книги из ГПНТБ / Миндели, Э. О. Разрушение горных пород учебное пособие

Обозначим индексами 1, 2 и 3 соответственно три состояния — начальное, промежуточное и конечное. Тогда — теплота, выде­ ляющаяся при переходе из начального состояния в промежуточное; (2„_3 — теплота перехода из промежуточного состояния в конечное и (?!_ з — теплота перехода нз начального состояния непосредственно в конечное тогда закон Гесса можно записать в следующем виде:

( ? 1 - 3 = ( ? 1 - 2 “ Ь Q z - 3 -

Для расчета теплоты взрыва ВВ состояние 1 (начальное) соответ­ ствует состоянию элементов в стандартных условиях (давление — 1 кгс/см2, температура — 291 К). Теплоту образованияэлементов в стандартных условиях принимают равной нулю.

Состояние 2 — взрывчатое вещество при стандартных условиях.

Теплота образования при 18° С и постоянном давлении наиболее распространенных компонентов взрывчатых смесей и теплота обра­ зования продуктов взрыва имеют следующие значения, ккал/моль:

В качестве примера рассчитаем теплоту взрыва аммонита № 6 ЖВ. Подставив в уравнение (Х.4) значения теплот образования про­

дуктов взрыва и исходных компонентов, получим

Qn-з = (6,48 ■94,51 + 22,07 • 57,78) - (9,88 • 87,36 + 0,925 • 17,5) = = 1888 — 879 = 1009 ккал/кг.

Полученная величина представляет собой теплоту взрыва при постоянном давлении. Практически же при детонации реакция взрыв­ чатого превращения успевает завершиться до того, как продукты ее существенно расширятся. Поэтому считают, что реакция происходит без изменения объема, т. е. продукты взрыва занимают объем, кото­ рый имело исходное ВВ.

Связь между теплотой взрыва при постоянном давлении Qp п теплотой взрыва при постоянном объеме Qv дается выражением

@v= @p +0,581V,

где N — число молей газообразных продуктов взрыва; 0,58 — работа расширения при давлении 1 кгс/см2 одного моля газа от первоначаль­

135

ного объема (принимаемого равным нулю) до объема, занимаемого газом прп стандартных условиях, ккал.

Тогда Qv — 1009 + 0,58 • 39,83 = 1032 ккал/кг.

Помимо расчетного метода теплоту взрыва можно определить экспериментальным путем. Параллельно с определением теплоты взрыва устанавливают объем и состав продуктов взрыва. При этом

метастатических термометров Бекмана, помещенных в медные клеммы, расположенные на внешней стенке бомбы.

Бомбу калибруют как калориметр путем сжигания в ней навески бензойной кислоты в атмосфере кислорода.

Значения объема газов и теплоты взрыва некоторых ВВ, получен­ ные А. Н. Апиным и А. Ф. Беляевым при взрывании зарядов массой 50 г в оболочке из свинца, приведены в табл. 31.

После определения теплоты и объема газообразных продуктов взрыва можно с помощью газового анализа установить химический состав продуктов взрыва. При проведении анализа большое внимание уделяют ядовитым газам взрыва — окиси углерода и окислам азота.

136

* Амматол 80/20 по составу близок к аммопиту Ml 6ЖВ.

Т а б л и ц а 32

После определения объема и состава продуктов взрыва и теплоты взрывчатого превращения можно рассчитать температуру взрыва.

Температурой взрыва обычно называют максимальную темпера­ туру, До которой могут нагреться при взрыве продукты взрывча­ того превращения. Она зависит от состава ВВ и продуктов его пре­ вращения г. Опытное определение температуры взрыва связано с большими трудностями, и в частности с высокими абсолютными значениями (до 5000° С) этого параметра, а также чрезвычайной кратковременностью его существования. В связи с этим основным методом определения температуры взрыва является пока расчетный, который производится следующим образом.

На основании того, что у различных ВВ температура взрыва связана с теплотой взрыва приблизительно линейным соотношением,

1 Следует всегда помнить, что теплота, температура и давление взрыва являются постоянными характеристиками данного ВВ и не зависят от массы взрываемого вещества.

ц пользуясь формулами, приведенными в табл. 32, вычисляем ориен­ тировочную температуру взрыва.

Задавшись этой температурой взрыва и используя данные табл. 33 и 34, подсчитаем изменение внутренней энергии всех про­ дуктов взрыва при их нагревании от начальной (291 К) температуры до температуры взрыва, которой мы задались. Если полученная сумма будет равна теплоте взрыва, то расчет выполнен правильно, если же полученный результат не совпадает с теплотой взрыва, то расчет повторяем, задавшись новой температурой взрыва.

В качестве примера произведем расчет температуры взрыва для аммонита № 6 ЖВ. Согласно ранее составленному уравнению (Х.2) реакция взрывчатого превращения аммонита № б ЖВ

9,88NH4NO3 + 0,925C7H6OeN3 — ►6,48СОа +

+ 22.67ШЭ + 11,26NS + 0,0802

Теплота взрыва по этой реакции составит 1032 ккал/кг. Согласно табл. 32, приближенная температура взрыва

138

Т а б л и ц а 34

Для перехода к значению теплоты взрыва при воде жидкой к значению теплоты взрыва при воде газообразной следует прибавить теплоту конденсации воды, которая равна

Qk — 10,01/1,

где п — число молей воды в продуктах взрыва.

Изменение внутренней энергии при нагревании продуктов взрыва аммонита № 6 ШВ от начальной температуры до 3200 К составит

ДЯ = 6,4833,998 + 22,07 - 26,655+ 11,26-18,217 +

+0,08 -19,632 = 1013 ккал.

Как видно, полученное изменение внутренней энергии достаточно хорошо совпадает с теплотой взрыва (1030 ккал/кг). Следовательно, расчет выполнен правильно и температура взрыва аммонита № 6 ЖВ действительно составляет 3200 К.

§41. Детонационная способность ВВ

Впрактике применения ВВ важное значение имеет величина скорости детонации, которая зависит от ряда факторов и ддя боль­ шинства ВВ составляет от 1 до 9 км/с.

Скорость детонации ВВ находится в качественной зависимости от теплоты взрыва; чем выше при прочих равных условиях теплота взрыва ВВ, тем больше скорость детонации. В значительной степени скорость детонации зависит от плотности ВВ. Для конденсирован­ ных ВВ, состоящих из углерода, водорода, азота и кислорода,

139

в диапазоне плотностей от 0,5 г/см3 п выше скорость детонации ли­ нейно связана с плотностью:

D Pl = D p a ~ \ - M (рх — Ро),

где D Pl — скорость детонации при плотности рх; D Po — скорость детонации при плотности р0; М — коэффициент, характерный для

ской структуры ВВ п теплоты взрыва его. Сопоставление критиче­ ских диаметров однотипных ВВ показывает, что этот параметр тем меньше, чем больше теплота взрыва. Прп рассмотрении ВВ,

140

свинца и тротила, однозначной связи между теплотами взрыва и кри­ тическим диаметром детонации не наблюдается.

Критические диаметры (мм) детонации некоторых порошкообраз­ ных ВВ, определенные при взрывании зарядов в стеклянных трубках, имеют следующие значения:

На величину критического диаметра детонации также большое влияние оказывают зюловия взрыва и физическое состояние взрыв­ чатого вещества.

Так, игданит (смесь 94,5% гранулированной аммиачной селитры с 5,5% дизельного топлива) имеет критический диаметр при взрыва­ нии зарядов в бумажной оболочке около 40 мм, при взрывании в сте­ клянной трубке — 25 мм, а в стальной оболочке он детонирует даже в зарядах диаметром 8 мм.

Физическое состояние ВВ (размер частиц компонентов, плотность ВВ, влажность, степень слежалости и т. п.) также оказывает влияние на величину критического диаметра. Как правило, уменьшение размера частиц ВВ приводит к уменьшению критического диаметра детонации. Увеличение плотности влияет на критический диаметр различных ВВ по-разному: для индивидуальных ВВ (тротил, гексо­ ген и т. д.) — критический диаметр уменьшается, для смесевых ВВ (к которым относятся почти все промышленные ВВ) — критический диаметр увеличивается.

На графике (см. рис. 50) можно условно отметить такой диаметр заряда (70—80 мм), начиная с которого скорость детонации при увеличении диаметра заряда будет расти не так заметно.

Д и а м е т р з а р я д а , п р и к о т о р о м с к о р о с т ь д е ­ т о н а ц и и б у д е т м а л о о т л и ч а т ь с я о т с к о р о с т и д е т о н а ц и и э т о г о ж е ВВ в з а р я д а х б е с к о н е ч н о б о л ь ш о г о д и а м е т р а , н а з ы в а ю т п р е д е л ь н ы м д и а м е т р о м . Скорость детонации ВВ в зарядах бесконечно боль­ шого диаметра, а точнее, тот предел, к которому стремится скорость

превращения в области между предельным и критическим диамет­ рами относят к неидеальным режимам детонации.

Академик IO. Б. Харитон объясняет наличие у ВВ критического диаметра тем, что скорость химического превращения при детонации не бесконечна, а имеет определенные значения. Протекание реакции взрывчатого превращения создает в реакционной зоне высокое давле­ ние, которое вызывает радиальное расширение среды, ведущее к па­ дению давления и разбросу реагирующего вещества. Это падение давления (волна разрежения) распространяется со скоростью звука,

141

характерной для среды, в которой происходит распространение. Если время, за которое волна разрежения достигнет оси заряда, будет больше, чем время, необходимое для завершения химической реакции, то разброс не повлияет на протекание процесса детонации в осевой части заряда. Если же волна разрежения успеет достичь осп заряда раньше полного завершения химической реакции, то она уменьшит полноту взрывчатого превращения и давление в зоне дето­ нации, в результате чего скорость детонации уменьшится.

Если снижение давления, вызванное волной разрежения, будет велико, то замедление химической реакции может стать настолько сильным, что распространение детонационного процесса прекратится. Диаметр заряда, при котором происходит затухание детонации и является критическим диаметром данного ВВ в данных условиях.

Поскольку критический диаметр качественно связан со временем химической реакции в детонационной волне, он является критерием детонационной способности того или иного ВВ; при этом, чем меньше величина критического диаметра, тем выше детонационная способ­ ность ВВ, и наоборот.

Другим критерием детонационной способности является р а с ­ с т о я н и е п е р е д а ч и д е т о н а ц и и от патрона к патрону. При заряжании пли групповом взрывании патроны ВВ в шпуровом заряде по той или иной причине могут оказаться расположенными на некотором расстоянии друг от друга. При взрыве такого шпуро­ вого заряда детонация будет передаваться от одного патрона к дру­ гому на расстоянпп. Чем больше расстояние, на которое происходит передача детонации, тем надежнее ВВ в отношении детонационной способности при его практическом применении. Поэтому способность к передаче детонации на расстояние, наряду с критическим диамет­ ром, является важной характеристикой детонационной способности ВВ.

Расстояние передачи детонации зависит от ряда факторов: чув­ ствительности ВВ к ударной волне, диаметра зарядов, плотности ВВ, типа сенсибилизатора н т. п.

При увеличении диаметра заряда расстояние передачи детонации увеличивается, а при увеличении плотности — уменьшается.

§42. Чувствительность ВВ к внешним воздействиям

Впроцессе получения, транспортирования и применения ВВ они могут подвергаться различным тепловым и механическим воздей­ ствиям (удару, трению и т. п.). Поэтому очень важно знать величину минимального импульса, способного при том или ином воздействии вызвать взрыв ВВ. Это необходимо для обеспечения безопасности получения ВВ и производства взрывных работ, с одной стороны,

идля обеспечения надежного инициирования зарядов при взрывных работах — с другой.

Чувствительность ВВ к тепловому импульсу характеризуют тем­ пературой вспышки и воспламеняемостью его. Температура вспышки

d 42

(СС) при нагревании 0,5 г ВВ со скоростью 20 °С в 1 мин имеет сле­ дующие значения:

Температура вспышки дает представление о температурных пре­ делах безопасного обращения с ВВ.

Рис. 51. Штемпельные приборчики для определения чув­

ствительности ВВ к удару падающим грузом:

Основными формами механического воздействия на ВВ являются удар и трение, поэтому чувствительность ВВ к механическим воздей­ ствиям характеризуют чувствительностью к удару и трению, которые определяют на специальных установках — копрах.

При ударе пли трении происходит разогрев взрывчатого вещества. Тепло, выделяющееся при ударе, не может разогреть всю массу ВВ до высокой температуры. Однако было установлено, что в этом слу­ чае происходит локальный (местный) разогрев ВВ и образование так называемых «горячих точек», возникающих либо за счет адиаба­ тического сжатия газовых включений, либо за счет трения частиц. ВВ. Температура в «горячих точках» достаточно высока, чтобы выз­ вать реакцию взрывчатого разложения ВВ, которая при определен­ ных условиях может распространиться на всю массу ВВ. Для распро­ странения процесса разложения на всю массу ВВ большое значение имеет замкнутость объема ВВ. Поэтому испытания ВВ на чувстви­ тельность к удару проводят, помещая навеску ВВ в специальные устройства, называемые штемпельными приборчиками. На рис. 51 показаны наиболее распространенные типы штемпельных прибор­ чиков.

При определении чувствительности ВВ к удару на навеску ВВ (0,05 г), помещенную в штемпельный приборчик, сбрасывают груз 10 кг с высоты 25 см и фиксируют, произойдет взрыв при этом или нет. Затем определяют частость взрывов из 25 опытов, характеризуя таким образом чувствительность к удару. Определенная по такому

143

методу чувствительность к удару для некоторых ВВ имеет следующие значения:

Инертные примеси, твердость и температура плавления которых существенно выше частиц ВВ (например, песок), повышают чувстви­ тельность ВВ к удару и к трению, а примеси с низкой температурой плавления (например, парафин) способствуют уменьшению чувстви­ тельности ВВ, так как часть энергии удара в этом случае расходуется на плавление легкоплавкой примеси. На этом явлении основана флегматпзация ВВ, т. е. понижение чувствительности ВВ к удару и трению.

Г л а в а XI

ТЕОРИЯ ДЕТОНАЦИИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

§ 43. Методы описания движения жидкостей и газов

Изучение физической природы детонации (от латинского detonatio — гремлю) базируется на выводах гидродинамики — науки о движении жидкости и газа, форме этих движений и сил, возника­ ющих при их взаимодействии с раз­

ждается при исследовании гидро- и газодинамических задач вообще и взрывных (детонационных) процессов — в частности. Благодаря гипотезе сплошности мы можем применять аппарат дифференциаль­ ного и интегрального исчисления для вывода основных закономер­ ностей движения среды, за исключением сильно разреженных газов.

144