УДК 504.3.06 | ОЦЕНКА ВЫБРОСОВ ЯДОВИТЫХ ГАЗОВ В АТМОСФЕРУ ПРИ ВЗРЫВЕ КОНВЕРСИОННЫХ ПОРОХОВ И ИХ СМЕСЕЙ С АММИАЧНОЙ СЕЛИТРОЙ |
, , | |
Горный институт АН Грузии, Тбилиси | |
Встановлено, що в епіцентрі вибуху пірокселинового пороху 9/7, балістичного пороху НДТ-3-19/1 та ракетного палива РСТ-4ДО, через 3 хвилини після завершення процесу детонації, вміст в атмосфері отруйних газів у тисячі і десятки тисяч разів перевищує гранично допустимі концентрації. При вибуху сумішей цих порохів з аміачною селітрою в пропорції, що забезпечує нульовий кисневий баланс, концентрація СО зменшується в 7-81 разів, а концентрація NO2 – у 2-55 разів. Робота виконана в рамках проекту G-1086 за фінансової підтримки Міжнародного науково-технічного центра (МНТЦ). | |
Установлено, что в эпицентре взрыва пирокселинового пороха 9/7, баллистичекого пороха НДТ-3-19/1 и ракетного топлива РСТ-4К, через 3 минуты после завершения процесса детонации, содержание в атмосфере ядовитых газов в тисячи и десятки тысяч раз превышает предельно допустимые концентрации. При взрыве смесей этих порохов с амиачной селитрой в пропорции, обеспечивающей нулевой кислородный баланс, концентрация СО уменьшается в 7-81 раз, а концентрация NO2 – в 2-55 раз. Работа выполнена в рамках проекта G-1086 при финансовой поддержке Международного научно-технического центра (МНТЦ). |
Боеприпасы с истекшим сроком годности, которые в огромном количестве накапливаются на военных складах разных стран, подлежат уничтожению взрывом или сжиганием. Однако независимо от способа уничтожения существует реальная опасность катастрофического загрязнения среды выбросами продуктов неполного сгорания углерода, азота и других веществ. Поетому в последние годы ведутся работы по утилизации этих боеприпасов с целью полезного использования их частей в различных отраслях экономики. Например, пироксилиновые и баллиститные пороха, извлекаемые из боеприпасов, могут быть использованы в качестве промышленных взрывчатых веществ в процесе добычи полезных ископаемых [1,2]. Судя по скудным литературным данным, экологические аспекты этого мероприятия недостаточно излучены, нет также научно обоснованной методики исследования газообразных проудктов детонации конверсионных порохов и их смесей с аммиачной селитрой (АN). В работе [1] имеются лишь данные о качественно-количественном составе газовой смеси при открытом сжигании нитроцеллюлозы и ее смеси с нитроглицерином, которые являются основ-
© , , , , 2005 |
ными компонентами пироксилиновых и баллиститных порохов на летучем и труднолетучем растворителях, содержащихся в артиллерийских снарядах. Но эти данные не могут быть отнесены к характеристикам проудктов детонации в виду существенных различий тепло-химических параметорв горения и взрыва.
При лабораторном изучении состава продуктов детонации пользуются методом взрыва испытуемого взрывчатого вещества в вакууме в бомбах Бихеля или Долгова с последущим отбором и анализом проб газовой смеси. Однако данная методика еще в середине прошлого века подвергалась справедливой критике специалистов в виду того, что в ней не воспроизводились истинные условия взрывания. Результаты анализа проб были искаженными и часто на их основе в шахты допускались взрывчатые вещества, образующие большое количество ядовитых газов, и отбраковывались вполне приемлемые взрывчатые соединения [3,4]. Кроме того, использование этого метода применительно к утилизированным порохам не представляется возможным, так как последние не взрываются в малых зарядах.
Известна также методика, основанная на взрывании опытных зарядов в глухой изолированной горной выработке [4]. В связи с этим нами рассматривалась возможность проведения испытаний в подземной взрывной камере Горного института Академии наук Грузии. Однако сквозная естественная вентилация и большой объем камеры (1460 м3) исказили бы информациию о кенцентрации продуктов детонации в виду интенсивного разбрасывания газов взрыва струей свежего воздуха. Кроме того этот метод не исключает недостатки, присущие испытаниям взрывчатых веществ в стальных бомбах, в частности он не учитывает влияния химческого состава и физического состояния взрываемой среды на состав продуктов детонации.
Данная работа является попыткой усовершенствовать методику исследований и восполнить имеющиеся пробелы в части оценки выбросов в окружающую среду ядовитых газов при взрыве зарядов взрывчатых веществ, в том числе конверсионных порохов и их смесей с аммиачной селитрой.
Исследования выполнены в рамках проекта G-1096 при финансовой поддержке МНТЦ.
Принимая во внимание отмеченные недостатки известных методов оценки выбросов продуктов детонации, было принято решение о проведении исследований состава газов взрыва одиночных котловых зарядов испытуемых взрывчатых соединений в условиях карьерного полигона. Экспериментальные взрывы проводились на известковом карьере Каспского цементного завода (Грузия). Химический состав взрываемой среды: SiO2 – 4,01 – 4,11 %, Al2O3 – 1,37 – 1,38 %, Fe2O3 – 1,14 – 1,17 %, CaO – 51,24 – 51,28 %, MgO – 0,02 – 0,04 %, естественная влажность 0,8-1,0%.
Взрывались сухие скважины глубиной 10-12 м и диаметром – 250 мм. В каждой скажине проводилось по два-три последовательных взрыва экспериментальных зарядов массой 10 - 45 кг. В качестве зарядов примениялись ANFO-игданит (эталонное взрывчатое вещество), пироксилиновый порох 9/7, баллиститный порох НДТ-3-19/1 и твердое ракетное топливо РСТ-4К, а также смеси этих конверсионных порохов с аммиачной селитрой. Пробы газообразных продуктов взрыва отбирались через 3 минуты после взрыва из устья скважин. Состав газов определялся объемным методом, анализы проб проведены на сухие газовые смеси, без учета присутствия паров воды. Результаты анализа проб представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав газообразных продуктов детонации при взрыве ANFO,
конверсионных порохов их смесей с аммиачной селитрой
Тип взрывчатого вещества | Характеристика заряда | Массовая доля компонентов (по объему) % | |||||||||
кислородный баланс, ± % | мас-са, кг | CО2 | О2 | СО | СН4 | Н2 | Н2S | SO2 | оксиды азота в пересчете на NО2 | N2 | |
ANFO | 0 | 20 | 0,1 | 20,4 | 0,005 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,0 | 0,0005 | 79,4945 |
40 | 0,1 | 20,5 | 0,0005 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,0 | 0,0001 | 79,4885 | ||
Пироксилиновый порох 9/7 | - 28,6 | 10 | 0,7 | 17,7 | 2,0 | 0,00 | 0,4 | 0,00 | 0,0 | 0,05 | 79,195 |
20 | 1,0 | 18,4 | 1,0 | 0,00 | 0,45 | 0,00 | 0,0 | 0,053 | 79,095 | ||
45 | 7,7 | 14,0 | 18,8 | 1,85 | 6,77 | 0,00 | 0,0 | 0,1 | 50,78 | ||
60% АN + 40% ПП 9/ 7 | + 0,56 | 10 | 1,3 | 18,7 | 0,5 | 0,00 | 0,35 | 0,00 | 0,0 | 0,053 | 79,095 |
35 | 2,3 | 14,7 | 2,6 | 0,00 | 1,2 | 0,00 | 0,0 | 0,001 | 79,199 | ||
Баллиститный порох НДТ-3-19/1 | - 37,25 | 10 | 0,7 | 19,2 | 1,0 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,0 | 0,0005 | 79,0995 |
20 | 0,1 | 20,5 | 0,1 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 1,0 | 0,0001 | 78,3 | ||
35 | 1,0 | 17,0 | 2,5 | 0,00 | 0,3 | 0,1 | 0,1 | 0,001 | 79,0995 | ||
Ракетное топливо РСТ-4К | - 24 .. .. -28 | 10 | 1,0 | 14,9 | 3,0 | 0,00 | 1,0 | 0,00 | 0,0 | 0,005 | 80,095 |
35 | 9,2 | 11,2 | 24,4 | 5,00 | 10,3 | 0,00 | 0,0 | 0,01 | 39,89 | ||
55% АN + 45% PCT-4K | +0,23. … -1,49 | 10 | 0,1 | 20,5 | 0,1 | 0,1 | 0,00 | 0,00 | 0,0 | 0,0005 | 79,1995 |
45 | 1,1 | 19,1 | 0,3 | 0,00 | 0,35 | 0,00 | 0,0 | 0,005 | 79,9145 |
Как видно из таблицы 1, в экспериментальных взрывах применялись смеси конверсионных порохов с аммиачной селитрой, кислородный баланс которых был близок к нулевому. Предполагалось, что после взрыва этих смесей качественный состав продуктов детонации будет удовлетворять условно полного сгорения всех компронентов. Имелось в виду, что углерод окислится до углекислоты, водород – до воды, а азот и избыток кислорода выделятся в элементарном виде. Реально же, как показали данные таблицы 1, имели место отклонения от указанной схемы в двух направлениях: во-первых при высокой температуре взрыва азот частично соединился с кислородом, образуя оксиды азота, и во вторых, – происходила диссоциация углекислоты и воды с образованием устойчивых продуктов - кислорода и монооксида углерода. В качестве ядовитых газов в продуктах детонации кроме монооксида углерода присутствуют и оксиды азота. Примечательно, что содержание элементарного азота во всех пробах почти одинаково, кроме проб отобранных после взрыва ПП 9/7 (35 кг) и РСТ-4К (35 кг). При взрыве пироксилинового пороха 9/7 и ракетного топлива РСТ-4К резко возрасло содержание монооксида углерода (18,8 и 24,4% соответственно), метана (6,77 и 10,3%) и элементарного водорода (6,77 и 10,3%). В случае взрыва НДТ-3-19/1 в продуктах детонации обнаруживаются соединения Н2S и SO2.
Пересчет концентраций ядовитых газов на массовые доли и сравнение их с допустимыми концентрациями (ПДК) (таблица 2) показали, что в эпицентре взрыва, конверсионных порохов и ракетного топлива содержание ядовитых газов в продуктах детонации в тысячи и десятки тысяч раз превосходят допустимые нормы. Добавка к ним аммиачной селитры обеспечивает существенное снижение концентраций ядовитых газов. Так, в случае 60% АN + 40% ПП 9/7 концентрация СО уменшилась в 7,23 раза, а при взрывании смесей, состоящих из 55% АN + 45% РСТ-4К – в 81,33 раза, содержание оксидов азота снизилось соответственно в 55 и 2 раза.
Таблица 2 - Концентрация ядовитых газов в продуктах детонации при взрыве
экспериментальных зарядов
Тип взрывчатого вещества | Масса заряда, кг | Концентрация ядовитых газов, г/м3 | Превышение предельно допус- тимой нормы (ПДК), количество раз | ||||||
СО | NO2 | H2S | SO2 | СО | NO2 | H2S | SO2 | ||
ANFO | 20 | 0,0625 | 0,01 | 0 | 0 | 12,5 | 117,64 | - | - |
45 | 0,00625 | 0,002 | 0 | 0 | 1,25 | 23,53 | - | - | |
Пироксилиновый порох 9/7 | 10 | 25,0 | 0,103 | 0 | 0 | 5000 | 1211,8 | - | - |
20 | 12,5 | 1,13 | 0 | 0 | 2500 | 13294 | - | - | |
45 | 235 | 2,05 | 0 | 0 | 47000 | 24117,6 | - | - | |
60% АN + 40% ПП 9/7 | 10 | 6,25 | 1,13 | 0 | 0 | 1250 | 13394 | - | - |
35 | 32,5 | 0,103 | 0 | 0 | 6500 | 1211,76 | - | - | |
Баллиститный порох НДТ-3-19/1 | 10 | 12,5 | 0,0103 | 0 | 0 | 2500 | 121,18 | - | - |
20 | 1,125 | 0,002 | 0 | 28 | 250 | 23,53 | - | 56000 | |
35 | 31,25 | 0,002 | 1,52 | 2,8 | 6256 | 1211,76 | 190000 | 5600 | |
Ракетное топливо РСТ-4К | 10 | 3,75 | 0,103 | 0 | 0 | 750 | 1211,76 | - | - |
35 | 305,0 | 0,205 | 0 | 0 | 61000 | 2411,8 | - | - | |
55% АN + 45% РСТ-4К | 10 | 1,25 | 0,0103 | 0 | 0 | 250 | 121,18 | - | - |
45 | 3,75 | 0,103 | 0 | 0 | 750 | 1211,8 | - | - | |
Примечание: ПДК (максимально разовая) СО-5,0 мг/м3, NO2 – 0,085 мг/м3, Н2S – 0,008 мг/м3, SO2 – 0,5 мг/м3 |
Резкое снижение концентрации ядовитых газов при взрыве конверсионных порохов в смеси с аммиачной селитрой является существенным фактором обеспечения безопасности ведения горных работ в карьерах.
С другой стороны, данные таблица 2 свидетельствует о том, сколь опасно, с точки зрения загрязнения окружающей среды, уничтожение устаревших боеприпасов методом взрывния.
Следует отметить, что оксиды азота с течением времени самопроизвольно окисляются до NO2, который либо поглащается влагой с образованием азотной и азотистой кислот, оседающих в виде капелек на поверхности отбитой горной массы, либо как и монооксид углерода, остается в воздухе. В связи с этим в ближайщее время будут выполнены исследования по определению растояния от эпицентра взрыва, на котором содержание ядовитых газов в атмосфере и в отбитной горной массе будет соответствовать ПДК.
Перечень ссылок
1. , , «Промышленные взрывчатые вещества на основе утилизированных боеприпасов». М. : Недра, 1998, 317 с.
2. Sergo Khomeriki, Rudolf Mikhelson, Hossein Tudeshki Development of а technology and industrial explosives based on utilized ammunition. Vorld of Mining, 4/2005, GPMB Medienverlag 264-269.
3. Ядовитые газы при подземных взрывных работах. М.: Недра, 1966, 94 с.
4. Взрывные работы. М., Углетехиздат, 1958, 351 с.
S. K. Khomeriki, R. V. Mihelson, N. Sh. Shekriladze, N. D. Kukuladze | RATING OF EMISSIONS OF POISONOUS GASES IN AN ATMOSPHERE AT EXPLOSION OF CONVERSION GUNPOWDERS AND THEIR MIXES WITH AMMONIAC SALTPETER |
Mining institute of АN of Georgia | |
Is established, that at the centre of explosion пирокселинового of gunpowder 9/7, ballistics of gunpowder НДТ-3-19/1 and rocket fuel РСТ-4К, in 3 minutes after end of process of a detonation, the contents in an atmosphere of poisonous gases in thousand and tens thousand time exceeds extreme allowable concentration. At explosion of mixes of these gunpowders with ammoniac saltpeter, in a proportion providing zero oxygen balance, concentration CO decreases at 7-81 times, and concentration NO2 – at 2-55 times. The work is executed within the framework of the project G-1086, at financial support of the International scientific and technical centre (ISТC). |
Поступила в редколлегию 06 ноября 2005 г.
Рекомендовано членом редколлегии канд. техн. наук
