2. Поняття про вибух і вибухову речовину

Вибухом у фізичному значенні називається надзвичайно швидка зміна речовини, що супроводжується таким же швидким звіль-ненням її потенційної енергії, яка виконує механічну роботу, спрямовану на руйнування навколишнього середовища.

За своєю природою вибухи підрозділяються на фізичні, хімічні та ядерні.

При фізичних вибухах відбуваються тільки фізичні перетворення без зміни хімічного складу речовин (вибухи парових котлів, балонів зі зрідженим газом та ін.).

Хімічним вибухом називають украй швидке хімічне перетво-рення речовини (системи речовин), що самопоширюється, протікає з виділенням великої кількості теплоти й утворенням газоподібних продуктів. З цього визначення випливають чотири основні умови, які повинна задовольняти хімічна реакція для того, щоб вона могла протікати у формі вибуху, а саме: екзотермічність, утворення газів чи парів, велика швидкість, здатність до самопоширення.

Роль газоутворення для вибуху може бути показана на прикладі добре відомої термітної реакції

яка протікає без хімічного вибуху, незважаючи на те, що тепловий ефект реакції є достатнім для нагрівання кінцевих продуктів до температури 3273 К.

До хімічних вибухів належать вибухи вибухових речовин, метану чи іншого горючого газу, вугільного чи іншого органічного пилу.

При ядерних вибухах відбуваються ланцюгові реакції поділу ядер з утворенням нових елементів.

При вивченні дисципліни “Технологія та безпека виконання вибухових робіт” будемо розглядати тільки хімічний вибух вибухової речовини.

Вибухові речовини (ВР) – хімічні сполуки або механічні суміші речовин, здатні під впливом зовнішньої дії (початкового імпульсу) до швидкого самопоширюваного перетворення (вибуху) з виді-ленням великої кількості теплоти та утворенням газів, здатних спричиняти руйнування і переміщення оточуючого середовища.

Для більшості вибухових речовин кількість газів, що виді-ляються під час вибуху 1 кг ВР, знаходиться в межах 0,3... 1 м³, кількість теплоти – 1,9... 6,3 МДж (460...1500 ккал), а швидкість вибуху коливається від 1000 до 10000 м/с. Під час вибуху в оточуючому середовищі виникають ударна і звукова хвилі.

3. Кисневий баланс. Отруйні гази вибуху

Кисневий баланс. Характерна ознака вибухової речовини – наявність у складі хімічних елементів, необхідних для побудови кінцевої системи. Наприклад, при горінні нафти, вугілля та інших копалин реакція відбувається за рахунок кисню повітря. У той же час вибух ВР ґрунтується на окисненні горючих речовин киснем – вуглецю і водню, що входять до його складу, і лише вибух деяких ВР ґрунтується на розпаді молекули на окремі атоми.

Розглянемо кілька прикладів реакцій хімічного перетворення ВР:

– нітрогліцерин

– аміачна селітра

– нітрогліколь

– амоніт 6ЗВ, що складається із суміші аміачної селітри (79%) і тротилу (21%)

– тротил

– азид свинцю

Із розглянутих реакцій вибухового перетворення видно, що при створенні рецептури і застосуванні ВР важливо знати вміст кисню в його складі, тобто так званий кисневий баланс системи.

Кисневим балансом називається виражена у відсотках надлиш-кова, достатня чи недостатня кількість кисню у вибуховій речовині у порівнянні з кількістю, потрібною для повного окиснення горю-чих елементів, що містяться в ньому (вуглецю, водню, алюмінію та ін.).

Під повним окисненням варто розуміти окиснення водню у воду, вуглецю – у діоксид вуглецю (вуглекислий газ), алюмінію – у оксид алюмінію.

Залежно від надлишку чи недостачі кисню у ВР розрізняють нульовий, позитивний і негативний кисневий баланс.

Нульовий – це такий кисневий баланс, при якому кількість кисню в складі ВР дорівнює кількості, потрібній для повного окиснення всіх горючих елементів, що входять до ВР. Якщо в складі ВР є надлишок кисню, то кисневий баланс вважається позитивним, а якщо недостача – негативним.

Кисневий баланс – це фізико-хімічна характеристика ВР. Його можна якісно оцінити за вибуховою реакцією, тобто за складом газоподібних продуктів вибуху, а саме: при нульовому – серед продуктів вибуху є тільки Н₂О, СО₂, N₂ (можливо і Al₂O₃), наприклад, у нітрогліколю; при позитивному – крім того, міститься вільний кисень, наприклад, в аміачній селітрі; при негативному – оксид вуглецю (чадний газ) і вуглець, наприклад, у тротилу.

Точне значення кисневого балансу ВР визначають за рівнянням

(1.1)

де – кількість атомів кисню в молекулі ВР; – кількість атомів кисню, необхідна для повного окиснення горючих елементів (вуглецю, водню, алюмінію та ін.); – молярна маса кисню ( ); – молярна маса ВР, кг/кмоль.

Якщо ВР має елементарний склад у вигляді , то

(1.2)

(1.3)

де а, b, c, d, e – кількість атомів відповідного хімічного елементу у молекули ВР.

Очевидно, що якщо , то кисневий баланс позитивний, якщо – негативний, а якщо – нульовий.

Вибухові речовини з нульовим кисневим балансом є ефективни-ми, оскільки при повному окисненні горючих елементів виділяється максимальна кількість теплоти, що забезпечує максимальне виді-лення енергії під час вибуху.

Отруйні гази вибуху. Сучасні промислові ВР містять органічні і неорганічні нітрати, нітросполуки і різні нітровуглецеві сполуки, тому основними отруйними газами, що виділяються під час вибуху є оксид вуглецю (чадний газ), оксид (NO) і діоксид (NO₂) азоту.

На склад і кількість отруйних газів вибуху у першу чергу впливає кисневий баланс: чим більше він відхиляється від нуля, тим менша потенційна енергія ВР у порівнянні з тим її рівнем, що був при нульовому , і тим більше утворюється отруйних газів. При надлишку кисню виділяється деяка кількість оксидів азоту, а при недостачі кисню виділяється оксид вуглецю. Тому для підземних робіт допускаються ВР тільки з нульовим чи близьким до нульового кисневим балансом. Для підривання на земній поверхні можуть застосовуватися ВР як з позитивним, так і з негативним кисневим балансом.

Рецептури ВР складаються з таким розрахунком, щоб при реакції вибуху утворилися в основному пари води, азот і вуглекислий газ, тобто газоподібні продукти, найменш небезпечні для людини.

Вибухова речовина із нульовим кисневим балансом теоретично не повинні давати отруйних газів. Однак практика виконання підривних робіт патронованими ВР показала, що із загальної кількості газоподібних продуктів вибуху 5...10 % падає на отруйні домішки, у тому числі до 45 л/кг оксиду вуглецю і до 14 л/кг оксидів азоту.

Головна причина утворення значної кількості оксиду вуглецю при підривних роботах – газифікація парафінованої паперової оболонки патронів ВР під дією високотемпературних парів води і вуглекислого газу за такими реакціями (утворення О за рахунок дисоціації О₂ не має істотного значення для більшості промислових ВР):

Тому при виготовленні промислових ВР масу гільзи обмежують: на 100 г ВР маса паперової обгортки повинна бути не більше 3 г і парафіну – не більше 2,5 г.

Утворення оксидів азоту при підривних роботах відбувається, як правило, за рахунок повільного горіння (поза об’ємом заряду ВР) часток, що розкидаються при його детонації (у першу чергу аміачної селітри), яка протікає у низькотемпературному режимі при наявності порівняно низького тиску, наприклад, наступними шляхами:

У зв’язку з цим для підривних робіт у вугільних шахтах допускаються ВР, під час вибуху яких виділяється не більш 80 л/кг умовного оксиду вуглецю.

Перерахування оксидів азоту на умовний оксид вуглецю виконується множенням кількості оксидів азоту на коефіцієнт, що дорівнює 6,5. Вважається, що 1 дм³ окисів азоту еквівалентний за токсичністю 6,5 дм³, а сірчистих газів – 2,5 дм³ оксиду вуглецю.