Способ получения водосодержащего взрывчатого вещества

 

Изобретение относится к производству водосодержащих взрывчатых веществ и может быть использовано в горной промышленности при отбойке обводненных и трещиноватых горных пород. Сущность изобретения заключается в том, что загущение раствора окислителя ведут гелем кремниевой кислоты, а в качестве структурообразующего агента используют органическую добавку, которую вводят перед введением гранулированной аммиачной селитры при массовом соотношении геля кремниевой кислоты и добавки 1 : (0,1 - 0,5), при этом загущение раствора окислителя завершают при рН 2,5 - 6,0, а время перемешивания от момента введения органической добавки составляет 0,5 - 3,0 ч. В качестве органической добавки может быть использована натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы или полиакриламид. Предложенный способ позволяет получить водосодержащее взрывчатое вещество с повышенной водоустойчивостью и пониженным растеканием по трещинам. 1 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к производству водосодержащих взрывчатых веществ и может быть использовано в горной промышленности при отбойке обводненных и трещиноватых горных пород.

При заряжании скважин водосодержащими взрывчатыми веществами, приготовленными на основе насыщенного горячего раствора окислителя, в сильно трещиноватых, обводненных горных породах до момента кристаллизации заряда происходит вымывание водорастворимых компонентов взрывчатого вещества и растекание заряда по трещинам. Для повышения водоустойчивости и снижения растекания взрывчатого вещества по трещинам раствор окислителя обычно загущают водорастворимыми синтетическими или природными полимерами и вводят структурообразующие добавки.

Известен способ получения водосодержащего взрывчатого вещества (см. Ветлужских В. П., Данчев П.С., Мишуткин В.В., Павлецова М.А. Исследование детонационной способности водонаполненных ВВ на основе горячих растворов окислителей. - В кн.: Взрывное дело, N 74/31. - М.: Недра, 1974, с. 28-33), в котором для повышения водоустойчивости и предотвращения расслоения компонентов взрывчатого вещества в раствор окислителя вводят натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ).

Водосодержащее взрывчатое вещество, приготовленное с использованием данного способа, характеризуется недостаточной водоустойчивостью из-за деструкции органического загустителя в горячем растворе окислителя, и как следствие, частичной потере им загущающих свойств, а также высокой текучестью из-за отсутствия поперечных связей между макромолекулами КМЦ.

Известен также способ получения водосодержащего взрывчатого вещества (см. Дубнов Л.В., Бахаревич Н.С., Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества. - М.: Недра, 1988, с. 267-268), включающий загущение насыщенного водного раствора окислителя, введение в него при перемешивании гранулированной аммиачной селитры, горючего, добавление структурообразующего агента и подачу взрывчатого вещества в скважину. В качестве загустителя используют КМЦ. Структурообразующий агент вводят в момент перекачивания горячельющегося взрывчатого вещества в скважину.

Водосодержащее взрывчатое вещество, полученное по известному способу, имеет недостаточную водоустойчивость. Введение структурообразующего агента в получаемую суспензию взрывчатого вещества с загустителем, частично деструктурированным в процессе приготовления горячего раствора окислителя, не позволяет создать достаточного количества поперечных связей для предотвращения растекания взрывчатого вещества по трещинам. Кроме того, при добавлении структурообразующего агента во взрывчатой смеси быстро образуются жесткие поперечные связи, поэтому его необходимо вводить непосредственно при заряжании скважин, что усложняет процесс.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи повышения водоустойчивости и снижения растекания заряда взрывчатого вещества по трещинам.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе получения водосодержащего взрывчатого вещества, включающем загущение водного раствора окислителя, введение в него при перемешивании гранулированной аммиачной селитры, горючего и структурообразующего агента, согласно изобретению загущение раствора окислителя ведут гелем кремниевой кислоты, а в качестве структурообразующего агента используют органическую добавку, которую вводят перед введением гранулированной аммиачной селитры, при массовом соотношении геля кремниевой кислоты и органической добавки 1 : (0,1-0,5), при этом загущение раствора окислителя завершают при pH 2,5-6,0, а время перемешивания от момента введения органической добавки составляет 0,5-3,0 часа.

Поставленная задача решается также тем, что в качестве органической добавки используют натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы или полиакриламид.

Загущение раствора окислителя гелем кремниевой кислоты позволяет получить водоустойчивое взрывчатое вещество, так как гель кремниевой кислоты, являясь неорганическим соединением, не подвергается деструкции в горячем растворе окислителя и не теряет своих загущающих свойств. Кроме того, гель кремниевой кислоты имеет готовую сетчатую пространственную структуру, состоящую из силоксановых связей Si-O-Si, которые заключают в себе микрочастицы окислителя, тем самым уменьшая растекание заряда по трещинам.

Использование в качестве структурообразующего агента органической добавки в виде водорастворимых высокомолекулярных соединений (полимеров) позволяет повысить водоустойчивость получаемого взрывчатого вещества за счет образования многочисленных водородных связей между силанольными группами геля кремниевой кислоты и функциональными группами полимера, которые усиливают сетчатую структуру геля, включающую в себя микрочастицы окислителя, и тем самым затрудняют контакт окислителя с внешней водой. Образование водородных связей происходит наиболее активно в области pH 2,5 - 6,0, так как в этой области силанольные группы геля кремниевой кислоты имеют незначительный заряд. При значениях pH загущенного водного раствора окислителя меньше 2,5 макромолекулы полимера свернуты в клубки и образование достаточного количества водородных связей невозможно. По мере возрастания pH макромолекулярные клубки разворачиваются в цепочки и увеличиваются в размерах. При значениях pH загущенного водного раствора окислителя больше 6,0 во взрывчатом веществе происходит образование металлических производных тротила, имеющих повышенную чувствительность к удару и трению, близкую к чувствительности инициирующих взрывчатых веществ, что снижает безопасность получения взрывчатого вещества и его применения. Кроме того, в процессе разворачивания макромолекулярных клубков полимера происходит дополнительное связывание воды загущенного раствора окислителя, что повышает вязкость смеси и температуру кристаллизации водосодержащего взрывчатого вещества, что также уменьшает растекание заряда по трещинам.

При содержании органической добавки менее 10,0 мас.%, по отношению к гелю кремниевой кислоты, образуется незначительное количество водородных связей. В результате чего снижается водоустойчивость заряда и увеличивается его растекание по трещинам. Содержание добавки более 50,0 мас.% резко повышает вязкость и температуру кристаллизации взрывчатого вещества, что затрудняет перекачивание его по зарядным шлангам.

Введение органической добавки перед введением гранулированной аммиачной селитры обусловлено кинетикой набухания полимера и предотвращением преждевременной адсорбции его на поверхности вводимой твердой фазы, что становится возможным за счет образования прочных, но в тоже время эластичных связей между органической добавкой и гелем кремниевой кислоты. Это позволяет упростить процесс приготовления взрывчатого вещества и технологию заряжания скважин.

При перемешивании суспензии получаемого взрывчатого вещества менее 30 минут, после введения органической добавки в загущенный раствор окислителя, не успевает образоваться достаточное количество дополнительных поперечных связей и взрывчатая смесь характеризуется пониженной водоустойчивостью.

При перемешивании суспензии получаемого взрывчатого вещества более 3 часов макромолекулярные клубки полимера расправляются в цепочки и образуются многочисленные водородные связи; структура формирующейся объемной сетки при этом становится все более прочной и жесткой, что приводит к резкому уменьшению подвижности взрывчатой смеси и перекачивание ее по зарядным шлангам становится затруднительным.

Использование в качестве органической добавки натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы или полиакриламида обусловлено наличием в них функциональных групп, участвующих в образовании водородных связей, растворимостью этих полимеров в воде, способностью функционировать в принятом рабочем интервале значений pH. Использование полимеров в качестве структурообразующих агентов в меньшем количестве по сравнению с гелем кремниевой кислоты обусловлено тем, что в первую очередь используется их способность образовывать дополнительные мостики-связи между частицами геля кремниевой кислоты, тогда как загущающие свойства полимеров, в силу их небольшого количества, играют незначительную роль.

Сущность предлагаемого способа и достигаемые результаты могут быть более наглядно пояснены нижеследующими примерами.

При реализации способа в качестве окислителя используют аммиачную селитру или ее смесь с натриевой или кальциевой селитрами. При необходимости изменения pH раствора окислителя в процессе загущения используют жидкое стекло для повышения pH и серную кислоту для понижения pH. Органической добавкой служит натриевая соль КМЦ или полиакриламид. Гранулированную аммиачную селитру добавляют в количестве 2,0-20,0% от массы взрывчатого вещества. В качестве горючего используют минеральное масло в количестве 0,4-3,5% от массы взрывчатого вещества, тротил в количестве 5,0-18,0% от массы взрывчатого вещества или их смесь с карбамидом. Конкретное количество горючего, вводимого в состав взрывчатого вещества, определяется необходимостью обеспечения нулевого кислородного баланса, при котором происходит максимальное выделение энергии.

Пример 1. В варочный бак, снабженный мешалкой и нагревательными элементами, заливают гель кремниевой кислоты (содержание SiO₂ 1,0% от массы взрывчатого вещества), полученный путем обработки водного раствора жидкого стекла серной кислотой, и растворяют в нем при 95^oC аммиачную селитру. Затем добавляют серную кислоту, завершая процесс загущения раствора окислителя при pH, равном 6,0. В готовый раствор окислителя при перемешивании вводят полиакриламид в количестве 0,1% от массы взрывчатого вещества, соотношение между гелем кремниевой кислоты и полиакриламидом при этом составляет 1 : 0,1. В полученную смесь добавляют гранулированную аммиачную селитру, в количестве 4,7% от массы взрывчатого вещества и перекачивают в смесительно-зарядную машину типа "Акватол". На взрываемом блоке в машину при перемешивании заливают минеральное масло в количестве 2,4% от массы взрывчатого вещества и добавляют тротил в количестве 10,0% от массы взрывчатого вещества. Перемешивание от момента введения полиакриламида осуществляют в течение 0,5 часа.

Полученное водосодержащее взрывчатое вещество заливают в модельную скважину с коэффициентом трещинной пустотности, равным 15%. Коэффициент трещинной пустотности представляет собой отношение суммарной площади трещин к площади боковой поверхности скважины. После кристаллизации заряда взвешиванием определяют массу взрывчатого вещества и рассчитывают коэффициент растекания заряда по трещинам, определяемый по отношению массы взрывчатого вещества после и до кристаллизации заряда. Далее модельную скважину помещают в резервуар с проточной водой, по истечении 24 часов взвешиванием определяют количество вымытого взрывчатого вещества и рассчитывают (в мас.%) водоустойчивость взрывчатого вещества. Полученное взрывчатое вещество имеет следующие показатели: коэффициент растекания по трещинам - 0,96; водоустойчивость - 5%.

Пример 2. В варочный бак, снабженный мешалкой и нагревательными элементами, заливают гель кремниевой кислоты (содержание SiO₂ 1,0% от массы взрывчатого вещества), полученный путем обработки нефелинового концентрата водным раствором серной кислоты, и растворяют в нем при 93^oC гранулированную аммиачную селитру. Затем добавляют жидкое стекло, завершая процесс загущения раствора окислителя при pH, равном 2,5. В готовый раствор окислителя при перемешивании вводят натриевую соль КМЦ в количестве 0,5% от массы взрывчатого вещества, соотношение между гелем кремниевой кислоты и натриевой солью КМЦ при этом составляет 1 : 0,5. В полученную смесь добавляют гранулированную аммиачную селитру в количестве 2,0% от массы взрывчатого вещества и перекачивают в смесительно-зарядную машину типа "Акватол". На взрываемом блоке в машину при перемешивании заливают минеральное масло в количестве 3,1% от массы взрывчатого вещества, добавляют тротил в количестве 5% от массы взрывчатого вещества и карбамид в количестве 2,0% от массы взрывчатого вещества. Перемешивание от момента введения органической добавки осуществляют в течение 3 часов.

Взрывчатое вещество испытывают как в примере 1. Коэффициент растекания взрывчатого вещества по трещинам - 0,98; водоустойчивость взрывчатого вещества - 3,5%.

Пример 3. В варочный бак, снабженный мешалкой и нагревательными элементами, заливают гель кремниевой кислоты (содержание SiO₂ 0,5% от массы взрывчатого вещества), полученный путем обработки водного раствора серной кислоты жидким стеклом, и растворяют в нем при 94^oC гранулированную аммиачную селитру. Завершают процесс загущения раствора окислителя при pH, равном 5,2. В готовый раствор окислителя при перемешивании вводят натриевую соль КМЦ в количестве 0,2% от массы взрывчатого вещества, соотношение между гелем кремниевой кислоты и натриевой солью КМЦ при этом составляет 1 : 0,4. В полученную смесь добавляют гранулированную аммиачную селитру в количестве 3,6% от массы взрывчатого вещества и перекачивают в смесительно-зарядную машину типа "Акватол". На взрываемом блоке в машину при перемешивании заливают минеральное масло в количестве 1,6% от массы взрывчатого вещества и добавляют тротил в количестве 13,0% от массы взрывчатого вещества. Перемешивание от момента введения органической добавки осуществляют в течение 1,5 часа.

Взрывчатое вещество испытывают как в примере 1. Коэффициент растекания взрывчатого вещества по трещинам - 1,0; водоустойчивость взрывчатого вещества - 3%.

Пример 4. В варочный бак, снабженный мешалкой и нагревательными элементами, заливают гель кремниевой кислоты (содержание SiO₂ 0,67% от массы взрывчатого вещества), полученный путем обработки нефелинового концентрата водным раствором серной кислоты, и растворяют в нем при 94^oC аммиачную и натриевую селитры (соотношение между аммиачной и натриевой селитрами 9 : 1). Затем добавляют жидкое стекло, завершая процесс загущения раствора окислителя при pH, равном 4,0. В готовый раствор окислителя при перемешивании вводят натриевую соль КМЦ в количестве 0,2% от массы взрывчатого вещества, соотношение между гелем кремниевой кислоты и натриевой солью КМЦ при этом составляет 1 : 0,3. В полученную смесь добавляют гранулированную аммиачную селитру в количестве 5,0% от массы взрывчатого вещества и перекачивают в смесительно-зарядную машину типа "Акватол". На взрываемом блоке в машину при перемешивании заливают минеральное масло в количестве 2,4% от массы взрывчатого вещества и добавляют тротил в количестве 12% от массы взрывчатого вещества. Перемешивание от момента введения органической добавки осуществляют в течение 1 часа.

Взрывчатое вещество испытывают как в примере 1. Коэффициент растекания взрывчатого вещества по трещинам - 0,97; водоустойчивость взрывчатого вещества -3,7%.

Пример 5. В варочный бак, снабженный мешалкой и нагревательными элементами, заливают гель кремниевой кислоты (содержание SiO₂ 0,5% от массы взрывчатого вещества), полученный путем обработки водного раствора серной кислоты жидким стеклом, и растворяют в нем при 98^oC аммиачную и кальциевую селитры (соотношение между аммиачной и кальциевой селитрами 8 : 1). Завершают процесс загущения раствора окислителя при pH, равном 4,5. В готовый раствор окислителя при перемешивании вводят полиакриламид в количестве 0,1% от массы взрывчатого вещества, соотношение между гелем кремниевой кислоты и полиакриламидом при этом составляет 1 : 0,2. В полученную смесь добавляют гранулированную аммиачную селитру в количестве 20,0% от массы взрывчатого вещества и перекачивают в смесительно-зарядную машину типа "Акватол". На взрываемом блоке в машину при перемешивании заливают минеральное масло в количестве 2,1% от массы взрывчатого вещества и добавляют тротил в количестве 14,0% от массы взрывчатого вещества. Перемешивание от момента введения органической добавки осуществляют в течение 2 часов.

Взрывчатое вещество испытывают как в примере 1. Коэффициент растекания взрывчатого вещества по трещинам - 0,97; водоустойчивость взрывчатого вещества - 3,6%.

Пример 6. В варочный бак, снабженный мешалкой и нагревательными элементами, заливают гель кремниевой кислоты (содержание SiO₂ 0,3% от массы взрывчатого вещества), полученный путем обработки водного раствора серной кислоты жидким стеклом, и растворяют в нем при 95^oC аммиачную селитру. Завершают процесс загущения раствора окислителя при pH, равном 5,0. В готовый раствор окислителя при перемешивании вводят полиакриламид в количестве 0,15% от массы взрывчатого вещества, соотношение между гелем кремниевой кислоты и полиакриламидом при этом составляет 1 : 0,5. В полученную смесь добавляют гранулированную аммиачную селитру в количестве 3,5% от массы взрывчатого вещества и перекачивают в смесительно-зарядную машину типа "Акватол". На взрываемом блоке в машину при перемешивании заливают минеральное масло в количестве 0,4% от массы взрывчатого вещества и добавляют тротил в количестве 18,0% от массы взрывчатого вещества. Перемешивание от момента введения органической добавки осуществляют в течение 2,5 часов.

Взрывчатое вещество испытывают как в примере 1. Коэффициент растекания взрывчатого вещества по трещинам - 0,97; водоустойчивость взрывчатого вещества - 4,2%.

В Примерах 7-8 процесс получения водосодержащего взрывчатого вещества ведут с использованием запредельных значений параметров.

Пример 7. В варочный бак, снабженный мешалкой и нагревательными элементами, заливают гель кремниевой кислоты (содержание SiO₂ 0,2% от массы взрывчатого вещества), полученный путем обработки водного раствора жидкого стекла серной кислотой и растворяют в нем при 94^oC аммиачную селитру. Затем добавляют серную кислоту, завершая процесс загущения раствора окислителя при pH, равном 6,5. В готовый раствор окислителя при перемешивании вводят полиакриламид в количестве 0,01% от массы взрывчатого вещества, соотношение между гелем кремниевой кислоты и полиакриламидом при этом составляет 1 : 0,05. В полученную смесь добавляют гранулированную аммиачную селитру, в количестве 3,6% от массы взрывчатого вещества и перекачивают в смесительно-зарядную машину типа "Акватол". На взрываемом блоке в машину при перемешивании заливают минеральное масло в количестве 1,1% от массы взрывчатого вещества и добавляют тротил в количестве 15,0% от массы взрывчатого вещества. Перемешивание от момента введения органической добавки осуществляют в течение 0,4 часа. В процессе перемешивания взрывчатое вещество приобретает темную окраску, что свидетельствует об образовании металлических производных тротила.

Взрывчатое вещество испытывают как в примере 1. Коэффициент растекания взрывчатого вещества по трещинам - 0,7; водоустойчивость взрывчатого вещества - 10%.

Пример 8. В варочный бак, снабженный мешалкой и нагревательными элементами, заливают гель кремниевой кислоты (содержание SiO₂ 0,75% от массы взрывчатого вещества), полученный путем обработки нефелинового концентрата водным раствором серной кислоты, и растворяют в нем при 105^oC аммиачную селитру. Затем добавляют жидкое стекло, завершая процесс загущения раствора окислителя при pH, равном 3,5. В готовый раствор окислителя при перемешивании вводят натриевую соль КМЦ в количестве 0,6% от массы взрывчатого вещества, соотношение между гелем кремниевой кислоты и натриевой солью КМЦ при этом составляет 1 : 0,8. В полученную смесь добавляют гранулированную аммиачную селитру в количестве 31,0% от массы взрывчатого вещества и перекачивают в смесительно-зарядную машину типа "Акватол". На взрываемом блоке в машину при перемешивании заливают минеральное масло в количестве 3,1% от массы взрывчатого вещества и добавляют тротил в количестве 8,0% от массы взрывчатого вещества. Перемешивание осуществляют в течение 3,5 часа от момента введения органической добавки, смесь резко густеет и дальнейшее ее перемешивание и перекачивание в скважины становится невозможным.

Пример 9 (прототип). В варочный бак, снабженный мешалкой и нагревательными элементами, заливают воду, добавляют натриевую соль КМЦ в количестве 2,5% от массы взрывчатого вещества и в полученном растворе при 95^oC растворяют аммиачную селитру. Загущенный раствор окислителя перекачивают в смесительно-зарядную машину, добавляют гранулированную аммиачную селитру в количестве 5% от массы взрывчатого вещества и тротил в количестве 20% от массы взрывчатого вещества. В полученную смесь добавляют структурообразующий агент - раствор сернокислого хрома в количестве 0,26% (сверх 100%) и перекачивают взрывчатое вещество в скважину.

Взрывчатое вещество испытывают как в примере 1. Коэффициент растекания взрывчатого вещества по трещинам составляет 0,8; водоустойчивость взрывчатого вещества - 7,0%.

Как следует из вышеприведенных примеров 1-6, 9 предложенный способ позволяет получить водосодержащее взрывчатое вещество, характеризующееся повышенной водоустойчивостью и незначительным растеканием по трещинам, в котором вымывание водорастворимых компонентов при выдержке в проточной воде в течение 24 часов не превышает 5%, что на 28% ниже аналогичного параметра по прототипу. Коэффициент растекания взрывчатого вещества по трещинам находится в пределах 0,96 - 1,0, что лучше, чем в прототипе.

Формула изобретения

1. Способ получения водосодержащего взрывчатого вещества, включающий загущение водного раствора окислителя, введение в него при перемешивании гранулированной аммиачной селитры, горючего и структурообразующего агента, отличающийся тем, что загущение раствора окислителя ведут гелем кремниевой кислоты, а в качестве структурообразующего агента используют органическую добавку, которую вводят перед введением гранулированной аммиачной селитры, при массовом соотношении геля кремниевой кислоты и органической добавки 1 : (0,1 - 0,5), при этом загущение раствора окислителя завершают при pH 2,5 - 6,0, а время перемешивания от момента введения органической добавки составляет 0,5 - 3,0 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органической добавки используют натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы или полиакриламид.