Rudarsko-geološko-naftni zbornik Vol. 25 UDK 622.235.213 UDC 622.235.213 str. 115-122 Zagreb, 2012. Orginalni znanstveni rad Original scientific paper Language/Jezik:Hrvatski/Croatian BRZINA DETONACIJE EMULZIJSKIH EKSPLOZIVA SMANJENE GUSTOĆE VELOCITY OF DETONATION OF LOW DENSITY EMULSION EXPLOSIVES 1) VINKO ŠKRLEC, 2) VJEČISLAV BOHANEK, 3) ZVONIMIR DEKOVIĆ 1) 2) Rudarsko-geološko-naftni fakultet Sveučilišta u Zagrebu, Pierottijeva 6, HR-10000 Zagreb, Hrvatska 3) Autocesta Zagreb – Macelj d.o.o., Velika Ves bb, 49224 Lepajci, Hrvatska Ključne riječi: eksplozivi smanjene gustoće, emulzijski eksplozivi, gustoća eksploziva, brzina detonacije Key words title: low density explosives, emulsion explosives, density of explosives, velocity of detonation Sažetak Izvođenje miniranja u izgrađenim područjima na malim udaljenostima od objekata postavlja nove zahtjeve za tehnologiju miniranja te svojstva gospodarskih eksploziva, sa svrhom smanjenja seizmičkog utjecaja miniranja. Gospodarski eksplozivi su smjese različitoga kemijskog sastava eksplozivnih i/ili neeksplozivnih tvari. Kemijska i fizikalna obilježja, uz načine iniciranja, okolinu i uvjete primjene, određuju detonacijska i minerska svojstva pojedine vrste gospodarskih eksploziva. Brzina detonacije je jedno od najvažnijih mjerljivih detonacijskih svojstava, koje posredno daje informaciju o oslobođenoj energiji, kvaliteti i primjenjivosti eksploziva za određene namjene. O brzini detonacije ovisi i udio udarnoga djelovanja detoniranoga naboja na stijenu, a time i razina seizmičkoga djelovanja u okolini. Budući da je brzina detonacije proporcionalna gustoći eksploziva, opisana istraživanja provedena su sa svrhom određivanja granične gustoće smjese emulzijskog eksploziva i ekspandiranoga polistirena uz postizanje stabilne detonacije te određivanja zavisnosti brzine detonacije od gustoće smjese. Abstract Blasting operations in built-up areas, at short distances from structures, impose new requirements on blasting techniques and properties of explosives in order to mitigate seismic effect of blasting. Explosives for civil uses are mixtures of different chemical composition of explosive and/or non-explosive substances. Chemical and physical properties, along with means of initiation, environment and the terms of application define detonation and blasting parameters of a particular type of the explosive for civil uses. Velocity of detonation is one of the most important measurable characteristics of detonation parameters which indirectly provide information about the liberated energy, quality of explosives and applicability for certain purposes. The level of shock effect of detonated charge on the rock, and therefore the level of seismic effect in the area, depends on the velocity of detonation. Since the velocity of detonation is proportional to the density of an explosive, the described research is carried out in order to determine the borderline density of the mixture of an emulsion explosive with expanded polystyrene while achieving stable detonation, and to determine the dependency between the velocity of detonation and the density of mixture. 1. Uvod Prilikom detonacije eksplozivnih punjenja minskih bušotina dio energije koji nije utrošen za korisni rad drobljenja stijene djeluje na okolinu u obliku seizmičkoga utjecaja, odnosno potresnog djelovanja, zračnog udarnog vala i odbacivanja odminiranoga materijala. Širenjem urbanih područja i izgradnjom prometne infrastrukture dolazi do sve veće potrebe za opreznim miniranjima, odnosno miniranjima koja svojim djelovanjem s jedne strane, moraju razlomiti stijenu, a s druge strane, što manje oštetiti stjensku masu u kojoj se izvodi miniranje, u svrhu očuvanja fizičko-mehaničkih svojstava te iste stjenske mase i proizvesti što manje štetnih utjecaja na okoliš. U tu se svrhu nastoji proizvesti eksploziv koji bi imao takva detonacijska svojstva tj. minersko-tehnička obilježja koja bi omogućila primjenu na opreznim miniranjima. Civilna je primjena eksploziva, odnosno eksplozivnih tvari, mnogostruka. Koriste se za miniranja u rudarstvu i građevinarstvu, eksploataciji nafte i plina, geološkim istražnim radovima, strojarstvu i brodogradnji, svemirskoj tehnologiji, automobilskoj industriji, poljoprivredi, medicini, u razminiranju, filmskoj umjetnosti i vatrometima. Rudarski (gospodarski, civilni, privredni) eksplozivi su energetski materijali koji eksplozivnom pretvorbom mijenjaju potencijalnu kemijsku energiju u kinetičku energiju udarnih valova i energiju ekspanzije plinovitih produkata kemijske reakcije. Djelovanjem udarnih valova i ekspanzijom plinova one se u obliku mehaničkoga rada troše na drobljenje, pomicanje i odlamanje stjenske mase. 116 Tražena svojstva nalaze se u eksplozivima smanjene gustoće. Osnovno načelo njihovog djelovanja proizlazi iz ovisnosti tlaka detonacije o produktu gustoće i br2 detonacije iskazane u postavkama hidrodinamičke, zine 2Chapman Jouget-ove teorije detonacije. S druge strane, smanjenjem se specifična specifična smanjenjem gustoće eksploziva smanjuje se smanjenjem gustoće eksploziva smanjuje se specifična masa iskazana po jedinici minirane masa punjenja punjenja volumena minirane masa punjenja po jedinici volumena minirane stijene. Na način smanjena količina oslobođene oslobođene stijene. Na taj iskazana je i količina stijene. tajdjeluje način na smanjena jevolumen ivolumen količina oslobođene energijeNa koja djeluje najedinični jedinični stijene čime energije koja stijene čime su energije koja djeluje na jedinični volumen stijene čime su manja i izazvana naprezanja. manja i izazvana naprezanja. su manja i izazvana naprezanja. Smanjenje gustoće eksploziva se Smanjenje gustoće eksploziva postižepostiže se dodavaSmanjenje gustoće eksploziva postiže se dodavanjem materijala eksplozivima koji imaju njem materijala eksplozivima koji imaju značajno manju dodavanjem materijala koji imaju značajnood manju gustoćusamih. odeksplozivima eksploziva samih. gustoću eksploziva Materijali koji Materijali se dodaju značajno manju gustoću od eksploziva samih. Materijali koji se dodaju eksplozivima mogu se svrstati u dvije eksplozivima mogu se svrstati u dvije grupe: inertni makoji se inertni dodaju materijali eksplozivima moguvermakuliti, se svrstati staklene u dvije grupe: (perliti, terijali (perliti, vermakuliti, staklene mikrokuglice i sl.) grupe: inertni imaterijali (perliti, koji vermakuliti, staklene i mikrokuglice sl.) i materijali imaju mogućnost materijali koji imaju mogućnost sagorijevanja, odnosno mikrokuglice i materijali koji imaju mogućnost sagorijevanja, i sl.) odnosno mogućnost sudjelovanja u mogućnost sudjelovanja u kemijskoj reakciji oksidacije sagorijevanja, odnosno mogućnost sudjelovanja u kemijskoj reakciji oksidacije (polistiren, ekspandirani (polistiren, ekspandirani polistiren, poliuretanska pjena, kemijskoj oksidacije ekspandirani polistiren, reakciji poliuretanska pjena,(polistiren, ugljena prašina, drvena ugljena prašina, drvena piljevina, otpaci proizvodnje šepolistiren, poliuretanska pjena, ugljena prašina, drvena piljevina, otpaci proizvodnje šećera, ljuske kikirikija, ćera, ljuske kikirikija, žitarice i sl.). piljevina, otpaci proizvodnje šećera, ljuske kikirikija, žitarice i sl.). žitarice i sl.). oslobođene Količina Količina oslobođene energije pri miniranju ovisi oo Količina oslobođene energije priDetonacijom miniranju ovisi o masi i vrsti korištenog eksploziva. eksplomasi i vrsti korištenog eksploziva. Detonacijom masi ipunjenja vrstipunjenja korištenog eksploziva. eksplozivnog dio ukupne energije utroši se na zivnog dio ukupne energije utrošiDetonacijom se na korisni eksplozivnog punjenja ukupne energije utroši se na korisni mehanički rad.dio Raspoloživa kemijska energija mehanički rad. Raspoloživa kemijska energija eksplokorisni mehanički rad.seRaspoloživa kemijska energijas eksplozivnog punjenja troši se na topline izmjenus topline zivnog punjenja troši na izmjenu okolinom eksplozivnog punjenja troši na izmjenu topline s obavljanje radaseprema nad okolinom prema iokolinom obavljanje irada nad okolinom postavkama prvog okolinom i obavljanje rada nad okolinom prema postavkama prvog glavnog zakona termodinamike. glavnog zakona termodinamike. postavkama prvog glavnog zakona termodinamike. Energija koja se oslobađa prilikom detonacije Energija koja se oslobađa prilikom detonacije eksploEnergija pojavljuje koja se se oslobađa prilikom oblika. detonacije eksploziva u dva osnovna Kao ziva pojavljuje se u dva osnovna oblika. Kao posljedica eksploziva pojavljuje senau detonacijskoj dva osnovnafronti oblika. Kao posljedica visokog tlaka javlja se visokog tlaka na detonacijskoj fronti javlja sejavlja udarna posljedica visokog tlaka detonacijskoj se udarna energija. Ona naprimarno lomifronti stijenu pri energija. Ona primarno stijenu miniranju udarna Ona primarno lomi stijenubudući pri miniranjuenergija. budući da sulomi tlakovi u pri fronti udarnog vala da su tlakovi u fronti udarnog vala mnogostruko veći od miniranju budući su tlakovi čvrstoće u fronti okolne udarnog vala mnogostruko veći da od dinamičke stijene. dinamičke čvrstoće okolne stijene. mnogostruko veći od dinamičke čvrstoće okolne stijene. Tlak detonacije, koji je idealno tlak izreagiranih koji je jeidealno tlaktlak izreagiranih Tlak detonacije, detonacije, kojimože idealno izreagiranih produkata detonacije, se približno izrazitiprose produkata detonacije, može se približno izraziti se dukata detonacije, može se približno izraziti se prema prema obrascu 1: prema 1: obrascuobrascu 1: ఘ௩ మ (1) ୢ ൌ ఘ௩ସౚమ ౚ (1) (1) ୢ ൌ ସ gdje je: je: gdje gdje je: detonacije tlak detonacije (Pa), (Pa), ppdd-- tlak tlak detonacije (Pa),(kg/m33), pρd - gustoća eksploziva ρ - gustoća eksploziva (kg/m3 ), ρvd- -gustoća eksploziva(m/s). (kg/m ), brzina detonacije brzina detonacije detonacije (m/s). (m/s). vvdd -- brzina Za potpuno napunjene minske bušotine pokazalo se minske bušotine pokazalo sese da napunjene minske bušotine pokazalo da Za je potpuno tlak kojinapunjene djeluje na stjenku bušotine polovica je tlak koji djeluje na stjenku bušotine polovica detonacijda je tlak kojitlaka djeluje na stjenku polovica detonacijskog odnosno (Perssonbušotine et al. 1994): skog tlaka odnosno (Persson (Persson et al. 1994): detonacijskog tlaka odnosno et al. 1994): ఘ௩ మ (2) ୠ ൌ ఘ௩ ౚమ (2) ଼ (2) ୠ ൌ ౚ ଼ gdje je: je: gdje gdje je: koji djeluje na stjenku bušotine (Pa). tlak p b p - tlak koji djeluje na stjenku bušotine (Pa). pbb - tlak koji djeluje na stjenku bušotine (Pa). Iz obrasca 2 vidljivo je da tlak koji djeluje na stjenku Iz obrasca obrasca vidljivo je da da tlak tlakukoji koji djeluje na stjenku Iz 22 vidljivo je djeluje bušotine te izazvana naprezanja stijeni ovisena i ostjenku brzini izazvana naprezanja u stijeni ovise i o brzini bušotine te izazvana naprezanja u stijeni ovise i o brzini detonacije eksploziva i njegovoj gustoći. detonacije eksploziva i njegovojo gustoći. Ovisnost brzine detonacije gustoći može se izraziti Ovisnost brzinedokazanom detonacije ovezom gustoćiprema može obrascu se izraziti3 eksperimentalno eksperimentalno (Silva, 2007). dokazanom vezom prema obrascu 3 (Silva, 2007). (3) ݒୢ ൌ ݔ ݕή ߩ (3) ݒୢ ൌ ݔ ݕή ߩ gdje su: gdje su: ఘ௩ౚ మ Prva istraživ gustoće počela s Ta su se rana gdje je: gustoće ANF pb - tlak koji djeluje na stjenku bušotine (Pa). materijala manje eksploziv, s obzi Iz obrasca 2 vidljivo je da tlak koji djeluje na stjenku za pripremu eks Rud.-geol.-naft. zb., Vol. 2012. bušotine te izazvana naprezanja u stijeni ovise i o 25, brzini su usmjerena na V. Škrlec, V. Bohanek, iZ.njegovoj Deković: Brzina detonacije emulzijskih... detonacije eksploziva gustoći. jednostavno prip Ovisnost brzine detonacije o gustoći može se izraziti Ovisnost brzine detonacije o gustoći može se izrazi- komercijalno isp eksperimentalno dokazanom vezom prema obrascu 3 ti eksperimentalno dokazanom vezom prema obrascu 3 1996). (Silva, 2007). Heltzen & K (Silva, 2007). Rud.-geol.-naft. zb., Vol. 25, 2012. polistiren ANFO Rud.-geol.-naft. zb., Vol. 25, 2012. V. Škrlec. V. Bohanek, Z. Deković,: Brzina detonacije emulzijskih… (3) (ݒ3) ୢ ൌݔݕήߩ omjerima. Doka V. Škrlec. V. Bohanek, Z. Deković,: Brzina detonacije emulzijskih… ANFO/ekspandir x, - eksperimentalno određene konstante za gdje gdjeysu: su: x,x, yy - eksperimentalno - eksperimentalno određene konstante za omjeru 5:95%, eksplozivnu tvar. određene konstante za eksploeksplozivnu zivnu tvar. tvar. Kako se udarni val udaljava od središta eksplozije, Kako se udarni val udaljava središta smanjuju, eksplozije,a tako se njegova amplituda tlaka od i energija Kako se udarni val udaljavai od središta eksplozije, tako se val njegova energija a udarni prelaziamplituda u elastičnitlaka val. Drugi obliksmanjuju, energije je tako se njegova amplituda tlaka i energija smanjuju, udarni val prelazi u elastični val. Drugi oblik energije je energija ekspanzije plinova detonacije koji uzrokujua udarni val prelazi u elastični val. Drugi oblik energija ekspanzije plinova detonacije koji energije uzrokuju naprezanja u stijeni frakturiranoj djelovanjem udarnogje energijaDaljnja ekspanzije plinova detonacije kojipokretanje uzrokuju nanaprezanja u stijeni frakturiranoj djelovanjem udarnog vala. ekspanzija omogućuje i prezanja u stijeni frakturiranoj djelovanjempokretanje udarnog vala. vala. Daljnja ekspanzija omogućuje i neželjeno odbacivanje miniranoga materijala. Daljnja ekspanzija pokretanje i s neželjeno neželjeno odbacivanje miniranoga Ekspanzija traje doomogućuje izjednačavanja tlaka materijala. tlakom Ekspanzija traje do izjednačavanja tlaka s tlakom odbacivanje miniranoga materijala. Ekspanzija traje do okolnog zrak. okolnog zrak. gustoće izjednačavanja tlaka s tlakom okolnog zrak. te udjela Smanjenje i brzine detonacije Smanjenje gustoće ibrzine brzinedetonacije te sastava udjela udarnog djelovanja se detonacije smjesama Smanjenje gustoće iizvodi te udjela udarudarnog djelovanja izvodi se smjesama sastava baziranog na postojećim gospodarskim eksploziva nog djelovanja izvodi se smjesama sastava baziranoguz na baziranog nagospodarskim postojećim gospodarskim uz dodatak polistirena i ekspandiranog polistirena. postojećim eksploziva uz eksploziva dodatak polistidodatak polistirena i ekspandiranog polistirena. postojećih gospodarskih eksploziva za renaIzmeđu i ekspandiranog polistirena. Izmeđugustoće postojećih gospodarskih eksploziva za sniženje odabran je emulzijski eksploziv. Između postojećih gospodarskih eksploziva za snižesniženje odabran emulzijski eksploziv. Emulzijskigustoće eksplozivi, uz je ANFO-eksplozive, imaju nje gustoće eksplozivi, odabran je emulzijski eksploziv. Emulzijski Emulzijski uz ANFO-eksplozive, imaju mogućnost velikoga sniženja gustoće i, za razliku od eksplozivi, uz ANFO-eksplozive, imaju mogućnost mogućnost velikogavodootporni sniženja gustoće za pogodni razliku veliod ANFO-eksploziva, pa su i,zato za koga sniženja gustoće i, za od ANFO-eksploziva, vodootporni su ANFO-eksploziva, zato pogodni za miniranja u uvjetima kad je razliku vodapa prisutna u bušotinama. vodootporni pa eksplozivi su zato za miniranja u uvjetima miniranja u uvjetima kadpogodni je voda prisutna usmjese bušotinama. Emulzijski su koloidne nitrata kad je voda prisutna u bušotinama. Emulzijski eksplozivi su koloidne smjese otopljenih u vodi, disperziranih u uljnojnitrata fazi. Emulzijski eksplozivi su koloidne nitrata otootopljenih u se vodi, disperziranih uobliku uljnoj fazi. Senzibiliziraju mjehurićima zraka usmjese staklenih Senzibiliziraju mjehurićimau zraka ufazi. obliku staklenih pljenih u vodi,sedisperziranih uljnoj Senzibiliziraju mikrokuglica, granuliranog amonijevog nitrata ili mikrokuglica, amonijevog nitrata ili se mjehurićima u obliku staklenih glinenih kuglicagranuliranog –zraka perlita. U sastavu nemajumikrokuglica, samostalno glinenih kuglica – perlita. nitrata UEmulzijski sastavu nemaju samostalno eksplozivnih sastojaka. eksplozivi su granuliranog amonijevog ili glinenih kuglica – pereksplozivnih sastojaka. Emulzijski eksplozivi su vodootporni, osjetljivi na inicijalni impuls lita. U sastavudjelomično nemaju samostalno eksplozivnih sastojaka. vodootporni, djelomično na inicijalni impuls rudarske kapice br. 8. su osjetljivi Emulzijski eksplozivi vodootporni, djelomično osjetrudarske kapice br. 8. emulzijski eksplozivi su tipbr. emulzije vode ljiviOpćenito, na inicijalni impuls rudarske kapice 8. emulzijskieksplozivi eksplozivi su su tip emulzije vode u Općenito, ulju. Emulzijski mješavina dviju Općenito, emulzijski eksplozivi su tip emulzije uotopina. ulju. Uljna Emulzijski eksplozivi su mješavina dviju faza je kontinuirana, a vodena je vode u ulju. Emulzijski eksplozivi su mješavina faza dviotopina. faza je kontinuirana, a vodena (otopina Uljna anorganskih soli) dispergirana. Da jebifaza se ju otopina. Uljna faza je kontinuirana, a vodena je faza (otopina soli) sedispergirana. bi se osigurala anorganskih stabilnost, dodaje emulgator u Da količini od (otopina anorganskihdodaje soli) se dispergirana. bi se od osiosigurala emulgator uDakoličini 1% do 3%stabilnost, (Ester, 2005). gurala stabilnost, dodaje se emulgator u količini od 1% do (Ester, U 3% radu je 2005). prikazan način smanjenja gustoće 1% do 3% (Ester, 2005). U radu je prikazan način smanjenja gustoće emulzijskih eksploziva ekspandiranim polistirenom te je radu eksploziva jemjerenja prikazanekspandiranim načindetonacije smanjenja emulemulzijskih polistirenom te je dan Upregled brzine i gustoće prikazana je zijskih eksploziva ekspandiranim polistirenom te je dan dan pregled mjerenja brzine detonacije i prikazana je ovisnost brzine detonacije o gustoći eksploziva ovisnost brzine brzine detonacije o igustoći pregled mjerenja detonacije prikazanaeksploziva je ovisnost smanjene gustoće. smanjene gustoće. o gustoći eksploziva smanjene gustoće. brzine detonacije 2. Pregled dosadašnjih istraživanja eksploziva 2. Pregled dosadašnjih istraživanja eksploziva smanjene gustoćeistraživanja i mogućnosti primjene 2. Pregled dosadašnjih eksploziva smasmanjene gustoće i mogućnosti primjene njene gustoće i mogućnosti primjene Prva istraživanja na razvoju eksploziva smanjene Prva počela istraživanja na godina razvoju20-og eksploziva gustoće su 70-ih stoljećasmanjene u Rusiji. istraživanja na razvoju eksploziva gugustoće 70-ih godina temeljila 20-og stoljeća u Rusiji. Ta Prva su počela se ranasu sitraživanja nasmanjene smanjenju stoće počela su 70-ih godina 20-og stoljeća u Rusiji. Ta Ta su se rana sitraživanja temeljila na smanjenju gustoće ANFO-eksploziva dodavanjem raznih su se rana sitraživanja temeljila na smanjenju gustoće gustoće ANFO-eksploziva dodavanjem raznih materijala manje gustoće. Smatralo se je da je ANFOmaterijala manje gustoće. Smatralo se je da je ANFOANFO-eksploziva dodavanjem raznih materijala manje eksploziv, s obzirom da ima najmanju gustoću, idealan eksploziv, s obzirom ima najmanju gustoću, gustoće. Smatralo se da je da je ANFO-eksploziv, s idealan obzirom za pripremu eksploziva smanjene gustoće. Istraživanja za eksploziva gustoće. su usmjerena na gustoću, razvojsmanjene eksploziva koji biIstraživanja se mogao dapripremu ima najmanju idealan za pripremu eksploziva su usmjerena na razvoj koji biina serazvoj mogao jednostavno pripremiti naeksploziva mjestu upotrebe koji bi bio smanjene gustoće. Istraživanja su usmjerena ekjednostavno na mjestu i koji biet bio komercijalnopripremiti isplativ (Rock et al.,upotrebe 2005, Baranov al., komercijalno isplativ (Rock et al., 2005, Baranov et al., 1996). 1996). Heltzen & Kure (1980) dodavali su ekspandirani Heltzen ANFO-eksplozivu & Kure (1980) dodavali su ekspandirani polistiren u različitim volumnim polistiren u različitim volumnim omjerima. ANFO-eksplozivu Dokazao je mogućnost detonacije smjese omjerima. Dokazao jepolistiren mogućnost detonacije smjese ANFO/ekspandirani (EPS) u volumnom ANFO/ekspandirani polistiren čemu je omjeru 5:95%, gustoće 0,18 (EPS) g/cm3, uprivolumnom omjeru 5:95%, gustoće 0,18 g/cm3, pri čemu je ୠ ൌ ଼ (2) Rud.-geol.-naft. zb., Vol. 25, 2012. V. Škrlec, V. Bohanek, Z. Deković: Brzina detonacije emulzijskih... sploziva koji bi se mogao jednostavno pripremiti na mjestu upotrebe i koji bi bio komercijalno isplativ (Rock et al., 2005, Baranov et al., 1996). Heltzen & Kure (1980) dodavali su ekspandirani polistiren ANFO-eksplozivu u različitim volumnim omjerima. Dokazao je mogućnost detonacije smjese ANFO/ekspandirani polistiren (EPS) u volumnom omjeru 5:95%, gustoće 0,18 g/cm3, pri čemu je izmjerena brzina detonacije od 1600 m/s. Ispitivanja su provođena u čeličnim cijevima promjera Ø 35 mm, a eksploziv je iniciran detonatorom. Rezultat njegovih istraživanja je novi eksploziv komercijalnog imena Isanol. Isanol je smjesa ANFO-eksploziva i granula EPS-a u volumnom omjeru 10:90 sa stabilnom brzinom detonacije oko 1750 m/s. Armstrong & Moxon (1991) miješali su tri vrste matrice emulzijskoga eksploziva s neekspandiranim polistirenom ili s perlitom. Mješavine matrice i polistirena gustoće 0,80 g/cm3 postizale su brzine detonacije od 3300 m/s do 3900 m/s, a mješavine matrice i perlita gustoće od 0,80 g/cm3 postizale su brzine detonacije od 3000 m/s do 3300 m/s za uzorke promjera Ø 100 mm. Jackson (1993) je miješao granule amonij-nitrata i kuglice EPS-a s vodenim gelovima (vodena otopina nitrata senzibilizirana nitroderivatima) u različitim volumnim omjerima i na taj način smanjio gustoću eksploziva s početnih 1,35 g/cm3 na gustoće od 0,4 g/cm3 do 0,7 g/cm3. Mjerenja brzine detonacije provođena su u PVC-cijevima promjera Ø 100 mm i Ø 200 mm. Izmjerene brzine detonacije kretale su se od 2400 m/s do 3000 m/s. Takav eksploziv smanjene gustoće nazvao je vodeni gel male snage (engl. Low Strength Watter Gel Explosive). Beach et al. (2004) ispitivali su mješavine ANFO-eksploziva s ljuskama pšenice gustoće 0,56 g/cm3 mjerenjem brzine detonacije u bušotinama u stijeni sa sljedećim rezultatima: • 2700 m/s - 3200 m/s za promjer bušotine Ø 200 mm, • 2800 m/s - 3400 m/s za promjer bušotine Ø 311 mm. Rock (2004) je proizveo i patentirao eksploziv smanjene gustoće, koji je nazvao SoftLOAD. U različitim volumnim omjerima je smiješao Heavy-ANFO s ljuskama riže, te je dobio eksploziv s rasponom gustoća od 0,45 g/cm3 do 1,25 g/cm3. Eksploziv za tržište proizvodi „LD Corporation“. Silva (2007) je kao sredstvo za smanjenje gustoće eksploziva koristio kuglice EPS-a koje su obložene tankim slojem amonij-nitrata te ih je nazvao LDRA (engl. Low Density Reactive Agent) i pod tim ih nazivom patentirao. Njih je miješao s ANFO-eksplozivom u različitim omjerima i takav eksploziv je koristio za smanjenje oštećenja konturne površine nakon otpucavanja eksplozivnoga punjenja konturnih bušotina. Mješavina je primijenjena u rudniku Chuquicamata prilikom konturnih miniranja te se je, mjereći brzinu seizmičkih valova i pregledavajući završnu kosinu nakon miniranja, došlo do zaključka da 117 dolazi do manjega oštećenja u podnožju kosine u odnosu na konturna miniranja konvencionalnim gospodarskim eksplozivima. Mjerio je brzinu detonacije LDRA, smjese LDRA i ANFO-eksploziva u volumnim omjerima 50:50% i 70:30%, smjese LDRA i perlita u volumnim omjerima 50:50% i 60:40%. Za promjer bušotine Ø 311 mm dobio je rezultate koji su prikazani u tablici 1. Tablica 1. Rezultati mjerenja (Silva, 2007) Table 1. Measurement results (Silva 2007) Vrsta eksplozivne tvari/Type of Explosive Materials Brzina detonacije/ Velocity of Detonation, v1 (m/s) Gustoća/ Density, ρ (g/ cm3) LDRA 2400 0,20 LDRA:ANFO 50:50 3500 0,49 LDRA:ANFO 70:30 3200 0,37 1580 0,13 1215 0,11 LDRA:perlit 50:50 LDRA:perlit 40:60 3. Mjerenja brzine detonacije emulzijskih eksploziva smanjene gustoće Zahtjevi norme HRN EN 13631-14:2004: Eksplozivi za civilnu uporabu. Jaki eksplozivi.14. dio: Određivanje brzine detonacije (EN 13631-14:2004) primijenjeni su kao osnova za mjerenje brzine detonacije. Ispitivanja su provedena u Laboratoriju za ispitivanje eksplozivnih tvari Rudarsko-geološko-naftnog fakulteta, akreditiranom prema normi HRN EN ISO/IEC 17025:2007. 3.1. Lambrex 1 Lambrex 1 je emulzijski eksploziv proizvođača Austin Powder GmbH iz Republike Austrije. Pakira se u patronama promjera Ø 35 mm, Ø 55 mm i Ø 65 mm. Osjetljiv je na inicijalni impuls rudarske kapice br. 8. Minerskotehnički podaci prema specifikaciji proizvođača prikazani su u tablici 2. Tablica 2. Minersko-tehnički podaci za Lambrex 1 prema specifikaciji proizvođača Table 2. Technical ����������������������������������������������������������� specifications according to manufacturer for Lambrex 1 Lambrex 1 gustoća patroniranja bilanca kisika specifična energija brzina detonacije (Ø 65 mm) volumen plinova 1,2 g/cm3 +2,3 % O2 765 kJ/kg 5500 m/s 910 L/kg Rud.-geol.-naft. zb., Vol. 25, 2012. V. Škrlec, V. Bohanek, Z. Deković: Brzina detonacije emulzijskih... 118 Gustoća Lambrexa 1 je određena eksperimentalno prema zahtjevima norme HRN EN 13631-13:2003: Eksplozivi za civilnu uporabu. Jaki eksplozivi. 14. dio: Određivanje gustoće (EN 13631-13:2003) i iznosi 1,25 g/cm3. Struktura emulzijskoga eksploziva Lambrex 1, snimljena mikroskopom Dino-Lite Pro s uvećanjem od 500 puta, prikazana je na slici 1. Slika 2. Zrnca granuliranog EPS-a (1,5 mm - 3,5 mm, 50×) Figure 2. Grains of granulated EPS-a (1,5 mm - 3,5 mm, 50×) Slika 1. Struktura Lambrexa 1 (500×) Figure 1. Structure of Lambrex 1 (500×) 3.2. Ekspandirani polistiren (EPS) Za smanjenje gustoće emulzijskih eksploziva korišten je ekspandirani polistiren (EPS) u granulama i mehanički usitnjen, koji je proizvelo tehnologijom suspenzijske polimerizacije poduzeće DIOKI. Veličina zrnaca EPS-a u granulama je 1,5 mm do 3,5 m, a gustoća mu je 0,019 g/m3. EPS je mehanički usitnjen mlinom za rezanje RETSCH SM200 te je prosijan na sitima od 0,5 mm, 0,25 mm, 0,18 mm i 0,1 mm, a gustoća EPS-a je eksperimentalno određena na isti način kao i gustoća eksploziva. Gustoće za pojedinu veličinu zrnaca su prikazane u tablici tablici 3. Zrnca granuliranog EPS-a, snimljena mikroskopom Dino-Lite Pro s uvećanjem od 50 puta, prikazana su na slici slici 2, a zrnca mehanički usitnjenog EPS-a veličine od 0,25 mm do 0,18 mm, snimljena mikroskopom Dino-Lite Pro s uvećanjem od 500 puta, prikazana su na slici slici 3. Tablica 3. Gustoća EPS-a Table 3. Density of EPS Veličina zrnaca (mm) Gustoća EPS-a (g/cm3) +0,5 0,103 0,5-0,25 0,109 0,25-0,18 0,110 0,18-0,1 0,120 -0,1 0,151 Slika 3. Zrnca granuliranog EPS-a (0,25 mm - 0,18 mm, 500×) Figure 3. Grains of mechanically chopped EPS-a (0,25 mm - 0,18 mm, 500×) 3.3. Postav mjerenja Brzina detonacije eksplozivnoga punjenja izrađenih mješavina mjerena je elektrooptičkom metodom elektroničkim satom Explomet-Fo-2000. Uređaj ima mogućnost mjerenja brzine detonacije na pet segmenata. Metodom se mjeri vrijeme između dvije točke koje je potrebno fronti detonacijskoga vala da prijeđe udaljenost između njih. Na osnovi izmjerenoga vremena i poznate udaljenosti izračunava se brzina. Točnost mjerenja vremena iznosi ± 0,1 μs na ukupno trajanje do 10 000 μs. Eksplozivno punjenje je bilo postavljeno u čelične cijevi unutarnjeg promjera Ø 16 mm i Ø 20 mm i duljine 100 mm. Brzina detonacije mjerena je na 2 segmenta s po 3 osjetila koja su bila na jednakim udaljenostima od 30 mm. Shematski prikaz postava mjerenja prikazan je na slici 4, a fotografija na slici 5. Izmjerena je brzina detonacije na 10 uzoraka eksploziva u čeličnim cijevima unutarnjega promjera Ø 16 mm i 10 uzoraka eksploziva u čeličnim cijevima unutarnjeg promjera Ø 20 mm. Rud.-geol.-naft. zb., Vol. 25, 2012. V. Škrlec, V. Bohanek, Z. Deković: Brzina detonacije emulzijskih... Gustoća eksploziva je smanjena na način da se je eksplozivu dodavao EPS, granulirani i mehanički usitnjen, u različitim volumnim omjerima. Volumni omjeri su 50:50, 40:60, 30:70, 20:80, 10:90 i 5:95, pri čemu prvi broj predstavlja postotak volumena eksploziva, a drugi broj postotak volumena EPS-a. Za svaku mješavinu ispitano je po 5 uzoraka za svaki omjer eksploziv : EPS u oba promjera cijevi. 119 S obzirom da je došlo do većega rasipanja rezultata mjerenja na prvom segmentu, a što se može pripisati blizini mjesta iniciranja, odnosno utjecaju inicijalnoga sredstva na brzinu detonacije eksplozivne tvari, ti rezultati nisu dani u tablici i nisu prikazani dijagramima. Rezultati mjerenja brzine detonacije na drugom segmentu su ujednačeni i smatraju se relevantnima za iskazivanje ovisnosti brzine detonacije o gustoći eksplozivnoga punjenja te su dani u tablici 4 i prikazani dijagramima na slikama 8 i 9. Mješavina emulzijskoga eksploziva s EPS-om u granulama u volumnom omjeru 40 % eksploziva i 60% EPSa, snimljena mikroskopom Dino-Lite Pro s uvećanjem od 50 puta, prikazana je na slici 6, a mješavina emulzijskoga eksploziva s mehanički usitnjenim EPS-om u volumnom omjeru 40 % eksploziva i 60% EPS-a, snimljena mikroskopom Dino-Lite Pro s uvećanjem od 500 puta, prikazana je na slici 7. Slika 4. Shematski prikaz postava mjerenja Figure 4. Measurement scheme Kazalo: 1 – električni vodiči, 2 – električni detonator, 3 – čelična cijev s eksplozivnom tvari, 4 – osjetila (svjetlovodi), 5 – elektronički sat. Slika 6. Eksploziv/EPS (1,5 mm - 3,5 mm) 40/60, 50× Figure 6. Explosive/EPS (1,5 mm - 3,5 mm) 40/60, 50× Slika 5. Fotografija postava mjerenja Figure 5. Photography of a measurement scheme 3.4.Rezultati mjerenja Srednje vrijednosti mjerenja brzina detonacije za eksploziv sam i za svaki volumni omjer smjese eksploziva i EPS-a dane su u tablici 4. Ovisnost brzine detonacije o gustoći eksplozivnoga punjenja čelične cijevi unutarnjeg promjera Ø 16 mm za svako pojedino mjerenje prikazana je dijagramom na slici 8, a dijagramom na slici 9 za mjerenja u čeličnim cijevima unutarnjega promjera Ø 20 mm. Slika 7. Eksploziv/EPS (0,25 mm - 0,18 mm) 40/60, 500× Figure 7. Explosive/EPS (0,25 mm - 0,18 mm) 40/60, 500× Rud.-geol.-naft. zb., Vol. 25, 2012. V. Škrlec, V. Bohanek, Z. Deković: Brzina detonacije emulzijskih... 120 Tablica 4. Rezultati mjerenja Table 4. Measurement results Vrijeme/ Vrsta eksplozivne tvari/Type of Explosive Time, t1 (µs) Materials Brzina detonacije/ Velocity of Detonation, v1 (m/s) Gustoća/ Density, ρ (g/cm3) Vrijeme/ Time, t2 (µs) ø 16 mm Brzina detonacije/ Velocity of Detonation, v2 (m/s) Gustoća/ Density, ρ (g/cm3) ø 20 mm Lambrex 1 8,9 3366 1,250 8,7 3491 1,250 Lambrex 1 + EPS 1,5-3,5 mm 50/50 13,3 2275 0,640 11,6 2646 0,642 Lambrex 1 + EPS 1,5-3,5 mm 40/60 14,1 2155 0,521 12,3 2319 0,520 Lambrex 1 + EPS 1,5-3,5 mm 30/70 15,1 2022 0,398 14,0 2175 0,399 Lambrex 1 + EPS 1,5-3,5 mm 20/80 15,6 1878 0,277 15,9 1915 0,277 Lambrex 1 + EPS 1,5-3,5 mm 10/90 21,3 1398 0,155 21,5 1430 0,156 Lambrex 1 + EPS -0,1 mm 50/50 9,1 3258 0,769 9,3 3243 0,771 Lambrex 1 + EPS -0,1 mm 40/60 10,3 2906 0,675 10,3 2911 0,675 Lambrex 1 + EPS -0,1 mm 30/70 13,1 2270 0,579 - - - Lambrex 1 + EPS 0,18-0,1 mm 50/50 10,4 2892 0,793 9,7 3086 0,792 Lambrex 1 + EPS 0,18-0,1 mm 40/60 11,4 2616 0,701 10,6 2816 0,701 Lambrex 1 + EPS 0,18-0,1 mm 30/70 13,6 2202 0,609 - - - Lambrex 1 + EPS 0,25-0,18 mm 50/50 10,1 3023 0,803 9,7 3142 0,802 Lambrex 1 + EPS 0,25-0,18 mm 40/60 10,9 2750 0,713 - - - Lambrex 1 + EPS 0,5-0,25 mm 50/50 10,4 2925 0,793 10,0 3049 0,792 Lambrex 1 + EPS 0,5-0,25 mm 40/60 12,3 2519 0,701 12,1 2480 0,701 Lambrex 1 + EPS +0,5 mm 60/40 - - - 10,8 2834 0,916 Čelična cijev / Steel Pipe Ø 16 mm, L = 100 mm 4000 Lambrex 1 Lambrex 1 + EPS 1,5-3,5 mm 50/50 Brzina detonacije / Velocity of Detonation (m/s) 3500 Lambrex 1 + EPS 1,5-3,5 mm 40/60 Lambrex 1 + EPS 1,5-3,5 mm 30/70 3000 Lambrex 1 + EPS 1,5-3,5 mm 20/80 Lambrex 1 + EPS 1,5-3,5 mm 10/90 2500 Lambrex 1 + EPS -0,1 mm 50/50 Lambrex 1 + EPS -0,1 mm 40/60 2000 Lambrex 1 + EPS -0,1 mm 30/70 Lambrex 1 + EPS 0,18-0,1 mm 50/50 1500 Lambrex 1 + EPS 0,18-0,1 mm 40/60 Lambrex 1 + EPS 0,18-0,1 mm 30/70 1000 Lambrex 1 + EPS 0,25-0,18 mm 50/50 Lambrex 1 + EPS 0,25-0,18 mm 40/60 500 0 0,000 Lambrex 1 + EPS 0,5-0,25 mm 50/50 Lambrex 1 + EPS 0,5-0,25 mm 40/60 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 Gustoća / Density (g/cm3 ) Slika 3. Rezultati mjerenja u čeličnim cijevima unutarnjega promjera Ø 16 mm Figure 3 Measurement results in steel pipe of inner diameter Ø 16 mm 1,200 1,400 Rud.-geol.-naft. zb., Vol. 25, 2012. V. Škrlec, V. Bohanek, Z. Deković: Brzina detonacije emulzijskih... 121 Čelična cijev / Steel Pipe Ø 20 mm, L = 100 mm 4000 Lambrex 1 Lambrex 1 + EPS 1,5-3,5 mm 50/50 Brzina detonacije / Velocity of Detonation (m/s) 3500 Lambrex 1 + EPS 1,5-3,5 mm 40/60 Lambrex 1 + EPS 1,5-3,5 mm 30/70 3000 Lambrex 1 + EPS 1,5-3,5 mm 20/80 Lambrex 1 + EPS 1,5-3,5 mm 10/90 2500 Lambrex 1 + EPS -0,1 mm 50/50 Lambrex 1 + EPS -0,1 mm 40/60 2000 Lambrex 1 + EPS 0,18-0,1 mm 50/50 Lambrex 1 + EPS 0,18-0,1 mm 40/60 1500 Lambrex 1 + EPS 0,25-0,18 mm 50/50 Lambrex 1 + EPS 0,5-0,25 mm 50/50 1000 Lambrex 1 + EPS 0,5-0,25 mm 40/60 Lambrex 1 + EPS +0,5 mm 60/40 500 0 0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 Gustoća / Density (g/cm3 ) 1,200 1,400 Slika 4. Rezultati mjerenja u čeličnim cijevima unutarnjega promjera Ø 20 mm Figure 4 Measurement results in steel pipe of inner diameter Ø 20 mm 4. Analiza rezultata i zaključak Iz tablice 4 je vidljivo da najniža gustoća smjese kod koje se postiže stabilna brzina detonacije iznosi 0,155 g/ cm3 za uzorke ispitivane u cijevima unutarnjega promjera Ø 16 mm, odnosno 0,156 g/cm3 za uzorke ispitivane u cijevima unutarnjega promjera Ø 22 mm. Takva gustoća je postignuta kod miješanja eksploziva s granuliranim EPSom veličine zrnaca od 1,5 mm do 3,5 mm. Kod miješanja eksploziva s mehanički usitnjenim EPS-om najniža gustoća kod koje se postiže stabilna brzina detonacije iznosi 0,579 g/cm3 za uzorke ispitivane u cijevima unutarnjega promjera Ø 16 mm, odnosno 0,675 g/cm3 za uzorke ispitivane u cijevima unutarnjega promjera Ø 22 mm. Obje gustoće su postignute prilikom miješanja EPS-a veličine zrnaca ispod 0,1 mm. Najmanje sniženje gustoće, s početnih 1,25 g/cm3 na krajnjih 0,916 g/cm3, ostvareno je kod mehanički usitnjenoga EPS-a veličine zrnaca iznad 0,5 mm, i to kod volumnoga omjera eksploziv:EPS 50:40. Iz dijagrama na slici 4 vidljivo je da smjesa eksploziv-EPS (+0,5 mm) u volumnom omjeru 60:40 postiže manju brzinu detonacije u odnosu na ostale smjese, bez obzira što ima veću gustoću od njih. To se može objasniti oblikom i veličinom zrnaca EPS-a. Za razliku od EPS-a u granulama, čija zrnaca imaju pravilan oblik kugle, zrnca mehanički usitnjenoga EPS-a su nepravilnih oblika. Kuglasti oblik zrnaca omogućava pravilnije raspoređivanje eksploziva oko samih zrnaca, a time i bolju homogeniza- ciju smjese. Eksploziv je, u tom slučaju, pravilno raspoređen unutar volumena uzorka. Iz dijagrama na slikama 3 i 4 vidljivo je da smjese istih ili približno istih gustoća, kada je upotrijebljen mehanički usitnjen EPS za sniženje gustoće, a većih zrnaca, imaju nešto nižu brzinu detonacije. S obzirom na nepravilan oblik zrnaca i distribuciju eksploziva između njih, dolazi prekida kontakta i prekida detonacije. Granulirani EPS, iako većih zrnaca u odnosu na mehanički usitnjeni EPS, pokazao se kao bolje sredstvo za snižavanje gustoće emulzijskih eksploziva. U cijevima manjega promjera izmjerena je brzina detonacije kod smjesa manje gustoće nego u cijevima većeg promjera. Može se zaključiti da s najmanjom postignutom gustoćom smjese emulzijskih eksploziva s ekspandiranim polistirenom od 0,155 g/cm3 se postiže stabilna brzina detonacije za uzorke u cijevima promjera Ø 16 mm i Ø 20 mm duljine 100 mm. Literatura Armstrong, L. W., Moxon, N.,T. (1990): Low Shock Energy Emulsion Based Wet Hole Explosives; 3rd International Symposium on Rock Fragmentation by Blasting. 45-53. Brisbane. Baranov, E.G., Vedin, A.T., Bondarenko, I.F., (1996). Mining and Industrial Applications of Low – density Explosives. A.A.BALKEMA, 116 pp, Rotterdam. 122 Beach, F., Gribble, D., Littleafair, M., Rounsley, R., Testrow, I., Wiggin, M. (2004). Blastlite – The practical Low Density Solution. in Proceedings Explo 2004, 147-151 ,The Australasian Institute of Mining and Metallurgy: Melbourne. Ester, Z. (2005): Miniranje I.: eksplozivne tvari, svojstva i metode ispitivanja. Rudarsko–geološko–naftni fakultet, 176 pp, Zagreb. Heltzen, A. M. And Kure, K., (1980). Blasting with ANFO/polystyrene mixtures, in Proceedings ISEE Annual Conference, pp 105-116, Cleveland. Jackson, M. M., (1993): Low strength water gel explosive, in Proceedings ISEE Annual Conference, pp 493-499 (The International Society of Explosives Engineers: Cleveland) 493-501. Persson, P., Holmberg, R., Lee, J. (1993): Rock Blasting and Explosives Engineering, CRC Press, Boca Raton, 264 Rock, J, (2004): Improving blasting outcomes using Softload low-density explosives, in Proceedings Explo 2004, 153-158 , The Australasian Institute of Mining and Metallurgy: Melbourne. Rock, J., Maurer, A., Pereira, N., (2005): Coming of Age for Low-Density Explosives. Coal 2005: Coal Operators’ Conference, University of Wollongong & the Australasian Institute of Mining and Metallurgy, 175–182. Brisbane. Silva G.C.O, (2007): Development, Characterization and Application af a Reactive Bulking Agent for Wall Control. Disertacija. Queen’s University Kingston, pp 370, Ontario. VELOCITY OF DETONATION OF LOW DENSITY EMULSION EXPLOSIVES Blasting operations in built-up areas, at short distances from structures, impose new requirements on blasting techniques and properties of explosives in order to mitigate seismic effect of blasting. For this purpose there is trying to produce low density explosive with such prop- Rud.-geol.-naft. zb., Vol. 25, 2012. V. Škrlec, V. Bohanek, Z. Deković: Brzina detonacije emulzijskih... erties and blasting-technical characteristics that could be applied for blasting with mitigation of seismic influence. Lowering density of explosives is achieved by adding materials that have a significant lower density than the explosives themselves. Emulsion explosives are chosen from existing civil explosives for lowering the density. Density of explosives is lowered with adding expanded polystyrene, granular and mechanically chopped on smaller pieces, at different volume ratios. Volume ratios are 50:50, 40:60, 30:70, 20:80, 10:90 and 5:95, with the first number represents the percentage of the volume of explosives and the second one represents the percentage of expanded polystyrene. Explosives for civil uses are mixtures of different chemical composition of explosive and/or non-explosive substances. Chemical and physical properties, along with means of initiation, environment and the terms of application define detonation and blasting parameters of a particular type of the explosive for civil uses. Velocity of detonation is one of the most important measurable characteristics of detonation parameters which indirectly provide information about the liberated energy, quality of explosives and applicability for certain purposes. The level of shock effect of detonated charge on the rock, and therefore the level of seismic effect in the area, depends on the velocity of detonation. Since the velocity of detonation is proportional to the density of an explosive, the described research is carried out in order to determine the borderline density of the mixture of an emulsion explosive with expanded polystyrene while achieving stable detonation, and to determine the dependency between the velocity of detonation and the density of mixture.
© Copyright 2024 Paperzz
