NO180116B - Lavtetthets vanngel-eksplosivsammensetning - Google Patents

Description

Konvensjonelle vannbaserte oppsiemmings- eller vanngel-eksploslver har vært anvendt i omtrent 30 år. Se f.eks. US-patent nr. 3.249.474, 3.660.181 og 4.364.782. Disse eksplosivene har generelt en kontinuerlig vandig fase av uorganisk oksideringsmiddelsalt oppløst i vann, et drivstoff (er) dispergert eller oppløst gjennom hele fasen og fortyknings- og tverrbindingsmidler for å gi den ønskede reologi. Eksplosiver krever også generelt et tetthetsreduserende middel for å gi tilstrekkelig detonasjonssensiti-vitet. Slike reduserende midler er luftbobler som kan bli innblandet under miksing av ingrediensene, gassbobler fremstilt in-situ kjemisk, små, hule, dispergerte glass-eller plastsfaerer eller andre porøse, gassinneholdende faste stoffer slik som ekspandert perlitt. Foreliggende oppfinnelse angår vanngel-eksplosivsammensetninger av denne generelle type. Mer spesifikt angår den lavtetthets vanngel-eksplosivsammensetninger som har en tetthet på mindre enn 0,8 <g>/cm3.

Det mest vanlige anvendte eksplosivet er ANFO, som er en blanding av ammoniumnitrat (AN) priller og drivstoffolje eller lignende. ANFO lider av den ulempen at det ikke er vannresistent og kan derfor bare anvendes med suksess i tørre borehull, i borehull som har blitt avvannet eller foret med en vannresistent foring eller i innpakket form i "våte" anvendelser. Disse fremgangsmåtene ved å bruke ANFO i våte anvendelser krever ytterligere tid og/eller kostnader. Selv i avvannede borehull kan vannsig over tid nedbryte den anbrakte ANFO og forårsake oppløsning av AN.

ANFO har relativt lav tetthet (fra ca. 0,82 til ca. 0,9 g/cm^) og er derfor velegnet for anvendelser som krever relativt lav bulkekslosivenergi, slik som foreksplosjonsan-vendelser og sprengning av "mykt" berg, kull eller over-liggende jordlag. Selv da, kan eksplosjonsenergien til ANFO overskride det som er ønskelig for visse "myke" sprengningsanvendelser slik som sprengning av kullsømmer som ideelt sett krever mindre eksplosjonsenergi enn selv det som "blir produsert av ANFO. Slike "myke" sprengningsoperasjoner kan også være i våte borehull som krever avvanning.

Det eksisterer således et behov for en lavenergisprengsammen-setning som kan bli anvendt i "myke" sprengningsanvendelser og i borehullmiljøer der det er noe vann tilstede, slik som i avvannede borehull der det forekommer siging.

Vanngel-eksplosiver tilfredsstiller et av disse behovene ved at de generelt er vannresistente på grunn av deres fortyknende, kontinuerlig vandige fase. Deres tettheter er imidlertid generelt mye høyere enn de til ANFO, generelt i området fra 0,9 til 1,6 g/cm<3> og vanligvis godt over 1,0 g/cm<3>. Australsk patent nr. 550930 beskriver en "smelte-eksplosivsammensetning" som kan ha en tetthet så lav som 0,3 g/cm<3> for lave energianvendelser, men disse sammensetningene er adskilt fra "vanngeler" ved at smeltesammensetningene er "ikke fortynnet med en tilstrekkelig vannmengde", og har derfor en høyere energi pr. enhetsvekt, og omfatter en smelte av oksideringsmiddel og drivstoff blandet med oljeammonium-nitratpriller.

Foreliggende oppfinnelse lavtetthets vanngel-eksplosivsammensetning, kjennetegnet ved at den omfatter en kontinuerlig fase av vandig uorganisk oksideringsmiddel saltoppløsning som videre omfatter vann i en mengde fra 10% til 40 vekt-# av oppløsningen, og ammoniumnitrat i en mengde fra 30$ til 90$, tverrbindingsmiddel, tykningsmiddel, vann-ikke-blandbar organisk flytende drivstoff i en mengde fra 0% til b% og kjemisk fremstilte gassbobler dispergert gjennom hele sammensetningen i et volum som er tilstrekkelig til å redusere tettheten i sammensetningen til mindre enn 0,7 g/cm<3>, der sammensetningen ytterligere inneholder ammoniumnitratpartikler i en mengde fra 10$ til 70$ av total sammensetning.

Andre fordelaktige karaktertrekk ved disse sammensetningene til "myke" sprengningsoperasjoner er at de kan ha relativt lave detoneringshastigheter.

Oppfinnelsen omfatter en lavtetthets vanngel-eksplosivsammensetning som omfatter en kontinuerlig fase av en vandig uorganisk oksideringsmiddelsaltoppløsning, tykningsmidler og tverrbindingsmidler, drivstoff og et tetthetsreduserende middel i en mengde som er tilstrekkelig til å redusere tettheten i sammensetningen til mindre enn 0,7 g/cm<3>. Til denne sammensetningen kan en betydelig mengde ammoniumnitratpartikler, slik som priller, bli tilsatt.

Den uorganiske oksideringssaltoppløsningen som danner den kontinuerlige fasen av eksplosivet omfatter generelt uorganisk oksideringsmiddelsalt i en mengde fra ca. 30$ til ca. 90 vekt-$ av den totale sammensetningen og vann og/eller vann-blandbare organiske væsker i en mengde fra ca. 10$ til ca. 40$.

Oksideringsmiddelsaltene blir valgt fra gruppen som består av ammonium, alkali og jordalkalimetallnitrater, klorater og perklorater. Det foretrukkede oksideringsmiddelsaltet er ammoniumnitrat (AN), men kalsiumnitrat (CN) og natriumnitrat (SN) eller andre oksideringsmiddelsalter kan bli anvendt. Totalt oppløst oksideringsmiddelsalt som blir benyttet er fortrinnsvis fra ca. 50$ til ca. 86$. Slik det er beskrevet under, kan ammoniumnitrat bli tilsatt i fast form eller ANFO (AN priller og drivstoffolje) i tillegg til sammensetningene.

Totalmengde av vann og/eller vann-blandbar væske som er tilstede i sammensetningen er generelt fra ca. 10 til ca. 40 vekt-$. Anvendelse av vann og/eller vannblandbar væske i mengder innenfor dette omradet vil generelt tillate at sammensetningene er fluide nok til å bli pumpet ved konvensjonelle oppsiemmingspumper ved formulering eller blandings-temperatur, dvs. over krystalliseringstemperatur (bløtnings-punkt) til sammensetningen. Etter pumping kan utfelling av noe av det oppløste oksideringsmiddelsaltet skje ved avkjøling til temperaturer under bløtningspunktet, selv om gjenpumpbare formuleringer kan medføre litt, hvis noe utfelling.

Drivstoffet kan være faststoff og/eller væske. Eksempler på faste drivstoffer som kan bli anvendt er aluminiumpartikler og karbonholdige materialer slik som gilsonitt eller kull. Flytende eller oppløselige drivstoffer kan innbefatte enten vann-blandbare eller ikke-blandbare organiske forbindelser. Blandbare væsker eller oppløselige drivstoffer innbefatter alkoholer slik som metylalkohol, glykoler slik som etylengly-kol, amider slik som formamid, urea og analoge nitrogeninneholdende væsker. Disse drivstoffene virker generelt som et oppløsningsmiddel for oksideringsmiddelsaltet og vann-ekstenderen, og kan derfor erstatte noe eller alt vannet. Vann-ikke-blandbare organiske flytende drivstoffer kan være alifatiske, alicykliske og/eller aromatiske og enten mettede og/eller umettede. Toluen og xylener kan f.eks. bli benyttet. Alifatiske og aromatiske nitroforbindelser kan også bli anvendt. Foretrukkede drivstoffer inkluderer blandinger av normalt flytende hydrokarboner som generelt blir referert til som petroleumdestillater slik som bensin, kerosen og dieseldrivstoffer. Et særlig foretrukket flytende drivstoff er nr. 2 drivstoffolje. Tallolje og paraffinolje kan også bli anvendt. Blandinger av en hvilken som helst av de ovenfor-nevnte drivstoffene kan bli benyttet. Slik det er beskrevet under kan den vann-ikke-blandbare organiske væsken bli kombinert med ammoniumnitratpriller før den blir tilsatt sammensetningen.

Drivstoffet er tilstede i en mengde for å skaffe tilveie en samlet oksygenbalanse fra ca. -10 til ca. 0%. Drivstoffolje, når den blir anvendt, blir normalt anvendt i en mengde fra ca. 1% til ca. 8 vekt-$, fortrinnsvis fra ca. 3 til ca. 1%, og når den blir anvendt som det eneste drivstoffet, blir den fortrinnsvis anvendt i mengder fra ca. 4$ til ca. 6 vekt-$.

Den vandige fluide fasen av sammensetningen blir gjort viskøs ved tilsetning av et eller flere tykningsmidler av den type og i den mengde som vanligvis blir benyttet innenfor fagområdet. Slike tykningsmidler innbefatter galaktomannin, fortrinnsvis guar, gummi; guargummi med redusert molekylvekt som beskrevet i US-patent nr. 3.788.909, polyakrylamid og analoge syntetiske tyknere, mel og stivelser. Biopolymergummi slik som de som er beskrevet i US-patent nr. 3.788.909 kan også bli anvendt. Tykningsmidler blir generelt anvendt i mengder i området fra ca. 0,2$ til ca. 2,0$, men mel og stivelser kan bli benyttet i mye større mengder, opptil ca. 10$ og i dette tilfellet fungerer de også som viktige drivstoffer. Blandinger av tykningsmidler kan bli anvendt.

Tykningsmidlene blir fortrinnsvis anvendt i en mengde som er tilstrekkelig til å fortykne den vandige oppløsningen til en viskositet på minst 500 centipoise (Brookfield viskometer, modell HÅTD, nr. 2 HA spindel ved 100 rpm) forut for tilsetning av tetthetsreduserende middel som beskrevet under.

Slik det er velkjent innenfor fagområdet blir tetthetsreduserende midler benyttet for å senke og regulere tetthet av og for å gi sensitivitet til vanngel-eksplosivsammensetningene. Sammensetningene i foreliggende oppfinnelse benytter fortrinnsvis en mindre mengde, f.eks. ca. 0,01$ til ca. 0,2$ eller mer av et kjemisk forgassingsmiddel for å oppnå en sammensetningstetthet på mindre enn 0,8 g/cm<3>. Sammensetningene i foreliggende oppfinnelse har fortrinnsvis en tetthet på mindre enn 0,7 g/cm<3> og mer å foretrekke mindre enn 0,6 g/cm<3>. Et foretrukket forgassingsmiddel er et nitrittsalt slik som natriumnitritt, som reagerer kjemisk i oppløsningen i sammensetningen og fremstiller gassbobler. Andre spor ingredienser kan også bli tilsatt for å bedre forgassingshastighetene eller justere pH. Mekanisk risting av den fortyknende vandige fasen av sammensetningen, slik som den ble oppnådd under blanding av den fortrykkede vandige fasen og de gjenværende ingrediensene, vil resultere i innblanding av fine luftbobler på mekaniske måter. Hule partikler slik som hule glassfærer, styrofomperler, plast-mikroballonger og porøse faste stoffer slik som perlitt blir også vanligvis benyttet for å fremstille en gassdannet eksplosivsammensetning, særlig når det er ønskelig at den ikke presses sammen. To eller flere av disse vanlige tetthetsreduserende midlene kan bli benyttet samtidig.

Et tverrbindingsmiddel blir fortrinnsvis benyttet i sammensetningene i foreliggende oppfinnelse. Tverrbindingsmidler for tverrbinding av fortykningsmidlene er velkjente innenfor fagområdet. Slike midler blir vanligvis tilsatt i spormengder og omfatter vanligvis metallioner slik som dikromat og antimonioner. Det foretrukkede tverrbindingsmidlet er antimonion, fortrinnsvis kaliumpyroantimonat, i en mengde fra ca. 0,001$ til ca. 0,1$.

Til basissammensetningen som er beskrevet over, blir fast ammoniumnitrat (AN) partikler fortrinnsvis tilsatt i en mengde fra ca. 10$ til ca. 70$ av total sammensetningen. Formen på slike AN kan være porøse priller, tette priller eller krystallinsk. Hvis det blir anvendt porøse priller, kan det vann-ikke-blandbare organiske flytende drivstoffet fortrinnsvis bli tilsatt prillene før tilsetning av prillene til sammensetningen. Dette er den foretrukkede måten for tilsetning av vann-ikke-blandbar organisk flytende drivstoff til sammensetningen, fordi når det blir tilsatt separat, har det tendens til å fluidisere blandingen og dermed redusere dens viskositet, og dermed avtar evnen til den vandige fasen å inneholde luft eller holde gassbobler.

Eksplosivene kan bli fremstilt ved først å danne en oppløs-ning av oksideringsmiddelsalt og vann (og blandbar flytende drivstoff, hvis det finnes) ved en temperatur over bløtnings-punktet eller krystalliseringstemperaturen til oppløsningen. Eksplosivene blir typisk fremstilt ved en temperatur på minst 10°C over bløtningspunktet. Tykningsmidlet blir deretter tilsatt den fortyknende oppløsningen til en ønsket grad, fortrinnsvis til en viskositet på minst 500 centipoise (Brookfield viscometer). Det tetthetsreduserende midlet, fortrinnsvis et kjemisk forgassingsmiddel blir deretter tilsatt og dispergert gjennom hele den fortyknende oppløs-ningen for å danne en fin, stabil dispersjon av luft eller gassbobler i et volum som er tilstrekkelig til å redusere tettheten til det ønskede nivået. Et tverrbindingsmiddel blir deretter fortrinnsvis tilsatt for å tverrbinde den fortyknende oppløsningen og å gi den ønskelige sluttreologi. Eventuelt kan ammoniumnitratpartikler (som fortrinnsvis inneholder vann-ikke-blandbar organisk flytende drivstoff) bli tilsatt den fortyknende oppløsningen og dispergert uniformt gjennom hele sammensetningen. Konvensjonell måling, blanding og mikseapparatur kan bli benyttet i trinnene over, og de kan bli gjennomført i en kontinuerlig eller satsvis prosess.

Oppfinnelsen blir videre forklart med referanse til følgende tabeller. Alle blandinger i tabell I ble fremstilt ved en hastighet på ca. 45 kg/min. i en høy skjærblander. Ammonium-nitratoppløsningen ble fortyknet med guargummi og for-gassingsmidlet ble injisert inn i den fortyknende okside-ringsoppløsningen forut for blanding. Etter blanding ble tverrbindingsmiddel (kaliumpyroantimonat) og eddiksyre for pH justering tilsatt i en annen blander. I eksemplene 2-4 og 6-8, ble også AN-priller tilsatt den andre blanderen. Detone-ringsresultatene var som vist.

Tabell II viser en sammensetning av foreliggende oppfinnelse som har blitt gassbehandlet til en ekstremt lav tetthet på 0,28 g/cm<3>. Selv ved denne meget lave tettheten, detonerte sammensetningen i større diametere ubegrenset og i et stålrør på 100 millimeters indre diameter.

Tabell III viser en sammensetning av foreliggende oppfinnelse som er gjenpumpbar, dvs. en som forblir fluid nok til å bli transportert fra fremstillingsstedet til et lagrings- eller sprengningssted der det blir "pumpet på nytt" fra en transportbeholder inn i et borehull eller lagringsbeholder. Gassbehandling og tverrbindingsmidler blir ikke tilsatt sammensetningen før rett forut for avlevering inn i bore-hullet .

Eksplosivsammensetningene i foreliggende oppfinnelse kan bli anvendt på en konvensjonell måte. De kan bli anleggs-blandet til en ønsket grad av fluiditet og deretter transportert til et sprengningssted der de kan bli pumpet inn i borehullene etter tilsetning av forgassingsmidler og tverrbindingsmidler. De kan også bli blandet på stedet i et blandingssystem eller transportert som kjent innenfor fagområdet. Siden tetthetene er under tettheten for vann, blir de generelt anbrakt inn i tørre eller avvannede borehull. Som tidligere angitt er sammensetningene vannresistente og kan derfor bli anvendt effektivt i borehull som kan ha noe vann tilstede, slik som i avvannede borehull der det er noe siging. De kan også bli anvendt i innpakket form.

Selv om oppfinnelsen har blitt beskrevet med referanse til visse illustrative eksempler og foretrukkede utførelsesfor-mer, vil forskjellige modifikasjoner være åpenbare for personer med kunnskap innenfor fagområdet og en hvilken som helst av disse modifikasjonene har til hensikt å være innenfor rekkevidden av oppfinnelsen slik den er fremsatt i de etterfølgende kravene.

Claims (11)

1. Lavtetthets vanngel-eksplosivsammensetning, karakterisert ved at den omfatter en kontinuerlig fase av vandig uorganisk oksideringsmiddel saltoppløsning som videre omfatter vann i en mengde fra 10$ til 40 vekt-$ av oppløsningen, og ammoniumnitrat i en mengde fra 30$ til 90$, tverrbindingsmiddel, tykningsmiddel, vann-ikke-blandbar organisk flytende drivstoff i en mengde fra 0$ til 6$ og kjemisk fremstilte gassbobler dispergert gjennom hele sammensetningen i et volum som er tilstrekkelig til å redusere tettheten i sammensetningen til mindre enn 0,7 g/cm<3>, der sammensetningen ytterligere inneholder ammoniumnitratpartikler i en mengde fra 10$ til 70$ av total sammensetning.

2. Sammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at den vandige uorganiske oksideringsmiddelsalt-oppløsningen omfatter vann og uorganisk oksideringsmiddelsalt valgt fra gruppen som består av ammonium og alkalimetall-nitrater og perklorater og jordalkalimetallnitrater og perklorater.

3. Sammensetning ifølge krav 2, karakterisert ved at uorganisk oksideringsmiddelsalt hovedsakelig er ammoniumnitrat.

4. Sammensetningen ifølge krav 3, karakterisert ved at ammoniumnitratoksideringsmiddelsalt er det eneste oksideringsmiddelsaltet som blir anvendt.

5 . Sammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at tykningsmidlet er en guargummi, i en mengde fra 0,2 til 2$.

6. Sammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at tverrbindingsmidlet er et antimonion.

7. Sammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at tverrbindingsmidlet er kaliumpyroantimonat, i en mengde fra 0,001$ til 0,1$.

8. Sammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at drivstoffet er en vann-ikke-blandbar organisk væske.

9. Sammensetning ifølge krav 8, karakterisert ved at den organiske væsken er nr. 2 drivstoffolje.

10. Sammensetning ifølge krav 1, karakterisert ved at den i tillegg inneholder et vann-blandbart drivstoff som en del av oksideringsmiddeloppløsningen.

11. Sammensetning ifølge krav 10, karakterisert ved at det vann-blandbare drivstoffet blir valgt fra gruppen som består av alkoholer, glykoler, amider, urea og analoge nitrogeninneholdende væsker.