книги из ГПНТБ / Кутузов Б.Н. Взрывное и механическое разрушение горных пород учеб. пособие

Г л а в а I

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВЗРЫВА И ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

По характеру процесса протекания взрывов их принято класси­ фицировать на ф и з и ч е с к и е , при которых происходят только физические преобразования веществ (беспламенное взрывание с по­ мощью жидкой углекислоты и сжатого воздуха, взрывы паровых

в реакции с выделением тепла и газов (взрыв метана, угольной пыли, взрывчатых веществ и т. д.); я д е р н ы е , при которых происходят цепные реакции деления ядер с образованием новых элементов. Существуют два способа выделения атомной энергии при взрыве: превращение наиболее тяжелых ядер в более легкие (радиоактивный распад и деление атомных ядер) и образование из легких ядер более тяжелых (синтез атомных ядер). Например, при термоядерном взрыве из тяжелого водорода образуется гелий. При ядерном и термоядер­ ном взрывах выделяется в миллионы раз больше тепла на единицу взрываемого вещества (1,6 • 101 0 ккал/кг при ядерном и 101 1 ккал/кг при термоядерном взрыве), чем при химическом взрыве (103 ккал/кг). Эти взрывы являются наиболее мощными из известных человечеству в настоящее время.

ческие соединения или механические смеси, которые под действием внешнего импульса (нагрева, удара, трения и т. д.) способны взры­ ваться, т. е. чрезвычайно быстро превращаться в другие соединения с выделением тепла и газообразных продуктов, способных произ­ водить разрушение и перемещение окружающей среды.

При взрыве большинства ВВ горючие элементы — водород и угле­ род — окисляются кислородом, входящим в состав ВВ, в отличие от процесса горения, при котором окисление происходит за счет кислорода воздуха. Благодаря этому обеспечивается весьма высокая концентрация энергии в единице объема ВВ. Так, при сжигании 1 л

стехиометрической смеси спирт — кислород выделяется 3,5 ккал тепла, смеси водород — кислород — 1,8 ккал, а при взрыве 1 л нитроглицерина — 2350 ккал тепла.

Вто же время тепловая энергия, выделяемая при взрыве 1 кг

ВВ(800—1200 ккал/кг), значительно меньше теплоты сгорания

промышленных ВВ (2—8 км/с) обеспечивает получение чрезвычайно большой мощности взрыва.

При взрыве ВВ образуется значительное количество газов (600— 1000 л/кг) и выделяемое тепло обеспечивает нагревание их до тем­ пературы 2500—4500° С. Взрыв сопровождается определенным звуко­

высокая объемная концентрация энергии и сверхзвуковая скорость ее выделения, экзотермичность процесса, образование большого

низких температурах по всему объему вещества. Знание его законо­ мерностей и условий протекания необходимо для определения стой­ кости ВВ. Процесс г о р е н и я и д е т о н а ц и и идет во фронте химической реакции, который перемещается по ВВ. Скорость пере­ мещения его определяется величиной выделяющейся энергии и спо­ собом передачи ее к соседним слоям вещества. При горении тепло передается путем теплопередачи (этот процесс сравнительно мед­ ленный). При детонации энергия по заряду ВВ передается ударной волной, распространяющейся со скоростью 2—8 км/с.

В промышленности применяют индивидуальные ВВ, которые содержат в своем составе все элементы, необходимые для нормаль­ ного протекания реакции взрыва. Чаще применяют ВВ в виде меха­ нических смесей.

Для придания определенных свойств и характеристик смесям ВВ в их состав вводят следующие компоненты.

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, натри­ евую селитры, хлораты и перхлораты калия и аммония, жидкий

или пудра легкоокисляющихся и выделяющих при этом большое количество тепла металлов, например алюминия, магния. Горючие вещества вводят в состав ВВ для увеличения количества энергии,

выделяемой при взрыве. В качестве горючих веществ используют также взрывчатые компоненты (тротил, гексоген и др.), которые имеют в своем составе недостаточное количество кислорода для пол­ ного окисления содержащихся в них горючих элементов. Часть углерода, выделяемого при взрыве таких ВВ в виде окиси в свобод­ ном состоянии или в виде горючих соединений, реагирует с избы­

для повышения его чувствительности к восприятию и передаче детонации. Это, как правило, ВВ наиболее чувствительные, которые в смеси с малочувствительными (например, с аммиачной селитрой) или с невзрывчатыми веществами (древесной, жмыховой или хлопко­ вой мукой) обеспечивают нормальную чувствительность смеси к ини­ циированию ее капсюлем-детонатором и улучшение ее взрывчатых характеристик. В качестве сенсибилизаторов применяют мощные ВВ — тротил, нитроглицерин, нитрогликоль, гексоген и т. п. Сен­ сибилизатором могут являться и невзрывчатые вещества (горючие добавки) — соляровое масло, древесная мука или уголь. В малых количествах (до 6%) соляровое масло в смеси с аммиачной селитрой выполняет роль сенсибилизатора, в больших — делает взрывчатую смесь нечувствительной к инициированию.

С т а б и л и з а т о р ы вводят в состав ВВ для повышения их химической и физической стойкости. В качестве стабилизатора в ди­ намитах используют мел и соду, в аммонитах — древесную, жмыхо­ вую и торфяную муку, при этом последние выполняют также роль горючих добавок и разрыхлителей, уменьшающих слеживаемость ВВ.

Ф л е г м а т и з а т о р ы — легкоплавкие маслянистые жидко­ сти с высокой теплоемкостью и высокой температурой вспышки, обволакивающие частицы ВВ и не вступающие с ним в реакцию. Введение флегматизаторов снижает чувствительность ВВ к механи­ ческим воздействиям и обеспечивает более безопасные условия его применения. В качестве флегматизатора используют вазелин, пара­ фин, различные масла, тальк и другие вещества.

П л а м е г а с и т е л и вводят в состав только предохрани­ тельных ВВ для снижения температуры взрыва и уменьшения веро­

применяют хлористый натрий, хлористый калий, хлористый аммоний и другие вещества.

Из большого количества известных ВВ допущены к постоянному промышленному применению достаточно безопасные в изготовлении и обращении, эффективные в применении, технически и экономи­ чески доступные в изготовлении, обладающие достаточной физи­ ческой и химической стойкостью при хранении и транспортировании. В соответствии с действующим в СССР законоположением к про­ мышленному применению допускают лишь те ВВ, которые прошли лабораторно-полигонные испытания в МакНИИ, ВостНИИ,

ВНИИГеофизика, а также промышленные испытания в производ­ ственных условиях. По результатам испытаний Госгортехнадзор

СССР издает журнальное постановление о допуске ВВ к постоянному применению или на период испытаний.

Междуведомственная комиссия по взрывному делу, образованная в 1952 г., координирует исследования по взрывным работам и дает рекомендации по внедрению в практику новых ВВ, средств взрыва­ ния и технологии взрывных работ.

Международное научно-техническое совещание по вопросам взрывных работ, в котором приняли участие представители соци­

Существуют еще несколько классификаций ВВ по другим при­ знакам. По действию на окружающую среду ВВ делят на три группы:

ВВ, обладающие высокой чувствительностью, которые применяют для изготовления средств взрывания (капсюлей-детонаторов, элек­ тродетонаторов, детонирующего шнура). К этим ВВ относят грему­

этих ВВ вызвать труднее, чем инициирующих, поэтому их взрывают посредством взрыва инициирующих ВВ.

ВВ может быть химическим соединением или механической смесью. К химическим соединениям относятся следующие ВВ: нитро-

с я м и т в е р д ы х и л и ж и д к и х в е щ е с т в с г а з а м и (угольная, древесная и другая органическая пыль, брызги керосина,

Наибольшее применение в качестве промышленных ВВ имеют первые две группы. По физическому состоянию промышленные ВВ могут быть п о р о ш к о о б р а з н ы м и , г р а н у л и р о в а н ­ н ы м и , п р е с с о в а н н ы м и , л и т ы м и , п л а с т и ч н ы м и ,

взрыва образовались в основном пары воды, азот и углекислый газ, т. е. газообразные продукты, наименее опасные для человеческого организма.

Степень опасности ВВ с точки зрения образования при взрыве

недостатка кислорода в составе ВВ к.количеству его, 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-

в составе ВВ содержится количество кислорода, необходимое для полного окисления горючих компонентов. Если в составе ВВ кисло­ рода не хватает для полного окисления горючих элементов, то такое

При взрыве ВВ с нулевым кислородным балансом образуется минимальное количество ядовитых газов и выделяется максимальное количество энергии. При недостатке кислорода образуется ядовитая окись углерода, при этом выделяется тепла 27,7 ккал/(г-моль), при образовании двуокиси углерода (углекислого газа) тепла выде­ ляются 94,5 ккал/(г-моль). Избыточный кислород образует весьма ядовитые окислы с азотом. Реакция образования окислов азота эндотермична.

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 (например, при реакции разложения динитрогликоля (табл. 2).

Т а б л и ц а 2

Характеристика взрывчатых превращений некоторых ВВ

+ 6 C O + 8 C + 5 N 2

ВВ с количеством кислорода, достаточным для полного газообра­ зования. 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, на­ пример при реакции разложения тэна (см. табл. 2).

ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного газо­ образования. В этом случае водород окисляется в воду, часть угле­ рода — в окись углерода, а оставшийся углерод выделяется в сво­ бодном виде, как, например, при реакции разложения тротила (см. табл. 3).

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

§ 3. Элементы теории ударных волн

Теория ударных волн, являющаяся составной частью газовой механики, необходима для понимания действия ударных волн и одно­ временно является введением в теорию детонации. Основные уравне-

В соответствии с законом сохранения энергии в данном случае необходимо, чтобы изменение энергии газа за время t было равно работе, произведенной по сжатию или расширению газа. Е0 и Е1 — удельная внутренняя энергия (теплота), т. е. энергия единицы массы газа соответственно в невозмущенном и в сжатом состоянии. Кине­ тическая энергия единицы массы сжатого газа равна v%/2, масса сжатого газа p0DSt, и тогда величина полного изменения энергии газа при сжатии составит

Выведенными зависимостями полностью характеризуется плоская ударная волна. Ударные волны отличаются следующими особен­ ностями: скорость их распространения всегда выше, чем скорость звука в среде; на фронте волны скачкообразно изменяются все пара­ метры состояния; среда движется вслед за распространяющейся ударной волной; скорость распространения ударной волны зависит от величины ее амплитуды; ударная волна распространяется в виде однократного скачка уплотнения.