AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZAIM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE

WYDZIAŁ GÓRNICTWA I GEOINŻYNIERII

KATEDRA GEOMECHANIKI, BUDOWNICTWA
I GEOTECHNIKI

GEOTECHNIKA I BUDOWNICTWO SPECJALNE

Technologia strzelnicza w budownictwie

PROJEKT:

"Sprawozdanie z zajęć terenowych w CLTSiMW w Regulicach."

Prowadzący: mgr inż. Michał Dworzak

Autor: Bartłomiej Urbanek

GiBS,gr2
Rok akademicki: 2014/2015

Wstęp

Zajęcia laboratoryjne w Stacji Badawczej Centralnego Laboratorium Techniki Strzelniczej i Materiałów Wybuchowych AGH w Regulicach odbyły się dnia 19.05.2015r.

Zajęcia miały na celu praktyczne oraz teoretyczne zapoznanie studentów ze stosowanymi w górnictwie materiałami wybuchowymi, podstawowymi składnikami materiałów wybuchowych mieszaninowych, a także stosowanym sprzętem strzałowym, środkami inicjującymi oraz zapalającymi.

Wstęp teoretyczny

Materiały wybuchowe – są to substancje chemiczne stałe lub ciekłe lub mieszaniny substancji zdolne do reakcji chemicznej z wytwarzaniem gazu o takiej temperaturze i ciśnieniu i z taką szybkością, że mogą powodować zniszczenia w otaczającym środowisku, a także wyroby wypełnione MW.

Wyrobami wypełnionymi MW to np.:

• Naboje MW

• Ładunki osiowo-kierunkowe

• Łączniki powierzchniowe

• Rurki detonujące

Związkami chemicznymi w MW mogą być:

• Estry kwasu azotowego (nitrogliceryna, nitroceluoza),

• Nitrozwiązki (trotyl, heksogen, tetryl),

• Sole kwasu azotowego (saletra potasowa i amonowa),

• Pochodne kwasu chlorowego i nadchlorowego.

Materiały wybuchowe mieszaninowe - grupy:

1. Składniki tlenonośne (azotany amonu, sodu i potasu oraz saletra amonu, sodu i potasu) – zwiększają zawartość mikro molekuł gazów, które w czasie przebiegu reakcji ulegają sprężaniu adiabatycznemu i w efekcie zwiększają siłę MW w danym ośrodku. Ponadto w obrębie ładunków stanowią one wtórne miejsca inicjacji. Saletra jest najczęściej chroniona.

2. Składniki palne (produkty rafinacji ropy naftowej: oleje, smary, gacze, parafiny oraz sproszkowany węgiel, sadza, pył grafitowy, mączka paździerzowa i drzewna, pył lub proszek glinowy) – zasadnicza rola to podnoszenie temperatury w czasie przebiegu reakcji, co skutkuje szybszym i intensywniejszym wydzieleniem gazów z ładunków stanowiących kluczowy element odpowiadający za pracę mechaniczną wykonywaną przez MW,

3. Składniki uczulające – mieszaniny wybuchowe uczulane są przez:

a. Dodatek związków chemicznych o właściwościach wybuchowych (nitroceluloza, nitroglikol, nitrogliceryna, nitrozwiązki aromatyczne jak TNT i DNT),

b. Dodanie palnych składników niewybuchowych (pył lub proszek glinowy, pył lub proszek magnezowy, mączka drzewna),

c. Nagazowanie: fizyczne (rozmieszczenie w masie MW najczęściej szklanych mikrokuleczek wypełnionych gazem) oraz chemiczne (dodanie do matrycy MW określonych substancji, które rozkładają się lub reagują wydzielając drobinki gazu, do czasu ich wytworzenia matryca nie ma zdolności do detonacji),

1. Korektory własności – ich zadaniem jest skorygowanie określonych własności mieszaniny,

2. Dodatki: barwniki.

Przykłady MW:

1. Saletrol – saletra amonowa ok. 95% (sztucznie porowacona) oraz 5% oleju napędowego lub innego paliwa. Wrażliwa na wilgoć, ładowana do suchych otworów (w przypadku mokrych należy zastosować specjalny rękaw foliowany). Jako dodatek stosuje się guar-gum (pęcznieje i zabezpiecza przed H2O) oraz pył aluminiowy poprawiający właściwości wybuchowe,

2. Saletrot – saletra (ok. 80%) +trotyl (20%). Starannie wymieszany saletrot jest znacznie silniejszy od trotylu. Stosowany tylko w otworach suchych.

3. Ergodyn - zawiera od 15 do 40% zżelowanych nitro estrów, składniki palne i tlenonośne w formie zmielonej,

4. Emulsyjne – o obniżonej zawartości wody (LWC), zawierają roztwór saletry(nasycony lub przesycony) oraz emulatory, co utrzymuje konsystencję emulsji. Uczulane poprzez nagazowanie, co czyni je zdolnymi do detonacji,

5. Hydroamonity – zawiesinowe, zawierają ok. 10% wody i roztwór saletry, a także uczulacze wybuchowe (głównie trotyl), wymagają silnego inicjatora.

Środki inicjujące – to związki chemiczne o własnościach wybuchowych, służące do zainicjowania MW. Do ich produkcji wykorzystuje się bardzo wrażliwe związki chemiczne tj. azydek ołowiu, pentryt, heksogen.

Rodzaje środków inicjujących:

• Lont detonujący

• Spłonki

• Zapalniki elektryczne

• Zapalniki nieelektryczne (wewnątrzotworowe)

• Zapalniki elektroniczne

Ładunki kumulacyjne kierunkowe - wypełnione heksogenem (charakteryzującym się dużą prędkością detonacji) z wgłębieniem kumulacyjnym zawierającym miedź, co wzmaga efekt kumulacji. Powstaje strumień detonacji, który w swoim przewężeniu wyzwala efekt niszczący.

Konektor – mini zapalnik, opóźniacz łączący przewody, zabudowany plastikowym korpusem (kolor określa czas opóźnienia).

Środki zapalające – to środki służące pośrednio do zainicjowania MW.

Do środków zapalających należą:

• Lonty wolnopalne,

• Zapalacze lontowe

• Zespoły zapalcze zapalników elektrycznych.

Górnicze zapalniki elektryczne (GZE) dzieli się na:

• Grupy (w zależności od stopnia bezpieczeństwa wobec metanu i/lub pyłu węglowego):

  1. W - węglowe, które spełniają odpowiednie wymagania bezpieczeństwa wobec mieszaniny pyłu węglowego z powietrzem, kolor przewodu niebieski

  2. M- metanowe, które spełniają odpowiednie wymagania bezpieczeństwa wobec mieszaniny metanu i/lub pyłu węglowego z powietrzem, kolor przewodu biały,

  3. S – skalne, dla których nie normuje się bezpieczeństwa wobec mieszaniny metanu i/lub pyłu węglowego z powietrzem, kolor przewodu czerwony

• klasy (w zależności od stopnia bezpieczeństwa wobec prądu elektrycznego):

  1. 0.20 – o bezpiecznym natężeniu prądu 0.20A , przewód koloru żółtego,

  2. 0.45 - o bezpiecznym natężeniu prądu 0.45A , przewód koloru brązowego,

  3. 2.0 - o bezpiecznym natężeniu prądu 2.0A , przewód koloru zielonego,

  4. 4.0 - o bezpiecznym natężeniu prądu 4.0A , przewód koloru czarnego.

• Rodzaje (w zależności od czasu zadziałania):

  1. U – mikrosekundowe (pon. 1ms)

  2. N – natychmiastowe (0-10ms)

  3. M – milisekundowe (o nominalnym czasie zadziałania stopnia pierwszego 11-100 ms)

  4. P – półsekundowe (o nominalnym czasie zadziałania stopnia pierwszego 0,5s)

• Typy (w zależności od dodatkowych właściwości)

  1. C – ciśnienieoodporne – odporne na ciśnienie pow. 9.8 kPa

  2. T – termoodporne – odporne na temp. Powyżej 50˚C.

Prezentacja środków i sprzętu strzałowego

W trakcie zajęć zostały umówione środki strzałowe oraz sprzęt strzałowy. Wpierw omówiono składniki materiałów wybuchowych mieszaninowych (takie jak np. saletra amonowa, trotyl, nitrogliceryna, nitroglikol, oleje czy proszek glinowy). Następnie zostały przedstiawione i omówione środki inicjujące, zapalające oraz sprzęt strzałowy.

Kolejną częścią zajęć było zaprezentowanie działania gumy guar. Po dodaniu jej do roztworu z saletry i wody nastąpiło odseparowanie saletrolu od wody.

W czterech probówkach umieszczono zmienną ilość guargumu:

1. 0.2% – pierwszy cylinder miarowy od prawej, widać dokładnie, że cały materiał wybuchowy przesiąknął wodą, brak możliwości zdetonowania

2. 2% – drugi cylinder miarowy od prawej, również cały materiał wybuchowy przesiąknął wodą, brak możliwości zdetonowania

3. 4% – trzeci cylinder miarowy od prawej, część materiału wybuchowego została przesiąknięta wodą, jednak istnieje strefa, która pozostała szczelna (biała część w cylindrze), mogą powstać niewypały w przypadku zainicjowania mieszanki

4. 8% – pierwszy cylinder miarowy od lewej, przesiąknięta została niewielka część materiału wybuchowego, można założyć, że materiał wybuchowy jest szczelny, istnieje możliwość detonacji.

Skład MW

Wizyta w składzie materiałów wybuchowych była kolejną częścią wyjazdu terenowego.

Przedstawione zostały wymagania, jakie stawiane są konstrukcji składu MW:

• pancerne drzwi wejściowe

• uwarunkowane przepisami instalacje: grzewcze, wentylacyjne, elektryczne

• przepisowa instalacja odgromowa

• podręczne środki gaśnicze

• składy podzielone na 8 klas najmniejszy to 250kg a największy 50t

Wyposażenie składu:

• termometr i higrometr

• spis wszystkich znajdujących się w składzie środków wybuchowych

• spis osób uprawnionych do pobierania i wydawania materiałów wybuchowych

• podłoże wyłożone gumą – by zapobiec ewentualnemu zaiskrzeniu

• 2 oddzielne pomieszczenia: jedno na materiały wybuchowe i drugie na zapalniki, spłonki

• pomieszczenia wyłożone drewnem są za drzwiami pancernymi

• materiały są przechowywane w opakowaniach transportowych: pudło kartonowe o masie do 25kg z naklejoną kartą informacyjną oraz z numerem opakowania

W celu administracji MW istnieje tzw. książka obrotu, która zawiera:

• materiały wybuchowe

• nazwiska osób upoważnionych do pobierania MW

• nazwiska wydawców

• symbole MW

• podpisy

• dzień przyjazdu towaru

• osoba, która po nie pojechała

• osoba, która przyjmuje do składu

• nazwa wytwórni

• wszystkie cechy MW

• wydania i zwroty

Przeprowadzone doświadczenia

Spalanie próbek materiałów wybuchowych

Doświadczenie polegało na spaleniu bez detonacji czterech różnych materiałów wybuchowych tj. trotyl, MW plastyczny, dynamit i pentryt.

Wnioski:

• Trotyl – topienie następuje w pierwszej fazie, zmienia kolor na czarny. Później następuje spalenie. Można stwierdzić, że trotyl posiada ujemny bilans tlenowy, ponieważ podczas spalania pojawia się ciemny dym

• Heksagon – najpierw następuje później szybko spalenie dużym płomieniem. Zerowy topienie, bilans tlenowy z powodu braku dymu

• MW plastyczny - najpierw następuje później szybko spalenie dużym płomieniem, brak dymu

• Ergodyn – trudny do spalenia, spalanie w wolny, charakterystyczny sposób

Wahadło balistyczne

Badaniu poddane zostały dwa MW: heksagon oraz ergodyn. Ładunkiem wzorcowym był heksagon. Normowa masa ładunku wynosiła 10 g. MW umieszczony był w moździerzu wahadła. Moździerz zamykany jest pociskiem, który był wyrzucany z dużą prędkością. Z drugiej strony moździerza znajdował się otwór, przez który doprowadzane były przewody zapalnika elektrycznego. Zapalnik został połączony z linią strzałową, a ta z zapalarką kondensatorową. Detonacja ładunku sprawiała, że MW powodował pracę i powodował odchylenie wahadła. Dla każdego MW został zmierzony kąt wychylenia wahadła.

Następnie został określony stosunek wykonanej pracy na wahadle balistycznym w wyniku detonacji 10g ładunku badanego materiału wybuchowego do pracy wykonanej przez ładunek wzorcowego materiału wybuchowego, wyrażony w procentach.

Zdolność do wykonania pracy (czyli skuteczność) obliczamy ze wzoru:

gdzie:

α_BMW -kąt wychylenia wahadła badanego materiału wybuchowego

α_MWW -kąt wychylenia wahadła wzorcowego materiału wybuchowego (heksogenu)

Rodzaj i masa MW	Wychylenie wahadła balistycznego	Skuteczność MW [%]
Trotyl 10g	14°00'	72,13
Ergodyn 10g	15°30'	88,32
Heksogen 10g	16°30'	100

Porównanie siły wybuchu ładunku kumulacyjnego i udarowego

Badanie polegało na zdetonowaniu ładunku kumulacyjnego heksogenu o masie 32 g o grubości 60 mm. Ładunek udarowy o masie 160 g, którym była kształtka wykonana z sprasowanego trotylu umieszczona była na blaszce stalowej o grubości 15 mm. Zainicjowanie odbyło się za pomocą lontu detonacyjnego, zainicjowanego przez zapalnik elektryczny skalny. Ładunek udarowy był inicjowany takim samym ładunkiem. Ładunki zostały połączone szeregowo.

Ładunek kierunkowy (udarowy) wykonał niewielki otwór w blaszce (60 mm) oraz spowodował kilkucentymetrowe wgłębienie w podłożu.

Ładunek udarowy nie przebił płytki na wylot. Spowodował on lekkie wgłębienie w płytce. Ładunek spowodował również oderwanie małego kawałka materiału płytki od strony podłoża. Powierzchnia oderwanej części była większa niż powierzchnia wgnieciona.

Badanie wielkości średnicy krytycznej dla saletrolu

Próba polega na wyznaczeniu najmniejszej średnicy materiału wybuchowego, dla której materiał detonuje.

Po zdetonowaniu saletrolu zaobserwowano, że materiał wybuchowy w cylindrze o średnicy 16.4 [mm] zdetonował jedynie w połowie. Zatem wartość średnicy krytycznej ustalono jako równą 21.4 [mm].

Wrażliwość na zainicjowanie

W rurze o średnicy wewnętrznej 70.6[mm] i długości 500[mm] poddano próbie zainicjowania saletrol. Zastosowano ładunek pośredni w postaci kształtki trotylowej. Do inicjacji zastosowano zapalnik elektryczny. Wynik doświadczenia: 5 [cm] niezdetonowanego saletrolu pozostało w rurze. Wniosek: moc zapalnika była zbyt mała, by zainicjować ten ładunek.

Budowa sieci strzałowej nieelektrycznej

Doświadczenie polegało na zdetonowaniu 5 sztuk dynamitu połączonych równolegle. Wybuch zainicjowano stosując nieelektryczny sposób inicjowania - lont detonacyjny. Sposób połączenia z ładunkiem: lont przeciągnięto przez ergodyn i zawiązano na obu końcach. Przy podłączaniu pamiętano o zachowaniu maksymalnego kąta odchylenia lontu odchodzącego na poziomie 30°÷45° oraz o tym, żeby trasy lontów się nie krzyżowały ze sobą. Kolejne lonty łączono ze sobą skręcając je na niewielkiej długości. Wszystkie ładunki zdetonowały.

Zauważono, że nastąpiło przesunięcie w czasie detonacji dwóch pierwszych oraz pozostałych trzech ładunków. Opóźnienie było wynikiem zastosowania konektora 25 ms oraz zapalnika nieelektrycznego (500 ms), co dało sumaryczne opóźnienie 525 ms. Pozostałe trzy ładunki opóźnione zostały poprzez konektor 109 ms oraz zapalnik nieelektryczny 500 ms, co w sumie daje opóźnienie 609 ms.

Budowa sieci strzałowej elektrycznej

Doświadczenie polegało na zdetonowaniu 9 sztuk ergodynu (o masie 125g i średnicy φ25) połączonych szeregowo. Zastosowano elektryczny sposób inicjowania ładunków. Użyto zapalniki klasy 0.45A, z opóźnieniem 500[ms]. Wszystkie ładunki zdetonowały.

Podsumowanie

Zajęcia terenowe umożliwiły zapoznanie się z materiałami wybuchowymi oraz z ich zastosowaniem. Poznano uproszczoną metodę otrzymywania materiałów wybuchowych w laboratorium. Następnie przedstawiony został skład materiałów wybuchowych oraz wymagania, jakie się stawia tego typu obiektom. Ostatnią częścią wyjazdu były doświadczenia związane z detonacją MW. Zaobserwowano, że odpowiednio przygotowana porcja MW np. ładunek udarowy zdecydowanie efektywniej pełni swoją funkcje. Doświadczenia wieńczy nauka tworzenia sieci strzałowej, która zakończyła się powodzeniem.