Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von schlammförmigem Sprengstoff, der ungelöste, in einer Flüssigkeit suspendierte, feste Teilchen enthält, unter Regelung von dessen Dichte, auf den nach diesem Verfahren erhaltenen Sprengstoff und auf die Anwendung des Verfahrens beim Sprengen.
Schlammförmige Sprengstoffe werden gewöhnlich aus einer flüssigen Lösung eines Oxydationsmittels, wie beispielsweise einer wässrigen Lösung von Ammoniumnitrat, in der trockenes, aus einzelnen Teilen bestehendes Material suspendiert ist, unter Verwendung eines Verdickungs- oder Geliermittels hergestellt, das hinzugegeben wird, um eine Abscheidung des suspendierten, aus einzelnen Teilchen bestehenden Materials durch die Schwerkraft aus der flüssigen Phase zu verhindern.
In der amerikanischen Patentschrift 3 303 739 von Clay vom 14. Februar 1967 ist eine Vorrichtung beschrieben und ein Verfahren zum Mischen solcher flüssigen und aus einzelnen Teilchen bestehenden Komponenten und zum Verpumpen des erhaltenen Sprengstoffschlamms zum Verbrauchspunkt beansprucht. Der Schlamm lasst sich verpumpen, wenn er frisch hergestellt ist, aber unmittelbar nach seiner Verbringung in das Bohrloch oder in eine Bohrhülse verdickt er sich zu zähflüssiger oder nahezu fester Substanz, so dass die einzelnen Bestandteile sich unter der Wirkung der Schwerkraft nicht absetzen können. Eine solche Masse ist auch gegen Grundwasser widerstandsfähig, das häufig in Bohrlöchern vorhanden ist.
Bei dem Herstellungsverfahren werden oft gewisse Mengen von Luft oder anderen Gasen in den schlammförmigen Sprengstoff eingeschlossen. Wie in der amerikanischen Patentschrift 3 382 117 von Cook angegeben ist, kann dies von Vorteil sein, und solches Gas kann die Dichte des Schlamms um 25 % vermindern. Es ist oft erwünscht, die Beschaffenheit und die Dichte solcher Schlamme durch absichtlichen Einschluss von Luft oder anderen Gasen in Form feiner Blasen zu beeinflussen. Solche Einschlüsse wirken sich nicht nur auf die Dichte, sondern auch auf die Detonationskraft und -empfindlichkeit des Sprengmittels aus. Die vorliegende Erfindung schafft ein bequemeres, sichereres und genaueres Verfahren zur Regelung der Belüftung, der Verschäumung und der Erzielung sonstiger Gaseinschlüsse, die bei der Herstellung solcher Schlammassen stattfinden können.
Durch eine solche Beeinflussung kann die Detonationsempfindlichkeit des schlammförmigen Sprengstoffes genau geregelt werden. Diese Empfindlichkeit und verschiedene andere Eigenschaften können auf den gewünschten Betrag eingestellt werden. Es werden einfache Massnahmen und Verfahrensschritte angewandt, mit deren Hilfe ein Teil der Flüssigkeit oder gewünschtenfalls ihre Gesamtmenge in geeigneter Weise belüftet werden kann, d. h. sie wird in Gegenwart von Luft oder irgendeinem anderen unlöslichen Gas verschäumt, verblasen oder geschlagen, so dass sie genügend feine Gasbläschen einschliesst, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Dies ist ein Hauptgegenstand der Erfindung. Ein weiteres Ziel besteht darin, eine solche Belüftung oder Schaumbildung zu fördern und zu stabilisieren.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass einer Lösung von anorganischem, oxydierendem Salz, mindestens ein schaumerzeugendes Mittel zugesetzt und mindestens ein Teil der erhaltenen Lösung zur Erzielung feiner Blasen innig mit Gas vermischt wird, und dass in der Flüsigkeit anschlies send mindestens zum Teil oxydierbarer, fein verteilter Feststoff homogen suspendiert wird.
Im nachstehenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine teilweise schematisch gehaltene Schnittzeichnung einer bevorzugten Vorrichtung zur Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig. 2 ein Schnitt durch ein anderes System, wobei verschiedene Teile im Querschnitt gezeichnet und andere aus Gründen der Vereinfachung weggelassen sind,
Fig. 3, 4, 5 und 6 graphische Darstellungen, die das Verhältnis der Detonationsgeschwindigkeit zur Dichte, der Dichte zum Druck, des kritischen Durchmessers zur Dichte und der Sprengwirkung zur Dichte bei typischen Schlammsprengstoffen darstellen.
Gemäss Fig. 1 ist ein Flüssigkeitsvorrat aus einer konzentrierten oder im wesentliche gesättigten wässrigen Lösung von Ammoniumnitrat oder von Ammoniumnitrat und Natriumnitrat oder anderen oxydierenden Salzen, wie Ammonium-, Alkali- oder Erdalkalinitraten, -chloraten oder -perchloraten, oder irgendeine geeignete Kombination dieser Verbindungen in einem Vorratsbhälter 11 vorhanden, der einen Füllstutzen 13 am oberen Ende und eine Ausflussöffnung am Boden aufweist. Eine Pumpe 17, vorzugsweise eine Messpumpe oder eine solche, die eine zwangsweise Verdrängung bewirkt, dient dazu, um die Flüssigkeit durch eine Leitung 19 zu treiben, um so einen gleichbleibenden Strom unabhängig von der Höhe des Behälters 11 oder dem Ausmass, bis zu dem er gefüllt ist, zu erreichen.
Durch eine Flüssigkeitszufuhrleitung 21, die mit der Aufschrift Wasser gekennzeichnet ist, kann warmes oder kaltes Wasser oder ein organischer flüssiger Brennstoff od. dgl.
eingeleitet und dieses Wasser dazu verwendet werden, um das System auszuspülen, nachdem die Pumpe abgeschaltet ist.
Die Leitung 21 wird durch ein Ventil 23 abgeschlossen. Ein elektrisch betätigtes Ventil 25 in Leitung 19, das vom Solenoid 26 gesteuert wird, schliesst den Strom ab. Anstelle des Solenoids kann ein pneumatisch oder hydraulisch gesteuerter Kolben verwendet werden, um die Zufuhr zu regeln oder ein sauberes Abschalten der Flüssigkeit zu erreichen.
Unterhalb des Ventils 23 verzweigt sich die Leitung 19 in eine Hauptleitung 27, die durch das Ventil 29 gesteuert wird, und eine Nebenleitung, die durch das Ventil 33 geöffnet oder geschlossen wird. Eine einzelne Regelvorrichtung, wie z. B.
der Handgriff 35, kann dazu dienen, beide Ventile zu betätigen. Dabei ist die bevorzugte Anordnung so getroffen, dass ein Ventil offen ist, wenn das andere geschlossen ist. Auf diese Weise ist eine vollständige Regelung der verhältnismässigen Strömungsmengen durch beide Leitungen leicht zu erzielen.
Wenn eine Gesamtmenge von C Litern der Flüssigkeit gewünscht wird, so muss die Vereinigung des Stromes von A Litern in der Leitung 27 unter dem Einfluss des Ventils 29 und von B Litern durch das Ventil 33 der Menge C entsprechen.
Ebenso kann entweder die Menge A oder die Menge B von 0 bis C verändert werden. Der Regelschieber 35 kann von Hand oder elektrisch-pneumatisch-hydraulisch oder durch irgendwelche mechanischen Mittel bedient werden. Er kann durch einen Computer üblicher Bauweise, der hier nicht dargestellt ist, gesteuert werden, um die Art des an die Sprengstelle zu bringenden Schlammes entsprechend zu regeln. Am Boden des Bohrloches, wo eine dichte voll wirksame Explosion benötigt wird, um eine maximale Sprengwirkung zu erreichen, kann es erwünscht sein, überhaupt keine Belüftung stattfinden zu lassen. Dabei kann das Ventil 33 vollstän diggeschlossen sein. In der Mitte des Bohrloches kann ein weniger dichter Sprengstoff von mässiger Stärke erwünscht sein; dann kann das Ventil 33 teilweise geöffnet sein.
In der Nähe der Bohrlochöffnungen kann lediglich eine leichte Schaummischung erforderlich sein. Dann kann Ventil 33 wei ter oder sogar vollständig geöffnet sein.
Unter der Annahme, dass das Ventil 29 zu einem gewissen Teil geöffnet ist, fliesst die Flüssigkeit, die in einer Menge A durch die Leitung 27 strömt, in einen Ringkanal oder einen Trichter 37, der im oberen Teil der Mischkammer 39 vor gesehen ist. In dieser Kammer werden alle Bestandteile des
Sprengstoffschlamms miteinander vermischt und verrührt.
Die Bestandteile können aus C Litern pro Minute Flüssigkeit und D kg pro Minute eines festen, aus einzelnen Teilchen zusammengesetzten Stoffes bestehen, einschliesslich Brennstoff und einem Sensibilisator. Diese Mischung wird oft als sog. Vormischung bezeichnet. Sie stellt insgesamt E Liter pro Minute eines Schlammes dar. Die Ventile 29 und 33 können durch ein Dreiwegeventil ersetzt werden. Der Teil B der Flüssigkeit, der durch das Ventil 33 oder in anderer Weise durch die Leitung 31 strömt, fliesst zu einer Verschäumereinrichtung die das Gas mit der Flüssigkeit mischt und aus einer Kammer 41 und Rührblättern 43 besteht, die von einem Motor 45 getrieben werden. Durch die Leitung 47 wird so viel Luft wie gewünscht zugeführt, um die Form feiner Blasen innerhalb der Flüssigkeit aufgeschlagen zu werden.
Die flüssige Lösung im Behälter 11 enthält vorzugsweise zum Beginn eine kleine Menge eines Verdickungs- oder Geliermittels, beispielsweise einer Menge von 1 % von Guargummi oder eine etwas grössere Menge vorgekochter Stärke. Dies erhöht die Viskosität der Flüssigkeit in genügendem Masse, so dass sie auch feinere Bläschen eine genügend lange Zeitspanne hindert zusammenzulaufen oder zu entweichen, sondern stattdessen ein gut belüftetes Produkt zu erzielen. Das bevorzugte Gas ist Luft, aber es kann auch Stickstoff oder sogar Kohlendioxyd, das jedoch löslich und daher nicht so geeignet ist, verwendet werden. Von dem Belüfter oder Mischer 41 fliesst die belüftete Flüssigkeit durch die Leitung 49 in den Trichter 37, wo sie mit verhältnismässig wenig belüfteter Flüssigkeit aus der Leitung 27 vermischt wird.
Die-belüftete Flüssigkeitsmischung strömt dann durch die zentrale Austrittsöffnung 51 des Trichters 37 in den Mischer 39, in dem mindestens ein Rührer 53 und gewünschtenfalls ein weiterer Rührer 55 an einer Welle 57 angeordnet sind, die durch einen Motor 59 angetrieben wird.
Die Vormischung des fein verteilten Materials, zu der noch oxydierende Salze zugesetzt werden können, ist in einem oder mehreren Trichtern 61 enthalten. Die Masse wird durch geeignete Zuführungsvorrichtungen wie eine Förderschnecke oder Schraube 63 verteilt, deren Förderungsgeschwindigkeit geändert werden kann. Die Vormischung, das trockene Oxydations mittel oder beide, fallen durch die Leitung 65 in den Oberteil des Mischers 39. Hier werden sie durch die obere Wand 67 des Trichters 37 in die Mittelöffnung 51 abgelenkt, wo sie sich mit der Flüssigkeit mischen. Eine gute homogene Dispersion der ungelösten Festteile in der Flüssigkeit ist durchaus erwünscht. Einige der Feststoffe können von Natur aus unlöslich sein, wie z. B. die Bestandteile der Vormischung, nämlich feine Teilchen von metallischem Aluminium, Schwefel, Gilsonitasphalt und gepulverte Kohle.
Andere Stoffe können unlöslich bleiben, weil die Lösung schon gesättigt ist, z. B.
trockenes Ammoniumnitrat, Natriumnitrat u. dgl., während noch andere, wie Guarangummi, kolloidal dispergierbar, aber in der Flüssigkeit nicht wirklich löslich sind. Es ist wichtig, dass solche Teilchen, seien sie nun vollständig oder teilweise löslich oder auch vollständig unlöslich, innerhalb des Schlammes suspendiert und homogen dispergiert bleiben. Zu diesem Zweck ist die verdickende oder gelierende Wirkung des die Zähigkeit erhöhenden Mittels in der ursprünglichen Flüssigkeit von Bedeutung. Dieses Mittel kann Guarangummi oder andere natürlich vorkommende Gummisorten, gegebenenfalls unter Zusatz von Mitteln, die eine Vernetzung bewirken, sein, oder es kann sich um Mehle, Stärkesorten o. dgl., gegebenenfalls unter Zusatz von Mitteln, die eine Vernetzung bewirken, oder um Kombinationen solcher Stoffe handeln.
Die suspendierten Teilchen können im Schlamm von verhältnismässig geringer Viskosität so lang fein verteilt bleiben, als der Schlamm sich in Bewegung befindet und leicht pumpbar bleibt. Nachdem die Masse in das Bohrloch eingebracht und zur Ruhe gekommen ist, verhindert das anschliessende Dickwerden eine Trennung der suspendierten Teilchen, deren Dichte von derjenigen der suspendierenden Flüssigkeit verschieden ist, unter der Wirkung der Schwerkraft. Das weitere Dickwerden kann durch die Auswahl und den Zeitpunkt der Einführung des Verdickungsmittels, die Regelung des Mischvorgangs und den Zeitpunkt zu dem das Material an den Verbrauchsort gelangt, oder eine Kombination dieser Faktoren beeinflusst werden.
Wenn es sich um warme oder heisse Schlamme handelt, so kann die warme Flüssigkeit recht glatt fliessen und leicht pumpbar sein, während beim Kühlen, wenn der Schlamm mit dem kalten Stein in dem Bohrloch in Berührung kommt und noch kaltes Wasser zugegen sein kann, durch die entstehende Ausfällung des gelösten oxydierenden Salzes, beispielsweise des Ammoniumnitrates, aus der gesättigten Lösung eine merkliche Verdickung des Schlammes eintritt. Dies kann eine Abtrennung durch die Einwirkung der Schwerkraft gegebenenfalls auch ohne Zusatz eines Verdickungsmittels zu verhindern.
Das nunmehr in Schlammform vorliegende gemischte Material fliesst nun am Boden des Mischbehälters durch eine Austrittsöffnung 69 zu einer Schlammförderpumpe 71 weiter, die in den verschiedenen Figuren schematisch in einfacher Form dargestellt ist. Vorzugsweise wird eine Zwangsverdrängerpumpe verwendet, so dass sie die Menge des geförderten Schlammes regelt und misst. Auf diese Weise kann die Menge des in jeden Behälter oder jedes Bohrloch geförderten Schlammes genau bestimmt und aufgezeichnet oder mit Hilfe geeigneter, nicht dargestellter Vorrichtungen zusammengezählt werden.
In der Austrittsleitung 75 der Pumpe ist vorzugsweise ein Durchflussregelventil 73, beispielsweise ein Messventil vorgesehen. Für den Fall, dass das Ventil 73 geschlossen oder lediglich teilweise geöffnet ist und die Förderkapazität der Pumpe 71 grösser ist als die Schlammenge, deren Austritt durch die Leitung 74 ermöglicht wird, ist eine Nebenschlussleitung 76 vorgesehen, die mit einem einstellbaren Ventil 77 ausgerüstet ist. Die Ventile 73 und 77 können entweder von Hand oder selbsttätig durch einen gemeinsamen Einstellhebel 79 grundsätzlich in gleicher Weise wie die Ventile 29 und 33 geregelt werden.
Fig. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, bei der ein Flüssigkeitsvorratsbehälter 11 vorgesehen ist, der zwei Austrittsleitungen 80 und 81 aufweist, die durch die Ventile 82 und 83 reguliert werden. Die Austrittsleitung 80 führt direkt zu einer Pumpe 85, mit der die Flüssigkeit durch die Leitung 86 zu einem Trichter 37 in der Mischkammer, ebenso wie in Fig. 1, gepumpt werden kann. Die Mischvorrichtung 57 kann die gleiche sein wie in Fig. 1. Die andere Ausströmleitung 81 führt zu einer Belüftungskammer 88, in der an einer Welle 90, die an Lagern 91 senkrecht neben der Belüftungsvorrichtung angeordnet ist, eine Rühr- und Belüftungseinrichtung 89 vorgesehen ist. Die Welle 90 des Belüfters oder der Homogeni- siervorrichtung 89 wird von einem Treibriemen 93 über ein Antriebsrad eines nicht dargestellten Motors betrieben.
Die Einrichtung kann derjenigen nach Fig. 1 ähnlich sein; es können aber auch andere Arten verwendet werden. Die Austritts öffnung 95 aus der Belüftungskammer 88 führt in die Mischkammer 39. Durch Änderung der Stellungen der Ventile 82 und 83 können die Anteile an geschäumter und nicht geschäumter Flüssigkeit in jedem gewünschten Verhältnis von 0 bis oo variiert werden. Wenn eine stark geschäumte Masse gewünscht wird, kann es notwendig sein, dass alle oder nahezu die gesamte Flüssigkeit belüftet wird, bevor sie in die Mischkammer 39 strömt. Im allgemeinen wird jedoch ein geringerer Anteil, typischerweise 10 bis 50% o. dgl. durchaus geeignet sein.
An den Ventilen in Fig. 2 sind keine Regeleinrichtungen dargestellt, aber die Ventile können gewünschtenfalls miteinander verbunden sein, so dass mit Hilfe eines einzigen Regel vorgangs die Strömung durch die Leitungen 80 und 81 stufenlos von 0 bis 100 in jeder Leitung verändert werden kann.
Auf diese Weise kann die Mischung, die durch die Pumpenaustrittsöffnung 86 zu der Mischvorrichtung strömt, die hier nicht besonders dargestellt ist, aber der Einrichtung 39 in Fig. l äquivalent sein kann, jeden vernünftigerweise gewünschten Luft- oder Schaumgehalt aufweisen.
Bei beiden Anordnungen besteht die Belüftungseinrichtung 43 oder 89 vorzugsweise aus einer hochtourigen Belüftungs- oder Homogenisiervorrichtung. Diese kann den bei Nahrungsmittel- oder Getränkemischern Verwendeten ähnlich sein. Wesentlich ist es, dass die Belüftungseinrichtung genügend Energie besitzt, um in die Flüssigkeit eine genügend grosse Zahl sehr kleiner Bläschen einzurühren. Die Zahl der Bläschen scheint wichtiger als ihre Grösse, jedenfalls soweit es sich um die Detonationsempfindlichkeit des Schlammes handelt. Der Behälter 88 mit dem Mischer 89 ist so angeordnet, dass er von dem Antriebsmechanismus und dem Behälter 39 u. dgl. abgenommen werden kann.
Ferner ist noch ein Belüftungsrohr 98 zum Einleiten von Luft vorgesehen, die in die Flüssigkeit durch die Mischvorrichtung oder den Belüfter 89 hineingerührt wird. Dieser wird vorzugsweise mit hoher Geschwindigkeit angetrieben.
Die Lösung des Oxydationsmittels ist für sich nicht explosiv, so dass keine Explosionsgefahr besteht, wie sie auftreten könnte, wenn das gesamte Schlammerzeugnis heftig gerührt würde.
Die aus einzelnen Teilen bestehenden Feststoffe werden gemäss Fig. 2 aus einem oder mehreren Trichtern 99 durch eine Verteilvorrichtung 100 in eine Rohrleitung 101 gefördert, die zu der Schlammischkammer 39 führt. Diese Feststoffe können aus fein verteiltem festem Aluminium und gegebenenfalls anderen Brennstoffen wie kohlenstoffhaltigen Brennstoffen u. dgl., z. B. gemahlener Kohle, Gilsonitasphalt o. dgl.
bestehen. Auch fein verteilte Sprengstoffe wie Trinitrotoluol, rauchloses Pulver u. dgl. können mit verwendet oder eingerührt werden. Die Feststoffe können auch Schwefel in fein verteilter Form enthalten und ein oder mehrere verdickungsoder gelbildende Mittel wie Stärke, Guarangummi oder äquivalente Stoffe zusätzlich zu den Verdickungs- und Schaumbildungsmitteln, die schon in der flüssigen Lösung vorhanden sind. Es können auch Stoffe, die eine chemische Vernetzung herbeiführen, wie Borax, Kalium- oder Natriumbichromat zugesetzt werden, um besonders die Verdickungswirkung der Gummilösung zu erleichtern.
Ein bevorzugtes Verdickungsmittel für die Lösung ist ein Gelactomannan-Gummi wie z. B. hydratisierter Guarangummi Ein erwünschter Zusatzstoff für den belüfteten Schlamm ist ein Gummi, der im wesentlichen von Metallen oder Salzen frei ist und an den durch eine Weiterbehandlung Hydroxylgruppen angelagert sind. Dieser fördert die Belüftung der Flüssigkeit und ist ein guter Stabilisator für den in der Mischvorrichtung erzeugten Schaum. Eine kleinere Menge eines solchen Gummis, beispielsweise 0,01 bis 0,2% auf die flüssige Lösung beispielsweise im Behälter 11 bezogen, genügt, um den Schaum zu stabilisieren. Es handelt sich um Gewichtsmengen, gerechnet auf die gesamte Schlammenge.
Zusätzlicher Gummi oder ein weiteres Verdickungsmittel der gleichen Art oder auch irgendwelche anderen wie Stärke usw. können in die trockene Vormischung im Behälter 61 nach Fig. 1 usw. hineingegeben werden, wenn es erwünscht ist, die Viskosität bei langem Lagern zu erhöhen. Aber etwas derartiges wird oft nicht nötig sein, wenn der Schlamm innerhalb weniger Stunden zur Detonation gebracht werden soll.
Anderseits können Schaumbildner, insbesondere solche, die in starken Lösungen von oxydierenden Salzen wirksam sind, der Flüssigkeit zugesetzt werden, beispielsweise im Behälter 15 in sehr kleinen Mengen, z. B. 0,005 bis 0,1% o. dg Ein geeignetes Material zur Stabilisierung des Schaums und zum Verschliessen der kleinen gebildeten Gasblasen, welches dabei ein geringes Netzvermögen besitzt, ist ein flüssiger Schaumbildner für Salzwasser oder Sole, nämlich ein lineares, aliphatisches Äthoxylatsulfat. Ein anderes geeignetes Material ist ein anionischer Schaumbildner für Salzwasser, der einen organischen Phosphatester darstellt. Er ist in salzhaltigen Lösungen auch in Gegenwart anderer Stoffe in ähnlich kleinen Mengen wirksam. Es können auch andere oberflächenaktive Stoffe, die in salzhaltigem Wasser wirksam sind, verwendet werden.
Es ist von Bedeutung, dass das Stabilisierungsmittel für den Schaum kein zu starkes Netzvermögen besitzt, da es erwünscht ist, die Luft an den suspendierten Feststoffen wie Aluminium zu binden. Reinigungsmittel sind gewöhnlich unerwünscht, insbesondere wenn feine Aluminiumteilchen anwesend sind.
Der oben erwähnte modifizierte Guarangummi ist besonders in kleinen Mengen geeignet. Er bewirkt eine Schaumbildung und besitzt offenbar eine geringere Neigung zur Synhärese als gewöhnlicher Gummi. Er scheint auch weniger zu einer durch Bakterien verursachten Zersetzung zu neigen. Er quillt in wässrigen Lösungen, die einen hohen pH-Wert aufweisen und quillt auch in den meisten organischen Lösungsmitteln, insbesondere solchen, die Hydroxylgruppen enthalten wie Alkoholen, Glykolen, Glykoläthern u. dgl. Ein sehr geeigneter Weg, einen solchen Gummi in die konzentrierte wässrige Lösung des Oxydationsmittels einzurühren, besteht darin, ihn zunächst in Glykol zu dispergieren.
Das geschäumte Material kann auch gewünschtenfalls mit dem nichtgeschäumten dadurch vermischt werden, dass man das geschäumte Material mit Hilfe eines Venturi-Rohres in den Hauptstrom der ungeschäumten Flüssigkeit einsaugen lässt. Natürlich ist das Venturi-Rohr ohne Wirkung, wenn die gesamte Flüssigkeitsmenge belüftet ist.
Die Flüssigkeit, in die die fein verteilten Feststoffe einzumischen sind, so dass sich ein homogener Schlamm bildet, enthält vorzugsweise mindestens ein Mittel, das die Blasen zurückhält oder den Schaum stabilisiert. Eine kleine Menge von Gummi in der Lösung erfüllt für sich diese Aufgabe in gewissem Grade. Das Mittel kann die Schaumbildung begünstigen oder auch ein Schaumerzeuger auf chemischer Grundlage sein. Die Natur des Verdickungsmittels selbst kann in dieser Weise wirken, wie dies bei dem bereits erwähnten schaumbildenden Gummi der Fall ist, der zunächst mindestens in geringem Ausmasse die Schaumbildung begünstigt und dann die feinen Bläschen physikalisch verschliesst.
Ein solches Mittel ist in den folgenden Ansprüchen entweder als Schaumstabilisator oder Verschäumungsmittel oder in beider Weise bezeichnet. Die Mischzone braucht nicht immer aus einer mechanischen Mischvorrichtung zu bestehen, sofern die Flüssigkeit und die Feststoffe mit entsprechend hoher Energie im Mischer oder beim Einiliessen gemischt werclen. Die Schlammförderungspumpe kann in manchen Fällen dazu dienen, die Mischung zu vervollständigen und den Schlamm weitgehend glatt, gleichmässig und in seiner Beschaffenheit homogen zu machen. Bei einer entsprechenden Belüftung kann die Schlammpumpe dazu benutzt werden, um die Dichte zu regeln. Es muss jedoch darauf geachtet werden, nicht erhebliche Massen von grossen Luftblasen in die Masse einzurühren, was Ungleichmässigkeiten innerhalb des Schlammes verursachen würde.
Die Fig. 3 bis 6 erläutern graphisch einige Ergebnisse der geregelten Belüftung und vorsichtiger Änderungen in der Dichte des Schlammes. Fig. 3 zeigt im einzelnen eine bemerkenswerte Erhöhung der Detonationsgeschwindigkeit D, wenn die Dichte zweier typischer Schlammsorten durch Belüftung vermindert wird. Bei diesen besonderen Schlammsorten wird eine maximale Detonationsgeschwindigkeit erzielt, wenn die ursprüngliche Dichte von etwa 1,2 g/cm3 auf etwa 1,1 vermindert wird. Eine weitere Verminderung verursacht eine Abnahme von D. Die einzelnen Ergebnisse sind folgende:
Die nachstehenden Temperaturangaben sind in " C.
Es wurde eine Grundmischung aus einer wässrigen Lösung von 15 Teilen Wasser, 42 Teile Ammoniumnitrat und 15 Teilen Natriumnitrat mit einer kleinen Menge eines schaumbildenden Guaranharzes und 0,2 Teilen eines nichtschäumenden Gummis hergestellt. Die Lösung wurde in einem Fall durch eine Pumpe geschickt, bevor irgendwelche trockenen Feststoffe zugesetzt wurden. Hierdurch wurde eine geringe Schaummenge in der Masse gebildet. Eine Mischung von Brennstoff (4 Teile Schwefel und 6 Teile Gilonitasphalt mit einer kleinen Menge eines trockenen Guarangummis) sowie zusätzliches trocknes Ammoniumnitrat in Mengen von 17,7 Teilen wurde dann zur Erzielung eines dicken Schlammes zugesetzt. Diese leicht belüftete Mischung besass eine Dichte von 1,16. Die Masse besass bei der Prüfung in einer 10cm-Säule eine Detonationsgeschwindigkeit bei 32 von 3320 m/sec.
In einer 12,7cm Säule betrug die Detonationsgeschwindigkeit 3620 m/sec (vgl. Fig. 3). Bei dem nächsten Versuch wurde der nichtschäumende Gummi durch einen schaumbildenden Gummi der Type XG492 ersetzt. Der Schlamm besass ein Dichte von 1,08, nachdem die Lösung durch die Pumpe hindurchgegangen war. Die Detonationsgeschwindigkeiten stiegen auf 3520 und 3660 m/sec bei der 10cm- bzw. 12,7cm-Säule. Die einzige Belüftung geschah durch die Lösepumpe.
Die hier beschriebenen Massen wurden weiter in der Weise behandelt, dass man die flüssige Lösung durch einen Mischer, wie er im Haushalt verwendet wird, 15 Sekunden lang zusätzlich zum Passieren der Pumpe hindurchschickte, wodurch die Feststoffe in den Schlamm eingemischt wurden. Der Schlamm besass eine Dichte von nur 1,01, und die Detonationsgeschwindigkeiten waren 3150 und 3250 m/sec je nach der Kolonnenhöhe.
Schliesslich wurde eine Mischung wie bei den beiden letzten Proben hergestellt, ohne die Lösung durch die Pumpe oder überhaupt durch irgendeine Mischvorrichtung zu schikken. Die Dichte der Masse betrug 1,20. Die Detonation einer 10cm-Säule war offensichtlich unvollständig. Die 12,7 cm Säule detonierte bei 38" mit einer Geschwindigkeit D von 3150 m/sec. Auch dieser Schlamm zeigte wahrscheinlich in geringem Masse einen Lufteinschluss, der beim Einmischen der festen Stoffe erzielt worden war. Andernfalls hätte die Dichte etwas höher sein müssen, voraussichtlich etwa 1,25 bis 1,3.
Da der Detonationsdruck dem Quadrat der Detonationsgeschwindigkeit D proportional ist, ist es unter der Voraussetzung, dass die Dichte p konstant ist, erwünscht, das Produkt pD2 möglichst gross zu machen. Eine geringfügige Erniedrigung der Dichte kann dieses Produkt vergrössern. Es gibt jedoch noch weitere Faktoren, die hierbei zu berücksichtigen sind wie z. B. das Verhältnis zwischen Empfindlichkeit und Dichte.
Eine weitere Lösung wurde, genau wie oben angegeben, hergestellt, die 0,3 Teile des oben erwähnten schaumbildenden Gummis enthielt. Die Feststoffe bestanden aus etwa 9% Brennstoff ( Gilsonit und Schwefel) und etwa 0,2 Teilen eines trockenen, nichtschaumbildenden Guarangummis mit kleinen Mengen eines besonders ausgewählten, eine chemische Vernetzung bewirkenden Mittels, nämlich 0,1 Teile Natriumbichromat und 0,02 Teile Gerbsäure. Ferner werden 17,7 Teile Ammoniumnitrat zugesetzt. Die Lösung wurde durch eine Zentrifugalpumpe geschickt. Daraufhin wurden die Feststoffe durch Rühren der Masse einverleibt. Mehrere Proben des Schlammes wurden dann mehr oder weniger stark belüftet, um die.angegebenen Dichtewerte zu erzielen, ohne dass eine weitere Änderung in der Zusammensetzung erfolgte.
Die Ergebnisse waren folgende:
Tabelle I
Dichte Säulendurchmesser Temperatur Ergebnisse in cm in 1,19 g/cma 5 33 die 10-cm-Säule versagte 7,6 33 detoniert 0,88 g/cm3 2,5-1,25 33 die 10-cm-Säule versagte 5 33 detoniert 7,6 33 detoniert 1,02 g/cmSi 5 33 die 5-cm-Säule versagte 7,6 33 detoniert
Wenn der belüftete Schlamm in langen Säulen in tiefe Bohrlöcher eingesetzt wird und besonders, wenn am oberen Ende eine Verdämmung des Bohrloches stattfindet, so bewirkt der so erzeugte Druck eine Gaskompression und vermehrt die Dichte des Schlammes. Unter solchen Bedingungen können Fehlzündungen eintreten, wenn nicht genügend Spielraum für eine Erhöhung der Dichte vorhanden ist.
Solche Fehlzündungen können natürlich vermieden werden entweder, indem eine empfindlichere Mischung verwendet wird oder durch Vermehrung der Belüftung, um die Gaskompression auszugleichen. Die Verhältnisse zwischen Dichte und Druck typischer belüfteter Schlamme sind graphisch in Fig. 4 dargestellt.
Wenn man die Säulenhöhe und den Belüftungsgrad kennt, lassen sich die gewünschten Werte leicht für jeden Schlamm berechnen. Die Zahl für die anfängliche Belüftung ist jedoch selten genau, da die meisten belüfteten Schlamme zunächst einen Teil der eingeschlossenen Luft verlieren. Anderseits können manche Schlamme unabsichtlich zugesetztes Gas einschliessen. Solange, bis die Schlamme einen einigermassen stabilen Zustand erreicht haben, indem man sie eine Zeitlang stehen lässt, führen einfache Berechnungen der Belüftung leicht zu falschen Ergebnissen.
Die unmittelbare Wirkung einer Entlüftung auf die Emp -findlichkeit ist in Fig. 5 dargestellt. Es handelt sich hier um einen Schlamm, der in einer 7,6 cm-Säule (dc = 7,6) bei einer Dichte von etwa 1,0 detonationsempfindlich war. Der kritische Durchmesser der Detonationsempfindlichkeit wuchs bis zu 17,8 cm, wenn die Dichte infolge Entlüftung auf 1,3 stieg. Ein Schlamm, der feines Aluminium als Sensibilisator enthielt, zeigte einen kritischen Säulendurchmesser von 7,6 cm, wenn seine Dichte durch Belüftung auf 1,0 herabgesetzt war. Bei einer Dichte von 1,14 stieg der kritische Säulendurchmesser auf 12,7 cm und bei einer Dichte von 1,3 betrug der kritische Säulendurchmesser 17,8 cm. Die Detonationstemperatur wurde in diesen Versuchen auf 15 gehalten.
Ein anderer Schlamtn, der mit Gilsonit und Schwefel sensibilisiert'war, aber kein Aluminium enthielt und insgesamt nahezu 30% Natriumnitrat aufwies, das teilweise in Lösung und teilweise als trockene Substanz zugesetzt war, besass in belüftetem Zustand eine Dichte von 1,10 bei einem kritischen Säulendurchmesser von 5 cm. Bei einer Dichte von 1,17 stieg der kritische Säulendurchmesser auf 10 cm und bei einer Dichte von 1,26 auf 17,7 cm. Die belüftete Lösung war vor dem Zusatz der Feststoffe im wesentlichen die gleiche wie die oben angegebene. Die Detonationstemperatur für die Mischung betrug 20 . Die Daten a und b in Fig. 5 zeigen ein im wesentlichen lineares Verhältnis für beide Schlammsorten. Sie lassen klar erkennen, dass die Empfindlichkeit sehr genau nach Wunsch geregelt werden kann, und zwar innerhalb ziemlich weirer Grenzen.
Diese Regelung ist ein wichtiges und nützliches Ergebnis, das durch die vorliegende Erfindung ermöglicht und praktisch anwendbar geworden ist.
Die Darstellung eines Sprengstoffs wird gewöhnlich zuletzt am besten durch die Stärke des erzielten Bebens gemessen unter der Voraussetzung, dass den Sprengstoffen den praktischen Erfordernissen an Empfindlichkeit, Fortpflanzungsgeschwindigkeit usw. entspricht. Die besten Bereiche der Stärke des erzielten Bebens im Hinblick auf die verschiedene Dichte schwanken bei verschiedenen explosiven Mischungen. Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung des gleichen kein Aluminium enthaltenden sensibilisierten Schlammes, der in der Linie B (Fig. 5) dargestellt ist. Im Vergleich zu Pellotol , auf gleiche Gewichtsmenge berechnet, ist die Stärke des Bebens, das durch diesen vehältnismässig sehr billigen Sprengstoff erzielt wird, etwa das 0,8fache innerhalb eines ziemlich weiten Dichtebereichs.
Dies zeigt, dass man die Dichte innerhalb ziemlich weiter Grenzen varüeren kann, um den jeweiligen Erfordernissen an Empfindlichkeit, kritischem Durchmesser, Stärke des erzielten Bebens, Funktionieren bei niedrigen Temperaturen usw. gerecht zu werden, ohne die Bestandteile des Sprengstoffes zu ändern ausser der Menge und Art der Belüftung oder Verschäumung. Mit einem solchen besonderen Schlamm wurde bei einer Dichte von etwa 1,24 eine deutliche Abnahme der Stärke des Bebens festgestellt, aber innerhalb einer Dichte zwischen etwa 0,80 und 1,15 war die Stärke des Bebens im Hinblick auf die Art und die Kosten der Ausgangsstoffe beachtlich kräftig und gleichmässig. Die genaue Zusammensetzung war in diesem Fall folgende: Lösung in Gewichtsteilen Vormischung Zugesetztes Oxydationsmittel 42 T. Ammoniumnitrat 4 T. Schwefel 15 T. Natriumnltrat 15 T.
Natriumnitrat 6 T. Gilsonit
0,25 T. Guarangummi 2,1 T. Tapiokamehl
0,5 T. Äthylenglykol 0,2 T. Guarangummi
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist es wichtig, dass die Flüssigkeit oder ein Teil hiervon belüftet wird, bevor sie die Mischzone erreicht, in der die Feststoffe zugesetzt werden. Wie bereits oben erwähnt, sind Reinigungsmittel als solche nicht erwünscht, besonders wenn sie in merklichen Mengen anwesend sind. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, dass die Flüssigkeit einen oder mehrere Stoffe enthält, die dazu geeignet sind, den belüfteten Zustand aufrechtzuerhalten, mindestens die feiner verteilten Bläschen, die wichtig sind, um der Mischung eine entsprechende Empfindlichkeit zu verleihen.
Die gewünschten Ergebnisse können erzielt werden, wenn man in die Flüssigkeit vor dem Zusatz der üblichen Feststoffe eine kleine Menge eines Verdickungsmittels, wie beispielsweise 0,01 bis (in seltenen Fällen) 1%, aber gewöhnlich nicht mehr als 0,5 % Guarangummi als solchen oder auch geringere Mengen eines schaumbildenden Mittels als solches oder Gummi mit einer sehr kleinen Menge eines schaumbildenden Mittels einbringt.
Eine gewisse Belüftung tritt notwendigerweise während jeder Mischung der trockenen einzelnen Feststoffe mit der Flüssigkeit ein. Die Feststoffe schliessen Luft oder ein anderes Gas ein und unterstützen das Einbringen desselben. Im vorliegenden Fall wird jedoch eine vorher belüftete Flüssigkeit mit den Feststoffen in Verbindung gebracht. Dies ist bedeuten günstiger, weil hierdurch ein stabilerer belüfteter Schlamm erzielt wird als er lediglich bei der Belüftung im Augenblick der Mischung und der flüssigen Stoffe miteinander erhalten werden kann. Die Art der Vorbelüftung kann genauer geregelt werden, um eine feine Blasenstruktur zu erhalten, die die erforderliche Empfindlichkeit verleiht. Die auf diesem Wege erzielte Empfindlichkeit ist derjenigen bedeutend überlegen, die bei der Einführung von Gas gemeinsam mit den Feststoffe erzielt wird. Sie lässt sich besser regeln.
Das neue Verfahren vermindert die erforderlichen Mengen an teuren Sensibilisatoren, wie sehr fein verteilten, auf Mahlfeinheit zerkleinerten Aluminiumteilchen u. dgl. Das Einmischen der Feststoffe in die Lösung nach ihrer Belüftung zerstört und entfernt alle unerwünschten grossen Gasblasen. Die anfängliche und geregelte Belüftung der Flüssigkeit vor dem Zusatz der Feststoffe ermöglicht eine bessere Regelung der Empfindlichkeit, als man versucht, die gewünschte feine Blasenstruktur nachträglich in dem fertigen Schlamm zu erzeugen.
Die Zusammensetzung soll genügend Flüssigkeit enthalten, um eine im wesentlichen kontunuierliche flüssige Phase zu bilden, abgesehen von der Belüftung; gewöhnlich sollen es 10 bis 25 Gew. % des Schlammes sein. Unter dem Ausdruck Belüftung ist die Einverleibung von 2% oder mehr, in manchen Fällen bis zu 80 Vol. % Gas zu verstehen abgesehen von demjenigen, das normalerweise ohne besondere Absicht infolge Einschlusses gemeinsam mit den Feststoffen oder des zum ausreichenden Mischen erforderlichen Verrührens der Feststoffe mit der Flüssigkeit in die Flüssigkeit hineingelangt.
Das gesamte Gewichtsverhältnis von Flüssigkeit und anorganischen, oxydierenden Salzen beträgt zwischen 50 und 95% des Schlammes, das Salz kann jedoch gegebenenfalls vollständig in der Flüssigkeit gelöst sein. Dies hängt von der Lösetemperatur ab. Vorzugsweise wird Ammoniumnitrat als oxydierendes Mittel in Mengen von mindestens 25 Gew. % des gesamten Schlammes zugesetzt.
Guarangummi in Mengen von 0,01 bis 2 Gew. % stellt das bevorzugte Verdickungsmittel dar. Es kann in besonderer Weise vorbehandelt werden, um ein Schäumen der Flüssigkeit zu begünstigen, aber es kann in jedem Fall als Schaummittel und Schaumstabilisator auch ohne eine solche Vorbehandlung angesehen werden, wenn es der Flüssigkeit zugesetzt wird, bevor die trockenen festen Brennstoffe u. dgl. zugesetzt wer den. Kombinationen aus Guarangummi mit Mitteln, die ein Schäumen der Salzlösung verursachen, sind hervorragend, um einen Schaum zu bilden und ihn zu stabilisieren.
Es muss genügend Brennstoff vorhanden sein, um das gesamte Sauerstoffverhältnis auf einen Wert zwischen + 15 und -40% zu bringen. Der zahlenmässig grössere negative Wert ist erlaubt, besonders wenn Aluminium in einer derartigen Form in der Mischung vorhanden ist, dass es mit Wasser reagiert. Die Flüssigkeit kann Stoffe, wie Glykole, mit Wasser verträgliche Alkohole, Formamid u. dgl. enthalten, aber sie besteht vorzugsweise zu mindestens 5% oder mehr aus Wasser, gerechnet auf das Gesamtgewicht des Schlammes.
Eine bevorzugte Zusammensetzung entspricht einem belüfteten Schlamm, der mindestens 2 Vol. % von absichtlich zugesetztem Gas, 10 bis 25 Gew. % Flüssigkeit, die vorwiegenu aus Wasser besteht, 25 bis 75 Gew. % eines oxydierenden Salzes, von dem ein Teil Ammoniumnitrat ist, und 5 bis 40 % eine fein verteilten festen Brennstoffes enthält, der aus einer oder mehreren der folgenden drei Substanzen besteht: 1. fein verteiltes Aluminium, 2. kohlenstoffhaltiges Material wie gepulverte Kohle, Gilsonit , Holzmehl, Zucker, Ligninabkömmlinge u. dgl., 3. Schwefel. Die flüssige Lösung kann auch noch flüssige Brennstoffe, wie oben erwähnt, enthalten.
Die Verwendung einer geringen Menge fein verteilten Aluminiums als Brennstoff ist erwünscht, wenn eine maximale Sprengkraft erforderlich ist, kohlenstoffhaltige Brennstoffe, gegebenenfalls unter Zusatz von Schwefel und ohne Aluminium können dann in Mengen von 5 bis 15 Gew. % oder mehr ausreichend sein. Die trockenen, fein verteilten Stoffe können auch anorganische, oxydierende Salze enthalten.
Zusätzlich zu den in der Lösung vorhandenen Verdickungs und Gelierungsmitteln können solche Stoffe auch in den trokkenen Bestandteilen anwesend sein. Eine Belüftung, die insgesamt die Dichte des Schlammes nur wenig, beispielsweise nur um 2% vermindert, kann bereits sehr wirksam sein, um die Empfindlichkeit zu erhöhen, wenn die Blasen sehr klein und sehr zahlreich sind. Schlamme gemäss der Erfindung haben, wenn sie ohne beabsichtigte und gezielte Belüftung hergestellt werden, für gewöhnlich eine Dichte, die im allgemeinen etwa bei 1,3 bis 1,9 g/cm3, gewöhnlich zwischen 1,4 und 1,7 liegt.
Schlamme, die in ein Bohrloch eingebracht werden, können beispielsweise eine so geringe Dichte wie 0,8 oder ein so hohes spezifisches Gewicht wie 1,85 besitzen. In extremen Fällen können diese Grenzen noch überschritten werden.
Zum Sprengen in Gegenwart von Wasser soll die Dichte gewöhnlich 1,0 übersteigen, so dass der Schlamm im Wasser nicht schwimmt. Im allgemeinen umfasst die Erfindung eine Verminderung der Dichte um mindestens 2% unter die Dichte des normalen, nicht belüfteten Schlammes.
Die Mengen des Schaumerzeugers können innerhalb weiter Grenzen schwanken. Wenn Guarangummi oder äquivalente Galactomannan-Verbindungen verwendet werden, beträgt die Menge des in die Lösung einverleibten Gummis gewöhnlich zwischen 0,01 und 0,5 Gew. % der gesamten Mischung. Zusätz licher Gummi oder andere Verdickungsmittel wie Stärke, Mehl u. dgl. können mit dem trockenen, fein verteilten Material zugesetzt werden, nachdem die Flüssigkeit in gewissem Masse belüftet worden ist. Die anderen Schaumerzeuger oder Stabilisatoren, insbesondere die Schaumbildner in Salzwasser, können in Mengen verwendet werden, die so gering sind wie 0,001 bis 0,25% o. dgl.
In manchen Fällen kann etwas mehr verwendet werden, vorausgesetzt, dass sie keinen stark ober flächenaktiven oder reinigenden Charakter besitzen oder in solcher Menge vorhanden sind, dass sie ein unerwünschtes Netzen des Brennstoffes oder der Teilchen, die für die Empfindlichkeit massgebend sind, verursachen. Dies ist besonders wichtig, wenn geringe Mengen fein verteilter, aktiver Metall teilchen, beispielsweise fein gemahlenes Aluminium als Sensibilisatoren verwendet werden.