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

Выразив удельные объемы через соответствующие плотности,

В этом уравнении скорость детонации D есть известная из опыта функция начальной плотности ВВ. В интервале плотностей от 1 до 1,7 г/см3 приближенно можно считать, что D прямо пропорциональна р0, т. е.

D = Ap0.

В выражение (XI.18) входит неизвестная плотность продуктов взрыва в точке Чепмена — Жуге — р2. Допустим, что она пропорцио­ нальна начальной плотности, т. е. р2 = hpQ. Подставляя в уравне­ ние (XI. 18) вместо D и р2 их выражения через р0, после преобразо­ вания получим

Обозначив А 2 ^ ^ = с , можно написать р 2 = cpjj.

Таким образом, из экспериментально установленного факта, что скорость детонации приближенно пропорциональна начальной плотности ВВ, следует, что давление во фронте детонации пропор­ ционально плотности ВВ в третьей степени.

Константу h находят из выражения для скорости детонации, на­ ходя ее минимум, так как точке касания соответствует минимальная из возможных скоростей детонации. Найдено, что

Подставляя эти значения в выражение (XI.18), получим

Для скорости движения газов позади фронта на основании урав­ нения (XI.7) и после замены V на 1/р находим

„ = Л _£*=££. = л

Р2 4

§ 47. Горение и детонация газовых взрывчатых смесей

В атмосфере многих подземных выработок содержатся горючие газы (метан, водород и др.), а также горючая пыль (угольная, озокеритовая, колчеданная и др.). Эти горючие компоненты в смеси с воздухом образуют смеси, способные к самораспространяющейся химической реакции (горению и детонации). Однако реакция в таких смесях способна распространяться только при определенных, соотношеииях компонентов, называемыми концентрационными пределами. Минимальное содержание горючего газа, при котором еще возможна

165

реакция горения, называют нижним пределом горючести, максималь­ ное содержание — верхним пределом. Для метано-воздушных смесей при нормальных условиях эти пределы равны соответственно 5 п 15% метана. Следует иметь в виду, что эти пределы не являются абсолют­ ной константой смеси данных газов, а зависят в значительной степени от условий. Так, повышение температуры расширяет пределы горю­ чести газовой и пылегазовой смеси. Повышение давления выше атмо­ сферного часто, хотя и не всегда, также расширяет пределы горю­ чести. Для метано-воздушных смесей нижний предел практически не зависит от давления (при изменении давления от 1 до 400 кгс/см2), тогда как верхний предел резко возрастает (от 15 до 46%). Если же метано-воздушную смесь воспламенять путем адиабатического сжа­ тия, то в этом случае удается воспламенить смеси, содержащие от 2 до 75% метана. Это влияние давления на верхний предел горючести объясняется тем, что при высоких давлениях метай становятся термо­ динамически устойчивым и не вступает в экзотермические реакции, протекающие с увеличением числа молекул.

В связи с этим флегматизирующее влияние избытка метана ослаб­ ляется. Пределы горючести зависят также от направления распро­ странения пламени. При распространении пламени снизу вверх пределы шире, чем при распространении сверху вниз или в горизон­ тальном направлении.

Введение в метано-воздушную смесь инертных веществ сужает пределы воспламеняемости либо делает смесь негорючей, причем это влияние пропорционально теплоемкости инертной добавки. Если же инертная добавка способна реагировать с поглощением тепла, то она оказывается более эффективной в отношении пониже­ ния горючести. Еще более сильное влияние на пределы горючести

не сопровождается повышением давления; такой случай встречается довольно редко. Чаще горение происходит в замкнутом или полу­ замкнутом пространстве, когда выход газов затруднен. В этом случае продукты сгорания за счет теплопроводности нагревают прилега­ ющий к фронту пламени слой несгоревшего газа, и расширяясь в результате высокой температуры, приводят несгоревший газ в дви­ жение. Вследствие торможения прилегающего к стенкам слоя газа пламя вытягивается в направлении распространения, в результате чего увеличивается поверхность фронта горения, а следовательно, и количество газа, сгорающего в единицу времени. Наряду с этим поверхность фронта горения возрастает вследствие конвекции и тур­ булентности потока несгоревшего газа.

Ускорение распространения горения вследствие перечисленных причин увеличивает давление в несгоревшем газе перед фронтом пла­ мени.

Процесс сжатия распространяется по несгоревшему газу в виде последовательно перемещающихся слабых ударных волн. Каждая

166

безопасность изготовления и применения; достаточная детонационная способность н работоспособность;

необходимая химическая и физическая стойкость, обеспечива­ ющая сохранность всех свойств в течение гарантийного срока хра­ нения;

доступность сырья и невысокая стоимость готового продукта; водоустойчивость к внешним воздействиям.

§ 48. Классификация промышленных ВВ по условиям применения

Для вторичных ВВ, используемых в промышленности, наиболее характерна классификация по условиям нх применения. В соответ­ ствии с Единой классификацией промышленных ВВ они делятся на шесть классов.

Класс I. ВВ для открытых работ. Поскольку ВВ этого класса используются на открытых работах, где условия проветривания хорошие, их состав может не отвечать нулевому кислородному балансу, т. е. не лимитируется объемом выделившихся при взрыве ядовитых газов. Другой особенностью ВВ для открытых работ яв­ ляется их невысокая детонационная способность, поскольку их обычно используют в скважинных зарядах большого диаметра (100—300 мм), а также низкая чувствительность к механическим воздействиям. Вследствие большой массы скважинных зарядов ВВ для открытых работ должны удовлетворять требованиям механизи­ рованного заряжания. Этим требованиям удовлетворяют различные виды гранулированных составов (игданит, гранулиты, зернограиулиты и др.) и водонаполненные ВВ (акватолы, акваниты, ифзанпты). Взрывчатые составы, заряжаемые в обводненные скважины, дол­ жны быть водоустойчивыми.

Взрывчатые вещества, используемые для взрывных работ в креп­ ких породах, должны иметь высокую объемиую энергию взрыва, что позволяет значительно повысить экономическую эффективность буро­ взрывных работ за счет снижения затрат на бурение.

Класс II. ВВ для подземных выработок, кроме шахт, опасных по газу или пыли. ВВ этого класса предназначены для применения на подземных разработках и на открытых работах в скважинных заря­ дах, а некоторые употребляют в качестве промежуточных детона­ торов (патронов-боевиков) и для вторичного взрывания негабаритных кусков породы. Основными требованиями, предъявляемыми к ВВ этого класса, являются:

минимальное образование при взрыве ядовитых газов, что дости­ гается приведением состава ВВ к нулевому кислородному балансу (весь кислород и углерод, содержащиеся во ВВ, при взрыве окисля­ ются до воды и углекислого газа);

высокая детонационная способность состава, которая обеспечи­ вает устойчивую полноту взрывчатого превращения в шпуровых зарядах малого диаметра (в шпурах).

168

Патронированные ВВ, кроме того, должны обеспечивать передачу детонации от одного патроиа к другому даже при небольшой раз­ движке патронов в шпуре и наличии пересыпок из буровой мелочи.

При разработке ВВ класса II стремятся получить составы с высо­ кой объемной энергией взрыва, для этого повышают плотность ВВ, путем прессования и водонаполнения вводят в составы ВВ дисперс­ ный алюминий, что повышает теплоту взрыва их. Для взрывных работ в обводненных условиях применяют ВВ, приготовленные на водоустойчивой селитре марки ЖВ.

Класс III. Предохранительные ВВ для породных забоев, опас­ ных по метану, и специального назначения. ВВ этого класса пред­ назначены для взрывных работ в породных забоях угольных шахт, где отсутствует угольная пыль и содержание метана не превышает 1 %. К этому же классу относятся также ВВ специального назначе­ ния (для взрывных работ в серных, колчеданных, нефтяных п озоксритовых шахтах).

Поскольку ВВ этого класса применяют в условиях повышенной опасности в отношении воспламенения п взрывов метано-воздушной смеси, они должны быть предохранительными, т. е. неспособными при взрыве воспламенять горючую или взрывоопасную среду. Пре-

дохранителъностъ взрывчатого вещества чаще всего достигается путем введения в его состав инертных (по отношению к химической реакции взрыва) добавок, называемых пламегасителями или ингибиторами.

Количество вводимых в состав пламегасителей определяется необхо­ димой степенью предохранительности состава, которая, в свою оче­ редь, задается условиями его применения. Породные ВВ применяют в условиях, где опасность воспламенения метано-воздушной среды невелика. Кроме того, учитывая, что для разрушения пород тре­ буются достаточно мощные ВВ, в состав этих ВВ вводят небольшое количество пламегаептелей (обычно до 15%).

Класс IV. Предохранительные ВВ для угольных н смешанных за­ боев шахт, опасных по газу пли пыли. Предохранительные ВВ класса IV находят наиболее широкое применение в угольных шахтах, опасных по газу или пылп, для группового короткозамедленного взрывания в угольных п смешанных забоях. В связи с более высокими требованиями по безопасности в состав предохранительных ВВ этого класса вводят большее количество пламегасителей (до 20—25%). Однако в ряде случаев, например при частичном или полном обнаже­ нии шпурового заряда, эти ВВ не обеспечивают в достаточной степени безопасность взрывных работ.

Класс V. ВВ повышенной предохраннтельностп. ВВ этого класса пригодны для группового короткозамедленного взрывания шпуро­ выми зарядами в угольных шахтах любой категории по газу пли пыли; в основном их применяют там, где применение ВВ класса IV запрещено — в шахтах III категории и сверхкатегорных по метану. ВВ класса V имеют меньшую энергию взрыва, чем ВВ класса IV, но значительно большую степень предохранптельности: они не вос­ пламеняют метано-воздушную смесь взрывом открытого заряда мас­

169

сой 200 г. Однако и эти ВВ не могут обеспечить безопасность взрыв­ ных работ в тех условиях, когда имеется большая вероятность обна­ жения шпурового заряда (например, по пластам угля с машинным врубом). В этих случаях следует применять для взрывания высокопредохранительные ВВ.

Класс VI. Высокопрсдохрапнтельные ВВ. Высокопредохраиительиые ВВ предназначены для ведения взрывных работ шпуровым спо­ собом в особо опасных забоях. Кроме того, ВВ этого класса приме­ няют для ряда специальных работ: перебивания деревянных стоек при взрывной посадке кровли, дробления негабаритных кусков по­ роды и угля, ликвидации пробок в углеспусках. ВВ класса VI обладают нанвысшей степенью предохраннтельиости: они не воспла­ меняют метано-воздушную смесь открытыми зарядами массой более 1 кг. Работоспособность ВВ этого класса невысока.

§ 49. Основные компоненты промышленных ВВ

Все компоненты промышленных ВВ можно условно разбить на четыре группы:

окислители; горючие добавки;

сенсибилизаторы (вещества, повышающие детонационную способ­ ность составов);

инертные и прочие добавки, улучшающие физико-химические, детонационные и предохранительные свойства составов.

В качестве окислителей в составах промышленных ВВ пополь­ зуют следующие вещества: нптраты п перхлораты аммония, натрия п калпя, ж и д к и й кислород п др. В настоящее время наиболее рас­ пространенным окислителем в составах ВВ является нитрат аммония (аммиачная селитра). ВВ на ее основе называются аммпачпо-селит- реннымп.

Аммиачная селитра. Аммиачную селитру получают при взаимо­ действии аммиака и азотной кислоты по уравнению

N H 3 + H N 0 3 = N H 4 N O 3

Аммиачная селитра — белый кристаллический порошок с темпе­ ратурой плавления 169,1° С. Для аммиачной селитры известны не­ сколько кристаллических модификаций, каждая из которых устой­ чива в определенном интервале температур. При повышении и л и понижении температуры аммиачная селитра переходит из одной кристаллической модификации в другую; переход сопровождается выделением пли поглощением тепла, а также изменением плотности кристаллов селитры. Плотность кристаллов аммиачной селитры раз­ личных модификаций колеблется от 1,56 до 1,74 г/см3.

170

Аммиачная селитра хорошо растворяется в воде, причем этот процесс сопровождается значительным поглощением тепла.

Концентрация насыщенного раствора при различной температуре

(плавление)

Аммиачная селитра весьма гигроскопична, что, наряду с высокой растворимостью, способствует слеживаемости селитры при храпении, а при высокой влажности и длительном храпении приводит к утечке. Слежнваемость селитры создает трудности при обработке ее в про­ цессе производства ВВ. Поэтому с целью уменьшения слеживаемости в аммиачную селитру часто вводят различные добавки — поверх­ ностно-активные вещества (ПАВ), красители (фуксин) и др. Для изго­ товления водоустойчивых аммиачно-селитреиных ВВ выпускают специальный сорт водоустойчивой аммиачной селитры марки ЖВ, который получают добавлением в плав селитры небольшого коли­ чества водного раствора сернокислого железа с последующей обработ­ кой кристаллов пли гранул железненной селитры смесью жирных кислот и парафина.

Аммиачная селитра является довольно стойким веществом и при комнатной температуре может храниться годами без заметных хими­ ческих изменений.

При нагревании до 180° С аммиачная селитра начинает разла­ гаться на аммиак п азотную кислоту:

NH4N03 >‘ NH3+ HNO3- 4 I ккал/моль.

Эта реакция идет с поглощением тепла и ускоряется с повышением температуры. При температуре около 200—250° С аммиачная селитра разлагается по другой схеме:

NH4NOg — >- N0, + 2НоО -г 10 ккал/моль.

Скорость этой реакции также возрастает с повышением темпера­ туры, причем эта реакция сопровождается выделением тепла.

При температуре 260—290° С реакция разложения селитры проте­ кает очень быстро и в продуктах разложения обнаруживается значи­ тельное количество окиси азота. При интенсивном нагревании выше 300° С пли под действием взрывного импульса аммиачная селитра разлагается, выделяя азот, кислород и пары воды:

2NH4N03 — >- 2N, -f 4Н20 + 0 2+ 28 ккал/моль.

171

Однако практически обнаружить кислород в продуктах взрыва не удается, например при взрыве смеси аммиачной селитры с нитро­ глицерином образуются главным образом окислы азота. Поэтому, возможно, более правильным будет другое уравнение взрывчатого превращения селитры:

4NH4N03 — >■2N02-f 8Н20 -f 3Na-(-27 ккал/моль.

Согласно этой реакции, которая протекает с выделением тепла и образованием газов, аммиачную селитру следует рассматривать как ВВ. Однако вследствие низкой чувствительности к начальному импульсу п малой детонационной способности аммиачную селитру долгое время считали невзрывчатой и слежавшуюся селитру разрых­ ляли даже взрывным способом. Но катастрофа, происшедшая 21 сен­ тября 1921 г. в г. Оппау в Германии, когда при таком способе рыхле­ ния произошел взрыв нескольких тысяч тонн аммиачной селитры, в результате которого погибло свыше 500 человек и около 2000 было ранено, заставила более осторожно обращаться в этим продуктом.

Обладая малой чувствительностью к механическим воздействиям, аммиачная селитра не требует такой осторожности в обращении, как другие ВВ. Поэтому для ее измельчения с успехом используют обычное дробильное оборудование.

Чистая аммиачная селитра обладает очень низкой воспламеня­ емостью п малой склонностью к горению; она не воспламеняется н не горпт при давлениях ниже 100 кгс/см2. Но способность к горе­ нию резко возрастает, еслп селптра содержит добавки горючих ве­ ществ (мазута, керосина, бумаги п т. п.), в результате чего нередко возникали пожары п даже взрывы аммиачной селитры при перевозке ее в трюмах пароходов н при неправильном хранении на складах.

Азотнокислые натрий, калий н другие окислители. Азотнокис­ лый натрий, плп натровая селптра, представляет собой белое кри­ сталлическое вещество с температурой плавления 306,8° С. При на­ гревании выше 400° С азотнокислый натрий разлагается с поглоще­ нием тепла:

2NaN03 — >- Na20 + N, + 2,502.

Азотнокислый натрий хуже растворяется в воде, чем аммиачная селитра, и менее склонен к слеживанию. В отличие от аммиачной селитры в продуктах разложения азотнокислого натрия не содер­ жится окислов азота и поэтому ВВ, в состав которых входит натровая селптра, образуют прп взрыве мало ядовитых газов.

В качестве окислителя в составах предохранительных веществ иногда используют азотнокислый калпй, который по сравне­ нию с натровой селитрой обладает еще меньшей гигроскопичностью и склонностью к слеживанию. Кроме того, образующийся в резуль­ тате взрывчатого превращения хлористый калий обладает лучшими ингибирующими (пламягасящими) свойствами, чем хлористый нат­ рий, что очень важно при изготовлении предохранительных ВВ.

172

В некоторых зарубежных составах в качестве окислителя исполь­ зуют иногда перхлораты натрия (NaC104) или калия (КС104).

До середины 50-х годов у нас в стране и за рубежом применялись оксиликвиты — ВВ на основе жидкого кислорода. Однако вслед­ ствие высокой чувствительности к внешним воздействиям, горю­ чести и опасности в обращении эти ВВ были запрещены.

Горючие добавки. В качестве горючих добавок в составах ВВ широко используют сажу, твердые и жидкие углеводороды, древес­ ную муку, алюминиевую пудру и другие вещества. В состав высокопредохранительных ВВ в качестве горючих добавок входят оксалат аммония (NH4)2C20 4 и хлористый аммоний NH4C1. Последний широко используют в так называемой смеси солей с обменной парой ионов (ионообменные соли), которая представляет собой эквимолекуляр­ ную смесь нитрата натрия (или калия) с хлористым аммонием. Счи­ тается, что при взрыве ионообменные соли реагируют по следующей схеме:

NaN03+ NH4C1 — >- NaCl + N2+ 2H20 = 0,5O2.

Сенсибилизаторы. Для повышения детонационной способности в состав ВВ часто вводят сенсибилизаторы — мощные высокочув­ ствительные к начальному импульсу взрывчатые соединения. В каче­ стве сенсибилизаторов в составах промышленных ВВ широко исполь­ зуют: тротил, нитроглицерин, гексоген и другие ВВ.

Инертные и прочие добавки. В составы предохранительных ВВ для уменьшения теплоты взрыва вводят инертные добавки — пламегасители (ингибиторы), снижающие температуру и теплоту взрыва. В качестве таких добавок наиболее широко используют хлористый натрий и хлористый калий.

В рецептуру многих промышленных ВВ также входят различные добавки, улучшающие отдельные свойства составов (уменьшающие слеживаемость, повышающие водоустойчивость, снижающие кон­ центрацию ядовитых газов в продуктах взрыва и т. п.).

§50. Классификация ВВ по химическому составу

икраткие сведения по технологии изготовления промышленных ВВ

ВВможно классифицировать по различным признакам: по при­ надлежности к определенному классу химических соединений (нитро­ эфиры, нитросоединения, нитроамины, перхлоратные ВВ и т. п.), по устойчивости горения, по условиям применения и т. д. Так, по скорости протекания реакции ВВ могут быть разделены на иницииру­ ющие (пли первичные), бризантные (или вторичные), метательные

(пороха) и пиротехнические составы.

Особенностью инициирующих ВВ является их высокая чувстви­ тельность к внешним воздействиям. Поэтому инициирующие ВВ широко используют в различных средствах взрывания. Небольшое количество инициирующего ВВ поджигают при помощи огнепровод­ ного шнура (в капсюлях-детонаторах) или электровоспламенителя

173

(в электродетоиаторах), горение его быстро переходит в детонацию, которая возбуждает взрыв вторичного ВВ.

Горение вторичных ВВ обычно устойчиво и переход в детонацию возможен лишь при некоторых условиях, поэтому детонацию вторич­ ных ВВ вызывают не поджиганием, а используют для этого средства взрывания (электродетонаторы, детонирующий шнур и т. п.).

Горение метательных ВВ и пиротехнических составов весьма устойчиво п не переходит в детонацию даже в условиях, при которых этот переход имеет место для вторичных ВВ.

По составу ВВ обычно подразделяют на индивидуальные химиче­ ские соединения и смесевые ВВ, представляющие механические смеси нескольких компонентов.

Киндивидуальным взрывчатым химическим соединениям отно­ сятся такие ВВ, как тротил, тетрил, гексоген, нитроглицерин, азид свинца, тэн II др.

Ксмесевым принадлежит большинство промышленных ВВ: аммониты, динамиты, граиулпты, водонаполнеиные ВВ и др.

Рассмотрим основные группы индивидуальных и смесевых ВВ, имеющих применение в настоящее время в горнодобывающей промыш­ ленности нашей страны.

Ннтросоединения. Большое количество взрывчатых химических соединений относится к группе пнтросоединенпй, представляющих органические вещества, в молекуле которых имеется нитрогруппа N 0 2, связанная непосредственно с углеродом. К пптросоединениям относятся такие ВВ, как тротил, тетрил, дпиптропафталпи, пикри­ новая кислота и др. Различают ннтросоединения бензольного (арома­ тического) н парафинового рядов.

Ннтросоеднненпя ароматического ряда отличаются высокой хими­ ческой стойкостью, они неспособны к самопроизвольному разложе­ нию п самовозгоранию и почти не меняют своих химических и физи­ ческих свойств при длительном хранении.

Число нитрогрупп, имеющихся в молекуле, их положенно могут быть различными; в соответствии с этим изменяются химические, физические н взрывчатые свойства интросоедипепнп.

При увеличении числа ннтрогрупп в молекулах пнтросоединенпй повышается их температура плавления п увеличивается скорость детонации и работоспособность. Наибольшее распространение во взрывном деле находят тринптросоединенпя ароматического ряда, т. е. такие, у которых бензольное кольцо связано с тремя нитрогруп­ пами. Характерным представителем таких веществ является три­ нитротолуол (тол) или тротил.

Тротил C6H 2(N 02)3CH3 представляет собой твердое белое (быстро желтеющее на свету) вещество, имеющее температуру плавления 80,2°. Плотность тротила 1,663 г/см3. Тротил практически нера­

174