1. Взрывные процессы. Типы вв

1.1. Виды взрывов

В физическом смысле взрыв представляет собой процесс весьма быстрого физического или химического превращения системы, сопровождающийся переходом ее потенциальной энергии в кинетическую и совершением механической работы.

По своей природе можно выделить следующие виды взрывов.

Физические взрывы, при которых происходят изменения их физического состояния и не происходит изменение их химического состава.

Примерами физических взрывов могут быть: взрыв парового котла при преодолении сопротивления стенок котла при быстром переходе перегретой воды в парообразное состояние; взрыв нагретого баллона с сжиженным газом; взрывы металлических проводников (проволочек) под действием электрического тока высокого напряжения, обусловленные быстрым переходом металла в парообразное состояние. При этом температура достигает величины порядка 20000°С.

В последнем случае мгновенный нагрев (10^-610^-7 сек) до высоких температур (десятки тысяч градусов) приводит к возрастанию давления воздуха в месте разряда и распространению интенсивного возмущения в окружающей среде.

Взрывы, основанные на подобных физических явлениях, находят ограниченное применение, например, для моделирования действия химических взрывов в среде.

Примером промышленного применения физических взрывов могут быть применявшиеся до 80-х годов патроны для беспламенного взрывания в шахтах и рудниках, опасных по газу и пыли.

Все способы беспламенного взрывания основаны на быстром образовании (накоплении) в стальных трубах, размещенных в шпурах, газов под высоким (до 10⁸ Па) давлением и мгновенным их выбросом в шпур. Разработаны следующие средства беспламенного взрывания: гидрокс – образование газов происходит в результате химических реакций порошкообразных составов под действием нагревания; кардокс – образование газов происходит в результате быстрого испарения жидкой углекислоты при ее нагревании; аэрдокс – в толстостенную трубу, размещенную в шпуре, подается сжатый воздух под давлением (3  7)10⁷ Па.

На рис. 1 представлено устройство гидрокса, сущность работы которого основана на превращении порошкообразного состава БВ-48 (состав основного заряда: аммиачная селитра, азотнокислый магний, древесная мука), помещенного в стальную трубу, в инертные газы (углекислый газ, пары воды) под высоким давлением (до 210⁷ Па). Газы срезают металлический диск в разрядной головке и, проникая в шпур, разрушают уголь (рис. 1).

Рис. 1.1. Патрон беспламенного взрывания гидрокс:

1 – зарядная головка; 2 – оболочка заряда; 3 – разрядная головка; 4 – сменный срезаемый металлический диск; 5 – труба; 6 – основной газообразующий состав;

7 – электротермический элемент

Устройство кардокс представляло собой металлическую гильзу длиной до 1320 мм и диаметром до 53 мм, состоящую из двух элементов: зарядной головки, в которую помещался заряд из углекислоты со встроенным электротермическим элементом и разрядной головки, имеющей отверстия (перфорацию). При подаче тока на нагревательный элемент происходит разложение углекислоты, при этом развивается значительное давление газообразных продуктов (1600-1800 кгс/см²), действием которого срезается пластмассовая пробочка или стальной диск, рассчитанные на определенное избыточное давление. Через отверстия в разрядной головке газы проникают в полость шпура и создают избыточное давление, под действием которого разрушается уголь.

Ядерные взрывы. Существует два способа выделения атомной энергии при взрыве: цепные реакции деления тяжелых атомных ядер урана и плутония (радиоактивный распад) или образование (синтез) из легких ядер изотопов водорода (дейтерия и трития) более тяжелых элементов (синтез атомных ядер, например, гелия). Эти взрывы являются наиболее мощными из применяемых и известных человечеству. В настоящее время в связи с запретом испытаний ядерного оружия этот вид взрывов практического применения не имеет.

Рис. 1.2. Ядерный взрыв

Химические взрывы, при которых происходят чрезвычайно быстрые окислительные химические реакции с образованием новых соединений, выделением значительного количества тепла и газообразных продуктов детонации (взрыва).

Примерами химических взрывов являются: взрыв заряда взрывчатого вещества (ВВ); взрывы газовоздушных смесей; взрывы пылевоздушных смесей.

В курсе лекций "Теория горения и взрыва" мы будем рассматривать только химические взрывы, которые можно охарактеризовать следующим образом.

Взрывом называют быстрое протекающее со сверхзвуковой скоростью химическое превращение вещества (или смеси веществ), сопровождающееся выделением большого количества тепла и образованием газов.

Взрыв может протекать в двух различных формах: гомогенного (теплового) взрыва или самораспростаняющегося взрывчатого превращения. Именно на использовании самораспространяющегося взрыва и основаны все современные взрывные технологии, применяемые в промышленности для разрушения горных пород и в строительстве.

Взрывчатыми веществами (ВВ) называются химические соединения или их смеси (сплавы), способные под действием внешнего импульса (механического удара или трения, нагрева, инициирующего импульса и др.) к крайне быстрому самораспространяющемуся химическому превращению с выделением значительного количества тепловой энергии, образованием большого количества газообразных продуктов взрыва (ПВ), находящихся при высоком начальном давлении в объеме заряда ВВ.

Существует две формы взрыва ВВ: гомогенный и самораспространяющийся.

Гомогенный взрыв имеет место тогда, когда при одновременном и равномерном нагреве всей массы ВВ и по достижении определенной температуры, носящей название температуры самовоспламенения или взрыва, возникает взрывное превращение одновременно во всей массе вещества.

Самораспространяющийся взрыв имеет место тогда, когда возникшее в каком либо участке заряда ВВ взрывное превращение распространяется по веществу. Характерной особенностью такого самораспространяющегося взрывного превращения является наличие фронта превращения, т.е. узкой зоны интенсивной химической реакции, отделяющей в каждый данный момент продукты реакции от непрореагировавшего еще исходного вещества (рис.2.). Расстояние, на которое перемещается фронт реакции в единицу времени, характеризует скорость распространения взрывного превращения.

Рис. 2. Схема детонации заряда ВВ

Именно на использовании самораспространяющегося взрыва и основаны все современные взрывные технологии, применяемые в промышленности для разрушения горных пород и в строительстве.