Розробка і дослідження гетерогенних систем на основі нітратів кальцію та амонію для одержання вибухових матеріалів

- Розроблені й оптимізовані рецептури нових безтротилових емульсійних вибухових речовин;

- Показана можливість утилізації дисперсних промислових відходів як компонентів високостабільних вибухових систем на основі непористої гранульованої аміачної селітри (Грануліт-НМ та ін.). Грануліт-НМ одержав постійне промислове застосування на шахтах ВО «Кривбасруда» (Постанова Кабінету Міністрів України № 941 від 13. 06. 2000).

- Показана можливість зниження вмісту тротилу в складі водонаповнених вибухових матеріалів з метою підвищення безпеки поводження і зменшення кількості токсичних продуктів вибуху при збереженні високої працездатності.

Особистий внесок автора. Особистий внесок автора полягає в проведенні експериментальних досліджень, обробці і систематизації одержаних даних, розробці програмного продукту розрахунку й оптимізації рецептур BР. Постановка мети та задач дослідження за участю наукового керівника професора Купріна В. П. Узагальнення і публікація результатів досліджень разом з науковим керівником, професором Крисіним Р. С., професором Єфремовим Е. І. Експериментальні дослідження тротилвмісних плавів аміачної селітри спільно з відділом механіки вибуху ІГТМ НАН України.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на міжнародній конференції «Екологізація виробництва і керування відходами « (Дніпропетровськ, 1996 р.), першій Всеукраїнській науково-практичній конференції «Україна наукова 2001» (Дніпропетровськ, 2001 р.), технічних нарадах концерну «Укрруда» (2000 р.), УкрДІАП і ДП «Екоантилід» (2000, 2001 рр.), ВАТ ПВП «Кривбасвибухпром» (2000, 2001 рр.), ДВП «Запоріжвибухпром» (1998, 1999, 2000 рр.).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 3 статті, 2 тези, отримано 7 патентів України.

Обсяг і структура роботи. Дисертація викладена на 174 аркушах друкованого тексту, включає 29 рисунків, 33 таблиці, список літератури з 140 найменувань і 6 додатків. Дисертація складається з вступу, пяти розділів, висновків, списку цитованої літератури та додатків.

 

 

У вступі обґрунтована актуальність теми і визначена мета дослідження.

У першому розділі наведений огляд літературних даних, що характеризують властивості компонентів гетерогенних систем, які мають здатність до вибухової взаємодії, та їхні характеристики; проведений аналіз рецептур найбільш ефективних вибухових матеріалів (ВМ) на основі селітр. Показано, що ВМ, які містять тротил, мають високу токсичність та небезпечні при поводженні і заряджанні. Розглянуті найбільш перспективні напрямки удосконалення вибухових речовин (ВР) – розробка безтротилових емульсійних і сумішевих ВМ.

Показана перспективність використання композицій азотнокислих солей як основних компонентів екологічно безпечних вибухових речовин. Зроблений висновок про необхідність розробки рецептур і технології одержання високостабільних невибухових водостійких емульсійних композицій типу «розчин селітр в оливі», які можуть бути використані для одержання безтротилових емульсійних ВР; рецептур стабільних екологічно безпечних ВР на основі непористої аміачної селітри.

У другому розділі наведені методики дослідження фізико-хімічних характеристик компонентів багатофазних систем за допомогою: УФ спектрофотометрії (Specord -M40), турбідиметрії (ФЕК КФК-2МП), диференційно-термічного аналізу (дериватограф «Паулик і Ердей»), імпедансометрії (вимірювач R, L, C цифровий), віскозиметрії (ротаційний віскозиметр РВ-К71Т-А), гравіметрії, титриметрії. Наведена методика визначення водостійкості емульсійних систем (вимивання селітр внаслідок тривалого контакту з водою). Наведені методики розрахунку основних термодинамічних параметрів гетерогенних систем на основі азотнокислих солей кальцію й амонію.

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень та термодинамічних розрахунків взаємодії аміачної селітри й інших компонентів водонаповнених ВР із компонентами гірської породи (кремнезем, пірит) і обговорення результатів. Показані шляхи зниження вмісту тротилу в складі водонаповнених вибухових речовин (ГЛТ-20).

У четвертому розділі наведені результати розробки і експериментальних досліджень стабільних водостійких емульсійних композицій нітратів кальцію й амонію, та рецептури нових ефективних ВР на їх основі. Наведене обговорення результатів.

У п'ятому розділі наведені результати досліджень високостабільних гетерогенних систем на основі непористої аміачної селітри для одержання вибухових матеріалів

ВЗАЄМОДІЯ КОНЦЕНТРОВАНИХ РОЗЧИНІВ АМІАЧНОЇ СЕЛІТРИ З ПОРОДАМИ

Найбільш розповсюдженим вибуховим матеріалом, що застосовується гірничодобувними підприємствами України в умовах високої обводненості свердловин, є ГЛТ-20 – тротилвмісний (20%) плав аміачної селітри. Наявність тротилу і висока робоча температура використання (100 0С) робить його реакційноздатним і небезпечним в застосуванні, особливо в породах, які містять пірит.

Відомі випадки мимовільного екзотермічного розкладання систем на основі плавів нітрату амонію при контакті з піритвмісними рудами, внаслідок якого спостерігались несанкціоновані вибухи.

Розрахунки зміни вільної енергії Гібса (G0T) за методом Темкіна-Шварцмана в інтервалі температур (298-1000 К) показують, що екзотермічне розкладання нітрату амонію за рівняннями (1-2) термодинамічно вірогідне вже за стандартних умов, однак ці процеси характеризуються високою енергією активації і відбуваються при температурах вище 480 К.

NH4NO3 → N2 + 2H2O + 1/2О2 (G0298=-335, 54 кДж/моль), (1)

NH4NO3 → N2O + 2H2O (G0298=-186, 41 кДж/моль). (2)

Тепла, що виділяється внаслідок екзотермічної реакції нітрату амонію з піритом гірської породи, достатньо для ініціації вибухового розкладання аміачної селітри:

4FeS2 + 18NH4NO3 → 2Fe2 (SO4) 3 + 2SO2 + 8N2O +

+ 4N2 + 12NH3 + 18H2O (G0298=-1628, 24кДж/моль) (3)

Однак реакція (3), незважаючи на термодинамічну можливість, не спостерігається в інтервалі температур 298-400 К, що пояснюється наявністю кінетичних ускладнень процесу.

Подолання енергетичного бар'єра реакцій (1-3) відбувається, ймовірно, за рахунок тепла екзотермічної реакції піриту з азотною кислотою, яка утворюється в заряді: