все вопросы Подписка на рубрику Вопрос - Ответ ВестиПБ.ру

вопрос - ответ

Вопрос:
В эксплуатации находится ОПО, в состав которого входит котельная установка с двумя паровыми...

Ответ:
Здравствуйте. Согласно Приказу Ростехнадзора № 168 «Об утверждении требований к ведению...


Федеральные
законы
Правила
безопасности
Руководящие
документы
Документы
Ростехнадзора
18+

Научно-технические статьи

Использование кремниевых гелей для стабилизации суспензионных водосодержащих взрывчатых веществ

Дата публикации: 27.12.2010

Для взрывной отбойки руд и пород в условиях повышенной обводненности и трещиноватости большое значение имеют водоустойчивость и вязкость применяемых суспензионных водосодержащих взрывчатых веществ (ВВ) — акватолов [1], представляющих собой смесь водного раствора окислителя (нитраты аммония, щелочные или щелочно-земельные элементы) и горючего, в качестве которого обычно используется экологически вредный тротил. Именно от этих свойств зависят потери ВВ, стабильность его состава и физико-химических свойств при нахождении заряда в скважине. Из-за неудовлетворительной водоустойчивости, особенно при наличии в зарядных скважинах проточной воды, происходит вымывание окислителя, приводящее к загрязнению окружающей среды, нарушению однородности состава и кислородного баланса ВВ, вследствие чего при взрыве выделяется большое количество ядовитых газов (NOx и СО). Низкая вязкость загущенного раствора окислителя способствует тому, что тротил, имеющий большую плотность, чем раствор окислителя, успевает сконцентрироваться в нижней части заряда до его кристаллизации, в то время как верхняя его часть обогащается окислителем. Это приводит к нарушению кислородного баланса ВВ по высоте заряда и, как и в первом случае, повышенным выбросам ядовитых газов. Недостаточная вязкость также служит причиной того, что в случае высокой трещиновато-сти горного массива происходит растекание заряда по трещинам, что отрицательно сказывается на окружающей среде и повышает расход ВВ при выполнении взрывных работ. Кроме того, вымывание заряда ВВ проточной водой (или сильное его расслаивание) может быть причиной отказа заряда при проведении взрыва, что требует ручной разборки невзорвавшейся скважины, которая является весьма опасной операцией для персонала.

В настоящее время наметилась тенденция перехода горнодобывающих предприятий на использование эмульсионных водосодержащих ВВ, которые весьма водоустойчивы. Однако у них есть и существенные недостатки по сравнению с акватола-ми. В частности, эмульсионные ВВ имеют меньшую энергию взрыва, более сложны в приготовлении и весьма дороги. В последние годы были разработаны методы стабильного равномерного распределения жидких нефтепродуктов в объеме окислителя [2, 3]. Это позволило разработать ряд рецептур приготовления акватолов с пониженным содержанием тротила, допущенных к промышленному использованию. В этих ВВ часть тротила заменена энергетически эквивалентным количеством дешевых жидких углеводородов, в частности минеральным маслом или дизельным топливом. Применение этих ВВ позволяет еще более снизить стоимость акватолов. Поэтому акватолы занимают свою «нишу» использования в горнодобывающей промышленности, особенно при отбойке пород повышенной крепости.

Для повышения водоустойчивости и вязкости суспензионных ВВ в их состав вводят загустители, в качестве которых преимущественно применяют набухающие в воде органические полимеры. За рубежом чаще всего используется гуаргам — полисахарид растительного происхождения. В нашей стране наибольшее распространение получили синтетические полимеры — натриевая соль карбоксиметилцеллю-лозы (Na-КМЦ) и полиакриламид (ПАА). Общий недостаток всех органических загустителей — необх димость применения их в комбинации со структур рующей добавкой (сшивкой), которая скрепляет линейные углеводородные цепи между собой с образованием пространственной структуры. В качестве сшивки рекомендовано использовать экологичес вредные соли хрома. Процесс сшивания протека очень быстро, поэтому структурирующий агент сл дует равномерно вводить в объем ВВ не ранее, че его начнут подавать в скважину. Без соответствующей зарядной техники этот прием технически тру, но осуществить, поэтому в отечественной практике сшивка почти не применяется. В отсутствие же органические загустители не могут обеспечить удовлетворительные водоустойчивость и другие свойства ВВ. Кроме того, органические загустители, силу своей химической природы, подвергаются те мической деструкции в горячих концентрирована растворах селитр, что приводит к частичной или по ной потере ими загущающей способности.

Вышеуказанные недостатки в значительнс мере могут быть устранены, если в качестве загустителей ВВ использовать какие-либо неорганические полимерные соединения, в частности кремниевые золи, однако последние, вследствие сложности технологии их получения, дефицитны и весьма дорогостоящи, поэтому при производстве ВВ н практике они не используются.

Вместе с тем известно, что растворы, содержащие золь кремниевой кислоты, очень легко пол чаются при обработке кислотами растворов силиката натрия, или жидкого стекла (ЖС), и нефелин.

Возможность получения таких растворов на основе нефелина обусловлена кристаллически строением этого минерала, структура которого состоит из чередующихся кремне- и алюмокислородных тетраэдров, поэтому при кислотной обработке данного минерала в раствор переходят не только ионы алюминия, натрия, калия, но и ионы SiO44-. Компенсация положительно заряженными ионам водорода отрицательного заряда SiO44- приводит тому, что конечными продуктами реакции являютс соли алюминия, натрия, калия и слабодиссоциирс ванная ортокремниевая кислота (Si(OH)4 = H4Si04), которая, полимеризуясь, образует последовательно коллоидные частицы, золи и гели. В общем виде реакция с кислотами, в частности серной, осущес вляется согласно реакции:

(Na ,K)2O·AI2O2SiO2 + 8Н+ + 4S042- + nH2O –> 2(Na,K)+ + 2Аl3++ + 4SO42- + 2SiO44- + nH2O –> 2(Na,K)+ + 2Аl3+ + 4S042- + 4Si(OH)4 + nH20

На этой реакции основана технология получена алюмокремниевого коагулянта-флокулянта (AKKФ) в ОАО «Апатит», где производится до 90 тыс. т этого реагента, который используется для сгущения минеральных суспензий и очистки оборотной воды на обогатительных фабриках. Технология производства АККФ весьма проста и заключается в обработке нефелинового концентрата (НК) в течение 15-20 мин 10-15%-ной H2S04 с последующим отделением (отстаиванием) небольшого количества нерастворимых минералов, содержащихся в концентрате. Полученные растворы, содержащие 3-4 % SiO2 и 2-3 % Al2O3, направляются на сгущение апатитового и нефелинового концентратов и очистку воды [4].

Вследствие значительного содержания коллоидного кремнезема растворы АККФ склонны к образованию гелей при длительном хранении или нагревании с образованием студнеобразных масс, заполняющих весь объем раствора. Вязкость их определяется концентрацией SiO2 в растворах.

Это свойство АККФ предопределило постановку исследований по изучению возможности использования этого реагента в качестве загустителя аква-тола Т-20, производство которого освоено на руднике «Центральный» ОАО «Апатит». Состав его, %: NH4NO3 — 71; раствор загустителя — 9; тротил — 20 [5].

Водоустойчивость окислителя, загущенного АККФ, определяли следующим образом. В 11 г раствора АККФ, содержавшего 4% SiO2, растворяли при нагреве до 95°С 89г аммиачной селитры. Полученный насыщенный раствор селитры, содержавший 0,44% SiO2, выливали в специальные формочки. После охлаждения и полной кристаллизации селитры образцы извлекали из формочек, помещали в воду и определяли время полного растворения селитры. В качестве контрольных готовили образцы, загущенные ПАА, для чего такое же количество селитры растворяли в 11 г 0,5%-ного раствора ПАА.

Путем многократного дублирования опытов установлено, что скорость растворения образцов, загущенных нефелиновым кремнегелем, более чем в 2 раза ниже по сравнению с образцами, загущенными ПАА (табл. 1). Визуальное наблюдение за процессом позволило установить, что после полного растворения образцов, загущенных кремниевыми гелями, в воде оставалось ажурное облаковид-ное образование кремнегеля, часть которого даже всплывала за счет воздушных включений, содержавшихся в окислителе.

Распределение тротила по высоте заряда в лабораторных условиях исследовали следующим образом. В растворах АККФ или ПАА при 95 °С растворяли необходимое количество аммиачной селитры, затем вводили при перемешивании расчетное количество гранул полихлорвинила (ПХВ), которые служили имитатором гранул тротила (плотность ПХВ 1,7 г/см3, крупность 2-5 мм, тротила — соответственно 1,66 г/см3 и 2-5 мм).

Таблица 1

Образец Скорость растворения, кг/мин·м2
Раствор аммиачной селитры без загустителя 12,23·10-3
Нефелиновый загуститель (4,2 % SiO2) 4,12·10-3
Кремниевый загуститель ЖС (6 % SiO2) 6,52·10-3
Кремниевый загуститель ЖС (7 % SiO2, 10%CO(NH2)2) 5,03·10-3
Кремниевый загуститель ЖС (8 % SiO2, 20 % CO(NH2)2) 4,02·10-3
Раствор ПАА (0,5 %) 8,55·10-3

Полученный горячий раствор выливали в полиэтиленовые трубы (внутренний диаметр 100 мм) с запаянным днищем. После остывания в течение с\ -ток из верхней, средней и нижней части трубы вырезали образцы высотой 15 см, которые взвешивали и помещали в емкость с проточной водой. После полного вымывания селитры оставшиеся гранулы отделяли, сушили и взвешивали. По их массе и массе исходного образца определяли содержание ПХВ («тротила»). Опыты дублировались трехкратно. За результат принималось среднее арифметическое. Данные этих опытов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Образец Содержание ПХВ («тротила»), %
в верхней части в среднейчасти в нижнейчасти
Незагущенный 2,2 7,8 38,1
Загущенный ПАА 12,4 16,8 28,2
Загущенный нефелиновым кремнегелем 19,8 20,1 20,2

Как видно из табл. 2, загущение акватола кремниевым гелем обеспечивает практически равномерное распределение гранул по высоте колонки заряда.

Наряду с явными преимуществами кремниевого загустителя, полученного на основе нефелина, в процессе лабораторных испытаний был выявлен его существенный недостаток, который заключается в том, что этот реагент вызывает закисление до рН 2-3 раствора аммиачной селитры. Закисление обусловлено тем, что присутствующий в растворе АККФ сульфат алюминия взаимодействует с аммиачной селитрой по реакции

AI2(SO4)3 + 6NH4NO3 = 2AI(NO3)3 + 3(NH4)2SO4

Образующийся нитрат алюминия при повышенной температуре гидролизуется более легко, чем сульфат алюминия с выделением свободной азотной кислоты:

AI(NO3)3 + ЗH2O = AI(OH)3 + 3HNO3

Повышение кислотности растворов окислителя .. величивает вероятность химического взаимодействия его с минеральными компонентами взрываемых пород. Особенно опасно его взаимодействие с серосодержащими минералами, в частности с пиритом, который очень часто присутствует в железорудных породах. Это взаимодействие протекает с выделением значительного количества тепла и сопровождается обильным газовыделением.

Лабораторные исследования показали, что при смешении горячих концентрированных растворов аммиачной селитры, загущенных нефелиновым загустителем, с тонко измельченной нефелиновой рудой никаких изменений окислителя не наблюдается. Это объясняется тем, что избыточная кислотность легко нейтрализуется присутствующим в руде нефелином. Смешение же таких растворов с тонкоизмельченным пиритом приводит к быстрому саморазогреву и вспучиванию окислителя, сопровождающимся выделением паров воды и оксидов азота. Эти наблюдения свидетельствуют о том, что загущенные нефелиновым гелем акватолы не пригодны для отбойки сульфидсодержащих руд.

В связи с этим для отбойки руд и пород, содержащих включения сульфидов, совместно с НИИПХ (С.М. Малютиным) была разработана технология приготовления и использования кремниевого загустителя на основе ЖС. Суть ее заключается в смешении расчетных количеств воды и кислоты, введении в полученный раствор при перемешивании раствора жидкого стекла из расчета получения кремниевого золя, содержащего 4-6 % SiO2, с последующим растворением в нем аммиачной селитры. Отсутствие в составе этого загустителя солей алюминия и железа позволяет легко регулировать рН раствора окислителя. В соответствии с требованиями по термохимической безопасности рН раствора загустителя должен составлять 2,5-3,5, а приготовленного на его основе раствора окислителя — 4,8-5,6. При растворении аммиачной селитры рН раствора постепенно уменьшается. В том случае, если кислотность оказывается выше регламентируемой, проводят корректировку рН путем дополнительной нейтрализации раствора тем же ЖС, добавляя его небольшими порциями до тех пор, пока рН не достигнет нужного значения. Лабораторными и полигонными испытаниями подтверждено, что при рН > 4 взаимодействия загущенного жидкосте-кольным кремниевым гелем окислителя с пиритом не наблюдается.

Испытание образцов акватолов, загущенных жидкостекольным кремниевым гелем, показало, что они обладают значительно большей водоустойчивостью и равномерностью распределения тротила, чем образцы, загущенные ПАА, однако эти показатели были несколько ниже, чем у образцов, загущенных нефелиновым гелем. Это объясняется тем, что при использовании последнего в загущении участвует не только гель кремнекислоты, но и гель гидроксида алюминия, выделяющегося при гидролизе его солей.

Попытки повысить стабильность акватолов, загущенных жидкостекольным золем, за счет увеличения содержания SiO2 в исходном загустителе не привели к успеху, так как золи с повышенным содержанием кремнезема (более 6 % SiO2) желати-низировались уже в процессе их приготовления.

В этой связи были проведены исследования по изысканию веществ, позволяющих стабилизировать жидкостекольные золи. При постановке исследований исходили из следующих предпосылок: стабилизирующий агент должен быть недорогим, легкодоступным и разрешенным к использованию как компонент ВВ.

Исходя из этих соображений, в качестве объекта исследований был выбран карбамид (мочевина) — CO(NH2)2. Наличие в составе карбамида сразу двух электроотрицательных атомов (кислорода и азота) позволило предположить, что он способен к взаи-; модействию с частицами растворенного кремнезема SiOH3+. Такое взаимодействие должно привести I к тому, что вокруг частицы коллоидного кремнезема образуется защитная оболочка, которая будет замедлять их полимеризацию с образованием геля. Немаловажно и то, что карбамид ингибирует реакцию взаимодействия аммиачной селитры с сульфидами. Акватолы, содержащие 4 % карбамида, допускаются для отбойки сульфидсодержащих руд.

Испытаниями установлено (см. табл. 1), что при введении в кремниевый загуститель на основе ЖС 10-20 % карбамида, что составляет 1-2 % от массы готового акватола, содержание SiO2 можно повысить соответственно до 7-8 %. Приготовленные на таком загустителе акватолы по своей водоустойчивости не уступают акватолам, загущенным нефелиновым кремнегелем.

После цикла полигонных и промышленных испытаний акватолов на кремниевых загустителях была разработана необходимая техническая документация на изготовление и использование суспензионных водосодержащих ВВ акватолов Т-20ГК марок НК и ЖС [5]: первый из них готовится на нефелиновом, а второй на жидкостекольном загустителе. Акватол марки НК был допущен Госгортехнад-зором для применения на открытых рудниках ОАО «Апатит», марки ЖС — на рудниках ОАО «Олкон» и «Карельский окатыш». На этих же рудниках допущены к использованию загущенные кремнегелем акватол Т-10МС и акватолы НС [6] с пониженным содержанием тротила, часть которого замещена энергетически эквивалентным количеством минерального масла.

Кремнегелевое загущение суспензионных водо-содержащих ВВ не только повышает их стабильность, но и более технологично, снижает их себестоимость по сравнению с загущением полиакриламидом.

Список литературы

  1. Поздняков З.Г., Росси Б.Д. Справочник по промышленным взрывчатым веществам и средствам взрывания. — М.: Недра, 1977. — 253 с.
  2. Пат. 2100331 РФ. МКИ С06В 21/00. Способ получения водосодержащего взрывчатого вещества/ В.И. Захаров, В.А. Матвеев, Д.В. Майоров и др.; Опубл. 27.12.97, Бюл. № 36.- 1997.-С. 274.
  3. Пат. 2139271 РФ. МКИ С06В С06В 31/40. Способ получения водосодержащего взрывчатого вещества/ В.И. Захаров, В.А. Матвеев, Д.В. Майоров и др.; Опубл. 10.10.99, Бюл. № 28. - 1999. - С. 234.
  4. Гершенкоп А.Ш., Захаров В.И., Петрова В.,' лучение и применение коагулянта на основе местныж 1 материалов для сгущения пульпы апатитового конце— трата. — В сб.: Научно-технический прогресс в про- I изводственном объединении «Апатит». — М., 19£г 4.2.-С. 74-80.
  5. Пат. № 1631939 РФ. МКИ С06В. Взрывчатое ве_т ство / В.И. Захаров, Д.С. Подозерский, Е.А. Деев и дс Опубл. 27.11.2000, Бюл. № 33. - 2000. - С. 350.
  6. Едигарев СЛ., Власова Е.А., Почекутов В.И. Совершенствование составов и технологии приготовления водосодержащих взрывчатых веществ // Мат. ме.» -дунар. науч. конф. «Физические проблемы взрыв-;-го разрушения массивов горных пород». — М.: ИПКС-1999.-С. 161-163.

© В.А. Матвеев, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник (Учреждение Российской академии наук Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева Кольского научного центра РАН)
© Д.В. Майоров, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник (Учреждение Российской академии наук Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева Кольского научного центра РАН)
© В.И. Захаров, д-р техн. наук, зав. лабораторией (Учреждение Российской академии наук Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева Кольского научного центра РАН)
© А.Р. Алишкин, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник (Учреждение Российской академии наук Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева Кольского научного центра РАН)

Журнал «Безопасность труда в промышленности», № 6.2010

Последние Научно-технические статьи

Быстровозводимые фермовые металлоконструкции. Контроль состояния элементов.

Быстровозводимые металлоконструкции. Расчет.

Оценка состояния элементов строительных лесов.

Цепные грузоподъемные лебедки. Контроль состояния цепи

Техническое диагностирование технологического трубопровода цеха № 1429, рег №  1194 и рег №  2095

другие статьи

Информация о Ростехнадзоре

СМИ о
Ростехнадзоре

Предприятия и надзор

Новости
компаний

Промышленные новости, аналитика, обсуждения

© 2006–2018 Вестник Промышленной Безопасности | Реклама на сайте | Связь с нами | Статистика
При полном или частичном использовании материалов Вести ПБ гиперссылка на сайт обязательна.
Свидетельство о регистрации средства массовой информации ЭЛ №ФС77-36452 от 28.05.2009.