ПромВВ

происходит разделение зарядов с образованием двойного элек- трического слоя. Это явление особенно интенсивно проявляется при пневмотранспортировании и пневмозаряжании ВВ. Оно может наблюдаться также при простом высыпании тонкодис- персного маловлажного ВВ из полиэтиленового мешка или при засыпке его в сухую скважину. При электризации возникают и накапливаются разноименные заряды, и образуется электро- статическое поле. Появление искры электростатического разря- да чревато воспламенением или взрывом ВВ.

Наиболее высокие диэлектрические свойства имеют гексо- ген и тротил, поэтому они сильно электризуются. Меньшие зна- чения удельных энергетических характеристик и электризуе- мость имеют аммиачно-селитренные ВВ, особенно бестротило- вые гранулиты.

Электризация материала происходит в том случае, если его сопротивление превышает 106 Ом×см. При меньшем сопротив- лении они токопроводны и могут электризоваться лишь при от- сутствии заземления. Стекание зарядов с их поверхности в зем- лю 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 пнев- мотранспортировании зависят от наличия в их составе компо- нентов 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, покры- вающая поверхность омасленных гранул. Из-за наличия на час-

21

тицах пудры окисного слоя алюминия, а также пленки нефте- продукта она является плохими проводником тока (сопротивле- ние ~107 Ом×см).

4. Физическая сущность детонации промышленных взрывчатых веществ

В настоящее время общепризнанной является гидродина- мическая теория детонации ВВ, разработанная в основном со- ветскими и французскими учеными.

Согласно гидродинамической теории, детонация обуслов- лена распространением по ВВ детонационной волны, которая вызывает в момент прохождения скачкообразное изменение дав- ления Р, температуры Т и плотности ВВ r. На фронте волны происходит интенсивное разогревание тонкого слоя ВВ и проте- кает интенсивная химическая реакция, за счет энергии которой поддерживается постоянство параметров детонационной волны и детонационного процесса в целом.

При взрыве детонатора, выполняющего роль инициатора (начального импульса), продукты взрыва производят резкий удар по прилегающему к детонатору слою ВВ и формируют ударную волну, имеющую следующие особенности: скорость ее распространения всегда выше скорости звука в данной среде; на фронте волны происходит скачкообразное изменение давления, плотности и температуры среды; среда движется вслед за фрон- том ударной волны; скорость ударной волны зависит от величи- ны ее амплитуды; ударная волна распространяется в виде одно- кратного скачка уплотнения (рис. 1, а).

В результате действия ударной волны на ее фронте возбу- ждается интенсивная, чрезвычайно быстро протекающая хими- ческая реакция с выделением тепла и газов. Энергия реакции этого слоя поддерживает амплитуду и скорость распространения ударной (детонационной) волны на определенном уровне, обес-

22

печивая постоянство скорости детонации D для данного диамет- ра заряда.

Следовательно, при детонации в каждый момент времени в реакции участвует очень ограниченная масса ВВ в слое, находя- щемся под действием переднего фронта детонационной волны.

а б Рис.1. Процесс детонации заряда ВВ: а) схема детонационной волны:

1 – продукты взрыва; 2 – фронт детонационной волны; б) структура детонационной волны

Ширина зоны химической реакции очень мала и составляет для порошкообразных ВВ доли миллиметра, у гранулированных ВВ она увеличивается до 3-4 см. За фронтом детонационной волны начинается расширение продуктов детонации с образова- нием волны разрежения, распространяющейся к оси заряда (рис. 1, б). Фронт волны разрежения не достигает фронта дето- национной волны, и остается динамически стабильный опреде- ленный объем нерасширившихся газов, прилегающих к детона- ционной волне, который поддерживает стабильность парамет- ров волны. Если это динамическое равновесие нарушается, то скорость детонации или увеличивается (при повышении объема нерасширившихся газов), или затухает (в случае, когда волна разрежения соприкасается с фронтом детонационной волны).

23

Теория детонации наиболее глубоко изучена для газовых смесей. Основы теории детонации твердых ВВ разработаны учеными Л.Д.Ландау и К.П.Станюковичем. Они впервые уподо- били состояние продуктов во фронте детонации состоянию кри- сталлической решетки твердого тела.

Известно, что энергия твердого тела складывается из упру- гой энергии, обусловленной силами взаимодействия между мо- лекулами, и тепловой энергии колебаний частиц около их поло- жений равновесия.

Л.Д.Ландау и К.П.Станюкович показали, что в условиях детонации можно учитывать только упругую энергию. Исходя из этого они установили, что давление во фронте детонации Р пропорционально кубу плотности ВВ.

Скорость детонации определяется по формуле

D = w + c,

где w - скорость движения продуктов взрыва, м/с; с - скорость звука в продуктах детонации, м/с.

Скорость детонации может быть определена в зависимости от энергетической характеристики ВВ по формуле

Из приведенных формул видно, что скорость детонации является всегда сверхзвуковой, ее величина непосредственно зависит от энергетических характеристик ВВ, которые также определяют и остальные параметры взрыва (табл.1).

24

В теоретических исследованиях принято, что плоский фронт детонационной волны, распространяясь по заряду, сжи- мает впереди лежащие слои ВВ, вызывая их химические пре- вращения. Такой механизм детонации, называемый гомогенным (однородным), может иметь место при скоростях детонации 6-7 км/с. Расчеты показывают, что при меньших скоростях де- тонации разогрев на фронте волны однородного слоя ВВ не бу- дет достаточным для возникновения интенсивной химической реакции. В этом случае реакция возникает в результате разогре- ва отдельных очагов в сечении заряда. Таким очагом для по- рошкообразных и для гранулированных ВВ являются пузырьки газа между частицами.

Таблица 1 - Расчетные параметры детонации некоторых ВВ

При прохождении ударной волны газовые включения в ВВ разогреваются сильнее твердых частиц и становятся активными очагами инициирования процесса взрывного горения частиц, так как давление и температура в зоне действия этого механизма весьма высоки.

Такой механизм детонации аналогичен ранее описанному А.Я.Апиным механизму взрывного горения для порошкообраз- ных взрывчатых веществ, согласно которому при детонации имеет место горение отдельных зерен, а их воспламенение про- исходит в результате адиабатического сжатия газовых включе-

25

ний в ВВ или за счет струй газов взрыва, проникающих между частицами взрывчатых веществ (пробойно-струйчатый меха- низм детонации). Сложность теоретического описания процесса детонации делает необходимым экспериментальное изучение факторов, влияющих на скорость и устойчивость детонации за- рядов.

5. Факторы, влияющие на скорость и устойчивость детонации зарядов взрывчатых веществ

Установлено, что скорость детонации заряда ВВ зависит от характеристик самого ВВ (состава ВВ, дисперсности, плотно- сти), диаметра и условий взрывания (наличия и характеристики оболочки). Эти факторы существенно влияют на скорость и ус- тойчивость детонации зарядов, поэтому должны учитываться при ведении взрывных работ. Во всех случаях задача сводится к оценке устойчивости детонации или определению величины критического диаметра заряда.

Основной объем взрывов на карьерах выполняется заряда- ми в скважинах диаметром 100-300 мм, для которых эти зависи- мости несущественны, так как при этих диаметрах детонация всегда устойчива. Однако на карьерах взрывают также шпуро- вые и накладные заряды, для которых вышеприведенные зави- симости существенны.

Диаметр и оболочка заряда. Исследованиями зависимости скорости детонации от диаметра заряда при данной его плотно- сти установлено, что, начиная с некоторого диаметра, названно- го предельным dпр, скорость детонации при его дальнейшем увеличении остается постоянной. Если брать диаметры заряда меньше dпр, то скорость детонации уменьшается и при некото- ром диаметре, названном критическим dкp, становится неустой- чивой (рис. 2). Влияние диаметра на скорость детонации заряда было впервые теоретически объяснено Ю.Б.Харитоном и разви- то Ф.А.Баумом.

26

Высокое давление на фронте волны детонации вызывает интенсивный разлет продуктов детонации в стороны. Возни- кающая при этом волна разрежения будет проникать в зону ре- акции и снижать давление и температуру продуктов взрыва, а, следовательно, уменьшать скорость детонации за счет падения величины энергии подпора фронта детонации (см. рис.1а).

Оболочка не оказывает заметного влияния на скорость де- тонации зарядов однокомпонентных ВВ большой плотности, но сильно сказывается на скорости детонации зарядов средней плотности. На скорость детонации влияют, главным образом, инерционные свойства оболочки и ее сжимаемость. При малых плотностях заряжания на устойчивость детонации оказывает влияние и прочность оболочки. Необходимо подчеркнуть, что оболочка позволяет получить предельные скорости детонации для данного ВВ только при меньших диаметрах, а при больших диаметрах для зарядов открытых и в оболочках скорости дето- нации становятся практически одинаковыми (рис.3).

27

Если применяются ВВ в зарядах малого диаметра, необходи- мо обеспечить тщательное заполнение ВВ шпура, чтобы послед- ний выполнял роль оболочки. При взрывах зарядов большого диа- метра это условие не влияет на устойчивость детонации, и должны выбираться другие критерии для оценки качества заряжания.

Плотность ВВ по-разному влияет на скорость детонации для однокомпонентных и смесевых ВВ. Для однокомпонентных ВВ ско- рость детонации повышается с увеличением плотности до макси- мальных значений (рис.4). Смесевые ВВ имеют критическую плот- ность (1,4-1,5 г/см3), при которой скорость детонации максимальна.

28

процесс ускоряется, но затем наступают условия, когда воздуш- ные поры уже не могут служить очагами разогрева, и ВВ долж- но детонировать по другому механизму.

При сильном уплотнении аммиачная селитра в аммонитах ведет себя как инертное вещество и, поглощая энергию, делает невозможным распространение детонации по заряду. С другой стороны, при большом содержании мощного компонента в со- ставе ВВ (тротил, гексоген) можно достичь такого уплотнения, что детонация будет идти только по этому компоненту, в ре- зультате чего скорость возрастает. С увеличением диаметра за- ряда или размещением его в оболочке критическая плотность повышается (см.рис.4).

Тип, дисперсность и состав ВВ. С увеличением теплоты взрыва скорость детонации ВВ увеличивается, а критический диаметр уменьшается. Так, теплота взрыва тротила 1010 ккал/кг, скорость детонации 7 км/с, критический диаметр 10 мм, а для гексогена эти же величины соответственно равны 1300 ккал/кг, 8,4 км/с и 1,5 мм. На величину критического диаметра сущест- венное влияние оказывает дисперсность ВВ. Тротил с размером частиц 0,01 мм имеет критический диаметр 9 мм, а при частицах 0,5 мм - 28 мм. При простом смешивании селитры и тротила

29

критический диаметр аммонита равен 20 мм, а при обработке этой же смеси в шаровой мельнице в течение двух часов крити- ческий диаметр уменьшится до 8 мм. Все грубодисперсные ВВ имеют большие критические диаметры, чем порошкообразные ВВ того же состава.

Критический диаметр для смесевых ВВ зависит от про- центного соотношения компонентов. Так, с уменьшением со- держания тротила в аммонитах с 21 до 5% их критический диа- метр увеличивается с 12 до 25 мм (рис.5).

Критический диаметр ВВ зависит от физического состоя- ния вещества. Например, для открытого заряда из сухого грану- лированного тротила dкp = 60 мм, для зарядов из водонаполнен- ного тротила dкp =30 мм.

Влияние мощности начального импульса сказывается лишь на начальном участке детонации заряда, где в зависимости от величины импульса может быть получена скорость детонации выше или ниже характерной для данного заряда, но в любом случае на участке, равном примерно диаметру заряда, эта ско- рость стабилизируется и дальше будет постоянной по всей дли- не заряда (рис.6).

30