книги из ГПНТБ / Кутузов, Б. Н. Взрывные работы учебник

Среди бризантных ВВ в особую группу выделяют обладающие высокой чувствительностью инициирующие ВВ, которые приме­ няют для изготовления средств взрывания (капсюль-детонатор, электродетонатор, детонирующий шнур).

Для изготовления средств взрывания, применяемых в горной

применяются также в качестве компонентов мощных йромышлен-

ных ВВ.

Промышленные ВВ предназначаются для дробления, разрушения и перемещения окружающей среды. Это наиболее многочисленный

класс ВВ.

Применяются промышленные ВВ типа химических соединений (однокомпонентные ВВ) и механических смесей (двух и многоком­ понентные ВВ). Как правило, ВВ типа химических соединений вхо­ дят в состав смесевых ВВ.

К ВВ типа химических соединений относятся: нитросоединения ароматического ряда: тротил (тринитротолуол) C7H 5(N 02)3, пи­ криновая кислота (тринитрофенол) CeH 2(N 02)30H; нитропроиз­ водные аминов: гексоген (триметилентринитрамин) и др.; нитраты или эфиры азотной кислоты: нитроглицерин (глицеринтринитрат) C3H5(0N 02)3; нитрогликоль (этиленгликольдинитрат) С2Н4((Ж 02)2; тэн (пентаэритриттетранитрат) и т. д.

а м м о н и т ы — порошкообразные смеси аммиачной селитры с до­ бавкой тротила, гексогена, горючих добавок в разном процентном отношении; а м м о н а л ы — такие же смеси с добавкой алюминие­ вой пудры; з е р н о г р а н у л и т ы — смеси из гранулированного или чешуйчатого тротила и гранулированной аммиачной селитры; а л ю м о т о л — гранулированный сплав тротила и алюминиевой

ПУДРУ 11 насыщенный или перенасыщенный раствор селитры, обла­ дающие повышенной плотностью; д и н а м и т ы — многокомпо­ нентные натренированные смеси на основе нитроглицерина и нитро­

нических поглотителей с большой удельной поверхностью (торф,

70

г р а н у л и р о в а н н ы е (чешуйчатые), в о д о и а и о л и е и - и ы е, л ь ю щ и е с я , г о р я ч е л ь ю щ и е с я.

Компоненты гранулированных ВВ имеют гранулы размером 1—3 мм или чешуйки того же размера. Водонаполненные ВВ за счет добавок воды с загустителем имеют слаботекучую медообразную консистенцию. Льющиеся ВВ имеют легкоподвижную консистен­ цию, допускающую их транспортирование по шлангам. Горячельющиеся водонаполненные ВВ легкоподвижной консистенции в горя­ чем состоянии твердеют при нормальной температуре.

По применению ВВ делятся на шесть классов, каждый из которых отличают цветом бумажной оболочки патронов или мешков:

I класс — ВВ, предназначенные для взрывания только на зем­ ной поверхности (выпускаются только в мешках массой 40 кг из не­ окрашенной бумаги);

II класс — ВВ, предназначенные для взрывания в шахтах и руд­ никах, не опасных по газу и пыли, и на карьерах (выпускаются в мешках массой 40 кг, порошкообразные — в патронах диаметром 32—36 мм и 60—120 мм, прессованные — в патронах диаметром 35— 45 мм и в шнекованных патронах диаметром 130—210 мм). Патрон изготавливают из бумаги красного цвета, на мешках по диагонали нанесена красная полоса;

III класс — предохранительные ВВ для взрывания только по­ роды и руды (выпускаются в патронах 32—36 мм из бумаги синего цвета);

IV класс — ВВ повышенной предохранительности для взры­ вания угля и породы (выпускаются в патронах 36 мм из бумаги жел­ того цвета);

V, VI класс — высокопредохранительные ВВ для взрывания в особо опасных условиях угольных шахт (выпускаются в патронах 36 мм из бумаги желтого цвета).

Предохранительные ВВ, предназначенные для взрывания в сер­ ных, нефтяных и озокеритовых шахтах, выпускаются в патронах диаметром 36 мм из бумаги зеленого цвета.

Термостойкие ВВ, предназначенные для взрывания в нефтяных и газовых скважинах при высоких температурах, выпускаются в па­ тронах из бумаги черного цвета.

По скорости детонации (бризантному действию на горные по­ роды) ВВ делятся на высокобризантные, имеющие скорость детона­

§15. Основные компоненты промышленных взрывчатых веществ

ВВтипа химических соединений (нитроглицерин, тротил, тэн гексоген и т. п.) содержат в своем составе все элементы, необходимые для нормального протекания реакции взрыва. Свойства и характе­ ристики смесевых ВВ определяются теми компонентами, которые

71

вводятся в состав ВВ. Перечень и свойства основных компонентов ВВ приведены ниже.

О к и с л и т е л и — вещества, содержащие избыточный кисло­ род, расходуемый при взрыве на окисление горючих элементов. В качестве окислителя применяют аммиачную, калиевую, натриевую селитры, хлораты и перхлораты калия и аммония, жидкий кисло­ род и т. п.

Г о р ю ч и е д о б а в к и — твердые или жидкие компоненты, как правило, невзрывчатые: тонкоизмельченный уголь, древесная мука, соляровое масло, богатые углеродом и водородом, или пудры металлов (алюминия, магния и т. п.), легко окисляющихся и выде­ ляющих при этом большое количество тепла. Горючие добавки вводят в состав ВВ для увеличения количества энергии, выделяемой при взрыве. Роль горючих веществ выполняют также взрывчатые компо­ ненты (тротил, гексоген и т. п.), имеющие в своем составе недостаточ­ ное количество кислорода для полного окисления содержащихся в них горючих элементов: при этом часть углерода, выделяемого при взрыве таких ВВ в виде окиси, в свободном состоянии или в виде горючих соединений реагирует с избыточным кислородом окисли­ теля, повышая теплоту и общую энергию взрыва ВВ.

С е н с и б и л и з а т о р ы — вещества, вводимые в состав ВВ для повышения его чувствительности к восприятию и передаче дето­ нации. Это, как правило, ВВ, чувствительные к инициатору, которые в смеси с малочувствительными (аммиачная селитра и т. п.) или с не­ взрывчатыми веществами (жмыховая, древесная или хлопковая мука) обеспечивают нормальную чувствительность смеси к иницииро­ ванию ее капсюлем-детонатором или детонирующим шнуром и повы­ шают энергетические характеристики смеси. Обычно в качестве сенсибилизаторов применяют чувствительные мощные ВВ: тротил, нитроглицерин, нитрогликоль, гексоген и т. п.

Роль сенсибилизатора могут выполнять и невзрывчатые вещества (горючие добавки): соляровое масло, древесная мука или уголь, которые образуют с аммиачной селитрой простейшие ВВ — динамоны.

В малых количествах (до 6% ) соляровое масло в смеси с аммиач­ ной селитрой выполняет роль сенсибилизатора, в избыточных — флегматизирует взрывчатую смесь, делает ее нечувствительной к ини­ циированию.

В качестве стабилизатора используют мел и соду в динамитах, дре­ весную, жмыховую и торфяную муку в аммонитах. При этом послед­ ние стабилизаторы также выполняют роль горючих добавок к раз­ рыхлителей, уменьшая слеживаемость ВВ.

Ф л е г м а т и з а т о р ы — легкоплавкие вещества, масла, име­ ющие высокую теплоемкость и высокую температуру вспышки, обволакивающие частицы ВВ и не вступающие с ним в реакцию. Введение флегматизаторов снижает чувствительность ВВ к механи­

72

ческим воздействиям и обеспечивает более безопасные условия его применения.

В качестве флегматизатора используют: вазелин, парафин, различные масла, тальк и т. д. Например, перед использованием в промышленных ВВ гексогена его флегматизируют добавлением 5% парафина.

П л а м е г а с и т е л и вводят только в состав предохранитель­ ных ВВ для снижения температуры взрыва и уменьшения вероят­ ности воспламенения метано-воздушных смесей в шахтах, опасных по газу или пыли. В качестве пламегасителей применяют хлористый натрий, хлористый калий, хлористый аммоний и т. п.

§ 16. Кислородный баланс и реакции превращения взрывчатых веществ

Рецептуры ВВ составляют с таким расчетом, чтобы при реакции взрыва образовались в основном пары воды, азот и углекислый газ, т. е. газообразные продукты, наименее опасные для челове­ ческого организма. Когда в составе ВВ недостаток или избыток кислорода по сравнению с необходимым количеством его, при взрыве образуются соответственно ядовитые окись углерода и окислы азота. Образование ядовитых газов зависит также от полноты детонации заряда, что, в свою очередь, определяется правильностью заряжания и выбранными размерами заряда.

Отравляющее действие окиси углерода СО (угарного газа) объ­ ясняется его способностью образовывать при вдыхании прочные соединения с красными кровяными тельцами, являющимися пере­ носчиками кислорода из легких к тканям, вследствие чего челове­ ческий организм начинает испытывать кислородное голодание, а затем при больших концентрациях окиси углерода в крови (> 1% ) быстро наступает смерть.

Окислы азота NO, N 02 при вдыхании образуют в легких азотную и азотистую кислоту, действие которых приводит к отеку легких и смерти. Особую опасность окислы азота представляют из-за того, что они накапливаются в организме. Поэтому по своему токсиче­ скому действию они считаются в 6,5 раз более ядовитыми, чем окись углерода.

К и с л о р о д н ы й б а л а н с характеризуется отношением избытка или недостатка кислорода в составе ВВ к его количеству, необходимому для полного окисления горючих элементов ВВ.

Кислородный баланс наиболее просто определяется выраженным в процентах отношением грамм-атомного веса избытка или недостатка кислорода к грамм-молекулярному весу ВВ.

Различают нулевой, положительный и отрицательный кислород­ ный баланс.

Кислородный баланс считается нулевым, если в составе ВВ содержится количество кислорода, необходимое для полного окисле­ ния горючих компонентов. Если в составе ВВ не хватает кислорода

73

для полного окисления горючих элементов, то такое ВВ имеет отри­ цательный, а при избытке кислорода — положительный кислород­

ный баланс.

При взрыве ВВ с нулевым кислородным балансом образуется минимальное количество ядовитых газов и выделяется максимальное количество энергии. При недостатке кислорода образуется ядовитая окись углерода. Образование этого соединения идет с меньшим выделением тепла (27,17 ккал/г-моль), чем при образовании двуокиси углерода (94,5 ккал/г-моль). При избытке кислорода последний об­ разует с азотом весьма ядовитые окислы. Реакции образования окислов азота эндотермичны, т. е. протекают с поглощением тепла. Таким образом, и в этом случае количество тепла, выделившееся при взрыве единицы массы ВВ, будет меньше, чем при нулевом кислородном балансе.

П р п м е р. Определить кислородный баланс нитроглицерина, формула которого C3H5(0N 02)3.

Для полного окисления 3 атомов углерода (в углекислоту) требуется 6 ато­ мов кислорода и для окисления 5 атомов водорода (в воду) — 2,5 атома кислорода, всего 8,5 атомов кислорода. В нитроглицерине содержится 9 атомов кислорода, т. е. имеется избыток кислорода 0,5 атома, значит, кислородный баланс положи­ тельный.

Грамм-атомный вес избытка 0,5 атома кислорода равен 0,5 X 16 = 8» а грамм-молекулярный вес нитроглицерина равен 227. Таким образом, кисло­ родный баланс нитроглицерина

К6 = - ^ | г = 3,52 %•

Расчет кислородного баланса ВВ, представляющего собой смесь нескольких химических соединений, производится суммированием произведения доли каждого компонента на его кислородный баланс.

рода.

Для окисления углерода в углекислый газ требуется 7 X 2 = 14 атомов кислорода.

В аммоните содержится кислорода 6 -j- 10,5- 3 = 37,5 атома.

Таким образом, в аммоните № 6ЖВ содержится количество кислорода, необходимое для получения нулевого кислородного баланса.

Зная кислородный баланс исходных компонентов (табл. 13), можно составить смесевое ВВ с любым кислородным балансом.

П р и м е р. Составим и определим соотношение компонентов ВВ из амми­ ачной селитры и солярового масла (игданит). Чтобы кислородный баланс ВВ был нулевым, на одну часть солярового масла требуется аммиачной селитры

(табл. 13)

■3*- - = 15,83 частей.

В расчете на 100 г смеси необходимо:

74

Т а б л и ц а 13 Кислородный баланс некоторых ВВ и их компонентов

Теплота сгорания вещества, кал/г.

солярового масла

“ « - Ц г = 6-3 г <%)’

аммиачной селитры

тас = 100—6,3 = 93,7 г (%).

В гранулированной аммиачной селитре содержится до 3% при­ месей, поэтому приведенный расчет относится к игданиту на хими­ чески чистой селитре.

Аналогично производится расчет многокомпонентных ВВ. Промышленные ВВ, выпускаемые в патронах, обычно имеют

незначительный положительный кислородный баланс — от 0,1 до 3—4% . Избыток кислорода расходуется на окисление бумажных оболочек и парафинового покрытия патронированных ВВ.

Масса бумажной оболочки не должна превышать 2 г и парафина 3 г на 100 г ВВ.

Для ориентировочного расчета состава продуктов взрыва при­ нято все ВВ делить на три группы:

1. ВВ с количеством кислорода, достаточным (или избыточным) для полного окисления горючих элементов. В этом случае весь угле­ род превращается в углекислый газ, а водород — в воду и выделяются свободный кислород и азот. Так протекает реакция разложения динитрогликоля

C2H4(ON02)2 — ►2C02 + 2H20 + N2.

2. ВВ с количеством кислорода, достаточным для полного газо­ образования. При этом принимается, что кислород сначала окисляет весь водород в воду, углерод — в окись углерода, а затем оставшаяся часть кислорода образует с окисью углерода углекислый газ. Так протекает реакция разложения тэна

С6Н8 (<Ж02)4 — ►4Н20 + ЗСОа + 2СО + 2N2.

3. ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного газообразования. В этом случае водород окисляется в воду, а часть углерода в окись углерода и выделяется свободный углерод. Так протекает реакция разложения тротила

2С7Нб(N02)s — ►5Н20 + 7СО + 7С+ 3N2.

Это правило составления реакций дает только ориентировочный состав газообразных продуктов взрыва и не позволяет найти вторич­ ные продукты реакции, которые часто, особенно у ВВ с отрицатель­ ным кислородным балансом, резко меняют состав газов взрыва.

Характеристика взрывчатых превращений некоторых ВВ типа химических соединений приведена в табл. 14.

На карьерах разрешается применять ВВ с кислородным балансом, отличным от нулевого, однако при крупных взрывах и при взрыва­ нии на глубоких горизонтах карьеров при определении опасной зоны

76

необходимо учитывать направление движения газового облака после взрыва, чтобы избежать случаев отравления рабочих. С уве­ личением глубины карьеров целесообразность применения ВВ с нулевым кислородным балансом, с точки зрения санитарно-гигиени­ ческих условий атмосферы, будет увеличиваться.

Вряде случаев при взрывах на глубоких горизонтах карьеров целесообразно применять специальные вентиляторные установки для удаления или осаждения образовавшегося после взрыва газового облака. В качестве такой установки может быть использована турбо­ реактивная установка для образования и выброса в газовое облако водяного тумана.

§17. Физическая сущность детонации промышленных взрывчатых веществ

Внастоящее время общепризнанной является гидродинамическая теория детонации ВВ, разработанная в основном советскими и фран­ цузскими учеными.

Согласно гидродинамической теории, детонация обусловлена распространением до ВВ детонационной волны, которая вызывает в момент прохождения скачкообразное изменение давления, темпера­ туры и плотности ВВ. На фронте волны происходит интенсивное разогревание тонкого слоя ВВ и протекает интенсивная химическая реакция, за счет энергии которой поддерживаются постоянство

77

параметров детонационной волны и постоянство детонационного

процесса в целом.

При взрыве детонатора, выполняющего роль инициатора (на­ чального 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 проис­ ходит скачкообразное изменение давления, плотности и температуры среды (рис. 43, а); среда движется вслед за фронтом ударной волны; скорость ударной волны зависит от величины ее амплитуды; ударная волна распространяется в виде однократного скачка уплотнения

(рис. 43, а).

В результате действия ударной волны на ее фронте возбуждается интенсивная, чрезвычайно быстро протекающая химическая реакция с выделением тепла и газов. Энергия реакции этого слоя поддерживает амплитуду и скорость распространения ударной (детонационной) волны на определенном уровне, обеспечивая постоянство скорости детонации для данного диаметра заряда.

Следовательно, при детонации в каждый момент времени в ре­ акции участвует очень ограниченная масса ВВ в слое, находящемся под действием переднего фронта 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 на­ чинается расширение продуктов детонации с образованием волны разрежения, распространяющейся к оси заряда (рис. 43, б). Фронт волны разрежения не достигает фронта детонационной волны, и остается динамически стабильный определенный объем нерасши­ рившихся газов, прилегающих к детонационной волне, который под­ держивает стабильность параметров волны. Если это динамическое равновесие нарушается, то скорость детонации или увеличивается (при увеличении объема нерасширившихся газов), или затухает

78

(в случае, когда волна разрежения соприкасается с фронтом дето­ национной волны).

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

Известно, что энергия твердого тела складывается из упругой энергии, обусловленной силами взаимодействия между молекулами, и из тепловой энергии колебаний частиц около их положений равно­ весия.

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 пропор­ ционально кубу плотности ВВ.

Скорость детонации определяется по формуле

ѵ а = W + C ,

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

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

va= V 2 ( k * - l ) Q TV,

где QtV — теплота взрыва ВВ при постоянном объеме, ккал/кг. Значение к для QtV = 1000 ккал/кг в зависимости от начальной

плотности может быть принято равным:

Из приведенных формул видно, что скорость детонации является всегда сверхзвуковой, и ее величина непосредственно зависит ог энергетических характеристик ВВ, которые также определяют и

79