Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

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

.pdf
Скачиваний:
70
Добавлен:
27.10.2023
Размер:
40.74 Mб
Скачать

В силу большой скорости процесс детонации с достаточным при­ ближением можно считать адиабатическим, т. е. dQT р = 0. При этом соблюдается равенство

дА=—ди=

-CvdT.

(II.4)

Общая работа

 

 

Л= \ CvdT =

Сг{Тг-Т2),

(115)

где Тх — начальная (максимальная) температура взрыва; Г 2 — температура газов к концу расширения; Су — средняя теплоемкость в интервале Тх — Т г .

 

 

 

 

12ПО

WOO

 

 

 

О

UO

 

SO

!ZO

 

 

 

 

 

 

 

 

Теоретическая полная

 

Теплота

, икал/кг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

работоспособность, %

Рис. 10. Зависимость полной

 

работы

Рис. 11.

Взаимосвязь

работоспособ­

от теплоты

взрыва (по К .

К.

Андрееву

ности

в

свинцовой

бомбе

и полной

и

А.

Ф.

Беляеву)

 

 

 

теоретической работоспособности (по

 

 

 

 

 

 

 

 

К. К. Андрееву и А. Ф .

Беляеву)

В идеальном случае

Т2

= 0,

тогда

полная

максимальная работа

 

 

 

A^CvT^Qr+Cv-290,

 

 

 

 

 

 

(II.6)

где QT — теплота

взрыва;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Су • 290 — внутренняя

энергия

газа

при

стандартной

температуре

 

калометрических

измерений

290° К. Величина C'v

• 290 для

 

обычных ВВ составляет

3—5%

А„,

поэтому

 

приближенно

 

можно считать A'n

=

QT.

 

 

 

 

 

 

 

 

Максимальную работу, которую могут совершить газы взрыва

при условии

перехода

всей

внутренней

энергии в

механическую

работу, называют п о т е н ц и а л о м ВВ.

Рассматривая расширение газов взрыва по адиабатическому закону до атмосферного давления (1 кгс/см2 ), можно найти следу­ ющую зависимость:

 

К-1

 

Ап — Qr 1

= < ? т - < ? п ,

(И.7)

где рг — начальное давление

газов взрыва, кгс/см2 ;

К — показатель

адиабаты.

Разность От — Ап

= Оп

представляет собой потерянное тепло,

которое даже при идеальном ходе процесса остается в продуктах взрыва при расширении их до атмосферного давления. Если взрыв происходит в сплошной среде с сопротивлением сжатию р2, тогда

(II.8)

т. е. полная работа уменьшится, а потерянное тепло увеличится.

Полную

работу,

вычисленную по формуле

(П.8)

и отнесенную

к единице

веса ВВ,

называют

п о л н о й

р а б о т о с п о с о б ­

н о с т ь ю

(табл. 5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 5'

Тепловые характеристики некоторых ВВ при расширении газов

до атмосферного

давления (по

К. К. Андрееву

и А. Ф.

Беляеву)

ВВ

Аммиачная селитра

Аммонит № 6 Ж В

Д и н а м и т 62%-1Гый

Гексоген

Т э н » Нитроглицерин

я"

я

л

о

ок

ёя

Ч о G ьГ

3,8

0,9

0,9

1,5

1

1,45

1

1,6

1.6

1,6

взрыва,

 

Теплота ккал/кг

О О

 

 

II

|

 

360

1,19

380

1,3

830

1,24

1010

1,23

1030

1,24

1290

1,77

1270

1,25

1300

1,25

1360

1,21

1480

1.19

К. п. д. взрыва,

Полная работа взрыва, ккал/кг

77,6

280

86,2

327

82,5

686

83,3

840

83,7

850

76

980

84,5

1070

86,6

1125

82,7

1125

79,7

1180

 

X

F-

ь

с ь

ь-

су

СУ

с

0,36

0,33

0,38

0,39

0,82

0,82

1

 

1

1,02

1,01

1,28

1,17

1,26

1,28

1,29

1,34

1,35

1,34

1,47

1,4

Для большинства ВВ к. п. д. взрыва составляет 83—85%, т. е. практически одинаково и отношение работоспособностеи такое же, как и отношение теплот взрыва. Следовательно, работоспособность ВВ можно оценить непосредственно по теплоте взрыва (рис. 10). Относительная работоспособность в свинцовой бомбе соответствует теоретической работоспособности (рис. 11). Отсюда очевидна воз­ можность лабораторной оценки работоспособности ВВ для горных работ по взрывам в свинцовой бомбе.

На схеме баланса энергии при взрыве (рис. 12) в качестве исход­ ной взята потенциальная химическая энергия ВВ. Из-за возмож­ ности разброса непрореагировавшего ВВ, недостаточной полноты

взрывчатого

превращения

фактическая теплота

взрыва

меньше

на величину

химических

потерь. Фактическая

теплота

взрыва

полностью не может быть превращена в работу даже при идеальном ходе процесса разрушения. Разность между фактической теплотой и полной работой является тепловыми потерями. Общая величина

Полезньїє

формы

механической

рад~оты

Р и с . 12. Баланс энергии при взрыве (по А. Ф . Бе­ ляеву)

полной работы взрыва находится в заданных пределах, но она может расходоваться на те или иные формы общего, бризантного или ме­ стного действия взрыва.

§ 8. Классификация методов испытаний

При разработке новых сортов промышленных ВВ или перед использованием их подвергают следующим испытаниям:

1)для оценки взрывчатых свойств, характеризующих производ­ ственную эффективность, экспериментально определяют скорость детонации, бризантность и работоспособность; для новых сортов ВВ экспериментальным или расчетным путем определяют теплоту, об^ем, температуру и давление газов взрыва;

2)для проверки качества ВВ, их соответствия ГОСТу и при­ годности к применению определяют способность к передаче детонации от патрона к патрону, влажность ВВ, химическую и физическую

стойкость;

для ВВ, содержащих нитроэфиры в количестве

> 30%,

определяют

эксудацию;

 

3) для оценки чувствительности и опасности ВВ в обращении

определяют чувствительность к тепловому импульсу, удару,

трению

и инициированию.

 

 

§ 9. Методы оценки взрывчатых свойств ВВ

 

Определение скорости детонации. Наиболее простой метод опре­ деления скорости детонации основан на сравнении известной ско­ рости детонации ДШ со скоростью детонации испытываемого заряда (метод Дотриша). На боковой поверхности по оси заряда, заключен­

ного в металлическую трубку дли­

 

3

2

1

 

ной 300 мм, внутренним диаметром

 

 

30 мм и стенками толщиной 4 мм,

 

 

 

 

 

делают

два

отверстия диаметром

 

 

 

 

 

10 мм, в которые

вставляют

кон­

 

 

 

 

 

цы отрезков

ДШ (рис. 13). Рассто­

 

 

 

 

 

яние от отверстия

до капсюля-де­

 

 

 

 

 

тонатора 80—120 мм. Торцы трубки

 

 

 

 

 

закрывают

металлическими

проб­

 

 

 

 

 

ками

на резьбе.

Детонирующий

 

 

 

 

 

шнур

крепят

на

свинцовой или

 

 

 

 

 

жестяной с прокладкой пластинке

 

j

 

 

 

так, чтобы его концы были распо-

 

 

 

 

ложены на равных расстояниях от

 

 

 

 

 

торцов

пластинки.

 

 

Рис . 13. Определение скорости де ­

При взрыве детонация распро­

 

тонации (по

Дотришу) :

страняется

вдоль

по заряду

и по

1 — оболочка; 2 — заряд

В В ; з — про­

обеим ветвям ДШ. В месте встречи

межуточный детонатор;

4 — капсюль-де­

 

тонатор; 5

отрезки

ДШ

детонационных

волн на пластинке

 

 

 

 

 

образуется

углубление.

 

 

 

 

 

 

Скорость детонации рассчитывают исходя из равенства

времени

распространения детонационных волн до места встречи, т. е.

 

 

 

 

L +

а

|

L—Aft

 

 

 

 

 

 

 

^дш

^вв

 

у дш

 

 

 

 

 

 

 

£>вв — ^дш 2 Ah '

 

 

 

где г'вв и г>дШ

— скорости детонации испытываемого

ВВ и ДШ, м/с;

 

Ah

— расстояние от середины пластины до места встречи

 

 

 

детонации

в отрезках

ДШ длиной L .

 

 

Точные методы определения скорости детонации при научных

исследованиях

основаны на

фиксации

с помощью

осциллографов

или скоростной киносъемки времени прохождения детонационной волной фиксированного расстояния по заряду.

Определение бризантности ВВ. Принято различать бризантное, или дробящее действие взрыва ВВ и общее, или фугасное действие.

3 Заказ 2160

33

К бризантному действию взрыва относится измельчение

породы

на контакте и в непосредственной близости от заряда. Эта

работа

зависит от плотности энергии во фронте детонационной волны, она пропорциональна плотности ВВ и квадрату скорости детонации. Для оценки бризантного действия ВВ выполняют пробу на бризантность на свинцовых столбиках (метод Гесса) или на дробящее действие взрыва на породных образцах.

К фугасному действию

взрыва относятся

разрушение

породы

на некотором расстоянии

от контакта заряда

со средой, а

также

отбрасывание раздробленной массы. Эффект фугасного действия взрыва пропорционален общей энергии ВВ. Для оценки фугасного

Рис. 14. Испытание ВВ на бризантность:

1 — плита; 2 — свинцовый столбик; з — стальная про­ кладка; 4 — заряд ВВ; 5 — капсюль-детонатор; в — ог­ непроводный шнур; 7 — крепление; 8 — столбик после взрыва

действия работы взрыва работоспособность определяют в свинцо­ вой бомбе (метод Трауцля), на баллистической мортире, на баллистическом маятнике, по воронке выброса и по дроблению образцов.

Для

испытания по методу Гесса

на столбик из

рафинированного

свинца

высотой 60 мм и диаметром

40 мм помещают стальную

пла­

стинку

толщиной 10 мм и диаметром 41 мм и

заряд весом

50 г

в бумажном патроне диаметром 40 мм при плотности 1 г/см3 . В заряде делают отверстие под капсюль-детонатор глубиной 15 мм (рис. 14). Свинцовый столбик с пластиной и зарядом располагают на массивной стальной подставке. Бризантность оценивают разностями средних

высот свинцового столбика до и

после

взрыва, измеренных в четы­

рех точках, расположенных на

взаимно перпендикулярных осях.

Метод Гесса применяют в качестве

контрольного или

приемоч­

ного на заводах-изготовителях.

Применительно в> оценке

действия

взрыва он имеет следующие недостатки: бризантность измеряют не в абсолютных, а в условных единицах (мм); из-за неустойчивой детонации в открытых зарядах такого размера этим методом затруд­ нено испытание грубодисперсных и гранулированных ВВ; испытания

зарядов в стальных кольцах по

 

 

 

 

 

 

этому методу дают несопостави-

о

 

 

 

^

 

мые результаты со стандартными-,

 

 

 

 

 

метод непригоден

для мощных ВВ

 

 

 

 

-2

 

(тэна,

гексогена),

так как стол­

 

 

 

 

 

 

бик

заряда

весом

50 г

разру­

 

 

 

 

 

 

шается. Если вес заряда умень­

 

 

 

 

 

 

шить

до 25 г,

то

в

этом

случае

 

 

 

 

 

 

результаты получаются несопоста­

Р и с .

15.

Определение работоспособ­

вимые.

 

 

 

 

 

 

ности

В В в свинцовой

бомбе:

 

Определение работоспособности

а — до взрыва;

1 — свинцовый цилиндр;

ВВ

в свинцовой

бомбе и на пород­

2

— эаряд

ВВ;

3 — забойка;

б — после

 

 

 

 

взрыва

 

ных

образцах.

 

Бомбу Трауцля в

 

 

 

 

 

 

виде

цилиндра

высотой

200 мм

 

 

 

 

 

 

и

диаметром

200 мм

изготавливают

из

рафинированного

свинца.

Заряд ВВ весом 10 г с электродетонатором помещают в отверстие

диаметром 25 мм и глубиной 125 мм (рис. 15)

и засыпают

песчаной

забойкой.

После

взрыва

в

бомбе

образуется

раздутие,

величина

 

за

вычетом

начального объема

отверстия

 

(61—62

см3 )

 

 

 

 

 

 

и расширения,

производимого

элек­

 

 

 

 

 

 

тродетонатором

(~30

см3 ),

и

яв­

 

 

 

 

 

 

ляется

мерой относительной работо­

 

 

 

 

 

 

способности

ВВ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Недостатки

метода:

 

величина

 

 

 

 

 

 

работоспособности

получается

в ус­

 

 

 

 

 

 

ловных числах (см3 ); при работоспо­

 

 

 

 

 

 

собности

ВВ большей 420 см3

стенки

 

 

 

 

 

 

бомбы становятся настолько тонкими,

 

 

 

 

 

 

что

степень

расширения

становится

 

 

 

 

 

 

непропорциональной;

действие

на­

0

0,4

 

0,8

\2

1,4

пряжений

при

пластических

дефор­

Относительная работоспособностьмациях

свинца

не соответствует

дей­

5 сдинцодой

бомбі

 

 

ствию

напряжений

при

 

дроблении

Рпс. 16. Взаимосвязь между от­

горных

пород.

 

ВВ

по

методу

носительной

работоспособностью

 

При

испытании

В В в породе

и

в свинцовой

Л. И. Барона

в кубических

блоках

 

бомбе

 

 

 

из

горной

породы

или

песчано-це-

 

 

 

 

 

 

ментного

раствора

(размер

ребра

200 мм) дробящее действие ВВ характеризуется выходом мелких кусков (фракции до 7 мм) на 1 кг его веса. Недостатком породной пробы является необоснованный выбор размера кусков.

Эксперименты, в которых соблюдалось необходимое соотношениемежду размерами кондиционного куска, весом заряда и размером

блока, показали, что работоспособность

в породном блоке пропор-

3*

35

циональна работоспособности в свинцовой бомбе (рис. 16) в пределах ошибки измерений ( ± 4 % ) .

Определение работоспособности на баллистической мортире. Бал­

листическая

мортира

представляет

собой

массивный

цилиндр

(рис. 17, а),

подвешенный на тягах в виде

маятника.

В корпусе

имеется взрывная камера объемом

VB3p, в которой взрывают заряд

(обычно весом 10 г), и расширительная камера объемом Vp,

в которую

помещают массивный

поршень-снаряд.

Работа взрыва проявляется

в выталкивании поршня-снаряда и отклонении мортиры.

 

Интервал времени между моментом взрыва и вылетом снаряда

(5—10 мс) в

20—30

раз больше

времени

расширения

продуктов

t 6

т.

Р и с . 17. Определение работоспособности:

а — в баллистической мортире; б — с помощью баллистиче­ ского маятника; 1 — мортира; 2 — снаряд; з — вкладыш; 4 — подвеска; 5 — опора; в — заряд ВВ; 7 — маятник

взрыва заряда при взрыве в воздухе. Работа, произведенная газами взрыва в мортире, определяется по формуле

 

 

Е

1

B3P

К-1

,

кгс-м.

(II.9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

взр

 

 

 

 

Обычно

взр

0,1.

 

 

 

 

 

взр

 

 

 

 

 

С другой

 

 

Аы может

быть измерено

по откло­

стороны, значение

нению мортиры.

 

 

 

 

 

 

 

Суммарная энергия, полученная при взрыве системой мортира —

снаряд,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЕЫ = Е'Ы + ЕС = Е'Ы ( 1 + ^ - ) ,

к г с м ,

(11.10)

где Е'ы — кинетическая

энергия

мортиры,

кгс-м;

 

Ек — кинетическая

энергия

снаряда,

кгс-м.

 

Кинетическая энергия мортиры и снаряда соответственно равны

Ем = — и Ес = — , Дж,

(11.11)

где / — момент инерции маятника,

м4 ;

 

<в — угловая скорость маятника,

1/с;

 

m — масса снаряда, кг;

 

 

и — скорость полета снаряда, м/с.

 

Исходя из равенства моментов

количества движения

мортиры

и снаряда, можно записать уравнение

 

J(d = mur,

(11.12)

где г — расстояние оси взрывной камеры от точки подвеса,

м; обычно

его принимают равным расстоянию I от центра тяжести мор­ тиры до точки подвеса.

Объединив выражения (11.11) и (11.12), получим равенство

с

Е'м mi*

ИЛИ

Величина

Е'м

затрачивается

на подъем центра

тяжести мортиры

на высоту h,

т.

е.

 

 

 

 

 

Е'ы = Mgh

= Mgl (1 — cos ф),

 

где М — масса мортиры, кг;

 

 

g — ускорение силы тяжести, м/с2 ;

 

Ф угол отклонения мортиры от вертикали,

град.

Следовательно, полная

энергия системы

 

Ем

= Mgl (1 -

^ )

(1 - cos ф) = Е0 (1 - cos ф).

Для мортиры определенной конструкции величина

 

 

E0

=

Mgl(i+^-)

 

является постоянным параметром, определяемым из измерений. Приняв, что вся масса мортиры сосредоточена в одной точке, получим равенства для приближенного расчета:

и = — v и

Ml (1 — cos ф) =

т

v*

т / 2g

Отсюда после преобразований получим

Еы = Mgl (І - cosy) ^

^ Mgl

+

cosy)

Таким образом, при помощи баллистической мортиры можно определить абсолютную величину работы взрыва. При постоянствеусловии отдельные опыты в мортире дают ошибку не более 1 %.

Определение работоспособности на баллистическом маятнике» К маятнику большого веса вплотную подкатывается по рельсовому пути мортира (см. рис. 17, б), в которой помещается испытуемый заряд ВВ. С помощью особых приспособлений мортиру устанавли­ вают на оси, проходящей через плоскость качания маятника. При взрыве мортира откатывается, а маятник отклоняется на некоторый фиксируемый угол. При испытаниях обычно определяют вес заряда, который дает такое же отклонение, что и взрыв заряда эталонного ВВ (тротила) весом 200 г.

Условность применяемых оценок эффективности ВВ вызывает необходимость проведения промышленных испытаний ВВ в условиях горного предприятия. Без таких испытаний все новые ВВ не допу­ скаются к постоянному применению.

§ 10. Расчетные и экспериментальные характеристики ВВ

Рассмотренные выше характеристики дают относительную оценку ВВ, не выраженную в размерностях энергии, объема, температуры, давления. Поэтому в дополнение к вышеприведенным применяются характеристики теплоты и работы продуктов взрыва, температуры, объема и давления газов взрыва, определяемые расчетным или экс­ периментальным методом. Эти величины характеризуют параметры идеализированного процесса взрыва и не учитывают коэффициента полезного использования энергии. Тем не менее, они дают вполне объективную характеристику энергетического эффекта взрыва и мо­ гут быть использованы на практике.

Теплотой взрыва называется количество тепловой энергии, кото­ рое выделяется при взрывчатом разложении 1 моля или 1 кг ВВ. Теплота взрыва является одной из основных характеристик эффек­ тивности ВВ при разрушении пород. Зная затраты энергии на раз­ рушение единицы объема породы, и энергию, выделяемую при взрыве единицей веса ВВ, можно оценить эффективность данного ВВ.

Количество энергии в единице объема ВВ характеризуется объем­ ной концентрацией энергии ВВ, определяемой произведением удель­ ной энергии ВВ на его плотность. Эту характеристику целесообразно использовать для ВВ, плотность которых составляет 1,3—1,4 г/см3 .

Теплоту взрыва определяют теоретически или экспериментально. В качестве стандартных условий принимают температуру 0° и 18° С

(иногда 25° С) и давление

в 1 кгс/см2 . Вычисление

теплоты

взрыва

ведется на основе закона Гесса, согласно которому

тепловой

эффект

химического

превращения

системы

зависит только от начального

и конечного

ее состояний, т. е.

 

'

'

 

 

(?Т1 + (?Т2 =

<?ТЗ»

 

 

где От1 — теплота образования ВВ из элементов, ккал/г-моль;

QT2 — теплота взрыва, ккал/г-моль;

QT3 — теплота образования продуктов взрыва из элементов, ккал/г-моль.

Теплота взрыва, таким образом, определится по формуле

*?т2 = (?тз ~ Qm ккал/г • моль.

Для расчетов термохимических параметров взрыва составлены специальные таблицы теплоты образования веществ при постоянном

объеме

(см. табл. 1).

 

 

 

 

Для

определения теплоты взрыва

1 кг ВВ пользуются

формулой

 

< ? т 2 = % 1 0 0 0 >

ккал/кг,

 

где М — молекулярный

вес ВВ.

 

 

 

Экспериментальное

определение

теплоты

взрыва производится

в калориметрической бомбе.

 

 

 

Температура взрыва это максимальная

температура,

до кото­

рой нагреваются продукты взрыва. Из-за сложности опытного опре­ деления по спектру светового излучения температуру взрыва обычно вычисляют, принимая процесс взрыва адиабатическим. В действи­ тельности имеются потери тепла на нагревание окружающей среды и некоторое расширение газов. Однако время реакции промышлен­

ных ВВ настолько мало, что этими факторами можно

пренебречь.

Температуру газов взрыва вычисляют по формуле

 

 

 

 

 

t = 2p-,

 

(Ц.13)

где Q

— теплота взрыва

ВВ, ккал/г-моль;

 

Cv

— средняя теплоемкость всех продуктов взрыва при постоян­

 

ном

объеме, в

зависимости

от температуры

она может

 

быть

определена по формуле

 

 

 

 

С„ •--=« +

U, кал/°С,

 

где а — теплоемкость

продуктов

взрыва при 0° С;

 

Ъ — коэффициент, найденный опытным путем.

 

Подставив значение Cv в формулу

(11.13) и решив

полученное

уравнение, найдем

 

 

 

 

 

 

 

 

,

_ —a +

Vai +

ib(JTv

 

Значения теплоємкостей некоторых газов в зависимости от темпе­

ратуры

следующие, к ал/°С:

 

 

 

 

двухатомных

газов

 

4,8+4,3 • Ю - 4

* ,

 

трехатомных

газов

 

7,2+4,5 • 10~*г,

 

четырехатомных

газов

 

10+4,5 • 10~4 £,

 

паров

воды

 

 

 

4+21,5 • 10~4 г,

 

углекислого

газа

 

 

9+5,8 • 1 0 _ 4 i .

 

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ