Промышленное эмульсионное взрывчатое вещество и способ изготовления углеродно-водородной фазы

Группа изобретений относится к взрывчатым составам и может применяться при взрывных работах в горном деле. Эмульсионный взрывчатый состав включает водный раствор нитрата аммония, диспергированный в углеродно-водородной фазе. Углеродно-водородная фаза состоит из смеси при следующем соотношении ингредиентов в эмульсии, мас.%: смесь минерального масла с высокомолекулярными веществами - стабилизаторами - 4,01-5,53; каменный уголь 1,32-1,39; эмульгатор 0,4-0,65, водный раствор нитрата аммония - остальное. Используют мелкодисперсные частицы угля диаметром не более 100 мкм. Осуществляют измельчение каменного угля. Производят введение тонкодисперсного угля в смесь минерального масла с высокомолекулярными веществами - стабилизаторами. Уголь измельчают в шаровых или стержневых мельницах до размера частиц от 0,1 до 100 мкм. Вводят порционно в подогретую до температуры от 65 до 85°С смесь минерального масла с высокомолекулярными веществами. Все компоненты тщательно смешивают в течение 30 минут с образованием однородной суспензии черного цвета. Вводят в смесь эмульгатор. Обеспечивается снижение расхода эмульгатора при одновременном повышении качества эмульсии. 2 н. и 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к взрывчатым составам и может применяться при взрывных работах в горном деле.

В настоящее время наибольшее развитие получил новый класс промышленных взрывчатых веществ на основе эмульсий «вода в масле». Преимущество эмульсионных взрывчатых веществ перед другими видами - это безопасность их транспортировки до момента выгрузки.

Эмульсия, по сути, является смесью, состоящей из микрокапель водного раствора нитрата аммония, диспергированных в непрерывной масляной фазе. В качестве окислителя, как правило, используют аммиачную селитру или ее смесь с натриевой селитрой, а масляная фаза – смесь минерального масла с эмульгатором. Кроме того, хорошая водоустойчивость, низкая стоимость сырья и несложный технологический процесс позволили эмульсионным ВВ занять достаточно большую долю в производстве взрывных работ.

Известен эмульсионный взрывчатый состав типа «вода в масле» (патент № 2110506, заявка № 95121412, класс МПК С06И 45/10, дата публикации 10.05.1998). Известный эмульсионный взрывчатый состав, содержит: водный раствор неорганических солей-окислителей, горючее на основе органических водонерастворимых веществ, сенсибилизатор, энергетические и технологические добавки и композиционный эмульгатор, состоящий из моноэфира многоатомного (С₂-С₆) спирта и одноосновной жирной (С₁₂-С₂₀) кислоты; первичных синтетических высших жирных (C₁₂-C₂₀) спиртов; этаноламидов и соли алкилбензолсульфоната многовалентного металла.

Недостатком известного взрывчатого состава является высокий расход композиций эмульгатора.

Известен эмульсионный взрывчатый состав (патент № 2123488, заявка № 94003526, дата публикации 20.12.98г., класс МПК С06И31/28). Известный эмульсионный взрывчатый состав содержит аммиачную селитру, окислительную и углеводородную фазы и сенсибилизирующую добавку. Окислительная фаза представляет собой водный раствор солей-окислителей, таких, как нитрат натрия или нитрат кальция, и/или аммоний хлорнокислый, или нитрат метиламина, или динитрат этилендиамина, или натрий хлорнокислый, углеводородная фаза включает индустриальное масло, плавкие углеводороды, такие, как петролатум или парафин, или битум и эмульгатор, содержащий продукты конденсации полиолефинов с молекулярной массой 300-3000, предпочтительно 900-1500, с малеиновым ангидридом и алканоламином, предпочтительно триэтаноламином или полиолом, например глицерином, или полиглицерином, или пентаэритритом, или смеси этих продуктов с эфирами жирных кислот фракции С₁₇ - С₂₅, или эфирами жирных кислот таллового масла с глицерином или полиглицерином, или пентаэритритом, а сенсибилизирующая добавка представляет собой раствор нитрита натрия или смесь раствора нитрата натрия с формалином, или пористые добавки типа перлита при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Нитрат натрия - 5,0-15,0 %, или нитрат кальция - 5,0-25,0 %, аммоний хлорнокислый - 5,0-15,0 % или нитрат метиламина - 5,0-15,0 %, динитрат этилендиамина - 5,0-30,0 %, или натрий хлорнокислый - 5,0-25,0 %, вода - 5,0-25,0 %, масло индустриальное - 2,0-7,0 %, петролатум - 0,5-4,0 %, или парафин - 1,0-2,0 %, или битум - 0,5-2,5 %.

Недостатком известного взрывчатого состава является сложный состав и сложный технологический процесс.

В эмульсионных ВВ (обратная эмульсия) для повышения степени дисперсности, для увеличения времени жизни эмульсии, предотвращения ее кристаллизации используются эмульгаторы. Т.е. для повышения стабильности и качества эмульсии. Эмульгаторы являются дорогостоящим компонентом при производстве ЭВВ.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение расхода эмульгатора при одновременном повышении качества эмульсии.

Предлагается эмульсионный взрывчатый состав, включающий водный раствор нитрата аммония, диспергированный в углеродно-углеводородной фазе. Отличием является то, что углеродно-углеводородная фаза состоит из смеси компонентов при следующем соотношении ингредиентов в эмульсии ЭВВ, мас. %:

- минеральное масло от 4,01 до 5,53;

- тонкодисперсный каменный уголь от 1,32 до 1,39;

- эмульгатор от 0,4 до 0,65.

При этом используют мелкодисперсные частицы угля диаметром не более 100 мкм.

Предлагается способ изготовления углеродно-водородной фазы, которая включает в себя введение тонкодисперсного угля, измельченного в шаровых или стержневых мельницах до размера частиц от 0,1 до 100 мкм, в подогретую (65-85°С) смесь минерального масла с высокомолекулярными соединениями. Тонкодисперсный уголь вводят порционно, небольшими порциями, для более тщательного перемешивания и исключения образования комочков. Все компоненты тщательно смешиваются в течение 30 минут с образованием однородной суспензии черного цвета.

Входящие в состав высокомолекулярные соединения служат для стабилизации суспензии. Полученная смесь является основой для приготовления углеродно-углеводородной фазы.

Этап завершения приготовления углеродно-углеводородной фазы заключается в введение в смесь эмульгатора.

Процесс производства эмульсии (эмульгирование) начинают с настройки производительности насосов подачи раствора нитрата аммония и углеродно-углеводородной фазы, чтобы выдержать требуемое соотношение подаваемых на миксер компонентов. После регулировки насосов в миксер сначала дозируют углеродно-углеводородную фазу с температурой 65-85°С. Когда миксер заполнится до перелива углеродно-углеводородной фазой начинают подачу раствора нитрата аммония (мас. от 92,3 до 94,5 % от массы эмульсии), температура которого 80-95°С, до получения однородной вязкой массы с вязкостью от 80000 до 130000 сП (сантипуаз).

Основным компонентом предлагаемого эмульсионного взрывчатого вещества являются эмульсионные матрицы, представляющие собой водный раствор нитрата аммония, диспергированный в углеродно-углеводородный фазе. Водный раствор нитрата аммония в виде капель микронного размера (1-100 мкм) с помощью эмульгатора и тонкодисперсного угля распределена в непрерывной углеродно-углеводородной фазе.

В состав эмульсионной матрицы входит углеродно-углеводородная фаза, состоящая из минерального масла, эмульгатора, тонкодисперсного углерода (угля) и стабилизатор суспензии (высокомолекулярные вещества).

Особенностью выбора эмульгатора для производства обратных эмульсий (по типу вода в масле) является их гидрофобные свойства, такими же свойствами обладает и тонкодисперсный уголь. Эмульгирование - это, по сути, дробление. Чем больше поверхность раздела фаз эмульсии, тем ниже термодинамическая устойчивость, тем выше риск расслоения эмульсии.

Устойчивость эмульсий (по типу вода в масле) объясняется наличием барьера на границе двух фаз. Эмульгатор и тонкодисперсный уголь накапливаясь на поверхности раздела, образуют адсорбционную пленку, определяющую устойчивость эмульсии.

Свойство гидрофобности свойственно различным маркам углей, от степени углефикации или метаморфизма изменяется гидрофобность. Угольные тонкодисперсные частицы углей высокой степени углефикации или метаморфизма являются гидрофобными и могут быть использованы в предлагаемой технологии. Например, каменный уголь марки «КС», каменный уголь марки «Т». А угли низкой стадии углефикации или метаморфизма, которые содержат большое количество таких примесей, как глинистые вещества, кварц, сланцы, кальцит и другие минералы обладают не гидрофобными свойствами, а гидрофильными свойствами и в данной технологии их использование будет не эффективным. Например, бурые угли. Гидрофобный уголь имеет степень заполнения микропор водой не более 10 %. Изготовление мелкодисперсных частиц угля не более 100 мкм усиливают свойства гидрофобности угля, так как происходит дробление кусочков угля и разрушение микропор. То есть изменяется пористая структура угля, что и повышает свойство гидрофобности.

Введение мелкодисперсного угля позволяет повысить межфазную активность за счет гидрофобности угольных частиц. При этом важно использовать мелкодисперсные частицы угля не более 100 мкм. Использование частиц более 100 мкм приводит к выпадению их в осадок в составе эмульсии из-за их тяжести, и, как показали эксперименты существенно снижает время жизни эмульсии.

Использование мелкодисперсного угля позволяет снизить долю используемого эмульгатора, например, Lubrizol. Массовая доля Lubrizol в аналогичной обратной эмульсии 2 %. При содержании Lubrizol в обратной эмульсии в массовой доле 0,5 % эмульгирование может не происходит.

Ранее угольный порошок использовался в составе взрывчатых веществ гранулитов. Описано ранее в патенте № 1550862. Гранулиты относятся к водонеустойчивым взрывчатым веществам, использование угольного порошка в их составе предполагает другой технический результат и другую технологию производства.

Повышение качества эмульсии характеризуется детонационными свойствами эмульсионного взрывчатого вещества. Эмульсионные ВВ способны детонировать только при условии введения в них газогенерирующей добавки. Например, водный раствор нитрита натрия.

В заявленном техническом решение в матрице эмульсионного взрывчатого вещества (ЭВВ) содержатся тонкодисперсные частицы углерода (угля), которые дополнительно стабилизируют эмульсию тем самым снижая расход эмульгатора. Уголь сам по себе горючий материал. Благодаря наличию тонкодисперсных частиц углерода (угля) при прохождении детонационной волны в заряде будут возникать дополнительные горячие точки, что подтверждено на практике. В соответствии с теорией горячих точек, при инициировании ЭВВ равномерно рассеянные в матрице бесчисленные тонкодисперсные микрометрические частицы углерода (угля) при адиабатическом сжатии инициирующим ударом, нанесённым извне, механическая энергия постепенно превращается в тепловую. Наряду с микропузырьками азота и тонкодисперсного углерода (угля), оба непрерывно нагреваются, в кратчайший период (10^-3-10^-5 секунды) формируется серия горячих точек (400-600°С) и наконец ВВ побуждается к детонации. Чувствительные микропузырьки азота и тонкодисперсного углерода (угля) должны иметь диаметр 1-100 мкм.

От каждой частицы углерода (угля) и микропузырька азота фронт реакции распространяется сферически - происходит выгорание изнутри. Тепловыделение за фронтом ударной волны определяется суммарным тепловыделением во всех реагирующих частицах. Тепловыделение пропорционально поверхности горения. При максимальной суммарной поверхности частиц углерода (угля) и микропузырьков азота достигается максимум тепловыделения.

Окисления углеродно-углеводородной фазы эмульсионной матрицы по свободно-радикальному механизму обеспечивает снижение критического диаметра детонации до 80 мм, что гарантирует безотказную детонацию скважинных зарядов.

Как известно, критический диаметр и скорость детонации зависит прежде всего от размера частиц дисперсной фазы эмульсии и диаметра микропузырьков азота [Ван Сюйгуан. Эмульсионные взрывчатые вещества]. Таким образом, изменяя размер тонкодисперсного углерода (угля) и микропузырьков азота, можно управлять детонационными параметрами ЭВВ.

Техническая задача, которая решается изобретением – снижение расхода эмульгатора и повышение качества эмульсии. При использовании предлагаемого изобретения он достигается. За счет введения в состав эмульсии мелкодисперсного каменного угля одновременно снижается расход эмульгатора и одновременно повышаются детонационные свойства эмульсионного взрывчатого вещества. Таким образом, можно сделать вывод о повышении качества эмульсии.

Создание эмульсионного взрывчатого вещества, которое стабилизированно тонкодисперсным углеродом (углем) и имеющий критический диаметр детонации открытого заряда менее 80 мм при достаточно высокой скорости детонации. При этом, наличие эмульгатора снижено до минимальных объемов (от 0,4 до 0,65). Т.е. введение в состав обратной эмульсии тонкодисперсного углерода позволяет производить более экономичное ЭВВ и одновременно более эффективное в части его детонационных свойств, как указано выше.

Размер газовых пузырьков при проведении опытных испытаний определяли через 30 мин после сенсибилизации с помощью светового микроскопа Motic BА-310B.

Критический диаметр детонации определяли по полноте детонации зарядов различного диаметра согласно ГОСТ 14839.19-69, метод А, при их инициировании промежуточным детонатором.

Скорость детонации открытого заряда диаметром 80 мм измеряли с помощью прибора с контактным импульсным генератором «Detonation Velocity Meter» (Швеция) с погрешностью измерения 0,1 %.

Производство предлагаемого эмульсионного взрывчатого вещества предполагается с использованием способа изготовления углеродно-водородной фазы эмульсионного взрывчатого состава, включающего в себя порционное введение тонкодисперсного угля, измельченного в шаровых или стержневых мельницах до размера частиц от 0,1 до 100 мкм, в подогретую (65-85°С) смесь минерального масла с высокомолекулярными соединениями. Все компоненты тщательно смешиваются в течение 30 минут с образованием однородной суспензии черного цвета. Входящие в состав высокомолекулярные соединения служат для стабилизации суспензии. Полученная смесь является основой для приготовления углеродно-углеводородной фазы. Этап завершения приготовления углеродно-углеводородной фазы заключается в введение в смесь эмульгатора.

Основные этапы изготовления аналогичных эмульсий известны. Новым является введение тонкодисперсного угля. Одним из показателей качества аналогичных эмульсий является время их жизни от момента производства до момента их выгрузки в зарядную скважину. Для сохранения агрегативной устойчивости эмульсии необходимо сохранить достигнутую максимальную дисперсность, понизив величину поверхностного натяжения. Это возможно сделать с помощью введения веществ, обладающих поверхностно-активным действием, - эмульгаторов. А в нашем случае и тонкодисперсного угля.

Уголь измельчают на мельнице (как указывалось выше) до размера частиц не более 100 мкм. Большая величина частиц не эффективна.

Полученную сухую угольную смесь смешивают с минеральным маслом. При этом минеральное масло вводят порционно в циркуляционном режиме (по1/3 от общего объема масла) перемешивая при обычном рабочем режиме работы миксера. Порционное введение минерального масла позволяет получить однородную смесь. Технология приготовления смеси минерального масла и эмульгатора отличается от приготовления смеси угольного порошка и минерального масла и эмульгатора. В первом случае смешиваются два компонента, во втором случае - три.

Заданную смесь минерального масла и высокомолекулярных соединений предварительно подогревается до температуры от 45-65°С. Смесь подается в циркуляционном режиме теплым и постепенно смешивается с тонкодисперсным углем в течение 30 минут (по технологии). Затем в готовый и однородный по консистенции полуфабрикат вводят эмульгатор подогревают до температуры 85°С. В итоге образуется углеродно-углеводородная фаза.

Раствор нитрата аммония и углеродно-углеводородную фазу эмульгируют до получения однородной вязкой массы с вязкостью от 80000 до 130000 сП. Вязкость является одним из основным показателем качества эмульсии. Соблюдение массовой доли всех компонентов, указанных в первом независимом пункте формулы и технологического режима, позволяют получить заданную вязкость смеси. Диапазон вязкости от 80000 до 130000 сП указан в зависимости от того, какого направления взрывчатое вещество необходимо получить: с загрузкой в скважины или патронированное.

В качестве высокомолекулярных веществ могут использоваться, например, камеди, естественные комплексы полисахаридов и другие возможные по технологии в данном случае вещества.

Все признаки формулы изобретения находятся в причинно-следственной связи с заявленным техническим результатом.

Способ производства описывающий технологию приготовления, заявленного эмульсионного взрывчатого вещества и состав заявленного эмульсионного взрывчатого вещества, позволяют получить эмульсию более экономичную, с возможностью снижения доли эмульгатора и при этом более качественную, позволяющую усилить детонационные свойства взрывчатого вещества.

1. Эмульсионный взрывчатый состав, включающий водный раствор нитрата аммония, диспергированный в углеродно-водородной фазе, отличающийся тем, что углеродно-водородная фаза состоит из смеси при следующем соотношении ингредиентов в эмульсии, мас. %:

смесь минерального масла с высокомолекулярными веществами - стабилизаторами	4,01-5,53
каменный уголь	1,32-1,39
эмульгатор	0,4-0,65
водный раствор нитрата аммония	остальное,

и при этом используют мелкодисперсные частицы угля диаметром не более 100 мкм.

2. Способ изготовления углеродно-водородной фазы эмульсионного взрывчатого состава, включающий измельчение каменного угля, введение тонкодисперсного угля в смесь минерального масла с высокомолекулярными веществами - стабилизаторами, характеризующийся тем, что уголь измельчают в шаровых или стержневых мельницах до размера частиц от 0,1 до 100 мкм, вводят порционно в подогретую до температуры от 65 до 85 °С смесь минерального масла с высокомолекулярными веществами, все компоненты тщательно смешивают в течение 30 минут с образованием однородной суспензии черного цвета, вводят в смесь эмульгатор.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве высокомолекулярного вещества используют карбоксиметилцеллюлозу.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве высокомолекулярного вещества используют смесь эфиров жирных карбоновых кислот.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве высокомолекулярного вещества используют кубовые остатки ректификации бутилового спирта.