2. Класифікація методів випробування промислових вибухо-вих речовин

Промислові ВР піддаються наступним випробуванням:

1. Для оцінки вибухових властивостей ВР визначають швидкість детонації, бризантність, працездатність. Для нових сортів ВР експериментальним або розрахунковим шляхом визначаються теплота і робота продуктів вибуху, об’єм, температура і тиск газів вибуху.

2. Для перевірки якості ВР, придатності їх до застосування визначають відстань передачі детонації від патрона до патрона в сухому вигляді або після їх витримки у воді на певній глибині, вологість ВР, хімічну і фізичну стійкість. Для ВР І групи, що містять нітроефіри, визначаться їх ексудація (виділення рідких нітроефірів на оболонці патронів).

3. Для оцінки чутливості і небезпеки ВР в обігу визначаються чутливість до теплового і ініціюючого імпульсу, до удару і тертя, схильність до розпилення і електризації.

4. Для визначення технологічності застосування ВР оцінюються сипучість, дисперсність, зволоженість, водостійкість, здатність до розшарування, хімічна стійкість.

3. Оцінка властивостей вибухових речовин

За характером прояву дії вибуху ВР на руйновану породу прийнято розрізняти бризантну, або що дробить, і загальну, або фугасної дії.

Бризантна дія вибуху характеризується подрібненням породи або інших твердих тіл на контакті з ВР і в безпосередній близькості від заряду.

Я.Б. Зельдович і К.П. Станюкович запропонували характеризу-вати бризантність імпульсом, що діє при вибуху на площу середовища, що контактує із зарядом.

Питомий імпульс на торці заряду за відсутності бічного розльоту продуктів вибуху визначається як

(2.5)

де l_з – довжина заряду; р – тиск газів вибуху, Па; v_д – швидкість детонації, м/с.

Повний імпульс на торець заряду площею S рівний

(2.6)

де – маса заряду.

За наявності бічного розльоту продуктів вибуху

(2.7)

де k – коефіцієнт, менший одиниці; Q_а – активна маса заряду (частина заряду, що впливає на перешкоду).

Для оцінки бризантної дії ВР його заряд висаджують на свинцевому стовпчику (метод Гесса) або в зразку породи.

До фугасних форм роботи вибуху відносяться руйнування породи на відстані від заряду, її переміщення при вибуху. Це дія вибуху виявляється в об'ємі масиву, який в сотні і тисячі разів перевищує об'єм заряду.

Фугасна форма роботи вибуху пропорційна загальній енергії ВР, або його працездатності. Фугасна дія вибуху оцінюється за розширенням вибухом заряду свинцевої бомби (метод Трауцля), за відхиленням вибухом балістичної мортири або балістичного маятника, за об’ємом воронки дроблення або викиду при вибуху заряду в породі.

Результати порівняльних випробувань ВР на балістичній мортирі використовуються в деяких країнах для визначення перекладних коефіцієнтів при розрахунку питомих витрат різних ВР. Для цього підбирають величину заряду Q_x, який дає таке ж відхилення мортири, як стандартний заряд Q₀. Поправочний коефіцієнт на питому витрату ВР рівний відношенню .

Визначення бризантності ВР за методом Гесса. На стовпчик з рафінованого свинцю (рис 2.2) поміщають сталеву пластинку завтовшки 10 мм і діаметром 41 мм, а на неї заряд масою 50 г в паперовому патроні діаметром 40 мм з густиною 1 г/см³. В заряд на глибину 15 мм вставляють капсуль-детонатор. Свинцевий стовпчик із зарядом встановлюють на масивній сталевій підставці. При вибуху стовпчик деформується, приймаючи грибоподібну форму. Бризантність оцінюється різницею середніх висот до і після вибуху в міліметрах, заміри яких виконують в чотирьох діаметрально протилежних точках стовпчика. Для визначення бризантності грубодисперсних і гранульованих ВР, у яких критичний діаметр відкритого заряду більше 40 мм, їх розміщують на стовпчику в сталевому кільці. Бризантність при таких випробуваннях істотно більша, ніж при вибуху відкритих зарядів.

Рис. 2.2 – Схема випробування бризантності ВР: 1 – плита; 2 – свинцевий стовпчик; 3 – сталева прокладка; 4 – заряд ВР; 5 – капсуль-детонатор; 6 – вогнепровідний шнур; 7 – кріплення; 8 – стовпчик після вибуху

Визначення бризантності імпульсу вибуху на балістичному маятнику. Для випробування циліндровий заряд ВР заданого діаметру і маси встановлюється на підставку так, щоб його вісь співпадала з віссю вантажу маятника (рис. 2.3).

Рис. 2.3 – Схема визначення бризантності на балістичному маятнику: 1 – підставка для заряду ВР; 2 – електродетонатор; 3 – заряд ВР; 4 – захисний екран; 5 – шкала відхилень; 6 – підвіски; 7 – маятник

Між торцями заряду і маятника укладається сталева прокладка. При вибуху вимірюється відхилення маятника, за величиною якого визначають питомий імпульс вибуху заряду (кДж)

(2.8)

де М – маса заряду, кг; g – прискорення вільного падіння, м/с²; l – довжина підвіски, м; φ – кут відхилення маятника, град.

Імпульс можна визначити також по величині горизонтального переміщення маятника:

(2.9)

де Т – період коливання маятника, с.

Визначення працездатності ВР в свинцевій бомбі і на зразках породи. Бомба Трауцля виготовляється з рафінованого свинцю з поглибленням в центрі діаметром 25 мм і глибиною 125 мм для розміщення заряду ВР масою 10г з електродетонатором (рис. 2.4).

Рис. 2.4 – Схема визначення працездатності ВР у свинцевій бомбі (а – до вибуху; б – після вибуху): 1 – свинцевий циліндр; 2 – заряд ВР; 3 – детонатор; 4 – забійка

Вільна від заряду частина поглиблення заповнюється піском. При вибуху в бомбі утворюється грушоподібне розширення, величина якого за розрахунком об'єму поглиблення і розширення, утвореного вибухом електродетонатора, і характеризує праце-здатність ВР.

Недоліками визначення працездатності у свинцевій бомбі є: умовність величини працездатність (см³); при працездатності ВР більше 420 см³ стінки бомби стають тонкими і подальше її розширення відбувається швидше, ніж зростання енергії ВР.

Л.І. Барон запропонував випробування ВР проводити в зарядах масою 10 г, які поміщаються в центрі кубічних блоків з гірської породи або піщано-цементного розчину з розміром ребра 200 мм. Дія ВР характеризується виходом дрібних шматків (фракції <7 мм) на 1кг маси блоку.

Експериментами встановлений достатньо хороший збіг відносної зміни працездатності в бомбі Трауцля і в зразках породи при випробуваннях різних ВР, що свідчить про достовірність отриманих результатів при випробуванні ВР будь-яким методом.

Визначення працездатності на балістичній мортирі. Балістична мортира є масивним циліндром, який підвішений на тягах у вигляді маятника (рис. 2.5, а).

Рис. 2.5 – Схема визначення працездатності: а) на балістичній мортирі; б) на балістичному маятнику. 1 – мортира; 2 – снаряд; 3 – заряд; 4 – тяги; 5 – опора

У корпусі є вибухова камера об’ємом V_вар, в якій висаджують заряд (зазвичай 10 г), і розширювальна камера об'ємом V_р, в яку поміщають масивний поршень-снаряд. Робота вибуху виявляється у виштовхуванні поршня-снаряда і відхиленні мортири.

Інтервал часу між моментом вибуху і вильотом снаряду (5...10 мс) в 20...30 разів більше часу розширення продуктів вибуху при вибуху в повітрі. Робота, виконана газами вибуху в мортирі (кДж)

(2.10)

Зазвичай

(2.11)

З іншого боку, значення А_м може бути виміряне за відхиленням мортири.

Сумарна енергія, отримана при вибуху системою мортира-снаряд (Дж)

(2.12)

Кінетичні енергії відповідно мортири і снаряда (Дж)

(2.13)

де І – момент інерції маятника, м⁴; ω – кутова швидкість маятника, c^-1; m – маса снаряда, кг; u – швидкість польоту снаряда, м/с.

Виходячи з рівності моментів кількості руху мортири і снаряда, можна записати

(2.14)

де r – відстань від осі вибухової камери до точки підвісу, м; зазвичай її приймають рівною відстані l від центру тяжіння мортири до точки підвісу.

Об'єднавши вирази (2.13) і (2.14), отримаємо рівність

або

Величина витрачається на підйом центру тяжіння мортири на висоту h, тобто

(2.15)

де М – маса мортири, кг; g – прискорення вільного падіння, м/с²; φ – кут відхилення мортири від вертикалі, градус.

Отже, повна енергія системи

(2.16)

Для мортири певної конструкції величина

є постійним параметром, який визначається шляхом вимірювань. Прийнявши, що вся маса мортири зосереджена в одній точці, отримаємо рівність для наближеного розрахунку

Звідси після перетворення отримаємо

(2.17)

Таким чином, за допомогою балістичної мортири можна визначити абсолютну величину роботи вибуху.

Визначення працездатності на балістичному маятнику. До маятника великої маси впритул підкочується по рейковому шляху мортира, в якій поміщається випробовуваний заряд ВР. За допомогою особливих пристосувань мортиру встановлюють на осі, що проходить через площину гойдання маятника. При вибуху мортира відкочується, а маятник відхиляється на деякий кут, що фіксується. При випробуваннях зазвичай визначають заряд, який дає таке ж відхилення, що і вибух заряду еталонного ВР (тротилу) масою 200 г.

Умовність застосованих оцінок: ефективності ВР викликає необхідність проведення промислових випробувань ВР в умовах гірничого підприємства. Без таких випробувань нові ВР не допускаються до постійного застосування.

Визначення швидкості детонації. Стандартний метод визначен-ня швидкості детонації заснований на порівнянні відомої швидкості детонації ДШ із швидкістю детонації випробовуваного заряду (метод Дотріша). При цьому випробуванні (рис. 2.6) заряд 1 поміщають у металеву трубу 5 з кришками 2, що загвинчуються з обох боків. На бічній поверхні труби по осі роблять два отвори на певній відстані, в які вставляють кінці В, Г відрізків ДШ 6 і 7. Відстань від капсуля детонатора 3 до отвору 60 мм. Заряд висаджують від проміжної шашки 4. Вільні кінці ДШ кріплять на пластині-фіксаторі зі сталевою підкладкою 9 так, щоб відрізки К, Б співпали з кінцями ДШ. Пластинку поміщають в сталеву трубу 8, щоб полегшити знаходження пластинки після вибуху.

Рис. 2.6 – Схема визначення швидкості детонації за Дотрішем

При вибуху детонація розповсюджуватиметься по заряду і по обох відрізках ДШ, а в місці зустрічі детонаційних хвиль на пластинці утворюється поглиблення (точка А).

Швидкість детонації визначається виходячи з рівності часу розповсюдження детонаційних хвиль по заряду і по обох відрізках шнура до точки зустрічі, тобто

(2.18)

Прийнявши і . Підставивши в 2.18, отримаємо

Звідси

(2.19)

де і – швидкості детонації випробовуваного ВР і ДШ, м/с.

Залежно від мети випробувань заряд ВР може бути в порошкоподібному, гранульованому або пресованому вигляді. Точні методи визначення швидкості детонації засновані на визначенні за допомогою електронного осцилографа часу прохо-дження детонаційною хвилею фіксованої відстані по заряду або дешифровці швидкісної кінозйомки світіння детоную чого заряду. Ці методи застосовуються тільки при виконанні дослідницьких робіт.

При створенні нових ВР для їх попередньої оцінки розрахову-ються і експериментально визначаються теплота і робота продуктів вибуху, температура і об'єм газів вибуху.

Теплота вибуху є однією з основних оцінок ефективності ВР при руйнуванні порід. Знаючи витрати енергії на руйнування одиниці об'єму породи і енергію, що виділяється при вибуху одиниці маси ВР, можна оцінити ефективність її дії. Теплота вибуху характеризує кількість теплової енергії, що виділяється при вибуху 1 моля або 1 кг ВР.

Останнім часом використовується поняття об’ємна концентрація енергії ВР, що характеризує кількість енергії в одиниці об'єму ВР і визначається добутком питомої теплоти вибуху на її густину. Це поняття доцільно використовувати для порівняння ВР, густини яких істотно відрізняються, оскільки для розміщення однакової кількості енергії в масиві для густішої ВР буде потрібно менший об'єм зарядної порожнини, а дія її в напрямку лінії найменшого опору, завдяки більшому запасу енергії в одиниці об’єму, буде ефективніша. Проте для перерахунку питомих витрат ВР треба користуватися значеннями теплоти вибуху або ідеальної роботи вибуху, оскільки виходячи з енергетичного принципу на одиницю об'єму руйнуючого масиву треба витратити певну кількість енергії ВР.

В якості стандартних умов приймають температуру 0 °С, 18°С (іноді 25 °С) і тиск 10⁵ Па.

Теплота вибуху визначається на основі закону Гесса, згідно якого тепловий ефект хімічного перетворення системи залежить тільки від початкового і кінцевого її станів і не залежить від проміжних, тобто

(2.20)

де Е₁ – теплота утворення хімічних елементів до реакції, кДж/кг; Е₂ – теплота вибуху, кДж/кг; Е₃ – теплота утворення речовин після хімічної реакції вибуху, кДж/кг.

З рівняння (2.20) виходить, що

(2.21)

Для розрахунків термохімічних параметрів вибуху складені таблиці теплоти утворення речовин при постійному об'ємі. Для визначення теплоти вибуху 1кг ВР (кДж) без урахування розширення газів користуються формулою

(2.22)

або з урахуванням витрати тепла Е_р на розширення продуктів вибуху

(2.23)

де М – молекулярна маса ВР.

Експериментально теплоту вибуху визначають в калориметрич-ній бомбі.