Rudarski eksplozivi

Eksplozija

Savremeno rudarstvo, a pogotovo masovna eksploatacija siromašnih metaličnih ležišta, ne bi bila zamisliva bez primene savremenih rudarskih eksploziva. Rudarstvo je privredna grana gde su eksplozivi našli najširu primenu za eksploataciju čvrstih mineralnih sirovina. Ostale privredne grane koriste eksplozive u znatno manjim količinama, pa se zato privredni eksplozivi s pravom nazivaju i rudarski eksplozivi.

Definicija eksplozivnih materija i eksploziva

Znak za opasnost od eksplozivnih materija prema odluci 67/548/EWG Evropskog hemijskog biroa.

Materije koje su sposobne da pri razlaganju oslobode energiju nazivaju se opštim imenom eksplozivne materije ili eksplozivi. Eksplozivi su proste ili složene hemijske materije koje imaju osobinu da se pod uticajem spoljašnjeg podstreka naglo razlože i pređu u gasno stanje. Pri tome se razvija visoka temperatura i pritisak, uz vršenje odgovarajućeg mehaničkog rada.

Da bi materija imala osobinu eksploziva, ona mora da ima sledeće osobine i to:

• da pri eksplozivnom procesu oslobađa veliku količinu energije koja se pretvara u mehanički rad;
• da proces ima veliku brzinu oslobađanja energije;
• da proces eksplozije bude potpun ili delimičan, odnosno da obrazuje velike količine gasova.

Pod eksplozijom se podrazumeva brzo oslobađanje energije koja je sposobna da izvrši određeni rad. Eksplozija može biti izazvana fizičkim, hemijskim ili nuklearnim procesima, a procesi koji se tom prilikom javljaju vezani su za sa velikim brzinama oslobađanja energije. Kao posledica ove velike brzine oslobađanja energije, proces eksplozije kratko traje, pošto su zalihe eksplozivne materije ograničene i veoma brzo se utroše.

Pri razlaganju eksplozivne materije i prelasku u drugo stanje potencijalna energija eksploziva prelazi u kinetičku, uz pojavu velike količine gasova i visoke temperature. Jedna od karakteristika nastale eksplozije je pojava veoma visokog pritiska, za veoma kratko vreme, tako da opterećenje na okolnu stensku masu višestruko prevazilazi dopušteno naprezanje, izaziva u stenama pojavu pukotina i dovodi do razaranja.

Eksplozija se može razvijati u vidu sledećih procesa:

• Fizička - kod koje dolazi samo do fizičkog prevođenja jednog oblika energije u drugi, bez promene hemijskog sastava materije (eksplozija sabijenog vazduha, eksplozija parnog motora, pad meteora,...).
• Hemijska - kod koje dolazi veoma brzo do promene hemijskog sastava materije koja učestvuje u eksploziji. Sve ovo je propraćeno velikom količinom gasova i povećanjem temperature.
• Nuklearna - kod koje dolazi do nuklearne reakcije praćene deobom jezgra atoma, što je sve propraćeno oslobađanjem velike količine toplotne energije. Nuklearne eksplozije su za sada i najjače eksplozije, dok su nuklearne eksplozivne materije i najjači eksplozivi.

Od svih ovih procesa u procesu miniranja najviše se koriste eksplozivi kod kojih dolazi do oslobađanja energije hemijskom reakcijom.

Razlaganje eksplozivnih materija može se vršiti na tri načina:

• Gorenjem
• Termičkim putem
• Detonacijom.

Gorenje (deflagracija) - je proces u kojem se brzina sagorevanja kreće od nekoliko santimetara, pa do više stotina metara u sekundi. Često je ovakav proces praćen plamenom i pojavom visoke temperature. Ovaj vid eksplozivnog razlaganja mnogo zavisi od spoljnih uslova: u otvorenom prostoru obično nije praćen zvučnim efektima; u ograničenoj zapremini, npr. barutnoj komori oruđa, bušotini napunjenoj barutom, ovaj proces se odvija znatno brže, praćen je zvučnim efektima i više ili manje brzim porastom pritiska gasovitih produkata.

Termičko razlaganje - predstavlja laganu reakciju koja se odvija u masi pri zagrevanju eksploziva ispod temperature na kojoj dolazi do eksplozije.

Detonacija - proces u kome se razlaganje materije odvija brzinom većom od brzine zvuka. Hemijska reakcija kod ove vrste eksplozije odvija se izuzetno velikom brzinom, uz veoma veliki pritisak i visoku temperaturu, pri čemu se detonacioni talas kroz eksplozivnu materiju kreće jednom konstantnom brzinom. Brzina razlaganja pri detonaciji eksplozivnih materija dostiže vrednosti od 1000-9000m/s, i zavisi od hemijskog sastava eksploziva, gustine punjenja, prečnika bušotine, obloge patrone i dr. Brzina detonacije kao konstantna vrednost predstavlja jednu od najvažnijih karakteristika svake eksplozivne materije, jer se u uslovima detonacije postiže maksimalno razarajuće dejstvo. Detonacija se razlikuje od sagorevanja po mehanizmu svog prostiranja. Sagorevanje se prenosi kroz eksplozivnu materiju putem predaje toplote i difuzije, a detonacija putem prostiranja detonacionog talasa.

Podela eksploziva

Prema hemijskom sastavu

• Čista hemijska jedinjenja
• Mehaničke smese hemijskih jedinjenja

Čista hemijska jedinjenja predstavljaju eksplozive koji u okviru svog molekula imaju sve neophodne elemente (ugljenik, vodonik, kiseonik, azot) međusobno hemijski vezane u jedinstveni sistem (kao što su trotil, nitroglicen, pentrit, heksogen).

Kod mehaničkih smeša ulazne komponente su samo međusobno pomešane, a same smeše ne predstavljaju hemijsko jedinjenje. Ovakve smeše sadrže sve neophodne elemente za odvijanje odgovarajuće hemijske reakcije i poboljšanje minerskih karakteristika eksploziva.

Prema oblasti primene

Avio bomba

Hemijski eksplozivi se koriste za potrebe:

• Rudarstva - privredni eksplozivi
• Vojske - vojni eksplozivi
• Specijalne svrhe - specijalni eksplozivi

Prema konzistenciji

• Praškasti eksploziv
• Poluplastični eksploziv
• Plastični eksploziv
• Vodoplastični eksploziv
• Granulirani eksploziv
• Presovani eksploziv

Prema brzini razlaganja

• Deflagrantni eksplozivi
• Brizantni eksplozivi

Deflagrantni eksplozivi imaju relativno malu brzinu razlaganja, jer se energija prenosi od sloja do sloja provođenjem toplote. Imaju izrazito potisno dejstvo. Tipičan predstavnik ovih eksploziva je crni barut. Deflagrantni eksplozivi u rudarstvu primenjuju se za izradu sporogorećeg štapina i pri dobijanju ukrasnog kamena.

Brizantni eksplozivi poseduju veoma veliku brzinu razlaganja i do 9000m/s. Brizantni eksplozivi prema načinu upotrebe dele se na:

• primarne brizantne eksplozive i
• sekundarne brizantne eksplozive.

Primarni brizantni eksplozivi koriste se za izradu sredstava za iniciranje. Zahtevaju malu energiju aktiviranja da bi nastupila eksplozija, a veoma su osetljivi na udar, trenje, toplotu, varnicu itd.

Sekundarni brizantni eksplozivi poseduju veoma veliku brzinu razlaganja (do 9000m/s) pri čemu razlaganjem zahvaćeni deo eksplozivne materije naglo prelazi u gasovito stanje, stvarajući visok pritisak i visoku temperaturu. Ovi eksplozivi su manje osetljivi na mehaničke i toplotne uticaje, a aktiviraju se pod dejstvom udarnog talasa izazvanog inicijalnim primarnim eksplozivom.

Karakteristike eksploziva

Karakteristike rudarskih eksploziva zavise od sastava i kvaliteta sirovina za njihovo dobijanje.

Osobine rudarskih eksploziva uglavnom se mogu grupisati u dve osnovne grupe i to:
- fizičko-hemijske osobine i
- tehničko-minerske osobine.

Najvažnije fizičko-hemijske osobine rudarskih eksploziva su: bilans kiseonika, hemijska reakcija razlaganja eksploziva, hemijska stabilnost, vreme iznojavanja eksploziva, osetljivost na iniciranje, temperatura i toplota eksplozije, pritisak eksplozije, gustina patrone, kritični prečnik eksplozivnog punjenja, vodootpornost i dr.
Najvažnije tehničko-minerske osobine rudarskih eksploziva su: radna sposobnost, relativna radna sposobnost, brzina detonacije, brizantnost, osetljivost na udar, prenos detonacije, sigurnost eksploziva na metan i ugljenu prašinu i dr.
Sve navedene fizičko-hemijske i tehničko-minerske osobine eksploziva zavise od sastava i kvaliteta sirovina za proizvodnju eksploziva. Sastav eksploziva mora biti takav da pri eksploziji ne oslobađa štetne gasove ili ostavlja čvrste ostatke.

Određivanje fizičko-hemijskih i tehničko-minerskih osobina eksploziva

Svaki eksploziv ima određene fizičko-hemijske karakteristike na osnovu kojih se određuje kvalitet eksploziva i celishodnost njegove primene u rudarstvu. Ispitivanje tehničko-minerskih osobina rudarskih eksploziva vrši se svakodnevno pri proizvodnji eksploziva na specijalnim poligonima koje poseduju fabrike eksploziva.

Bilans kiseonika

Bilans kiseonika predstavlja razliku količine kiseonika koja se nalazi u sastavu eksploziva (hemijski vezanog) i količine kiseonika koja je potrebna za potpunu oksidaciju (sagorevanje) ugljenika, vodonika i drugih alkalnih metala.
U zavisnosti od toga da li u gasovitim produktima razloženog eksploziva ima molekula kiseonika ili nema, razlikuju se tri slučaja:

• pozitivan bilans kiseonika
• uravnotežen-nulti bilans kiseonika
• negativan bilans kiseonika

Određivanje osetljivosti na iniciranje

Da bi se eksplozivna materija potpuno razložila sa najvećom brzinom detonacije potrebno je stvoriti dovoljno snažan početni inicijalni impuls. Za svaki eksploziv je određena minimalna količina inicijalnog eksploziva koji izaziva njegovo potpuno razlaganje.
Određivanje osetljivosti na iniciranje ima za cilj da se utvrdi koliko je koji eksploziv osetljiv na iniciranje. Ovo je potrebno znati radi sigurnijeg rukovanja i skladištenja eksploziva. Veličina početnog inicijalnog impulsa zavisi i od osetljivosti eksplozivne materije prema spoljašnjim uticajima kao što su: vlaga, gustina patroniranja, homogenost mase i dr.

Radna sposobnost

Radna sposobnost predstavlja snagu koju eksploziv proizvodi pri detonaciji. Eksperimentalno određena radna sposobnost naziva se jačina eksploziva.
Postoji više eksperimentalnih metoda za određivanje radne sposobnosti eksploziva i to:

• metoda proširenja olovnog bloka
• metoda balističkog klatna
• merzer sa oprugom
• podvodne eksplozije
• krater test

Brzina detonacije

Brzina detonacije označava brzinu detonacionog talasa koji se kreće kroz masu eksploziva konstantnom brzinom.

Razorna snaga eksploziva zavisi od brzine detonacije. Ukoliko je brzina detonacije veća razorna snaga eksploziva je veća i obratno. Detonaciona brzina brizantnih eksploziva menja se sa promenom njihove gustine, tj. sa povećanjem gustine povećava se detonaciona brzina, ali ne kod svih.
Brzina detonacije može se odrediti:

• po metodi Dotriša
• optičkim hromatografom
• pomoću oscilografa
• elektronskim brojačem

Prenos detonacije

Prenos detonacije je sposobnost eksploziva da se energija aktiviranja sa udarne patrone prenese na susednu pasivnu patronu eksploziva. Predstavlja maksimalno rastojanje u cm na kome dolazi do potpune detonacije pasivne patrone. Ukoliko je rastojanje na kome dolazi do prenosa detonacije veće, to je eksploziv pouzdaniji pri upotrebi.

Veličina plamena eksplozije

Veličina plamena eksplozije raste sa količinom oslobođene toplote eksplozije. Eksplozivi sa velikom toplotnom eksplozije (dinamiti i crni barut) proizvode veliki plamen, dok oni sa srazmerno malom toplotom eksplozije (amonijumnitratski, metanski eksplozivi i dr.) proizvode mali plamen.

Trajanje plamena eksplozije

Trajanje plamena eksplozije kreće se između 0,0002s 0,25 sekundi i raste sa količinom oslobođene toplote. Veličina i trajanje plamena eksplozije su važne osobine eksploziva za rudnike sa pojavom metana i eksplozivne ugljene prašine.

Toplota eksplozije

Toplota eksplozije je količina toplote koja se oslobodi pri potpunom eksplozivnom razlaganju 1 kg ili 1 mol , pri stalnoj zapremini. Izražava se u kJ/molu ili kJ/kg. Određuje se eksperimentalno pomoću kalorimetra za eksplozive ili računskim putem.

Temperatura eksplozije

Temperatura eksplozije predstavlja maksimalnu temperaturu do koje se pri eksploziji zagreju produkti eksplozije. Zavisi od hemijskog sastava eksploziva i dobijenih produkata ekplozije. Određuje se eksperimentalno spektografskom metodom ili računskim putem.

Pritisak eksplozije

Pritisak eksplozije predstavlja zbir pritiska gasova i pritiska detonacije. Kod brizantnih eksploziva razlikuje se:

• pritisak gasova ostvaren neposredno posle eksplozije eksploziva u određenom prostoru,
• pritisak detonacije ostvaren u sloju eksploziva zahvaćenog talasom detonacije

Granični prečnik eksplozivnog punjenja

Granični prečnik eksplozivnog punjenja predstavlja minimalni prečnik punjenja ispod koga se ne može izazvati detonacija eksploziva. Pri manjem prečniku od graničnog prečnika detonacije, hemijski gubici usled bočnog rasipanja dovode do znatnog smanjenja energije udarnog talasa, a samim tim i brzine proticanja udarnog talasa kroz eksplozivnu masu. Ovako oslabljena energija talasa nije u stanju da izazove hemijsko razlaganje u ostalim delovima eksplozivnog punjenja, pa detonacija prestaje. Male kritične prečnike imaju vrlo osetljivi i jako brizantni eksplozivi.