unit2 ทำวัตถุระเบิด

Bulk blasting agents

5

บทที่ 2

Bulk Blasting Agents 2.1 Introduction

Blasting agent เปนของผสมทางเคม ี(a chemical mixture) ซึ่งมีคุณสมบัติดังนีคื้อ 1. ไมมีสวนผสมที่เปนวัตถุระเบิด 2. ไมสามารถจุดระเบิดดวย gap เบอร 8 ในพืน้ที่เปดโลง (unconfined state)

ขอดี สะดวกในการขนสง เกบ็รักษาและโยกยาย

Blasting agent สวนใหญ จะมี Ammonium nitrate (AN) เปนสวนประกอบสําคัญ Bulk explosive จะมีคุณสมบัติตรงกันขามกับที่กลาว ในการจุดระเบิด (Detonation) ของ Blasting agent ตองการวตัถุระเบิดแรงสูง เปนตัวกระตุน (primer)

2.1.1 คุณลักษณะทั่วไป ของ วตัถุระเบิด ที่นํามาพิจารณาประกอบดวย 1. Water resistance (WR) 2. Recommend minimum diameter, mm (MD)

3. Loaded density, g/cm3 (LD) ดังแสดงในตารางที ่ 2.1 เปนตัวอยางวัตถรุะเบิดชนิดตางๆ ที่มีการผลติและนิยมนํามาใช

ในงานเหมืองแรโดยทั่วไป และไดมีการแสดงลักษณะทั่วไปของวัตถรุะเบิดซึ่งมีลักษณะแตกตางกัน ดังนั้นถามกีารนาํไปใชในงานเหมืองแรหรืองานที่เกีย่วของกับการระเบิดตองพิจารณาใหเหมาะสมกับงาน ตารางที ่2.1 แสดง Bulk explosive แบบทั่วๆไป Type WR MD LD Characteristics ANFO Nil 50 0.8 Porous pilled AN with 6%

absorbed fuel oil ALANFO Nil 150 0.85-0.95 AN with up to 15% atomized

aluminum powder Gelled Blasting Excellent 125 0.85-1.45 AN solution incorporating fuel,


6

Agents/Slurries sensitizing and gelling agents

Emulsified Blasting Agents/Emulsions

Excellent 100 0.9-1.36 Similar to a slurry but with water resistance provided by emulsifying the AN solution with fuel oil instead of using gelling agents

Heavy ANFO Varies 150-250 1.0-1.36 Emulsion matrix incorporating AN prills to form an energetic, high-density, low cost explosive

ที่มา: Hustrulid, 1999

2.1.2 องคประกอบที่มีผลตอการเลือกใช วัตถุระเบิดนอกเหนือจากราคา1

1. Water resistance 2. Strength 3. Density 4. Sensitivity 5. Velocity of detonation 6. Fumes 7. Storage and handling qualities 8. Physical characteristics 9. Inflammability

Water resistance วัตถุระเบิดจะลดประสิทธิภาพลงเมือ่โดนน้าํ จงึควรลดระยะเวลาใหโดนน้าํนอยทีสุ่ด Strength หมายถงึพลงังานที่เกิดจากการจุดระเบิด (detonation of explosive) แบงเปน weight strength (energy/kilogram) และ bulk strength (energy/volume) พลังงานที่เกิดขึ้นในหลุมจะขึน้อยูกับ weight strength และ density วัตถุระเบิดแรงๆ จะไวที่กนหลมุเพราะจะทํางานไดมากและดีที่สุด ถา density มากกวา 1 g/ cm3 จะจมน้ํา Sensitivity วดัความงายของระเบิดที่จะระเบิดขึ้น อาจเกิดจาก heat, friction, impact หรือ shock วตัถุระเบิดที่ high sensitivity จะมีคลื่นหลังการจุด วิ่งผานแทงระเบดิจากปลายหนึ่งไปยังอีกปลายขางหนึง่ โดยที่คลื่นไมเคลื่อนที่ชาลง 1 Hagan and Mercer, 1983


7

Velocity of explosive (VOD) เปนความเร็วของคลื่นระเบิด โดยทัว่ไป ความเรว็สูงจะทําใหผลการแตกหักดี (brisance effect) แตผลจะข้ึนกับลักษณะทางธรณีวทิยาประกอบดวย massive rocks ใช VOD สูงดี แต weak rocks ที่ม ีnatural cracks, planes of weakness VOD ตํ่าๆ จะทําให shock energy ตํ่าแต การยกตัวสูง (heave) Toxic fumes ตองหลีกเลีย่งหลังการระเบดิแมนวากลางแจง ปรกติมีสี เหลืองสนิม เพราะมี nitrogen dioxide วัตถุระเบิดเสยีได (perishable) ตามกาลเวลา รูปรางภายนอก (physical characteristics) ของ blasting agent และ explosive แตกตางกนั เชน blasting agent (ANFO) รวน เม็ดเล็ก เทสะดวก explosive (ex. water gel, emulsion) เปนเหมือน ยาง หรือ gel การติดไฟ (inflammability) วัดความยากงายในการติดไฟ ANFO พรอมติดไฟไหมดี สวน water gel มีน้ําผสมติดไฟยาก 2.2 ANFO

Ammonium nitrate/fuel oil สัดสวน 94/6 3NH4NO3 + CH2 = CO2 + 3N2 + 7H2O + 912 kcal/kg ……… 2.1 ปลอยพลังงาน 912 kcal/kg เมื่อถูกจดุระเบิด ตามสมการ แตโดยปรกติไมเปนตาม

สมการ เสมอไป เชน CH2 อาจเปน C6H12, C7H14 พลังงานเปลีย่นไป รูปที่ 2.1 แสดงการผสมน้ํามนั มากหรือนอยไปจาก 6% หรือใหถูกตอง ที่ 5.5% พลังงาน

ลดลงมากและจะเกิด nitrous oxide (NOx) ได ถามากเกินไป เกิด carbon monoxide (CO)

รูปที่ 2.1 ความสัมพันธระหวางพลงังาน ANFO กับเปอรเซ็นตของน้ํามัน

ที่มา: Hagan and Mercer ,1983


8

Porous prills นิยม ใหผลการระเบิดดี Density ของ ANFO 1.73 g/ cm3 ของ fuel oil 0.75 g/ cm3 ถา balance oxygen สัดสวน

94.5/5.5 density จะอยูที ่1.675 g/ cm3 size distribution ของ AN ระหวาง 6-20 mesh (0.84-3.36 mm) ปรกติ ANFO มี อากาศอยู 50% ทําให density ของ ANFO ในสภาพไมติดแนน (loose-poured form) อยูประมาณ

1.675/2 = 0.84 g / cm3

Density ของ ANFO ในหลุมจะอยูในชวง 0.8 g/ cm3 – 1.0 g/ cm3 ข้ึนกับการอัดลด

ชองวาง (free void) ปรกติ ANFO อัดแนนไมได density จึงเทาๆกนัจากกนหลุมถึงปากหลมุ ขอดีของ fuel

1. ไมแพง 2. ผสมไดสม่ําเสมอ 3. หางาย

รูปที่ 2.2 ผลของขนาดรูระเบิดที่มีตอ VOD ของ ANFO ที่มา: Anonymous, 1976


9

ขนาดของรูระเบิด (blasthole diameter) มีผลตอ VOD รูขนาดเล็กให VOD ตํ่า ดูรูป 2.2 ANFO ขอดีคือ คาใชจายต่าํ (ตอหนวย energy ที่ให) ขอเสียคือไมกันน้ํา ถามีมากกวา 10% จะไมระเบิด ทางแกแบบหนึง่ใช plastic liner ขอเสียการใช

1. น้ํามีแรงดนั รอบๆ แทง ลดประสิทธิภาพการแตกหักจากการระเบิด 2. พลาสติกอาจฉีกขาดน้ําเขาไปได

2.3 Aluminized ANFO

เติม paint grade aluminum แทน fuel ทําใหเพิ่มพลงังานการระเบิด 3NH4NO3 + 2AL = 6H2O + Al2O3 + N2 + 1,620 kcal/kg ……… 2.2

สัดสวน NH4NO3/AL = 81.6/18.4 weight strength มากกวา = 1620/912 = 1.78 เทา2

ในทางปฏิบัติอาจไมใช AL เพียงอยางเดยีวที่ใชทาํหนาที่ fuel ดังสมการขางตน ANFO

รูปที่ 2.3 เปอรเซ็นตของน้ํามันโดยน้ําหนักที่ตองการเพื่อใหไดพลังงานสูงสดุตามปริมาณอลูมิเนียมที่เพิ่ม

ที่มา: Crosby and Pinco, 1991 b

ผสมดวย Aluminum powder สามารถเพิ่มแรงระเบิดได จะเรียก ALANFO รูปที่ 2.3 แสดง % ของ น้าํมนัที่ตองการหากมี AL มารวมผสมดวย เรียก ALANFO ขนาด AL จะมี 2 ตัวเลขพลังงานอาจไมใชถูกใชในการทําใหเกิดการแตกหักหมด ตัวอยางขางตน พลังงานบางสวนถูกนําไปใช form AL 2O3


10

มาตรฐานที่แนนอน ขนาด AL อยูประมาณ -18 ถึง +150 mesh ถาใหญกวา 20 mesh จะเริ่มเฉื่อย เล็กกวา 150 mesh อาจเกิดระเบิด (ฝุน) ได

AL เกิน 10 % การเพิ่มของ weight strength เร่ิมลดลง (incremental start to decrease) 2.4 Light ANFO

บางครั้งตองการแรงระเบิดต่ํา ไมตองการ back break/ blast damage P det = 0.25 ρ (VOD)2 ……… 2.3

โดยที่ P det = detonation pressure

ρ = explosive density (kg/m3) VOD = detonation velocity (km/sec)

แตวาแรงดันระเบิด (explosive pressure) ที่กระทาํที ่ผนังรูเจาะจะลดลง ประมาณ คร่ึงหนึง่

จากสมการ 2.3 การมีชองวางระหวางผนงัรูเจาะกับวัตถรุะเบิดจะชวยลดแรงดันไดอีก Ph = Pe (De/Dh)2γ ……… 2.4 โดยที่ Ph = the effective pressure at the hole wall Pe = explosive pressure for ANFO De = diameter of the explosive Dh = diameter of the hole

γ = the equivalent adiabatic expansion factor for the pressure range Pe to Ph

จากสมการ ระเบิดขนาดเลก็ แรงดันนอยลง ใชสัดสวนขนาด diameter ลดแรงดันเรียก เทคนิควา decoupling เทคนิคอืน่ๆ คือ ลด density, VOD หรือทั้งสองอยาง ตามสมการ 2.3

Willson and Moxon (1988) ลองผสมดวย (เปลี่ยนแปลง density) วัสดุน้าํหนักเบาเชน polystyrene, bagasse (ชานออย), saw dust (ข้ีเลื่อย) และอื่นๆ ใหผลตามตารางที ่2.2


11

สวนประกอบที่ ที่นาสนใจประกอบดวย 1. ANFO/bagasse 2. ANFO/sawdust 3. ANFO/polystyrene 4. ANFO/peanut skin

ตารางที ่2.2 แสดงคุณสมบัติของวัตถุระเบิด

ที่มา: Wilson and Moxon, 1988


12

รูปที่ 2.4 แสดงเปอรเซ็นตของสวนประกอบ ที่มีผลตอ VOD และ detonation pressure แตตองยอมรับการลดลงของ detonation pressure และ VOD ตามตารางที่ 2.2 2.5 Watergels/Slurries ANFO เร่ิมใชในงานเหมืองแร ในป 1955 เนื่องจากถกู ใหแรงระเบิดดีและการขนยายปลอดภัย แต

1. ไมทนน้ํา 2. density ตํ่า 3. ให พลงังานในชวงต่ํา Cook ในป 1958 พัฒนา slurry explosive ใชใตน้ําได slurry ในเบื้องตนประกอบดวย An

+ TNT + H2O ลองพิจารณา ผสมแหง (dry mix) ระหวาง AN และ TNT

21NH4NO3 + 2C6H2CH3(NO2)3 = 47H2O + 14CO2 + 24N2 + 1,010 kcal/kg ……..2.5


13

The heat of explosion (Q) ของสัดสวน น้ําหนกั 78.7/21.3 เทากับ 1,010 kcal/kg ในสมการ 2.5 แตถาสัดสวนเปลี่ยนไปเปน 50/50 (Cook, 1985) density 1.0 gm/cm3 Q = 870 kcal/kg explosion pressure = 32 kbars จากสมการ 2.5 พบวามนี้ําอยูดานขวาของสมการ ทําไมไมใสน้าํไวทางขวาของสมการเปน Water-based AN-TNT explosive Cook (1958) ทําให ระเบิดมี density สูงขึ้นแตให Q ตํ่าเมื่อเปรียบเทยีบกับ dry mix

AN/TNT/H2O: 40/40/20 Density = 1.41 gm/cm3

Q = 710 kcal/kg Explosive pressure = 50 kbars ลองเปรียบเทยีบกับ ANFO 3NH4NO3 + CH4 = CO2 + 7H2O + 3N2 + 885 kcal/kg3 ……… 2.6 สมการ 2.6 ให Q = 885 kcal/kg ทําไม สมการ 2.6 ให Q แตกตางจากสมการ 2.1 ทั้งที ่สัดสวน 94/6 แมนวา Q จะเปนอิสระตอ density แรงดันระเบิดกลับขึ้นกบั density

Density = 0.8 g/cm3 Pressure Pe (explosion pressure) = 19.4 kbars

สรุป slurry แรกเริ่มให density และ explosion pressure สูงกวา ANFO แต heat of explosion ตํ่ากวา สวนผสมของน้ําควรมีประมาณ 5-40% โดยน้ําหนกั เฉลี่ยประมาณ 15%4

Slurry จําแนกไดเปน 3 ประเภท 4*

1. ผสมดวย high-explosive fuel sensitizers 2. ผสมดวย metallic fuel-sensitizers 3. ไมผสมดวย high-energy-type 1 และ 2

3 Cook, 1974 and Sudweeks, 1985 4 Dick,1972


14

สมัยกอนๆ ใช high-explosive เชน TNT ทําใหจุดระเบดิได ตอมาใช พวก organic salts

เชน amine nitrates และ perchorates หรือ paint-grade aluminum ปจจุบันใช sensitizers แบบ mechanically or chemically generated small air or gas bubbles ฟองอากาศหรือชองวาง (void space) จาํเปนสาํหรับการจุดระเบิดทีม่ีประสิทธิภาพและระดับความไว, VOD และ critical diameter

รูปที่ 2.5 แสดงกลไกการทํางานของระบบ sensitization ใน watergels (Sudweeks, 1985)

เมื่อ high pressure shock wave จาก initiator gap ผาน slurry charge จะกดอัด air

bubble อยางรวดเร็ว ทาํใหปริมาตรเปลีย่นแปลงแก็สใน air bubble รอนขึ้น ทาํใหอุณหภูมิสูง ความรอนจะแทรกไปยัง วัตถุใกลเคียง ทาํใหการระเบิดเกิดขึ้น กระบวนการนี้เกิดอยางรวดเร็วทาํใหเกิดการปลดปลอยพลังงาน กระจาย shock wave ไปทั่วแทงระเบดิ (slurry) ตารางที ่ 2.3 – 2.4 แสดงรายละเอียดเกี่ยวกบั slurry อาทิเชน สวนผสม, สูตรที่แตกตางกันออกไปตามความตองการ เหมือน ANFO slurry สามารถใชไดหลายรปู วาจะผสมกอนหรือไปผสมที่หนางานก็ได หรือ ทําเปนแทง (cartridged) รูปที่ 2.6 แสดง relative bulk and weight strength เปรียบเทียบกับ ANFO (ที่ Q = 885 kcal/kg, density = 0.82 g/cm3) โดยใช aluminum powder เปน fuel ผสมในสัดสวนตางๆ สวนรูปที่ 2.7 แสดง ความสัมพันธระหวาง density กับ VOD


15

รูปที่ 2.6 คาตางๆของพลังระเบิดของ watergel blasting agent ที่มี อลูมเินยีมผสมอยู

(Hagan and Mercer, 1983)

รูปที่ 2.7 คาตางๆของ VOD และพลังระเบิดของ watergel blasting agents ที่ density

แตกตางกัน (Hagan and Mercer, 1983)


16

ตารางที ่2.3 Slurry ingredients

ที่มา : Sudweeks , 1985 ตารางที ่2.4 Some ingredients claimed to have been used in slurries


17

ตารางที ่2.5 Continued.

ที่มา: Robinson, 1969 and Dick, 1972 ตารางที ่2.6 Repressentative slurry formulations expressed in weight percent

ที่มา: Sudweeks, 1985 ตารางที ่2.7 Typical slurry properties

ที่มา: Sudweeks, 1985


18

2.6 Emulsions ใหจํากัดความวาเปนการผสมกันระหวางของเหลว 2 ชนิดที่ไมละลายเขาดวยกัน

(two-phase system) ยกตัวอยาง emulsions ทีพ่บเหน็ไดในชีวิตประจําวนั ตารางที ่2.8 ตัวอยาง emulsions Oil-in-water Water-in-oil Asphalt driveway sealer Margarine Floor polish Cold cream Latex paints Hydraulic fluids Mayonnaise Printing inks Ice cream Butter Milk Shoe polish Cutting oils ที่มา: Hustrulid, 1999

Emulsions เร่ิมในชวงตน 1960s5 โดยใช oxidizer salt solution (ปรกติเปน ammonium nitrate ผสมกบั sodium nitrates และ/หรือ calcium nitrates ในน้ํา) แขวนลอยในน้ํามนั ตอมารูปแบบได เปลี่ยนแปลงไป เนื่องจากความกาวหนา ในการที่สามารถลดขนาดอนุภาคของแข็ง จากเดิมทีเ่ปน salt solution ผสมกบั solids ไดเปน emulsion explosive ในลักษณะ micro-droplets ความสาํคัญของ ขนาด ทาํใหสามารถเพิม่ อัตราและประสิทธิภาพในการทาํปฏิกิริยา ในระยะ หนึ่งตอหนึง่ ระหวาง unit of oxidizer กับ unit of fuel ตารางที่ 2.3 สรุปสวนประกอบที่สําคัญของวัตถุระเบิด และ ขนาดของ oxidizers

5 Sudweeks, 1985


19

ตารางที ่2.9 Characteristic sizes of oxidizers

ที่มา : Anonymous, 1985

Nitrate salts ผสมกับ grains and prills สวน liquid sensitizer (ทําหนาที ่ fuel) จะเคลือบและซึมเขา grains and prills ลักษณะการผสมจะเปนการสมัผัสแบบ liquid-solid หรือ solid-solid

ANFO เปนตวัอยาง อยางงายของการผสม ระหวาง oxidizer/fuel ammonium nitrate prills ดูดซับ liquid hydrocarbon fuel และไมตองการ chemical sensitizer อ่ืนอกี เปนลักษณะ surface-coated particle

Slurry explosive ทํา nitrate salts ใหเปน solution ทําใหสามารถเขากับ fuel ไดดี โดยเฉพาะ ถาใช liquid sensitizer-fuels การใส gel ทําให stabilize มากขึ้นและไมมกีารแยกตัวระหวาง solid กับ liquid และกันน้ําได

ใน Emulsion explosive ทัง้ oxidizer และ fuel เปน liquid โดย oxidizer เปน ammonium nitrate เขมขน (หรือ salts อ่ืนๆ) จุดทีแ่ตกตางมากคือ สัดสวนขนาดอนุภาคเปน microscopic ซึ่งลดชองวางระหวางอนุภาค ให VOD (วดัประสิทธิภาพการเกิดปฏิกิริยา) สูง (แปรตามขนาดอนภุาค)

ถึงแมนวา oxidizer และ fuel ใกลชิดกันมาก แตยงัตองการ sensitizer อยู โดยใช small air bubbles ในรูป small glass microballoons ขนาด diameter 30-150 micron เฉลี่ยที่ 60-70 micron ซึ่งจะใหญกวา emulsion droplets มาก รูปที ่2.8 แสดงขนาดเปรียบเทียบ


20

รูปที่ 2.8 การเปรียบเทียบขนาดของ emulsion droplets กับ glass microballoon

(Sudweeks , 1985) ประเภทของ oils and waxes มีหลายประเภท ปรับตามความเหลว (fluidity) ที่ตองการ

แสดงใน ตารางที ่2.4 ประกอบดวย รายละเอียดเกี่ยวกบั emulsion explosive ตางๆ Emulsion ให VOD ประมาณ 5,000-6,000 m/s และ detonation pressures ระหวาง 100-120 kbar density with microballoons ประมาณ 1.1-1.4 g/cm3 ในการผลิตตองการตั้งโรงงานในเขตการทาํเหมือง การผสมตองการอุณหภูมิสูง กวา slurry explosive สามารถเก็บไดนานหลายสัปดาหหรือเปนเดือน ทนน้าํไดดี ตารางที ่2.10 General emulsion formulations – percent by weight

ที่มา: Sudweeks, 1985


21

ตารางที ่2.11 Product consistencies with common oils and waxes

ที่มา: Anonymous, 1985 ตารางที ่2.12 Typical emulsion properties

ที่มา: Sudweeks, 1985 2.7 Heavy ANFO ANFO ปรกติมี 50% air by volume 30% อยูใน prills อีก 70% อยูระหวาง prills Air ที ่อยูใน prills ชวยในเรื่อง sensitivity สวนที่อยูระหวาง prills ไมมีประโยชนอะไร ยกเวนลด density การ fill ของที่มี density สูงที่กนัน้าํไดจะทําให ANFO เขมขนขึ้นและกันน้ําได โดยเสียเงนิเพิม่ข้ึนเล็กนอย ซึง่เปนที่มาของ Heavy ANFO

ที่ fill ลงจะเปน emulsion รูปที่ 2.9 และตารางที่ 2.5 แสดงรายละเอียดเกี่ยวกับ Heavy ANFO


22

รูปที่ 2.9 Heavy ANFO จะมี emulsion แทรกตัวอยูชองวางอากาศระหวาง prill (Atlas Powder Company , 1987)

รูปที่ 2.10 ตัวอยางรถขนสง emulsion (Hopler, 1992)


23

ตารางที ่2.13 Guidelines for the % blend in ANFO

ที่มา : Van Ormmeren , 1992 ตารางที ่2.14 The Velocity of Detonation as a Function of the Mix Ratio and Hole Diameter for Heavy ANFO

ที่มา : Van Ormmeren , 1992 ตารางที ่2.15 Energy of bulk emulsion / ANFO blends

ที่มา :: Van Ormmeren , 1992


24


25

Documents

unit2 ทำวัตถุระเบิด