NO174501B - Stoetmotstandsdyktig emulsjonssprengstoff med lav densitet - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et forbedret, godkjennbart sprengstoffpreparat. Mere spesielt angår oppfinnelsen et godtagbart vann-i-olje emulsjonssprengstoff som er støtmot-standsdyktig og som har relativt lav densitet. "Vann-i-olje emulsjonssprengstoffene ifølge oppfinnelsen inneholder et vannublandbart organisk brennstoff som kontinuerlig fase og en emulgert uorganisk oksyderende saltoppløsning som diskontinuerlig fase. Disse oksyderende og brennstoffaser reagerer med hverandre ved tenning ved hjelp av en fenghette eller en annen initiator og gir en effektiv detonasjon.

Uttrykket "godtagbar" beskriver sprengstoffer som er fenghettefølsomme og relativt ikke-brennende slik at de kan benyttes i undergrundsminer med potensielt brennbare atmosfærer, for eksempel underjordiske kullminer.

Med "lav densitet" menes sprengstoffer med en massedensitet på mindre enn 1,0 g/cm<3> fortrinnsvis ca 0,9 g/cm<3>. Lav-densitetssprengstoffene ifølge oppfinnelsen har lavere detonasjonshastigheter og masseenergier enn de tilsvarende med høyere densitet. For eksempel har de kjente blandinger generelt densiteter over 1 g/cm<3> og detonasjonshastigheter på ca 4.700 m/sek eller høyere mens oppfinnelsens sprengstoffer har densiteter under 1,0 g/cm<3> og hastigheter på ca 4.200 m/sek eller mindre. Dette er fordelaktig for sprengning i kullminer der klumper ønskes mer enn fine fragmenter. De lave hastigheter tillater en heving av massen i stedet for en knusing av det bløte kull-legemet. En lavere detonasjonshastighet korrelerer også generelt med mindre brennbarhet slik det er ønskelig for godtagbare sprengningsanvendelser. Støtmotstandsevne tilveiebringes ifølge oppfinnelsen ved bruk av hule glass- eller plastsfærer med relativt høy styrke. Med "støtmotstandsevne" menes evnen til å motstå støtbølge-desensitisering som vanligvis kalles "dødpressing". De hule sfærer som finner anvendelse i sprengstoffet ifølge oppfinnelsen må ha en styrke som er tilstrekkelig til å motstå støtet fra en nærliggende detonasjon eller med andre ord, å motstå dødpressing. Hule sfærer med høy styrke gir imidlertid ikke nok sensitisering til sprengstoffene ifølge oppfinnelsen.

For å oppnå støtmotstandsevne og tilstrekkelig sensitivitet for tillatelige anvendelser er det funnet nødvendig å benytte både hule sfærer med høy styrke for støtmotstandsevne og kjemisk produserte gassbobler for sensitivitet. Hvis kun hule høystyrkesfærer benyttes for å redusere densiteten til sprengstoffet for derved å øke sensitiviteten, blir sensitiviteten ikke øket tilstrekkelig til å møte godtagbarhetskravene. Videre er de hule sfærer med høy styrke relativt kostbare, spesielt hvis de benyttes som eneste densitetsregulerende middel. På den andre side kan gassbobler alene tilveiebringe de nødvendige sensitivitetsnivåer, men disse tilveiebringer ikke tilstrekkelig motstandsevne mot død-pressing eller støt. Således er det ifølge oppfinnelsen funnet at en reduksjon av densiteten til det nødvendige området ved en kombinasjon av hule sfærer med høy styrke og kjemisk produserte gassbobler gir den nødvendige støtmot-standsevne og detonasjonssensitivitet og også gir sprengstoffet en lavere detonasjonshastighet.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse et støtmotstandsdyktig, godtagbart emulsjonssprengstoff omfattende et vannublandbart organisk brennstoff som kontinuerlig fase, en emulgert vandig uorganisk oksyderende saltoppløsning som diskontinuerlig fase, og et emulgeringsmiddel, og dette sprengstof karakteriseres ved fra 1 til 10 vekt-% av sprengstoffet, av små, hule, dispergerte faser med en styrke slik at høyst ca 10 # av sfærene på volumbasis bryter sammen under et trykk på 35 kg/cm2 , og sensiterende gassbobler dispergert i sprengstoffet og oppnådd ved reaksjon av kjemiske gassdannende midler, i en mengde tilstrekkelig til å redusere densiteten for sprengstoffet til mindre enn 1,0 g/cm<3>.

De hule sfærer med høy styrke gir tilstrekkelig støtmot-standsevne til å forhindre dødpressing og den kjemiske gassdannelse gir tilstrekkelig sensitivitet til å til-fredsstille godtagbarheteskravene.

Det blandbare organiske brennstoff som utgjør den kontinu-erlige fase i blandingen er tilstede i en mengde fra ca 3 til ca 12 og fortrinnsvis fra ca 4 til ca 8 vekt-5é av blandingen. Den virkelige mengde som benyttes kan varieres avhengig av de spesielle ublandbare brensstoffer som benyttes og av nærværet av eventuelle andre brennstoffer. De ublandbare organiske brennstoffer kan være alifatiske, alicykliske og/eller aromatiske og kan være mettet og/eller umettet, sålenge de er flytende ved formuleringstemperaturen. Foretrukne brennstoffer er tallolje, mineralolje, vokser, paraffinoljer, bensen, touluen, xylener, blandinger av flytende hydrokarboner som generelt kalles petroleum-destilater som gasolin, kerosen og dieselbrennstoffer, samt vegetabilske oljer som mais-, bomullsfrø-, jordnøtt- og soyabønneolje. Spesielt foretrukne flytende brennstoffer er mineralolje, brenselsolje nr 2, paraffinvokser, mikro-krystallinske vokser og blandinger derav. Alifatiske og aromatiske nitroforbindelser og klorerte hydrokarboner kan også benyttes. Blandinger av hvilke som helst av disse kan også benyttes.

Eventuelt og i tillegg til det ublandbare flytende organiske brennstoff kan faste eller andre flytende brennstoffer eller begge deler benyttes i utvalgte mengder. Eksempler på faste brennstoffer som kan benyttes er finoppdelte aluminium-partikler; finoppdelte karbonholdige materialer som gilsonitt eller kull; finoppdelte vegetabilske korn som hvete; samt svovel. Blandbare flytende brennstoffer som også virker som flytende drøyemidler, er oppført nedenfor. Disse ytterligere faste og/eller flytende brennstoffer kan tilsettes generelt i mengder på opptil 15 vekt-56. Hvis ønskelig kan ikke-oppløst Den uorganiske oksyderende saltoppløsning som utgjør den diskontinuerlige fase av sprengstoffet omfatter generelt uorganisk oksyderende salt i en mengde fra 45 til ca 95 vekt-# av den totale blanding samt vann og/eller vannblandbare organiske væsker, i en mengde fra 0 til ca 30 %. Det oksyderende salt er fortrinnsvis primært ammoniumnitrat men andre salter kan benyttes i mengder opp til 50 %>. De andre oskyderende salter velges blant ammonium-, alkalie- og jordalkaliemetallnitrater, -klorater og -perklorater. Av disse er natriumnitrat (SN) og kalsiumnitrat (CN) fore-trukket .

Vann benyttes generelt i en mengde fra 5 til 30 vekt-#, beregnet på det totale preparat. Det benyttes vanligvis i emulsjoner i en mengde fra 9 til 20 %.

Vannblandbare organiske væsker kan i det minste delvis erstatte vann som et oppløsningsmiddel for saltene og slike væsker virker også som brennstoff for blandingen. Videre reduserer visse organiske forbindelser krystalliserings-temperaturen for de oksyderende salter i oppløsning. Blandbare faste eller flytende brennstoffer kan være alkoholer som sukker og metylalkohol, glykoler som etylen-glykoler, amider som formamid, urea og analoge nitrogen-holdige brennstoffer. Som velkjent i denne teknikk kan mengden og typen vannblandbar væske og faststoff som benyttes variere i henhold til de ønskede fysikalske egenskaper.

Emulgeringsmidlene kan velges blant de som vanligvis benyttes og forskjellige typer er angitt i de ovenfor angitte patenter. Fortrinnsvis velges emulgeringsmidlene fra gruppen bestående av et bisalkanolamin- eller bispolyolderivat av en biskarboksylert eller anhydrid-derivatisert olefinisk eller vinyladdisjonspolymer, sorbitanfettsyreestere, karboksylsyresalter, substituert oksasolin, alkyaminer eller deres salter, samt derivater derav. Emulgeringsmidlet benyttes fortrinnsvis salter, substituert oksasolin, alkyaminer eller deres salter, samt derivater derav. Emulgeringsmidlet benyttes fortrinnsvis i en mengde fra 0,2 til 5 <&. Blandinger av emulgeringsmidler kan benyttes.

Blandingene ifølge oppfinnelsen reduseres i sin densitet fra den naturlige ved tilsetning av densitetsreduserende midler av en type og i en mengde tilstrekkelig til å redusere densiteten til mindre enn 1,0 g/cm<3>. Denne densitetsreduksjon oppnås ved en kombinasjon av hule sfærer med høy styrke og kjemisk fremstilte gassbobler.

De hule sfærer er fortrinnsvis glass selv om høystyrkeplast-eller perlittsfærer også kan benyttes. Sfærene må ha en styrke tilstrekkelig til å forhindre eller å minimalisere dødpressing. Denne styrke er slik at maksimalt ca 10 % av sfærene på volumbasis bryter sammen under et trykk på 35 kg/cm2 . (prosentandelen og trykkets nominelle verdi kan variere ± 20 Sfærene har, hvis de er av glass, generelt en partikkelstørrelse slik at 90 volum-% er mellom 20 og 130 pm.

Sfærene benyttes i en mengde fra 1 til 10 %, noe som generelt reduserer densiteten for sprengstoffet til et område fra 1,10 til 1,35 g/cm<3>. Det primære formål for anvendelsen av disse sfærer er, som beskrevet ovenfor, å tilveiebringe støtsmot-standsevne mot dødpressing. Et sekundærformål er å gjøre sprengstoffet følsomt overfor tenning selv om slike høy-styrkesfærer generelt ikke vil gi tilstrekkelig sensitivitet til sprengstoffet til å møte godtagbarhetskravene. Denne ytterligere sensitivitet tilveiebringes ved hjelp av kjemiske gassdannende midler.

Kjemiske gassdannende midler omfatter fortrinnsvis natrium-nitritt som dekomponerer kjemisk i blandingen og gir gassbobler, og en gassdannende akselerator som tiourea, for å akselerere dekomponeringsprosessen. En natriumnitritt-tiourea kombinsjon gir gassbobler umiddelbart ved tilsetning av nitritt til oksyderingsmiddeloppløsningen som inneholder tiourea, hvilken oppløsning fortrinnsvis har en pH-verdi på ca 4,5. Nitritt tilsettes som en fortynnet vandig oppløsning i en mengde fra mindre enn 0,1 $ til ca 0,4 vekt-#, og dette tiourea eller den andre akselerator tilsettes i en tilsvarende mengde til oksyderingsmiddeloppløsningen. Andre gassdannende midler kan benyttes.

Sprengstoffene ifølge oppfinnelsen kan formuleres på konvensjonell måte. Karakteristisk blir oksyderende salt først oppløst i vann (eller en vandig oppløsning av vann og blandbart flytende brennstoff) ved en forhøyet temperatur fra 25 til 90°C eller høyere, avhengig av krystalliserings-temperaturen for saltoppløsningen. Den vandige oppløsning som kan inneholde en hvilken som helst gassdannelsesakselerator blir så satt til en oppløsning av emulgeringsmidlet og det blandbare flytende organiske brennstoff, hvilke oppløsninger fortrinnsvis befinner seg ved samme forhøyede temperatur, og den resulterende blanding omrøres med tilstrekkelig kraft til å gi en emulsjon av den vandige oppløsning i en kontinuerlig, flytende hydrokarbonbrennstoffase. Vanligvis kan dette oppnås i" det vesentlige øyeblikkelig under hurtig omrøring. (Blandingene kan også fremstilles ved å sette det flytende organiske materiale til den vandige oppløsning.) Omrøringen bør fortsettes inntil formuleringen er enhetlig. De faste bestanddeler inkludert tilstedeværende densitetskontroll-middel og gjenværende gassdannende midler blir så tilsatt og rørt ut i formuleringen på konvensjonell måte. Fordi gassdannelsesreaksjonen skjer hurtig bør pakningen umiddelbart følge efter tilsettningen av gassdannelsesmiddel selv om gassdannelseshastigheten i en viss grad kan reguleres ved pH-justeringer. Formuleringsprosessen kan også gjennomføres kontinuerlig som i og for seg kjent. Videre bør det faste densitetsregulerende middel settes til en av de to flytende faser før emulsjonsdannelsen.

Det er funnet fordelaktig på forhånd å oppløse emulgeringsmidlet i det flytende organiske brennstoff før tilsetning av det organiske brennstoff til den vandige oppløsning. Denne metode tillater at emulgeringen dannes hurtig og med minimal omrøring. Imidlertid kan emulgeringmidlet tilsettes separat som en tredje komponent hvis dette er ønskelig.

De vedlagte tabeller illusterer oppfinnelsen ytterligere.

I alle eksempler i tabell 1 er det gitt dødpressingsav-stander. Dødpressingsavstandene ble oppnådd ved i vann parallelt vertikalt å henge opp to ladninger, en donorladning og en akseptorladning, og å initiere donorladningen før akseptorladningen. Under utprøving var sammensetningen av donorladningene konstant. Dødpressingsavstanden er den avstand som skilte ladningene der det første tall indikerer avstanden ved hvilken en vellykket detonering av akseptoren eller en forsinket ladning inntrådte, og det andre tall indikerer avstanden ved hvilken akseptor-(250 millisekunder)-ladningen feilet. Jo kortere avstanden er for en vellykket detonering, jo mere motstandsdyktig er sprengstoffet mot dødpressing.

Eksempel Å hadde i det vesentlige samme basisformulering som de andre eksempler bortsett fra at den inneholdt mikrosfærer med lavere styrke og med en styrke mindre enn det som var nødvendig ifølge oppfinnelsen. Det var meget følsomt overfor dynamisk støt-desensitivitet under vann og hadde således dårlig støtmotstandsevne.

På samme måte hadde eksempel B dårlig støtmotstandsevne, selv om det hadde en kombinasjon av lavstyrke-glassmikrosfaerer, kjemiske gassdannelsesmiddel og lavere densitet.

Eksempel C inneholdt høystyrke-mikroballonger men intet kjemisk gassdannelsesmiddel og selv om det hadde forbedret støtmotstandsevne var densiteten relativt høy på samme måte gassdannelsesmidler, hadde en lavere densitet på 1,05 g/cm<3 >og en lavere detoneringshastighet på 4.200 m/sek. I henhold til dette hadde det en betydelig forbedret støtmotstandsevne som antydet ved detoneringsresultåtene, og en densitet tinder 1,0 g/cm<3> ville gitt ennå bedre resultater.

Eksempel D hadde ennå sterkere mikroballonger enn eksemplene C og F men ingen kjemiske gassdannelsesmidler. Som et resulat detonerte det ikke en gang. Eksempel G som benyttet de samme mikroballonger med høyere styrke som eksempel D men uten tilsatt kjemisk gassdannelsesmiddel, hadde den beste støtmotstandsevne av alle eksempler sammen med en ønsket lav densitet på 0,95 g/cm<3> og en lav detonasjonshastighet på 3.900 m/sek. Eksemplene E og H illustrerer den samme virkning med henblikk på keramiske mikrosfærer.

Tabell II illustrerer ytterligere virkningen av detonerings-hastigheten ved å redusere densiteten fra over 1,0 g/cm<3> til under dette tall.

Claims (9)

1. Støtmotstandsdyktig godtagbart emulsjonssprengstoff omfattende et vannublandbart organisk brennstoff som kontinuerlig fase, en emulgert vandig uorganisk oksyderende saltoppløsning som diskontinuerlig fase, og et emulgeringsmiddel, karakterisert ved fra 1 til 10 vekt-56 av sprengstoff av små, hule dispergerte sfærer med en styrke slik at høyst ca 10 56 av sfærene på volumbasis bryter sammen under et trykk på 35 kg/cm2 , og sensiterende gassbobler dispergert i sprengstoffet og oppnådd ved reaksjon av kjemiske gassdannende midler, i en mengde tilstrekkelig til å redusere densiteten for sprengstoffet til mindre enn 1,0 <g>/cm3.

2. Sprengstoff ifølge krav 1, karakterisert ved at sfærene er tilstede i en mengde tilstrekkelig til å redusere densiteten i sprengstoffet til området 1,10 til 1,35 g/cm<3>, før gassboblene er dispergert i sprengstoffet.

3. Sprengstoff ifølge krav 2, karakterisert ved at sfærene er av glass og har en partikkelstørrelse slik at 90 volum-# ligger mellom 20 og 130 pm.

4. Sprengstoff ifølge krav 1, karakterisert ved at gassboblene er oppnådd ved kjemisk dekomponering av et nitrittsalt i en sur uorganisk oksyderende saltoppløs-ningsfase.

5. Et sprengstoff ifølge krav 4, karakterisert ved at det inneholder en dekomponeringsaksellererende katalysator.

6. Sprengstoff ifølge krav 1, karakterisert ved at det organiske brennstoff er valgt blant mineralolje, vokser, bensen, touluen, xylen og petroleumdestillater som gasolin, kerosen og dieselbrennstoffer.

7. Sprengstoff ifølge krav 1, karakterisert ved at det uorganiske oksyderende salt er valgt ammonium-alkalie- og jordalkalimetallnitrater, -klorater og -perklorater.

8. Sprengstoff ifølge krav 1, karakterisert ved at det flytende organiske brennstoff er tilstede i en mengde fra 3 til 10 vekt-#, at den uorganiske oksyderende saltoppløsning omfatter uorganisk oksyderende salt i en mengde av 45 til 90 % og vann i en mengde av 9 til 20 % mens emulgeringsmiddlet er tilstede i en mengde fra 0,2 til 5 %.

9. Sprengstoff ifølge krav 1, karakterisert ved at emulgeringsmiddlet er valgt blant et bisalkanolamin- eller bispolyolderivat av en biskarboksylert eller anhydridderivatisert olefinisk eller vinyladdisjonspolymer, sorbitan fettsyreestere, karboksylsyresalter, substituert oksasolin, alkylaminer eller deres salter, samt derivater derav.