.А.Нишпал «Технология и безопасность изготовления и применения ВВ на горныхпредприятиях», Москва, МГГУ, 1999.