Тема 7. Промышленные взрывчатые вещества (пвв)

Промышленные взрывчатые вещества нашли широкое практическое применение во многих областях народного хозяйства. Дальнейшее развитие науки и техники расширяет сферу их использования и постоянно ставит новые задачи по разработке рецептур, технологии получения более эффективных и безопасных в применении, экологичных и экономичных композиций.

Ассортимент промышленных ВВ постоянно обновляется. Когда-то широко применяемые порошкообразные ПВВ вытесняются гранулированными ПВВ заводского изготовления. Заметно уменьшается объём используемых для проведения взрывных работ гранулотола и алюмотола ввиду их высокой стоимости. Широко внедряются механизированные способы заряжания шпуров и скважин, утверждается тенденция перевода горных предприятий на применение более дешёвых ЭНМ, изготавливаемых вблизи мест их использования. В этом плане удачным решением является разработка водосодержащих ЭНМ, в том числе суспензионных и эмульсионных ПВВ.

К древнейшим областям применения ЭНМ относятся военное дело и горнодобывающая промышленность, которая является основным потребителем промышленных ВВ.

В настоящее время ЭНМ нашли широкое практическое применение в различных отраслях промышленности - это геология (взрывные работы при сейсмической разведке), горнодобывающая (разрушение горных пород), нефтегазодобывающая (торпедирование и перфорация скважин – прострелочно-взрывные работы), металлургическая (импульсная обработка металлов взрывом – сварка, резка, упрочнение), синтез материалов (искусственные алмазы) и т.п.

Любая область применения предъявляет к ЭНМ вполне определённые, специфические для этой области требования. Причём они, в зависимости от условий применения ВВ и характера решаемых задач, могут быть прямо противоположными.

Критериями отбора должны служить условия применения, которые требуют специфичных свойств ВВ и соответственно рецептурного состава и технологии их приготовления.

Так, применение ЭНМ на подземных работах или на земной поверхности определяет кислородный баланс ЭНМ, от которого зависит содержание токсичных газов в продуктах взрыва:

- степень обводнённости забоев обусловливает требования по водоустойчивости ВВ;

- присутствие в подземных выработках горючих газов и пыли определяет требования к предохранительным свойствам ЭНМ;

- для применения ЭНМ на больших глубинах в скважинах с высокой температурой и давлением необходимы термостойкие ЭНМ;

- применение ЭНМ для обработки металлов взрывом требует своих критериев (например, сварка металлов – ЭНМ с низкой скоростью детонации, упрочнение – ЭНМ с большой скоростью детонации и т. д.).

В то же время ввиду высокой стоимости энергии взрыва важно, особенно при широком промышленном применении ЭНМ, чтобы эта энергия была использована эффективно.

Разнообразие условий ведения взрывных работ в народном хозяйстве обусловливает использование широкого ассортимента промышленных ВВ, отличающихся по своим взрывчатым и эксплуатационным характеристикам. В соответствии с условиями применения должны выбираться ЭНМ с наиболее высокими для данных условий технико-экономическими показателями. Экономические показатели во многом определяются стоимостью сырья или исходных компонентов, а также затратами на производство при выбранном рецептурном составе и технологии приготовления ВВ.

Для обеспечения этой потребности в настоящее время существует широкий ассортимент ПВВ. Поскольку число химических соединений, применяемых в качестве ЭНМ или входящих в рецептуру взрывчатого состава, невелико, важно уметь изготавливать ЭНМ с широким диапазоном взрывчатых свойств, отвечающих требованиям, предъявляемым к промышленным ВВ, основными из которых являются:

- безопасность изготовления и применения;

- достаточная детонационная способность и работоспособность;

- необходимая химическая и физическая стойкость, обеспечивающая сохранность всех свойств в течение гарантийного срока хранения;

- доступность сырья и невысокая стоимость готового продукта;

- водоустойчивость;

- низкая чувствительность к внешним воздействиям;

- возможность механизации заряжания скважин;

- эффективность.

Экономические показатели во многом определяются стоимостью сырья или исходных компонентов, а также затратами на производство при выбранном рецептурном составе и технологии приготовления ЭНМ.

Основными признаками классификации ПВВ являются:

- химический состав;

- название основного компонента;

- характер действия на окружающую среду;

- степень опасности при обращении (хранение, перевозка, доставка на места работ, использование и т.п.);

- условия применения;

- физическое состояние (структурные особенности).

I. По химическому составу промышленные ВВ подразделяются на индивидуальные химические соединения (тротил, тетрил, ТЭН, динитронафталин, гексоген, октоген, нитроглицерин, нитрогликоли и др.) и механические смеси (ЭНМ с горючими и инертными добавками или невзрывчатые компоненты с горючими добавками).

Индивидуальные ЭНМ в химическом отношении - это, как правило, органические соединения, содержащие нитрогруппы.

Механические смеси ЭНМ и добавки (ЭНМ или инертные вещества для достижения специальных свойств ВС (литьевых, снижения чувствительности, сенсибилизаторы, например, нитроглицерин); окислитель и горючее.

II. Наиболее распространённые промышленные смесевые ВВ достаточно удобно при практическом использовании различать по названию основного компонента (по химическому составу), входящего в состав.

1. Нитросоединения и их смеси, включая смеси с металлами:

- гранулотол (гранулированный тротил);

- алюмотол (гранулированный сплав тротила с дисперсным алюминием);

- пентолит (плавленая смесь тротила с ТЭНом);

- смеси ТГ (тротил-гексоген) и др.;

2. ПВВ, содержащие в качестве окислителя аммиачную селитру (нитрат аммония), в том числе:

- динамоны простейшие ВВ, которые в качестве горючего содержат невзрывчатые материалы (древесную муку, жидкие нефтепродукты и др.). Гранулированные сорта этих ВВ называют гранулитами;

- аммоналы – содержащие в качестве горючего нитросоединения и дисперсный алюминий. Граммонал – гранулированный аммонал;

- аммониты – порошкообразные смеси аммиачной селитры и нитросоединений (тротил, гексоген). Граммониты представляют собой смесь гранулированной аммиачной селитры с гранулированным или чешуированным тротилом или гранулированный аммонит;

- водосодержащие взрывчатые вещества – смеси, содержащие воду или водные растворы окислителей (калиевой, аммиачной или натриевой селитры):

• акватол, в состав которого входит гранулированный или чешуированный тротил;

• акванит, в состав которого входит дисперсное нитросоединение;

• акванал, в состав которого входит дисперсный алюминий;

• эмульсионные ВВ (порэмит и др.) представляют собой эмульсию на основе водного раствора окислителей (нитрата аммония с нитратом натрия) и жидкого горючего (нефтепродукта: индустриальное масло, либо мазут и т.п.), в состав также входят эмульгатор и газогенерирующая добавка.

3. Нитроэфиросодержащие взрывчатые вещества - это ВВ, одним из компонентов которого являются жидкие нитроэфиры:

- детонит - непредохранительное нитроэфиросодержащее ВВ, массовая доля нитроэфиров в котором не более 15%;

- динамит - непредохранительное нитроэфиросодержащее ВВ, массовая доля нитроэфиров в котором более 15%;

- угленит - предохранительное нитроэфиросодержащее ВВ, в состав которого входят окислитель и пламегаситель.

4. Перхлоратные взрывчатые вещества - промышленные ВВ, одним из компонентов которых являются перхлоратные соли.

5. Дымный и бездымный пороха.

III. По характеру воздействия на окружающую среду:

- высокобризантные (D>4,5 км/с);

- бризантные (D=3,5-4,5 км/с);

- низкобризантные (D= 2,0-3,5 км/с);

- метательные (со скоростью взрывного горения до 2,0 км/с).

IV. По степени опасности при обращении (хранение, перевозка, доставка на места работ, использование и т.п.) все промышленные ВВ (взрывчатые вещества, средства инициирования и прострелочно-взрывная аппаратура) относятся к классу 1, разделяются подклассы (табл. 4) и на группы совместимости/опасности) (табл. 5).

Таблица 4. Классификация взрывчатых материалов по подклассам

Подкласс	Наименование подкласса
1.1.	Взрывчатые материалы с опасностью взрыва массой
1.2.	Взрывчатые материалы, не взрывающиеся массой
1.3.	Взрывчатые материалы пожароопасные, не взрывающиеся массой
1.4.	Взрывчатые материалы, не представляющие значительной опасности
1.5.	Очень нечувствительные взрывчатые материалы
1.6.	Изделия чрезвычайно низкой чувствительности

Таблица 6. Классификация взрывчатых материалов по группам совместимости

Группа совместимости (опасности)	Вещества, изделия
А	Инициирующие взрывчатые вещества
В	Изделия, содержащие инициирующие взрывчатые вещества
С	Метательные взрывчатые вещества и другие дефлагирующие взрывчатые вещества или изделия, содержащие их (бездымный порох)
D	Вторичные детонирующие взрывчатые вещества; дымный порох; изделия, содержащие детонирующие взрывчатые вещества без средств инициирования и метательных зарядов (детонирующего шнура)
Е	Изделия, содержащие вторичные детонирующие вещества без средств инициирования, но с метательным зарядом (кроме содержащих легковоспламеняющуюся жидкость)
F	Изделия, содержащие вторичные детонирующие вещества, средства инициирования и метательные заряды, или без метательных зарядов
G	Пиротехнические вещества и изделия, содержащие их
N	Изделия, содержащие чрезвычайно нечувствительные детонирующие вещества
S	Вещества или изделия, упакованные или сконструированные так, что при случайном срабатывании любое опасное проявление ограничено самой упаковкой, а если тара разрушена огнем, то эффект взрыва или разбрасывания ограничен, что не препятствует проведению аварийных мер или тушению пожара в непосредственной близости от упаковки

V. По условиям применения ПВВ бывают предохранительными и непредохранительными, которые разделены на классы (табл. 7): непредохранительные (I и II классы), предохранительные (III-VII классы) и специальный класс (1-4 группы).

Таблица 7. Классификация взрывчатых материалов по условиям применения

Класс ВВ	Группа ВВ	Вид взрывчатых веществ и условия применения	Цвет отличительной полосы или оболочек патронов (пачек)
1	2	3	4
I	-	Непредохранительные взрывчатые вещества для взрывания только на земной поверхности	Белый
II	-	Непредохранительные взрывчатые вещества для взрывания на земной поверхности и в забоях подземных выработок, в которых либо отсутствует выделение горючих газов или взрывчатой угольной (сланцевой) пыли, либо применяется инертизация призабойного пространства, исключающая воспламенение взрывоопасной среды при взрывных работах	Красный
III	-	Предохранительные взрывчатые вещества для взрывания только по породе в забоях подземных выработок, в которых имеется выделение горючих газов, но отсутствует взрывчатая угольная (сланцевая) пыль	Синий
IV	-	Предохранительные взрывчатые вещества для взрывания: по углю и (или) породе или горючим сланцам в забоях подземных выработок, опасных по взрыву угольной (сланцевой) пыли при отсутствии выделения горючих газов; по углю и (или) породе в забоях подземных выработок, проводимых по угольному пласту, в которых имеется выделение горючих газов, кроме выработок с повышенным выделением горючих газов; для сотрясательного взрывания в забоях подземных выработок угольных шахт	Желтый
V	-	Предохранительные взрывчатые вещества для взрывания по углю и (или) породе в выработках с повышенным выделением горючих газов, проводимых по угольному пласту, когда исключен контакт боковой поверхности шпурового заряда с газовоздушной смесью, находящейся либо в пересекающих шпур трещинах массива горных пород, либо в выработке	Желтый
VI	-	Предохранительные взрывчатые вещества для взрывания: по углю и (или) породе в выработках с повышенным выделением горючих газов, проводимых в условиях, когда возможен контакт боковой поверхности шпурового заряда с газо-воздушной смесью, находящейся либо в пересекающих шпур трещинах горного массива, либо в выработке; в угольных и смешанных забоях восстающих (более 10°) выработок, в которых выделяется горючий газ, при длине выработок более 20 м и проведении их без предварительно пробуренных скважин, обеспечивающих проветривание за счет общешахтной депрессии	Желтый
VII	-	Предохранительные взрывчатые вещества и изделия из предохранительных взрывчатые вещества V - VI классов для ведения специальных взрывных работ (водораспыление и распыление порошкообразных ингибиторов, взрывное перебивание деревянных стоек при посадке кровли, ликвидация зависания горной массы в углеперепускных выработках, дробление негабаритов) в забоях подземных выработок, в которых возможно образование взрывоопасной концентрации горючего газа и угольной пыли	Желтый
Специа- льный (С)	-	Непредохранительные и предохранительные ВВ и изделия из них, предназначенные для специальных взрывных работ, кроме забоев подземных выработок, в которых возможно образование взрывоопасной концентрации горючего газа и угольной (сланцевой) пыли	-
	1	Взрывные работы на земной поверхности: импульсная обработка металлов; инициирование скважинных и сосредоточенных зарядов; контурное взрывание для заоткоски уступов; разрушение мерзлых грунтов; дробление негабаритных кусков горной массы; сейсморазведочные работы в скважинах; создание заградительных полос при локализации лесных пожаров, другие специальные работы	Белый
	2	Взрывные работы в забоях подземных выработок, не опасных по газу и (или) угольной (сланцевой) пыли; взрывание сульфидных руд; дробление негабаритных кусков горной массы; контурное взрывание, другие специальные работы	Красный
	3	Прострелочно-взрывные работы в разведочных, нефтяных, газовых скважинах	Черный
	4	Взрывные работы в серных, нефтяных и других шахтах, опасных по взрыву серной пыли, водорода и паров тяжелых углеводородов	Зеленый

VI. По структурному состоянию ПВВ делятся на следующие:

- порошкообразные;

- гранулированные;

- прессованные;

- литые;

- пластичные;

- водосодержащие (гелеобразные, суспензионные, эмульсионные, комбинированные).

Известно, что ПВВ относятся к смесевым композициям, в которых обязательно должны присутствовать окислитель, горючее и, в случае необходимости, другие компоненты, каждый из которых выполняет определенную роль. При разработке подобных композиций подходят не эмпирическим путём, а соблюдая основные существующие научно-обоснованные правила, т.е. принципы. Каковы же эти правила или принципы?

Главный принцип – правильное сочетание кислородоносителя, легко отдающего внутримолекулярный кислород при взрывчатом превращении, с другими компонентами ПВВ. Последний необходим для окисления продуктов разложения с последующим образованием газообразных веществ.

Кроме того, ПВВ как смесевой состав должно быть хорошо сбалансировано по кислороду с целью более полного использования энергетических возможностей взрывчатой композиции и при этом обеспечивать минимальное выделения ядовитых газов в продуктах взрывчатого превращения;

- горючие компоненты (индивидуальные ВВ, металлические порошки, продукты нефтепереработки и др.) должны, по возможности, выполнять и роль сенсибилизатора (ускорителя, возбудителя детонации) в процессе взрывчатого превращения;

- кроме окислителей и горючего в ПВВ необходимо содержание вспомогательных материалов, которые обеспечивают определенный уровень энергии, детонационную способность, технологичность состава и другие характеристики. Они должны подбираться в соответствии с требованиями, предъявляемыми к тем или иным видам ПВВ в зависимости от назначения.

Например, в предохранительных ПВВ присутствуют инертные соли – пламегасители (NaCl, KCl, Na₂CO₃ и др.). Они обеспечивают определенный уровень антигризунтности (предохранительности), снижая температуру взрыва вследствие поглощения тепла на своё нагревание, плавление и испарение;

- в пластичных ПВВ присутствуют загустители, пластификаторы, обеспечивая композиции необходимые физико-механические свойства и технологичность;

- в водоустойчивых ПВВ обязательно должны присутствовать гидрофобные добавки;

- при компоновке ПВВ не следует забывать об обеспечении стабильности состава не только в процессе приготовления, но и при транспортировке, хранении и использовании. Это можно достичь подбором природы соответствующих компонентов и их соотношением, параметрами технологического процесса и даже видом упаковки.

У металлизированных ВВ желателен небольшой недостаток кислорода.

Из известных кислородоносителей в составе ВВ наиболее подхо­дящим является аммиачная селитра как дешевая и доступная син­тетическая соль, имеющая некоторую взрывчатую способность и разлагающаяся только на газообразные продукты с выделением 20% . избыточного кислорода. Со многими компонентами она дает малочувствительные к механическим воздействиям и достаточно детонационно-способные смеси.

Другие нитраты (NaNO₃, KNO₃) по сравнению с аммиачной се­литрой выделяют в 2 раза больше свободного кислорода, но в сме­сях труднее детонируют и образуют твердый остаток. Твердые их кристаллы повышают чувствительность взрывчатых смесей к меха­ническим воздействиям, а нитрат калия, кроме того, увеличивает и горючесть.

Практическое применение чаще находят нитрат натрия в предохранительных ВВ ионообменного типа и в водонаполненных ВВ. В последних его применяют как добавку к аммиачной селитре для улучшения кислородного баланса смеси, повышения ее плотности и снижения температуры замерзания.

Из взрывчатых горючих в составе аммиачно-селитренных смесей чаще всего используют тротил как малочувствительное ЭНМ, позволя­ющее сравнительно безопасно изготавливать смеси. В ряде смесей в качестве сенсибилизатора используют более чувствительные мощ­ные ВВ — гексоген, жидкие нитроэфиры, которые одновременно по­вышают и мощность смеси.

Для создания высокомощных смесевых ВВ непредохранительного типа чаще всего в качестве высокоэнергетического компонента ис­пользуют алюминий.

Из невзрывчатых горючих материалов в составе многих видов гранулированных ЭНМ (гранулитов, игданита и др.) используют та­кие доступные и дешевые нефтепродукты, как масла, дизельное топ­ливо, парафиновые воски.

Стабильность взрывчатых свойств и некоторые другие качествен­ные характеристики смесевых промышленных ВВ обеспечиваются не только рецептурным составом, но и технологией изготовления и со­ответствующими видами упаковки.

Смесевые ЭНМ являются физически и химически неоднородными системами. Этим и объясняется особенности многих детонаций и некоторые аномалии с позиции классической теории детонации конденсированных ВВ.

Смесевые ЭНМ могут содержать совершенно различные по химической природе и физическим свойствам вещества:

- индивидуальные мощные ВВ (ТЭН, гексоген, НГ и др.), которые разлагаются в детонационной волне с большой скоростью,

- менее активные индивидуальные ВВ, но с сильно выраженными взрывчатыми свойствами (тротил),

- вещества со слабо выраженными взрывчатыми свойствами (динитронафталин, АС), разлагающиеся на порядок медленнее в сравнении с мощными ВВ,

- горючие материалы, совершенно не обладают взрывчатыми свойствами (Al, древесная мука, парафин, нефтепродукты и др.), но способные окисляться при наличии кислорода,

- совершенно инертные компоненты, не принимающие участия в химической реакции и могущие претерпевать при взрыве лишь фазовые превращения (минеральные соли, вода и др.).

С этой точки зрения ПВВ являются и кинетически неоднородными системами. В отличие от индивидуальных ЭНМ и смесей из компонентов с близкими кинетическими характеристиками, для которых свойственным является (преимущественно) одностадийный переход ВВ в ПВ, химические реакции при взрыве ПВВ из компонентов с различными свойствами проходят в несколько стадий. Типичная схема превращения:

1) первоначальное разложение или газификация в детонационной волне (ДВ) исходных компонентов (первичные реакции);

2) взаимодействие продуктов разложения первой стадии между собой или с веществами, не претерпевшими на 1-ой стадии химических или физических превращений, такими как Al, например, (прохождение вторичных реакций).

Многостадийность превращения ПВВ приводит к усилению по сравнению с индивидуальными ЭНМ зависимости критических условий распространения (критический диаметр, минимальный инициирующий импульс) и параметров детонации от размеров части компонентов. На детонационную способность ПВВ оказывает сильное влияние величина частиц и равномерность их смешивания. Это объясняется тем, что общее время и полнота завершения реакции зависит не только от скорости сгорания отдельных частиц (первичные реакции), но и от скорости вторичных реакций, проходящих в газовой фазе и определяемых условиями диффузии, смешивание продуктов первичного распада.

Чем меньше частицы компонентов и равномернее их распределение в объеме, тем быстрее завершится их сгорание, а также смешивание и взаимодействие продуктов сгорания частиц. С указанными особенностями взрывчатые превращения ПВВ в ДВ связаны характерные особенности взрыва этих ЭНМ:

- растянутость зоны химической реакции

- как правило, большой интервал между dкр. и dпр.

- сильная зависимость этих характеристик от технологии их изготовления

- сильная и экстремальная зависимость D или бризантности от плотности заряда при dзар<dкр

Объяснение этому явлению дается следующим образом. С увеличением ρ, с одной стороны, возрастает скорость детонации на основании общих закономерностей. Кроме того, увеличивается скорость сгорания частиц, подчиняясь закону горения. С другой стороны, с увеличением ρ уменьшается свободная поверхность частиц, что затрудняет поджигание и распространение горения на поверхности частиц. Затрудняются диффузионные процессы смешивания продуктов первичного распада, необходимые для вторичных реакций, сопровождающиеся выделением больших количеств тепла. Двоякое и противоположное направление влияния плотности закономерно приводит к экстремальному виду зависимости.

Для многих ПВВ спад скорости детонации. после максимума может быть достаточно резким, а, начиная с некоторой плотности, детонация вообще приобретает неустойчивых характер. В связи с этим явлением для ПВВ вводят понятие критической плотности. Критическая плотность – не является характеристической величиной, она зависит от физических характеристик ВВ (размеров частиц, равномерности смешивания и др.), от диаметра заряда, наличия оболочки и ее свойствами, от состава ПВВ. При увеличении индивидуального ВВ в составе точка максимума сдвигается вправо, а при определенном количестве кривая приобретает нормальный вид индивидуальных ВВ.

Однако зависимость прироста D при увеличении плотности и даже в этом случае примерно в 2 раза меньше (150 – 200 м/с, повышении плотности в 0,1г/см3 вместо 300 – 400 для индивидуальных ЭНМ).000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 В отличие от индивидуальных ЭНМ для ПВВ с увеличением плотности увеличивается критический диаметр и dпр. Сильное влияние на критический диаметр оказывает величина частиц компонентов. Как и для индивидуальных ЭНМ, критический диаметр уменьшается при помещении заряда в оболочку. Для ПВВ наблюдается большой разрыв между dкр. и dпр., иногда он достигает 10 кратной величины. Правда, для ПВВ водосодержащих и взрываемых в воде, этот разрыв сокращается и практически соответствует малому разрыву для жидких ЭНМ. Механизм и кинетика детонации ПВВ является до настоящего времени одним из наименее разработанных разделов теории ЭНМ. В ДВ смесевых ЭНМ возможна целая гамма ситуаций. В зависимости от кинетических характеристик компонентов, их количественного соотношения в составе, размера частиц, пористости заряда, диаметра заряда и ряда других факторов могут по-разному протекать химические и физические процессы в зоне ДВ. Если кинетика разложения компонентов близка, то в ДВ может быть реализована вся потенциальная энергия состава. Регулированием размеры частиц в этом случае можно как бы увеличить степень « кинетической однородности » смеси. Если в кинетическом отношении смесь существенно неоднородна, то в ДВ реализуется лишь часть потенциальной энергии и детонация распространяется с пониженной скоростью. В пределе детонация может поддерживаться разложением только одного компонента (за счет теплоты его разложения). Например, НГ – содержащие ПВВ с добавками минеральных солей, смесь ТНТ и Al. В таких смесях детонационная теплота определяется теплотой разложения активного компонента и лишь на стадии расширения ПВ реализуется полная потенциальная энергия ЭНМ.

Эффективность и безопасность применения промышленных ЭНМ зависит не только от их энергетических характеристик, но и от физико – химических свойств, таких как химическая и физическая стабильность, водоустойчивость, гигроскопичность, пластичность, текучесть, сыпучесть и ряд др.

Физико-химические характеристики промышленных ВВ в совокупности определяют стабильность состава и взрывчатых свойств ВВ, надежность и безопасность его применения.

Плотность. Различают плотность ВВ, плотность патрона, заряда или шашки и плотность заряжания.

Плотность ВВ – отношение массы ВВ к его объему без учета оболочки. Для сыпучих ВВ плотность, полученную при свободной насыпке, называют насыпной или гравиметрической, а для сплошных (жидких, пластичных, плавленых, прессованных или уплотненных в патроне порошков) ее называют действительной плотностью или просто плотностью ВВ. Плотностью патрона, заряда, шашки или другого изделия называют отношение его массы к занимаемому объему с учетом оболочки. Плотность заряжания представляет собой отношение массы заряда ко всему объему заряд­ной камеры, включая все пустоты, не заполненные ВВ. Величина плотности заряжания зависит от собственной плотности ВВ и от уплотняющей его способности.

Для каждого ВВ существуют свои оптимальные значения плот­ности, за пределами которых происходит ухудшение взрывчатых ха­рактеристик ВВ вплоть до полной потери детонационной способно­сти. Увеличение плотности до оптимальных значений приводит к концентрации энергии в единице объема заряда, возрастанию давле­ния и скорости детонации, а в целом - к увеличению взрывного эф­фекта.

Дисперсность - характеристика размеров частиц сыпучих ВВ. ВВ подразделяются на крупнодисперсные с размером частиц 1-5 мм и мелкодисперсные с размером частиц 0,01-0,5 мм. К первым отно­сятся гранулированные, а ко вторым - порошкообразные ВВ. Дис­персность гранулированных ВВ определяется размером их гранул и гранулометрическим составом. Дисперсность порошкообразных ВВ зависит от степени их измельчения при изготовлении.

От дисперсности или гранулометрического состава ВВ зависят многие другие его характеристики: детонирующая способность, сы­пучесть, пыление, слеживаемость, водоустойчивость, электризуемость. Для многих ВВ дисперсность нормирована техническими ус­ловиями и контролируется ситовым анализом.

Сыпучесть - способность ВВ свободно высыпаться и хорошо заполнять полость при заряжании нисходящих скважин. Сыпучесть можно оценивать по величине угла естественного откоса или скоро­сти прохождения ВВ через калиброванное отверстие воронки или бункера. Хорошую сыпучесть имеют гранулированные ВВ, плохую - мелкодисперсные ВВ, склонные к зависанию и сводообразованию на стенках бункеров и скважин. Многие мелкодисперсные ВВ почти полностью теряют сыпучесть при содержании влаги 1,5-2,0%, а гра­нулированные - при содержании влаги 5-6%.

Пластичность - способность ВВ легко деформироваться под воздействием небольших нагрузок и сохранять придаваемую им форму. Пластичность обеспечивается за счет присутствия в составе ВВ желированной жидкой фазы.

Все пластичные ВВ (акваниты и гелеобразные акватолы) высокоплотные и водоустойчивые. Пластичность ВВ со временем понижается: при уменьшении температуры или улетучивании жидкой фазы они твердеют. Восстановить пластичность можно оттаиванием, разогреванием и механическим разминанием массы.

Текучесть - способность водосодержащих и других суспензионных ВВ жидковязкой консистенции вытекать из емкостей под действием силы тяжести. Суспензионные ВВ приобретают текучесть при наличии в них жидковязкой фазы свыше 35%. Текучесть таких си­стем зависит от степени загущения жидкой фазы, температуры ВВ и продолжительности его хранения. Для сохранения текучести при отрицательных температурах (-15 ÷ -20°С) в состав их жидкой фазы вводят антифризы.

Химическая и физическая стабильность определяют сохранность энергетических и эксплуатационных характеристик ЭНМ в течение гарантийного срока их использования, а также температурные режимы безопасной переработки, хранения и применения ЭНМ, реологические и физико – механические свойства – пригодность данного вида ЭНМ к механическим способам транспортирования и заряжания; увлажняемость – требования к укупорке; водоустойчивость – возможность применения ЭНМ в обводненных забоях; термостабильность – возможность применения в глубоких высокотемпературных газовых и нефтяных месторождениях.

Водоустойчивостью называют способность промышленных ЭНМ сохранять свои энергетические характеристики при погружении в воду. С некоторыми ЭНМ или их компонентами вода может взаимодействовать растворяя их или вступая в химическую реакцию, с другими – вода не взаимодействует, но способна проникать между частицами ЭНМ, что приводит к его флегматизации, снижению или полной потере детонационной способности.

Мерой водоустойчивости в общем случае служит время пребывания ЭНМ в воде, в течение которого энергетические характеристики не должны снижаться ниже некоторой установленной нормы. Оценка водоустойчивости может проводиться либо прямыми способами, т.е. путем взрыва заряда, помещенного в воду, либо косвенными методами, например, по вымыванию водорастворимых компонентов из состава ЭНМ за заданный промежуток времени или по скорости проникания воды в глубь заряда. При этом оговариваются условия испытания: глубина погружения заряда, его размеры, скорость потока воды и др. Особое значение имеет скорость водообмена (проточность) в скважине или емкости, моделирующей скважину при испытании.

Простейший из методов создания собственно водоустойчивых ЭНМ состоит в том, что они содержат только нерастворимые в воде и невзаимодействующие с ней материалы (компоненты), например, тротил, НГ, гексоген, ТЭН, нитроклетчатку и т. п. Некоторые из перечисленных нитросоединений слабо растворимы в воде, или процесс идет столь медленно, что им можно практически полностью пренебречь. К таким материалам можно практически отнести и металлы, вводимые в состав ПВВ: Al, ферросилиций и др., которые крайне медленно реагируют с водой на холоде. Кроме того, их реакционная способность ослаблена тем, что на поверхности обычно имеется пленка из гидрофобного материала.

Детонационная способность ЭНМ данного типа погруженного в воду, зависит главным образом от размера и формы частиц, их удельной поверхности. С увеличением удельной поверхности флегматизирующие действие воды, заполняющей свободное пространство, между частицами ЭНМ, возрастает. В связи с этим на взрывных работах при заряжании обводненных скважин засыпкой применяют только гранулированные ЭНМ, с размером частиц (гранул) 3 – 5 мм (гранулотол, амомотол). Аналогично тому, как частицы Al в амомотоле изолируются от химического взаимодействия водой пленкой, застывшей на их поверхности тротила, могут быть также гидроизолированы частицы водорастворимых компонентов аммиачной селитрой.

Другой метод гидроизоляции аммиачной селитры и других водорастворимых нитратов состоит в получении «обратных эмульсий». В них за счет интенсивного перемешивания концентрированных водных растворов нитратов и минеральных масел или др. жидких или легкоплавких гидрофобных веществ (парафинов, восков и т.п.) в присутствии эмульгатора создаются мельчайшие капли раствора, покрытые (закапсюлированные) тонкой пленкой гидрофобного вещества.

На этом принципе построена технология получения водоустойчивых эмульсионных ЭНМ.

Возможно также сочетание обоих методов, т.е. распределение полученной обратной эмульсии в расплавленном тротиле. По этой технологии получают особо водоустойчивые гранитолы, способные выдерживать пребывание в воде до 12 суток.

Известны также методы защиты ЭНМ от действия воды заполнением свободного пространства (пор) между твердыми частицами ПВВ высоковязкой жидкостью. При этом, чем выше вязкость жидкого наполнителя, тем больше усилие требуется для его вытеснения водой и тем выше водоустойчивость ЭНМ. Аналогичным образом влияют адгезионные свойства жидкости по отношению к поверхности твердых компонентов ЭНМ.

В качестве жидкого наполнителя до недавнего времени в основном применяли НГ и нитрогликоли, вязкость которых повышали растворением в них нитроклетчатки. Такие ПВВ известны под названием динамитов. Степень их водоустойчивости зависит от соотношения твердой и жидкой фаз в составе и от вязкости самого динамитного желатина, определяемой количеством и качеством загустителя – нитроклетчатки, полнотой его растворения в нитроэфирах. В последнее время в качестве жидкого наполнителя широко используются водные гели. В данном случае степень водоустойчивости ЭНМ зависит от количества наполнителя и его вязкости, адгезионных свойств, а также физической стабильности гели. Пластифицированные непористые ЭНМ, сформированные в виде компактных зарядов, взаимодействуют с водой только с поверхности. Поэтому вымывание водорастворимых компонентов происходит медленно, послойно, но оно может усилиться в турбулентном водном потоке. Лишь при очень высоком гидростатическом давлении воды возможно вытеснение загущенного наполнителя из заряда и протекания воды в глубь заряда.

Еще один широко распространенный способ придания водоустойчивых свойств сформированным зарядам из порошкообразных ЭНМ, содержащих, растворимые в воде компоненты, состоит в том, что в массе ЭНМ равномерно распределяются высокогидрофобные добавки. Тем самым создается пространственная гидрофобная решетка, препятствующая прониканию воды в глубь заряда по капиллярам.

Водоустойчивые свойства почти полностью теряются, когда порошкообразные ЭНМ с гидрофобными добавками заряжаются в обводненные скважины россыпью: капиллярные силы утрачивают свои значения и ЭНМ быстро замокает. При этом аммиачная селитра и др. водорастворимые компоненты растворяются.

Гидрофобные добавки можно вносить в порошкообразные ЭНМ на стадии смешивания компонентов или наносить их на частицы отдельных компонентов до смешивания. Их гидрофобизирующее действие определяется собственной гидрофобностью и ее стабильностью, а также степенью диспергирования гидрофобного вещества. Высокая дисперсность и адгезионные свойства гидрофобной добавки необходимы для закрепления ее частиц на гидрофобизирующей поверхности.

Стеораты многовалентных являются одним из эффективных гидрофобных добавок для порошков аммонитов. Некоторые технические порошки стеаратов имеют размер частиц 5-20 мкм, размер частиц аммонитов составляет 70-120 мкм.

Физическую стабильность смесевых ЭНМ определяют следующие характеристики: увлажняемость (гигроскопичность), слеживаемость, уплотняемость, расслаиваемость, летучесть.

Гигроскопичность – способность гидрофильных материалов поглощать влагу из окружающей атмосферы. Гигроскопичность определяется величиной гигроскопической точки, т.е. отношением упругости водяных паров над насыщенным раствором данного вещества к упругости водяных паров, насыщающих воздух при той же температуре.

Гигроскопическая точка выражается в % относительной влажности и характеризует состояние вещества, при котором оно не подсыхает и не увлажняется. Чем выше гигроскопическая точка вещества, тем оно менее гигроскопично. Из солей, применяемых в производстве промышленных ЭНМ, к сильно гигроскопичным относятся кальциевая селитра (гигроскопическая точка при 25С 44%) и аммиачная селитра (62,7%), к малогигроскопичным – калиевая селитра (92%), KCl (83,4%).Они обуславливают в основном гигроскопичность самого СЭНМ. Гигроскопическая точка большинства ЭНМ на основе аммиачной селитры при температуре 15-20 С составляет 60-68%. Поэтому в большинстве климатических районов России они способны при отсутствии влагозащитной упаковки увлажняться. Увлажнение нарушает физическую стабильность ЭНМ, способствует слеживанию, снижает сыпучесть, водоустойчивость и ухудшает детонационную способность.

Слеживаемость – способность некоторых порошкообразных веществ терять при хранении сыпучесть и превращаться в плотную сплошную массу.

Слежавшиеся ЭНМ неудобны в обращении: невозможно раздавливание патронов в шнурах, повышается опасность и затрудняется введение детонатора в патрон-боевик, перед заряжанием россыпью приходиться дробить слежавшиеся аммониты, затрудняется механизация заряжания и т.п. Кроме того, слежавшиеся аммониты характеризуются пониженной детонационной способностью.

Одной из причин слеживаемости является рекристаллизация водорастворимых компонентов. При увлажнении ЭНМ некоторая часть солей (нитраты аммония, хлористого Na и др.) переходит в раствор. Затем при поддержании или понижении температуры из насыщенного раствора выделяются новые кристаллы, которые цементируют массу в прочный конгломерат. Этому процессу способствуют капиллярные силы, которые сближают увлажненные частицы. Поэтому при слеживании помимо потери сыпучести, часть порошка самоуплотняется. Описанный процесс имеет место при умеренном увлажнении гидрофильных материалов. При большом содержании влаги уменьшение растворимости при понижении температура может оказаться недостаточным для цементации массы образованием новых кристаллов из раствора.

Слеживаемость по описанному механизму усиливается при внешнем давлении, например, штабелирование материала, упакованного в мягкую тару или при внутренних напряжениях, вызванных в результате полиморфных превращений аммиачной селитры с увеличением объема ЭНМ. В этом отношении особенно опасен нагрев АС выше +32 С, при которой они из β-формы переходят в α-форму с увеличением объема на 2,5%.

При прочих равных условиях слеживаемость АС смесей возрастает с увеличением степени измельчения.

Обвалакивающие, нерастворимые в воде масла, парафин, керосин и др. примеси снижают слеживаемость гигроскопичного ЭНМ, покрывая его частицы негигроскопичной пленкой. вследствие этого понижается скорость поглощения влаги этим ЭНМ. Кроме того, пленка гидрофобного вещества изолирует частицы вещества друг от друга, и образующие новые кристаллы менее прочно связывают массу вещества.

В истории кристаллизации известен принцип изменения активными примесями формы и размеров кристаллов. Например, добавками ПАВ (0,01-0,10%), в том числе красителей. Соответственно эти добавки могут влиять и на процесс слеживаемости.

Наибольшую слеживаемость имеют вещества со средним значением гигроскопической точки 50-70%, способные периодически увлажняться или подсыхать с изменением влажности воздуха. Именно такими являются основной компонент промышленных ЭНМ – аммиачная селитра, а также входящие в состав предохранительных ЭНМ хлориды Na, K.

На слеживаемость порошкообразных ЭНМ могут оказать влияние размеры и формы частиц. С увеличением размера частиц уменьшается их удельная поверхность, а следовательно и число возможных узлов сцепления. По этой причине порошок, состоящий из частиц сферической формы, меньше слеживается, чем порошки, содержащие частицы плоскими поверхностями. На слеживаемость влияет также характер поверхности частиц. Гладкая поверхность создает меньше возможности для слеживаемости, чем шероховатая. Способы устранения или ослабления слеживаемости промышленных ЭНМ:

1. Минимальное содержание влаги и охлаждения аммонитной массы перед патронированием и укупоркой (до температуры ниже 32 С), надежная влагоизоляция готовой продукции герметичной пленкой (пакетами, мешками, влагопроницаемыми мастиками и др.)

2. Хранение, в условиях, исключающих сдавливающие нагрузки (т.е. ограничение высоты штабелей до оптимальных размеров) и резкие колебания температуры с переходом через температуру +32С.

3. Введение в селитру или в состав СЭНМ добавок, снижающих слеживаемость – пористых веществ, характеризующихся хорошей сорбционной влагоемкостью, например, силикогеля, древесной, торфяной муки и др. гидрофобных веществ, изолирующих частицы гидрофильных веществ в состав, добавок, уменьшающих толщину и механическую прочность межкристаллических связующих мостиков, например, ПАВ (0,03-0,05%).

4. Укрупнение частиц СЭНМ или отдельных его компонентов зернением, гранулированием или др. технологическими способами.

Уплотняемость – важное эксплуатационное качество сыпучих ЭНМ. Способность промышленных ЭНМ уплотняться при внешних нагрузках может иметь двоякое значение – «+» и «–». Для гранулированных ЭНМ, заряжаемых с помощью псевмозарядчиков, это свойство способствует повышению плотности заряжания.

Уплотняемость возрастает при наличии жидкой фазы ЭНМ. Так, гранулиты и игданит имеют насыпную плотность 0,85 – 0,90 г/см3, при наличии жидкой фазы (например, нефтяных масел) уплотняется до 1,2 г/см3. Аналогичное действие оказывает увлажнение перед пневмозаряжанием граммонита 79/21, не содержащего жидких нефтепродуктов.

В патронированных порошкообразных ЭНМ, особенно в предохранительных, уплотнение может привести к снижению детонационной способности.

Расслаивание - самопроизвольное или под влиянием внешних сил разделение ЭНМ на составные части или отдельные компоненты, которых существенно различаются по плотности, форме и размеров частиц, агрегатному состоянию. Так, у игданита наблюдается стекание в нижние слои ЭНМ дизельного топлива. У водосодержащих ЭНМ при большом содержании жидкой фазы и недостаточном ее загущением происходит постоянное оседание и скапливание в нижних слоях твердых компонентов. Промышленные ЭНМ, изготовленные в заводских условиях, при соблюдении нормальных условий транспортирования и применения расслаиваются незначительно.

Введение в гранулированную селитру некоторых ПАВ способствует снижению или предотвращению расслаивания компонентов, при этом увеличивается впитывающая способность жидкого компонента селитрой. Повышенной впитывающей способностью по отношению к дизельному топливу характеризуется водоустойчивая селитра, марки ЖВ, содержащая соли жирных кислот. Впитывающая способность гранул селитры зависит от их пористости и влажности.

В игданитах, изготовленных на малопористой селитре с гладкой поверхностью гранул и на низковязком горючем наблюдается стекание горючего в нижние слои заряда.

Расслаивание водосодержащих ЭНМ находится в обратной зависимости от их вязкости. Для предотвращения расслаивания водный компонент загущают гелеобразующими агентами, набухающими в воде (полиакриламид, натрикарбоксиметилцеллюлозы, некоторые полисахариды растительного происхождения и др.). Кроме того, в водосодержащих ЭНМ применяют структурообразующие или « смешивающие » агенты, в том числе, которых наиболее распространены бура, бихроматы и др.

Одной из форм расслаивания является экссудация жидкой фазы вследствие миграции ее к поверхности заряда за счет капиллярных сил. Экссудация обычно наблюдается у патронированных ЭНМ, содержащих свободные или загущенные полимерами жидкие компоненты. Деструкция гелей (водных для водосодержащих ЭНМ и нитроглицериновых для нитроэфирсодержащих ЭНМ) приводит к появлению жидкой фазы, которая может мигрировать к поверхности патронов. Особенно опасна экссудация для пластичных динамитов, т. к. появление жидких нитроэфиров или нитрогликоля на бумажной обертке патронов повышает опасность в обращении. Поэтому при разработке составов необходимо предусмотреть возможность экссудации жидких нитроэфиров. Для предотвращения эксудации жидкие нитроэфиры желатинизируют нитроцеллюлозой или вводят специальные добавки – поглотители.

Летучесть – способность некоторых компонентов ЭНМ частично или полностью улетучиваться (испаряться, сублимироваться) в процессе хранения или применения. Чем выше упругость паров и температура испаряемого компонента, тем выше летучесть ЭНМ. Частично улетучиваются нитроэфиры из нитроэфирсодержащих промышленных ЭНМ, с чем связано их токсичное действие, а также вода из водосодержащих ЭНМ и дизельное топливо из игданита.

Химическая стабильность (стойкость) ЭНМ характеризуют скорость разложения ЭНМ при хранении, и определяет способность сохранять химический состав и связанный с ним физико-химические и энергетические характеристики в течение гарантийного срока хранения. Она зависит от химической природы ЭНМ, наличия в нем нестойких примесей или компонентов, несовместимых друг с другом, а также от условий хранения. При низкой стойкости ЭНМ хранение больших количеств может привести к самоускоряющемуся разложению и взрыву.

Для нейтрализации каталитически действующих примесей или продуктов собственного распада в некоторых ЭНМ вводят стабилизирующие добавки. Так, в состав нитроэфирсодержащих ЭНМ вводят соду, мел и др. вещества щелочной природы, взаимодействующие с остаточными кислотами, окислами азота и др.

При больших массах ЭНМ изотермический процесс разложения, протекающих с более-менее постоянной скоростью может ускоряться за счет нарушения теплового равновесия в системе и перейти в горение и взрыв.

Электризация ВВ. Статическая электризация сыпучих материалов (диэлектриков), имеющих плохую токопроводимость, возникает в ре­зультате трения их частиц между собой и скольжения по стенкам оборудования при дроблении, истирании и распылении в воздушном потоке. На границе разнородных сред происходит разделение заря­дов с образованием двойного электрического слоя. Это явление осо­бенно интенсивно проявляется при пневмотранспортировании и пневмозаряжании ВВ. Оно может наблюдаться также при простом высы­пании тонкодисперсного маловлажного ВВ из полиэтиленового мешка или при засыпке его в сухую скважину. При электризации возникают и накапливаются разноименные заряды, и образуется электростатическое поле. Появление искры электростатического разряда чревато воспламенением или взрывом ВВ.

Наиболее высокие диэлектрические свойства имеют гексоген и тротил, поэтому они сильно электризуются. Меньшие значения удельных энергетических характеристик и электризуемость имеют аммиачно-селитренные ВВ, особенно без тротиловые гранулиты.

Электризация материала происходит в том случае, если его со­противление превышает 10⁶ Омсм. При меньшем сопротивлении они токопроводные и могут электризоваться лишь при отсутствии заземления. Стекание зарядов с их поверхности в землю возможно уже при удельном электрическом сопротивлении меньше 10⁶ Омсм. По металлическим трубопроводам можно безопасно транспортировать любые сыпучие материалы с удельным электрическим сопротивлением, меньшим 10⁹ Омсм, если они надежно заземлены и со­противление заземляющих приспособлений не превышает 10⁶ Омсм.

Электрические характеристики смесевых аммиачно-селитренных ВВ и способность к электризации при пневмотранспортировании зависят от наличия в их составе компонентов с высокими диэлектриче­скими свойствами. В аммонитах и граммонитах электризацию определяет присутствующий в них тротил, особенно если им сплошь покрыта поверхность гранулы селитры. В металлизованных гранулитах и граммоналах таким определяющим фактором является алюминиевая пудра, покрывающая поверхность омасленных гранул. Из-за наличия на частицах пудры окисного слоя алюминия, а также пленки нефтепродукта она является плохими проводником тока (сопротивление 10⁷ Омсм).