Die Erfindung betrifft sprengkapselempfindliche konfektionierte Initiierungsladungen für sprengtechnische Anwendungen.
In zivilen Sprenganwendungen werden bevorzugt unsensible, ungiftige und preiswerte Sprengstoffe verwendet, die meist auf Ammoniumnitrat basieren. Neben dem schon lange bekannten ANFO werden beispielsweise im Salzbergbau oder Tunnelvortrieb sogenannte Pumpsprengstoffe eingesetzt. Bei letzteren unterscheidet man Emulsionssprengstoffe und Suspensionssprengstoffe (Slurries, Sprengschlämme).
Dabei versteht man unter ANFO (engl. Ammonium Nitrate Fuel Oil, Handelsname z. B. ANDEX) ein Gemisch aus porösem Ammoniumnitrat und Mineralöl bzw. Dieselöl (englisch fuel oil), welches im Bergbau als handhabungssicherer Sprengstoff eingesetzt wird.
Diese Sprengstoffe benötigen zur sicheren Zündung sogenannte Initialsprengstoffe, falls nicht ausreichend, zusätzlich in Verbindung mit sprengkapselempfindlichen konfektionierten Initiierungsladungen (Booster, Verstärkerladungen oder Primer). Initialsprengstoffe befinden sich in gewerblichen Sprengzündern.. Initialsprengstoffe zeichnen sich durch hohe Empfindlichkeit gegen Reibung, Stoß, Schlag und Erhitzung aus. Knallquecksilber wird z. B. schon durch Erhitzen auf 160°C (Zündschnur) beziehungsweise durch einen aus 4 cm Höhe herabfallenden 2-kg-Fallhammer zur Detonation gebracht. Die Initialzündung mit Sprengkapseln wurde 1862 durch Alfred Nobel erfunden. Wichtige Initialsprengstoffe sind Knallquecksilber (Quecksilberfulminat), Bleiazid, Silberazid, Silberacetylid, Knallsilber (Silberfulminat), Diazodinitrophenol, Bleipikrat (Trinitrophenolblei), Bleistyphnat (Bleitrinitroresorcinat), Tetrazen, Nickelhydrazinnitrat (NHN), Hexamethylentriperoxiddiamin (HMTD), Acetonperoxid (DADP, TATP oder APEX), 3-Nitrobenzoldiazoniumperchlorat, Quecksilberazide, Tetraaminkupfer(II)chlorat (TACC) und Kupferacetylid.
Als sprengkapselempfindliche konfektionierte Initiierungsladungen, auch als Initial-Verstärkungs-Detonator oder IV-Detonator bezeichnet, werden gewöhnlich gepresste, zylindrische Sprengkörper aus Tetryl, Trotyl, phlegmatisiertem (Herabsetzung der Empfindlichkeit) Hexogen, Nitropenta, Pikrinsäure und anderen Sprengstoffen verwendet. All diesen Stoffen ist gemeinsam, dass sie eine größere Empfindlichkeit gegenüber dem Anfangsimpuls aufweisen als der Sprengstoff der Hauptladung (z. B. ANFO, gegossenes TNT, pulverförmige Sprengstoffe). Als Verstärkerladung bei Gesteinsprengungen werden häufig zusätzlich Schlagpatronen aus gelatiniertem Sprengstoff verwendet, um die Hauptladung aus pulverförmigen Sprengstoffen oder Emulsionssprengstoffen zu initiieren. Masse und Form des IV-Detonators werden so berechnet, dass bei der Detonation ein Impuls entsteht, der die Auslösung der Detonation der Hauptladung und das gewünschte Detonationsverhalten gewährleistet. Die Initiierung des IV-Detonators wird durch eine Sprengkapsel, einen Elektrodetonator oder einen NE-Zünder (Nichtelektrische Zünder) ausgelöst.
Problematisch an den bisher verwendeten IV-Detonatoren ist, dass diese entweder aus langfristig nicht mehr verfügbaren militärischen Sprengstoffen bestehen (TNT gepresst, Composition B gegossen etc.) oder klassische Schlagpatronen aus gelatinösem Sprengstoff (Dynamit-Nachfolger auf Sprengölbasis) verwendet werden, welche langfristig problematisch wird. Dabei spielen neben der erhöhten Gesundheitsgefahr durch Salpetersäureester auch die problematische und unfallträchtige Produktion und der damit verbundene hohe Preis eine erhebliche Rolle.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen IV-Detonator anzugeben, welcher sicher anwendbar, preiswert und sicher herstellbar ist und zudem gesundheitlich unbedenklich handhabbar ist.
Die Aufgabe wird durch eine sprengkapselempfindliche Initiierungsladung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird eine sprengkapselempfindliche konfektionierte Initiierungsladung vorgeschlagen, welche eine Mischung umfassend Nitromethan und ein hohlraumbildendes Mittel, wobei das hohlraumbildende Mittel als Mikroglashalbkugel ausgebildet ist, und Aerosil umfasst sowie eine Aufnahme für eine Zündvorrichtung.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass Nitroalkane sich zum Einsatz in sprengkapselempfindlichen Initiierungsladungen eignen.
Nitroalkane können chemisch, z.B. durch Aminzusatz und/oder mechanisch durch Erzeugung von kleinen Hohlräumen oder gasgefüllten Kavitäten (Aufschäumung) aktiviert werden, d.h., sie werden sprengkapselempfindlich und verhalten sich wie brisante Sprengstoffe. Um die Hohlraumbildner in gleichmäßiger Verteilung zu halten, ist die Zugabe eines Thixotropierungsmittels angezeigt. Derartige Mischungen wurden in der
Erfindungsgemäß ist das Nitroalkan Nitromethan.
Weiterhin sind Nitromethan-Mischungen bekannt, welche mit kommerziell verfügbaren Mikroglashohlkugeln (glass micro balloons, GMB) erzeugte wurden und die mit mehr als 6000 m/s detonierten und kapselempfindlich sind (
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die sprengkapselempfindliche Initiierungsladung aus einem flüssigkeitsundurchlässigen Material ausgebildet. Dadurch wird ein Austreten des Nitroalkans vermieden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die sprengkapselempfindliche Initiierungsladung eine konkave Wölbung auf, welche auf der gegenüberliegenden Seite der Aufnahme für die Zündvorrichtung angeordnet ist. Unter einer konkaven Wölbung wird dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung eine kegelförmige oder auch halbkugelförmige Wölbung in Richtung Zentrum der Initiierungsladung verstanden. Durch die konkave Wölbung wird der Effekt einer Hohlladung erzielt, wodurch eine erhöhte Detonationsgeschwindigkeit erzielt wird. Durch die Wölbung wird die durch die Detonation freigesetzte Energie in dieser Richtung verstärkt. Daher wird die Initiierungsladung mit der konkaven Wölbung in Richtung der Hauptladung eingesetzt. Durch die vorteilhafte Ausgestaltung mit konkaver Wölbung wird die Effektivität der erfindungsgemäßen Initiierungsladung noch einmal wesentlich gesteigert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die konkave Wölbung eine metallische Beschichtung auf. Die metallische Beschichtung kann dabei etwa aus Aluminium ausgebildet sein und mittels Besprühen, Bedampfen oder als metallische Folie auf der Oberfläche der konkaven Wölbung angeordnet werden. Die metallische Beschichtung der konkaven Wölbung bewirkt dabei einen verstärkenden Initialimpuls in vorgegebener Richtung.
Die konkave Wölbung mit metallischer Beschichtung ist von besonderer Bedeutung zur Erzielung einer hohen chemischen Umsetzungsgeschwindigkeit, bei der der Umsetzungsprozess dem theoretischen Wert sehr nahe kommt. Dadurch wird der Schadstoffgehalt in den Bohrlochladesäulen bei den anzuregenden gewerblichen Sprengstoffen signifikant gemildert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Zündvorrichtung eine Sprengkapsel, Sprengschnur oder ein nichtelektrischer Zünder.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die sprengkapselempfindliche Initiierungsladung eine geeignete Wanddicke auf. Dadurch wird so eine sichere Zündübertragung von der Kapsel oder Schnur auf die Nitroalkanmischung gewährleistet. Die Wanddicke ist dabei abhängig von dem Material der Wandung sowie der verwendeten Mischung.
Erfindungsgemäß ist das hohlraumbildende Mittel als Mikroglashohlkugel (GMB) ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das hohlraumbildende Mittel als Mikroglashohlkugel (GMB) mit einer Korngröße von 20-200 µm, vorzugsweise 40-150 µm, besonders bevorzugt 80-120 µm ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das hohlraumbildende Mittel als Mikroglashohlkugel (GMB) mit einer Korngröße von im Wesentlichen 100 µm ausgeführt.
Erfindungsgemäß umfasst die Mischung Aerosil. Unter Aerosil wird hierbei eine pyrogene Kieselsäure verstanden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Mischung 1,5-10 Gew.-%, vorzugsweise 3-8 Gew.-%, besonders bevorzugt 5-7 Gew.-% Aerosil, 0,2-10 Gew.-%, vorzugsweise 0,5-5 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,8-2 Gew.-% Mikroglashohlkugel (GMB) sowie 85-98,3 Gew.-%, vorzugsweise 89-95, besonders bevorzugt 91-93 Gew.-% Nitromethan auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Mischung 6,5 Gew.-% Aerosil, 1 Gew.-% Mikroglashohlkugel (GMB) mit einer Korngröße von im Wesentlichen 100 µm sowie 92,5 Gew.-% Nitromethan auf.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Mischung weiterhin zumindest eine sauerstoffhaltige Verbindung ausgewählt aus der Gruppe der Nitrate zur Erhöhung der Sauerstoffbilanz. In einer Ausgestaltung der Ausführungsform ist die sauerstoffhaltige Verbindung Ammoniumnitrat.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen sprengkapselempfindlichen Initiierungsladung.
Die erfindungsgemäßen sprengkapselempfindlichen Initiierungsladungen werden zur Initiierung von nicht kapselempfindlichen gewerblichen Sprengstoffen, vorzugsweise in Bohrlöchern über und unter Tage, zur Initiierung von größeren Verstärkerladungen und zum Direkteinsatz für Sondersprengungen (Lawinen, Eis, etc.) verwendet. Insbesondere werden die erfindungsgemäßen sprengkapselempfindlichen Initiierungsladungen zur Initiierung von Sprengstoffen in Montananwendungen und im Tunnelbau verwendet.
Die erfindungsgemäßen sprengkapselempfindlichen Initiierungsladungen weisen dabei die nachfolgenden Vorteile auf:
Weiterhin ist Nitromethan kein klassischer Explosivstoff, wodurch Transport und Lagerung günstig sind und weist die Lagerklasse 3 (Entzündbare flüssige Stoffe)auf. Daneben weist Nitromethan eine geringe Giftigkeit auf: LD50 oral Ratte: 940 mg/kg, WGK 2.
Vorteilhaft ist auch, dass bei Beschädigung der erfindungsgemäßen sprengkapselempfindlichen Initiierungsladungen diese sich durch vollständige Verflüchtigung des Nitromethans an der Luft selbst "entschärfen".
Die erfindungsgemäßen sprengkapselempfindlichen Initiierungsladungen sind absolut wasserfest und temperaturbeständig ausgeführt. Es erfolgt kein Ausschwitzen der Flüssigkeiten. Dadurch sind die erfindungsgemäßen sprengkapselempfindlichen Initiierungsladungen in der Mischung mit Aerosil und GMB's praktisch unbegrenzt lagerfähig, da keine chemischen Reaktionen der Mischungskomponenten auftreten.
Weiterhin erfordert die Herstellung der erfindungsgemäßen sprengkapselempfindlichen Initiierungsladungen keine gefährlichen Schmelzvorgänge. Zudem ist nach Mischung der Komponenten keine lange Wartezeit notwendig, weshalb die Herstellung sich in einfacher Weise gut unter Sicherheit (von Personen getrennt) automatisiert gestalten lässt.
Wesentlich ist auch, dass die in der Mischung enthaltenen Komponenten keine Explosivstoffe sind, was nur geringe Lager und Transportkosten erforderlich macht.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Kombinationen der Ansprüche oder einzelner Merkmale davon.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele eingehend erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde reines Ammoniumnitrat und ANFO (jeweils mit 13 g der erfindungsgemäßen Zusammensetzung in einer zylindrischen Initialladung) mit folgender Zusammensetzung zur detonativen Umsetzung gebracht: 6,5 %, Aerosil, 1% GMBs ca. 100 µm, 92,5 % Nitromethan.
Dabei wurden Detonationsgeschwindigkeit von ca. 4500 m/s gemessen, was eine hinreichende Eignung der Mischung zur Initiierung von nicht kapselempfindlichen gewerblichen Sprengstoffen, zur Initiierung von größeren Verstärkerladungen und zum Direkteinsatz für Sondersprengungen (Lawinen, Eis, etc.) zeigen.
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