2.2. Понятие о взрыве и взрывчатых веществах (вв) [1, 9, 10, 11]

Взрывом называют физическое или химическое превращение вещества, при котором его энергия быстро переходит в энергию сжатия и движения самого вещества или продуктов его превращения и окружающей среды.

Энергия, выделяющаяся при взрыве, переводится в механическую работу, которую совершают сжатые газы или пары, имевшиеся до взрыва или образовавшиеся в момент взрыва, или же прилегающие к месту взрыва слои воздуха. Быстрота выделения энергии и огромное давление (десятки и сотни тысяч атмосфер) сжатых газов предопределяют особый разрушительный характер механического действия взрыва. Кроме того, быстро расширяющиеся сжатые газы вызывают в окружающей среде волну возмущения, называемую ударной волной. Последняя представляет собой скачкообразное изменение давления, температуры и плотности, распространяющихся в среде со сверхзвуковой скоростью.

Взрывы бывают физического и химического порядка. Примерами взрывов физического порядка можно назвать взрывы паровых котлов или баллонов со сжиженными или сжатыми газами, электрический взрыв можно наблюдать при разряде конденсаторов (молния в природе), падение метеоритов на Землю.

Основное значение в народном хозяйстве, в частности, в сейсморазведке имеет химический взрыв.

При взрыве химического характера происходит исключительно быстрое превращение вещества из одной формы в другую с коренным изменением его химического состава, выделением тепла и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу. Химическое превращение вещества при взрыве отмечается тремя основными факторами: мгновенной скоростью превращения, выделением большого количества тепла и образованием значительного количества газов. Только совокупность указанных факторов обусловливает возможность процесса взрывчатого превращения.

Из всех факторов наиболее влиятельным является скорость взрывчатого превращения, которая составляет для различных взрывчатых веществ от долей метра до нескольких тысяч метров в секунду. Например, пороховая сердцевина огнепроводного шнура горит со скоростью 1 см/сек, а скорость детонации тэна достигает 8400 м/сек. Скорость реакции взрыва определяет мощность того или другого взрывчатого вещества. Чем больше скорость взрывчатого превращения, тем выше мощность взрывчатого вещества.

При взрыве высокое давление создается главным образом за счет повышения температуры - результат выделения тепла в про­цессе химической реакции взрывчатого превращения вещества. Температура при взрыве различных веществ изменяется от 15000 до 4500° С. В момент нагревания давление возрастает по закону Гей-Люссака:

,

где р - конечное давление, кГ/см², р₀ - начальное давление, кГ/см², t - температура взрыва,°С.

Прирост температуры на 1°С увеличивает давление на 1/273 против начального. Под непосредственной силой давления разрушается среда и в ней создаются упругие колебания.

Образование значительного количества газов в продуктах взрыва, нагретых выделившейся при этом процессе теплотой, является неотъемлемой частью взрыва. Чем больше объем газов при взрыве относительно объема вещества до взрыва, тем сильнее данное ВВ. Для современных промышленных взрывчатых веществ объем газов в продуктах взрывчатого превращения составляет 600—1000 л на 1кг.

Внешние признаки взрыва - звуковой эффект, сотрясение окружающей среды, распространение ударной воздушной волны, наличие пламени и грибообразного столба черных газов. Они определяются средой, в которой произведен взрыв (в воздухе, на поверхности земли, в шурфе или скважине).

Следовательно, взрыв можно характеризовать как чрезвычайно быстрое химическое превращение вещества, сопровождающееся выделением большого количества тепла (энергии) и образованием сильно нагретых газов, производящих работу вследствие резкого повышения давления в месте их образования.

Приведем также определение взрыва, данное в системе стандартом безопасности труда «Взрывобезопасность», которая действует и по настоящее время: «Взрыв - быстрое превращение вещества (взрывное горение), сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить работу».

Взрывчатые вещества (ВВ) – вещества, способные к взрывному превращению, а именно - такие химические системы, которые под влиянием определенного внешнего импульса способны со значительной скоростью переходить в другие системы с образованием газов или паров и выделением тепла, нагревающего газы до высокой температуры.

По своему физическому состоянию взрывчатые химические системы могут быть: а) газовыми смесями (метан + воздух; ацетилен + кислород и т. п.), б) смесями твердых или жидких веществ с газами (угольная, древесная и тому подобная органическая пыль, брызги нефти + кислород воздуха), в) жидкими веществами (нитроглицерин, нитрогликоль), г) смесями жидких и твердых компонентов (динамиты: нитроэфиры + селитра; оксиликвиты: жидкий кислород + твердое горючее), д) твердыми взрывчатыми, соединениями или смесями (тринитротолуол, аммониты).

Практическое значение имеют две последние группы, причем наибольшее распространение получили твердые взрывчатые смеси.

Главное преимущество ВВ перед другими источниками энергии заключается и их компактности, транспортабельности и в том, что выделение энергии у них может протекать за короткое время, позволяя развивать огромные мощности. Так, при взрыве килограммового сферического заряда, изготовленного из сильного ВВ - гексогена плотностью 1,65 г/см³, возбуждаемого (инициируемого) в центре, скорость распространения взрывчатого превращения по веществу (детонация) составит 8300 м/сек. Путь r₀ - радиус заряда, который пройдет превращение, определяется из равенства

,

где G - вес, σ₀ - плотность заряда. Время, в течение которого реализуется этот процесс, будет равно (D - скорость детонации гексогена). Мощность N (ккал/сек), развиваемую при взрыве, можно оценить, зная, что при взрывчатом превращении килограмма гексогена выделяетсяQ ккал тепла

.

Для гексогена Q = 1320 ккал/кг. Мощность, получаемая из расчета, несколько завышена, так как не было учтено время, в течение которого расширяющиеся газы совершают работу. Но для сравнения укажем, что она превышает мощность самой крупной гидростанции мира - Братской ГЭС.

В настоящее время понятие ВВ дополняется понятием энерговмещающих композиций (ЭК) (см. 2.7). В работе II приведены следующие сведения:

«Совместное использование взрывных химических реакций, искрообразования и электричества стало предметом изучения на протяжении двух столетий. Новые эксперименты в 60 - 80-х гг. XX в. потребовали мощных (10-7, 19-9 Вт) и энергоемких (1-250кДж) разрядов, которые для инициирования были использованы впервые. Эксперименты способствовали созданию нового класса веществ, способных к взрывному превращению. Они отличались от существующих ВВ исключительной безопасностью при изготовлении и эксплуатации».

Советские ученые К.А. Наугольных и Н.А. Рой первыми указали на «интересную возможность инициирования разрядов проволочками из материала, реакция которого с кислородом, образующимся в результате диссоциации воды, обладает большим тепловым эффектом». Такие материалы - алюминий, цирконий, бериллий. Тепловой эффект экзотермических реакций существенно увеличивает механическую работу, совершаемую каналом разряда.

Их работы послужили началом усиления энергогидравлического эффекта (ЭГЭ) за счет химических превращений.

Практическое применение ЭГЭ потребовало теоретически обосновать воспроизведение ЭГЭ при помощи взрывающихся тепловых элементов (ВТЭ). Тепловой элемент, состоящий из энергосоставляющего материала, может способствовать взрыву. В качестве комбинированного взрывающегося теплового элемента (КВТЭ) могут применяться бензин, керосин, угольный порошок, алюминиевая пудра, сахарная пудра, а в качестве окислителя - марганцовокислый калий, бертолетова соль, сильные кислоты.

При температуре 4000 °С указанные окислители и горючие материалы никаких взрывных реакций не дают; вещество находится в плазменном состоянии.

Реакции с выделением тепла происходят на порядок ниже. Эти составы пожаро- и взрывоопасны, и при определенных соотношениях горение переходит в детонацию. Требования, предъявляемые к энерговыделяющим композициям, в основном те же, что и к ВВ, но эти композиции отличаются простотой изготовления и безопасностью применения.

Основные требования к ЭК

ЭК должны:

- увеличивать эффективность работы ЭГУ в несколько раз, компенсируя усложнение технологии проведения разряда с участием ЭК;

- обеспечивать безопасность применения в любом технологическом процессе:при производстве, хранении и транспортировке;

- быть устойчивыми к тепловым, механическим, электрическим воздействиям обычной бытовой и производственной техники;

- надежно и безотказно инициироваться импульсным электрическим разрядом;

- изготавливаться простым способом, не прибегая к сложным и трудоемким операциям. Временной фактор должен быть сведен к минимуму;

- не изменять своих свойств с момента изготовле­ния до момента использования. Чувствительность ЭК должна быть согласована с параметрами разряда и условиями проведения разряда (водная среда, открытые или закрытые камеры, скальная, или рыхлая порода). Самым высоким теплосодержанием обладают ЭК, в состав которых входят металлические порошки - алюминия, кремния, ферросилиция и селикокальция. Смесь содержащая 40% алюминия и 60% аммиачной селитры (без воды), характеризуется наиболее высоким теплосодержанием.