DE1771007A1 - Sprengstoffmischung - Google Patents

Sprengstoffmischung

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Description

1771 Π Π7 Patentanwälte Dipl. -Ing. F. Weickmann, ' ' ' luy#
Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A-Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber
8 MÜNCHEN 27, DEN HZW MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22
Dow Gase 12,450-F
THE DOW CHEMICAL COMPANY, Midland, Mich. / USA
Sprengstoffmischung
Die Erfindung betrifft eine verbesserte Sprengstoffzusammensetzung bzw. -mischung in Form einer Aufschlämmung sowie ein Verfahren zum Zerbrechen unterirdischer Erdformationen unter Verwendung der neuen Mischung.
Sprengstoffe in Form von Aufschlämmungen waren schwierig zur Detonation zu bringen infolge der hohen Wärmekapazität des Wassers, welches in den meisten Fällen als Grundlage der flüssigen Phase verwendet wird. Eine gewisse Verbesserung der Empfindlichkeit war bisher erzielt worden, indem man Hohlstellen in Form von Luft, geschäumtem Ammoniumnitrat oder anderen ähnlichen gashaltigen Stoffen vorsah. Derartige Aufschlämmungssprengstoffmischungen be-
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hielten jedoch bei Verwendung unter erhöhten Drucken keine ausreichende Empfindlichkeit bei.
Wenn eine Detonation unter Druck erforderlich ist, beispielsweise beim Zerbrechen unterirdischer Erdformationen, war es bisher üblich, hochexplosive Verbindungen wie Nitroglycerin oder Aufschlämmungssprengstoffzusammensetzungen, welche selbstdetonierende organische Sprengstoffe wie TNT enthalten, zu verwenden. Es ist jedoch offensichtlich, daß derartige Sprengstoffzusammensetzungen in der Handhabung gefährlich sind und überdies tritt in vielen Fällen eine unvollständige Detonation des Sprengstoffes in einem Bohrloch auf.
Nunmehr wurde gefunden, daß eine verbesserte Sprengstoffzusammensetzung in Form einer Aufschlämmung, welche in der Handhabung sicher ist und bei Detonation unter Druck praktisch vollständig reagiert, geschaffen werden kann, indem man ihr hohle Glasteilchen einverleibt. Diese hohlen Glasteilchen sind charakterisiert durch eine Teilchengröße zwischen etwa 10/U und 250/u und sollten eine solche Wanddicke aufweisen, daß die Teilchen nicht vor der Detonation zerstoßen werden. Es wurde festgestellt, daß Teilchen im angegebenen Größenbereich mit einer Teilchendichte von etwa 0,1 g/cm bis etwa 0,9 g/cm im allgemeinen eine ausreichende
Festigkeit besitzen, um Drucken von mindestens 70 kg/cm zu widerstehen. Teilchen dieser Dichte werden daher bevorzugt.
Um eine praktisch vollständige Detonation sicherzustellen, werden
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die hohlen G-lasteilchen in einer solchen Menge verwendet, daß sich in der Zusammensetzung eine Dichte von 1,0 "bis 1,5 g/cm ergibt. Im allgemeinen, jedoch abhängig von der speziell verwendeten Sprengstoffzusammensetzung, liegt die erforderliche Menge an Glasteilchen im Bereich von 1 bis 20 Gew.-^ der Gesamtzusammensetzung. Es wurde gefunden, daß praktisch konstante Dichten bei
Drucken bis zu etwa 1400 kg/cm aufrechterhalten werden können, ohne daß ein schädlicher Verlust an Empfindlichkeit auftritt, indem hohle Glasteilchen in aufgeschlämmte Sprengstoffzusammensetzungen eingebracht werden, so daß sich aufgeschlämmte Sprengstoff zusammensetzungen ergeben, die unter erhöhten Drucken zur Detonation gebracht werden können, ohne Verwendung von Sensibilisatoren, die selbst aus einem selbstdetonierenden Material bestehen. Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens der Erfindung werden die verbesserten aufgeschlämmten Sprengstoffe in ein Bohrloch in einer unterirdischen Formation gebracht oder vorzugsweise in Sprünge und Verwerfungen in einer Formationen eingepumpt und zur Detonation gebracht.
In der Praxis läßt eich die Erfindung bei allen bekannten Aufschlämmungssprengstoffzusammensetzungen anwenden, deren Komponenten die Eigenschaften der hohlen Glasteilchen nicht schädlich beeinflussen. Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen enthalten ge-
an—
wohnlich ein oder mehrere/organische oxydierende Salze, einen oder mehrere nicht selbstdetonierende Brennstoffe, Wasser und gewöhnlich auch ein Gelierunge- oder Verdickungsmittel.
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Beispiele fUr Salze, die üblicherweise in der Erfindung verwendet werden, sind Ammoniumnitrat, Alkalimetall- und Erdalkalimetallnitrate, Perchlorate und Mischungen davon. Spezielle Beispiele für typische Salze sind Ammoniumnitrat, Natriumnitrat, Calciumnitrat, Natriumperchlorat, Kaliumperchlorat und dgl. Gewöhnlich enthält die Sprengstoffzusammensetzung 10 bis 90 Gew.~# an anorganischem oxydierenden Salz, bezogen auf das Gewicht der Gesamtzusammensetzung. Vorzugsweise werden Ammoniumnitrat und Natriumnitrat verwendet, wobei das Ammoniumnitrat 30 bis 90 Gew.-# der Gesamtzusammensetzung und das Natriumnitrat 0 bis 30 Gew.-j6 der Gesamtzusammensetzung ausmacht.
Gewöhnlich wird in den erfindungsgemäßen verbesserten Sprengstoffzusammensetzungen ein nicht-explosiver kohlenstoffhaltiger oder teilchenförmiger metallischer Brennstoff verwendet. Nicht selbstdetonierende Sprengstoffe werden bevorzugt, obwohl auch selbstdetonierende Sprengstoffe, wie z.B. organische Nitrate oder Nitroverbindungen, Nitramine oder Nitrocellulosen von explosiver Qualität unter bestimmten Bedingungen verwendet werden können, um die gewünschte Geschwindigkeit, verbesserte Empfindlichkeit bei niedriger Temperatur und ähnliche Eigenschaften zu erhalten.
Beispiele für kohlenstoffhaltige nicht-explosive Sprengstoffe sind feinteiliger Kohlenstoff, kohlenstoffhaltige pflanzliche Produkte wie Kornstärke, Zucker oder Holzstoff; organische Flüssigkeiten wie Kohlenwasserstofföle, fettartige öle oder pflanzliche öle; Harnstoff, Rohöle oder andere flüssige Kohlenwasserstoffe und vor-
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zugsweise wasserlösliche Flüssigkeiten auf Erdöl- oder Petroleumbasis von geringer !Flüchtigkeit. Im allgemeinen werden "bis zu etwa 20 # der nicht-explosiven kohlenstoffhaltigen Brennstoffe in den Zusammensetzungen verwendet, vorzugsweise etwa 5 bis 15 #.
Wie angegeben können auch teilchenförmige metallische Brennstoffe entweder allein oder gemischt mit anderen Brennstoffen verwendet
in
werden. Zu den metallischen Brennstoffen, die/den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen verwendet werden können, gehören Aluminium; Magnesium; Silicium; Legierungen von Aluminium, Silicium und Magnesium; Eisen; Legierungen von Eisen; Ferrosilicium; Ferrophosphor; sowie Mischungen und Legierungen davon. Das Format der Metallteilchen liegt im allgemeinen zwischen etwa 0,074 und 2,38 mm, vorzugsweise zwischen 0,074 und 0,84 mm. Etwa 50 Gew.-# an metallischen Brennstoffen können im Rahmen der Erfindung verwendet werden; vorzugsweise werden jedoch nur 10 bis 30 # verwendet.
Wie angegeben können wasserhaltige Zusammensetzungen im Rahmen der Erfindung verwendet werden. Gewöhnlich können bis zu etwa 25 # Wasser angewendet werden, vorzugsweise sollen jedoch nur 5 bis 15 i> Wasser verwendet werden und gewöhnlich kommen mindestens 8 $> zur Anwendung.
Verschiedene Verdickungsmittel können ebenfalls in der Erfindung verwendet werden und die erhaltenen Zusammensetzungen können von gießbaren Lösungen, Aufschlämmungen oder Dispersionen bis zu dicken formbaren plastischen Massen reichen. Vorzugsweise wird
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der Sprengstoff in solchem Zustand gehalten, daß eine stabile Mischung sichergestellt ist, in der die verschiedenen Komponenten während eines erheblichen Zeitraums in Suspension vorliegen und die pumpfähig sind, ohne die Anwendung übermäßiger Pumpendrucke. Verschiedene Verdickungs- und Gelierungsmittel können verwendet werden. Zu den üblicherweise verwendeten gehören Naturgummis wie Gummi arabicum, Guargummi oder Karayagummi und synthetische Polymerisate einschließlich von Polyacrylamiden und Polyvinylalkohole^ Im allgemeinen werden etwa 0,1 bis 10 j6 und vorzugsweise etwa 0,5 bis 5 Gew.-# eines Verdickungsmittel, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung, verwendet, in Abhängigkeit von dem speziell gewählten Mittel und der gewünschten Konsistenz des Sprengstoffes.
Die Erfindung eignet sich besonders zur Behandlung unterirdischer Erdformationen zwecks Aufbrechung derselben, insbesondere bei Tiefen, wo erhöhte Drucke auftreten. Insbesondere findet sie Anwendung bei der Behandlung von öl- und Gasbohrlöchern zum Aufbrechen und öffnen von Durchlässen, die vom Bohrloch wegführen, um die Öl- oder Gasproduktion aus der Bohrung zu vergrößern.
Das "Schießen" von ölbohrlöchern kann erfolgen, indem man vorgeformte Ladungen in das Bohrloch einbringt. Vorzugsweise werden jedoch Sprengstoffe vom Aufschlämmungstyp in das Bohrloch unter Druck eingepumpt, so daß der Sprengstoff in die Gesteinsspalten eindringen kann und auf diese Weise eine vollständigere und wirk-
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samere Aufbrechung der Gesteinsschicht bis zu einer größeren Entfernung vom Bohrloch weg erhalten wird.
Aufschlämmungssprengstoffe werden unter den erhöhten Drucken, die bei den Tiefen der meisten Ölbohrungen auftreten, insbesondere bei denjenigen, welche einen Kopf mit hohem hydrostatischen Druck aufweisen, zusammengepreßt. Beispielsweise beträgt der Druck bei 300 m unter einem hydrostatischen Kopf etwa 35 kg/cm . Bisher konnten Sprengstoffe vom Aufschlämmungstyp bei diesem Druck nicht gezündet werden, auch wenn extrem starke Zünder (boosters) verwendet werden und "auch Aufschlämmungssprengstoffe, welche selbstdetonierende Sprengstoffe enthalten, können bei diesen Drucken unwirksam sein.
Das Verfahren der Erfindung besteht darin, eine Aufschlämmungssprengst off zusammensetzung, welche hohle G-lasteilchen enthält, in eine unterirdische Erdformation entweder als vorgeformte Ladung einzubringen oder vorzugsweise den Aufschlämmungssprengstoff in
geologischen
das Bohrloch und in die Spalten der das Bohrloch umgebenden/Formation einzupumpen. Eine geringe Menge des Sprengstoffes wird gewöhnlich im Bohrloch zurückgelassen, um bei der Zündung der Sprengstoffmasse mitzuhelfen. Das Bohrloch selbst wird gewöhnlich mit einer Flüssigkeit, wie z.B. Wasser oder Zement, gefüllt und der Sprengstoff wird mit einer geeigneten Sprengladung zur Detonation gebracht. Infolge der Gegenwart der hohlen Glasteilchen in der Sprengstoffzusammensetzung kann der Sprengstoff mit den üblichen
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Sprengvorrichtungen praktisch vollständig, d.h. unter vollständigem Fortschreiten, zur Detonation gebracht werden.
Die in unterirdischen Erdformationen auftretenden Drucke, beispielsweise in Ölbohrlöchern, können zwischen 7 und 1400 kg/cm oder mehr liegen, je nach der Tiefe der Formation. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Aufbrechen erfolgreich vorgenommen werden unter Verwendung von Aufschlämmungssprengstoffzusammensetzungen, die nicht selbstentzündlich sind.
Eine besonders geeignete Sprengstoffzusammensetzung gemäß der Erfindung, die für das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbrechen unterirdischer Erdformationen verwendet werden kann, enthält bis zu etwa 60 Gew.-# Alkalimetallnitrat, etwa 10 bis etwa 85 Gew.-# Ammoniumnitrat, 5 bis 40 teilchenförmiges Aluminium, 5 bis 25 j6 Wasser und 0,2 bis 2,5 $> in Wasser quellbares Gelierungs- oder Verdickungsmittel, alles bezogen auf das Gewicht. Erfindungsgemäß werden dieser Sprengstoffzusammensetzung hohle Glasteilchen zugegeben. Für ein vollständiges Ablaufen der Detonation sollte die Dichte der Sprengstoffzusammensetzung unter etwa 1,4 g/cm bei 30 $> Metallgehalt und 210C gehalten werden. Geringere Metallgehalte und niedrigere Temperaturen erfordern im allgemeinen verringerte Dichten.
Vorzugsweise enthält die Zusammensetzung 5 bis 40 # Natriumnitrat, 15 bis 80 # Ammoniumnitrat, 10 bis 30 # teilchenförmiges Aluminium, 6 bis 16 Wasser, 2 bis 16 # eines flüssigen organischen mit Wasser
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mischbaren Streckmittels, 0,5 bis 2,5 i> eines in Wasser quellbaren Gummis und Vernetzungsmittels und hohle Glasteilchen mit einer Teilchendichte von 0,1 bis 0,9 g/cm und einer Größe von 10 bis 250/U in solcher Menge, daß die Dichte der Zusammensetzung im Bereich von 1,1 bis 1,4 g/cm gehalten wird, was üblicherweise 2,0 bis 10 Gew.-$ an hohlen Glasteilchen erfordert.
Vorzugsweise besitzt das Aluminium eine Teilchengröße von etwa 0,104 bis 0,59 mm. Gewöhnlich besitzt das verwendete metallische Aluminium eine Teilchengröße und Größenverteilung wie in Tabelle I angegeben.
Tabelle I Größe der Metallteilchen
0,297 bis 0,59 mm 0,149 bis 0,297 mm 0,104 bis 0,149 mm
Verteilung
60 bis 70 % 25 bis 35 f etwa 5 i>
Metallabmessung
bis 25
25 bis 125
125 bis 250
250 bis 450
>375
Verteilung
6 bis 8
14 bis 17
73 bis 77
3 bis 7 $
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Vorzugsweise weist das Metall eine Teilchengröße von 0,625 bis 125 /u auf.
Unter der Bezeichnung "Aluminium" werden sowohl Aluminium als auch Aluminiumlegierungen mit einem Gehalt von mindestens etwa 60 Gew.-^ Aluminium verstanden.
Flüssige organische Fluidstreckmittel, die verwendet werden können, sind z.B. die Monohydroxyalkanole von niedrigem Molekulargewicht, Äthylenglycol, Propylenglycol, Glycerin, Formamid und andere ähnliche Fluidstreckmittel, welche vorzugsweise ein solches Kohlenstoff zu Sauerstoff-Verhältηis aufweisen, daß keine schädliche Konkurrenz des Kohlenstoffes mit dem Metall hinsichtlich des im System zur Verfügung stehenden Sauerstoffs auftritt. Gewöhnlich werden Methanol, Äthylenglycol, Glycerin, Formamid oder Mischungen davon im Rahmen der Erfindung bevorzugt.
Jeder der verschiedenen wasserbeständigen natürlichen Gummis oder synthetischen Gelierungs- oder Verdickungsmittel kann verwendet werden. Beispielsweise gehören zu den besonders geeigneten derartigen Stoffen die Guargummis, Karayagummis und Mischungen derselben und auch jedes der vielen üblichen Vernetzungsmittel kann verwendet werden.
Es lassen sich viele verschiedene erfindungsgemäße Sprengstoffzusammensetzungen herstellen, indem eine ausreichende Mn)ege an hohlen Glasteilchen mit den hier angegebenen besonderen Eigenschaften
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zugesetzt werden, so daß die spezielle Zusammensetzung eine Dichte erhält, welche für eine vollständige und rasche Detonation des Sprengstoffes am besten geeignet ist. Im allgemeinen sind etwa 1 bis 10 G-ew.-$ an hohlen Glasteilchen erforderlich. Vorzugsweise wird kein Überschuß an hohlen Glaskügelchen gegenüber der zur Erzielung der gewünschten Dichte erforderlichen Menge verwendet, da dieser Überschuß eine unnötige Erhöhung der Empfindlichkeit ergeben kann und tatsächlich zu weniger wirksamen Sprengstoffzusammensetzungen führen kann.
Die folgenden Bftispiele erläutern die Erfindung weiter. Beispiel 1
Es wurde ein Aufschlämmungssprengstoff folgender Zusammensetzung hergestellt:
5 (zerstoßen) 1110 g
5 (zerstoßen) 300 g
teilchenförmigeB Aluminium 900 g
Formamid 300 g
H2O 39Og
Propylenglycol 35 g
Gelierungsmittel 30 g
Vernetzungsmittel (NH, soln.) 75 ml
hohle Grlasteilchen 150 g
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Die SprengstoffZusammensetzung wurde hergestellt, indem zuerst das Gelierungsmittel im Propylenglycol dispergiert wurde. Wasser und Formamid wurden gemischt und der Mischung von Propylenglycol und Gelierungsmittel zugesetzt. Danach wurden Natriumnitrat und Ammoniumnitrat zugesetzt und eingemischt. Anschließend wurden die hohlen Glasteilchen der Zusammensetzung zugegeben, die gesamte Mischung wurde auf Raumtemperatur erwärmt und das teilchenförmige Aluminium wurde zugegeben und eingemischt. Schließlich wurde das Vernetzungsmittel zugesetzt und die Sprengstoffzusammensetzung gelieren gelassen. Die hohlen Glasteilchen wiesen eine Größe zwischen 10 und 250/u auf und besaßen eine Teilchendichte von etwa 0,26 g/cm . Die fertige Sprengstoffmischung wies eine Dichte von ungefähr 1,1 g/cm5 auf. Diese Sprengstoffzusammensetzung wurde dann auf Detonationseigenschaften unter erhöhtem Druck untersucht.
Der Sprengstoff wurde in ein 5 cm -Standardstahirohr mit einem Deckel, einem verschweißten Verschluß und einer Druckrohrverbindung gebracht. Der Deckel wurde mit einer Standard-Neoprendichtung abgedichtet. Auf den iioden des Rohrs wurde ein 37 g hochexplosiver Zünder (primer) gebracht. Die Sprengstoffzusammensetzung wurde vom Deckel durch eine Kunststoffscheibe getrennt, um zu verhüten, daß sich Öl vor der Detonation mit dem Sprengstoff mischt.
Das Rohr wurde im Boden eingegraben zusammen mit einer kleinen Hohlladung (shaped charge) neben dem Verstärker (booster). Der Druck im Rohr wurde auf 39,2 kg/cm gebracht und die Hohlladung zur Detonation gebracht.
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Eine Untersuchung des Gefäßes zeigte, daß es vollständig zerrissen und der Verschluß abgebrochen war, was zeigt, daß die gesamte Sprengladung detoniert war.
Beispiel 2
Ein Teil der gleichen Sprengstoffzusammensetzung wurde in einem zweiten Versuch verwendet, der im übrigen im wesentlichen in gleicher Weise wie in Beispiel 1 beschrieben durchgeführt wurde. Bei diesem Versuch wurde ein Druck 66,5 kg/cm auf die Zusammensetzung aufgelegt, ehe die Detonation der Hohlladung eingeleitet wurde.
Wiederum war die Sprengladung vollständig detoniert. Verffleichsbeispiel
In gleicher Weise wie bei der Herstellung des Sprengstoffs von Beispiel 1 beschrieben wurde ein Sprengstoff folgender Zusammensetzung hergestellt:
Propylenglycol 3,75 g
Verdickungsmittel 12,5 g
70 g
45 410 g
H2O 110 g
Aluminiummetall 300 g
Formamid 100 g
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Dieser Sprengstoffzusammensetzung wurde 1 fi zusätzlich expandierte Polystyrolkügelchen zugesetzt, um die Dichtejder Mischung auf etwa 1,3 zu verringern.
Die Mischung wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1 bei einem Druck von 7 kg/cm zur Detonation gebracht. Hierbei erfolgte keine vollständige Detonation des Sprengstoffes.
Ein Teil der hier beschriebenen Sprengstoffzusammensetzung ohne Kügelchen wurde zur Herstellung von Lufteinschlüssen geschlagen. Bei einem Druck von 7 kg/cm konnte diese Mischung nicht 'vollständig zur Detonation gebracht werden.
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Claims (9)

1771Ü07 Patentansprüche
1. SprengstoffZusammensetzung in Form einer Aufschlämmung, die zur vollständigen Detonation unter Druck geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie soviel hohle Glasteilchen mit einer Größe von 10 bis 250/u enthält, daß sich eine Dichte von 1,0 bis 1,5 g/cm ergibt.
2. Sprengstoffzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlen Glasteilchen eine Teilchendichte zwischen 0,1 und 0,9 g/ cm aufweisen.
3. SprengstoffZusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprengstoffaufschlämmung ein oder mehrere wasserlösliche anorganische oxydierende Salze, ein oder mehrere nicht selbstentzündliche Brennstoffe und mindestens 5 Gew.-/6 Wasser enthält.
4. Sprengstoffzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprengstoffaufschlämmung 0 bis 60 Gew.-^ Alkalimetallnitrat, 10 bis 85 Gew.-^ Ammoniumnitrat, 5 bis 25 Gew.-$ Wasser, 0,2 bis 2,5 Gew.-^ eines in Wasser quellbaren Gelierungsoder Verdickungsmittels und 5 bis 40 Gew.-^ teilchenförmiges Aluminium enthält.
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5. Sprengstoffzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprengstoffaufschlämmung 5 bis 40 Gew.-# Natriumnitrat, 15 his 80 Gew.-# Ammoniumnitrat, 6 bis 16 Gew. -4> Wasser, 2 bis 16 Gew.-# eines flüssigen organischen mit Wasser mischbaren Fluidstreckmittels, 0,5 bis 2,5 Gew.-# eines in Wasser quellbaren hydrophoben vernetzenden Gummis und Vernetzungsmittels dafür und 10 bis 30 Gew.~# teilchenförmiges Aluminium enthält.
6. Sprengstoffzusammensetzung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium eine Teilchengröße von 0,104 bis 0,59/u aufweist.
7. Sprengstoffzusammensetzung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengrößenverteilung des Aluminiums 60 bis 70 Ji von 0,297 bis 0,59 mm, 25 bis 35 # von 0,149 bis 0,297 mm und etwa 5 # von 0,104 bis 0,149 mm beträgt und die Kalibrierungsverteilung derart ist, daß 6 bis 8 $> bis zu 25 /U, 14 bis 17 i* 25 bis 125/u, 73 bis 77 $ von 125 bis 250/u, 3 bis 7 $ von 250 bis 450/u und weniger als 0,1 i> größer als 375/U sind.
8. Verfahren zum Aufbrechen unterirdischer Erdformationen, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Bohrloch in der Formation eine SprengstoffZusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingebracht und dann zur Detonation gebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Detonation auf der Sprengstoffzusammensetzung ein Druck aufrechterhalten wird.
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