книги из ГПНТБ / Ассонов В.А. Буровзрывные работы учебное пособие для горных техникумов

Все промышленные ВВ перед допуском их для работ в опре­ деленных условиях проходят специальные испытания для установ­ ления безопасности их применения. К таким испытаниям относят­ ся: определение чувствительности ВВ к удару, трению, огню, испы­ тание на безопасность применения в газовых или пыльных усло­

виях.

Чувствительность ВВ к удару определяют при помощи прибора, называемого

копром (рис. 68) и представляющего собой две параллельно стоящие штанги, по которым сво­ бодно падает груз определенной величины — чаще всего 2 кг. Груз снабжен бойком, кото­

рый, падая, производит удар по штемпельному

приборчику (рис. 69) с навеской ВВ 0,05 г. Собранные приборчики с навеской устанавли­

вают на наковальню копра точно по центру падающего груза и затем сбрасывают груз.

Известны два способа оценки чувствительно-

сти ВВ к удару. По одному из них определяют максимальную вы­ соту сбрасывания груза, при которой не происходит взрыва навески

ВВ. По другому устанавливают процент взрывов прй сбрасывании 10 кг груза с высоты 25 см. В табл. 28 приводятся данные по чувст­

вительности ВВ к удару по обоим способам.

Чувствительность ВВ к трению для промышленных сортов определяется по способу, принятому в Макеевском научно

исследовательском институте на приборе, называемом фрик­

ционным маятником (рис. 70). Основной частью прибора служит маятник длиной 2 м, на конце которого прикреплен груз весом 1 кг. При помощи дуги маятник проходит над плоскостью с

маятника сильно растирает ВВ. Испытание состоит из 18 качаний маятника. При этом устанавливают минимальную высоту качания,

160

Таблица 28

Характеристика чувствительности взрывчатых веществ

Показатели чувствительности к удару

Рис. 70. Фрикционный маятник для определения чувствительности взрывчатого вещества к трению

вызывающую взрыв. Сравнительно безопасным признается такое

Чувствительность ВВ к огню (теплу) характе­ ризуется температурой вспышки. За температуру вспышки прини­ мается та наименьшая температура, до которой должно быть на­ грето ВВ, чтобы вызвать в нем начало взрывчатого превращения

со скоростью, достаточной для получения пламени или звукового эффекта.

Температура вспышки зависит от време­ ни и способа нагревания, величины навес­ ки, теплопроводности материала и конструк­

ядовитых газовых продуктов взрыва, чтобы не загрязнять воздух подземных выработок; в) ВВ, допущенные в шахты, опасные по газу и пыли; кроме

требований, указанных в пп. «а» и «б», ВВ этой группы не должны воспламенять опасную пылевоздушную или метановоздушную сре­ ду при взрывании в мортире опытного штрека.

§ 40. Начальный импульс и чувствительность В В

квосприятию начального импульса

ВВпредставляют собой малоустойчивые системы, которые прак­ тически при нормальных условиях могут находиться довольно дол­ гое время в устойчивом состоянии, но при отклонении от этих усло­ вий они могут быть неустойчивы. Например, чтобы вызвать в их массе начало взрывчатого превращения, необходимо сообщить какой-либо точке ВВ внешний толчок, получивший название н а- чального импульса, затратив для этого некоторое коли-

162

чество энергии. Процесс возбуждения взрыва заряда называется инициированием. z

Работа, совершаемая начальным импульсом, ничтожна по

сравнению с работой, производимой взрывом заряда. Роль началь­

ного импульса выражается в локальном (местном) действии по отношению к заряду ВВ и сводится только к тому, чтобы некото­

вращения не требует приложения энергии извне и проходит непре­ рывно за счет энергии, выделяемой той частью заряда, которая уже претерпела взрывчатое превращение.

Современные теоретические воззрения на механизм процесса взрывчатого превращения рассматривают его как цикл реакций, протекающих в газовой фазе. Отсюда роль начального импульса заключается в превращении твердого или жидкого ВВ через цепь-

различных реакций в газовую фазу для того, чтобы реакция обра­ зовавшихся газов или паров могла происходить со скоростью, при­ сущей детонации.

Величина начального импульса, необходимого для взрывчатого превращения, неодинакова не только для разных ВВ, но и для

одного и того же ВВ при его изменяющемся физическом состоя­ нии, и зависит от степени восприимчивости данного ВВ к началь­ ному импульсу. Некоторые ВВ способны взрываться от самого не­ значительного воздействия, как, например, иодистый азбт, Для взрыва которого достаточно легкого прикосновения. Другие ВВ,

например аммиачная селитра, требуют мощного воздействия в виде взрыва нескольких десятков или даже сотен граммов более чувствительного ВВ. В качестве примера неоднородности началь­

ртуть взрывается от легкого царапанья перышком, а мокрая тре­ бует промежуточного детонатора из сухой гремучей ртути. Точно так же и пироксилин: сухой превосходно детонирует от капсюлядетонатора, а для взрывания влажного пироксилина необходим

промежуточный детонатор .из сухого пироксилина, иначе взрыва не произойдет. Для каждого ВВ при данных условиях существует из­ вестная граница устойчивости против воздействия начального им­ пульса, за пределами которой возникает взрывчатое превращение. Чем ниже эта граница, тем чувствительнее данное ВВ к восприим­ чивости начального импульса.

Чувствительность к восприятию начального импульса находится

в прямой связи с чувствительностью к удару, трению, огню. Если

данное ВВ показывает большую чувствительность к одному виду

воздействия, то оно будет более чувствительным и к другому виду

воздействия.

Чувствительность промышленных В В ограничивается некото­ рыми практическими пределами. Слишком высокая чувствитель­ ность создает опасность при перевозках, хранении и обращении с

ВВ, вследствие чего значительная часть открытых химиками ВВ

не имеет практического применения. Слишком низкая чувствитель­ ность ВВ также исключает возможность их использования, ибо они требуют приложения чрезвычайно мощного начального им­

пульса.

В качестве начального импульса можно воспользоваться разны­ ми видами энергии: механической (удар, трение), тепловой (луч огня, искра), электрической (накал, разряд), а также энергией взрыва другого ВВ (капсюля-детонатора).

Вид начального импульса влияет на характер взрывчатого пре­ вращения. Так, например, при инициировании искрой в дымном порохе проходит процесс так называемого взрывного горения; тот же порох, инициируемый капсюлем-детонатором, устойчиво дето­

нирует. Тротил, будучи зажженным, спокойно сгорает (без оболоч­ ки), а при воздействии капсюля-детонатора детонирует.

Чувствительность ВВ к начальному импульсу зависит от фак­ торов химического, термохимического и физического порядка.

Чем более прочно строение молекулы данного вещества, тем

меньше его чувствительность, так как при большей прочности внутримолекулярных связей необходима большая энергия для

ослабления или разрыва этих связей. При прочих равных условиях чувствительность ВВ будет тем выше, чем ниже температура раз­ ложения окислителя и чем больше тепла выделяется при взрыве.

Чувствительность химических соединений в известной степени зависит от их химической структуры. Так, например, нитросоедине­ ния более устойчивы, чем азотнокислые эфиры; в частности, тро­ тил, пикриновая кислота и т. п. более устойчивы, чем нитрогли­ церин или пироксилин. Еще менее устойчивы соли азотистоводо­ родной кислоты; в качестве примера можно привести малоустойчи­ вый азид свинца.

Чувствительность неодородных смесей зависит от чувствитель­ ности наименее устойчивого компонента (нитроглицерин в динами­

тах, нитросоединения в аммонитах).

Влияние факторов термохимического порядка сказывается в том, что ВВ с меньшей теплотой образования имеют более повы­

шенную чувствительность, как это наблюдается у инициирующих ВВ, которые представляют собой соединения эндотермического характера (гремучая ртуть, азид свинца и др.).

Влияние физических факторов, в частности, проявляется в том,

что чувствительность ВВ к начальному импульсу уменьшается с

повышением плотности ВВ, с увеличением размеров частиц ВВ и т. д. Примером могут служить прессованные ВВ (прессованные пироксилин, аммонит № 6, скальный аммонит и пр.), которые требуют для своего инициирования более мощного начального им­ пульса по сравнению с теми же ВВ, но в порошкообразном состоя­ нии. К этим же физическим факторам относится агрегатное состоя­ ние ВВ; как правило, жидкие ВВ более чувствительны к началь­ ному импульсу, чем твердые (жидкий нитроглицерин более чув­ ствителен, чем твердый — замерзший). Влияние величины частиц

164

ВВ сказывается в том, что с уменьшением размеров отдельных частиц увеличивается восприимчивость к начальному импульсу.

Присутствие примеси в составе ВВ заметно влияет на их чув­ ствительность, причем в зависимости от свойств примеси могут

увеличивать или уменьшить чувствительность ВВ к начальному импульсу. Примеси, имеющие твердость больше твердости ВВ, по­ вышают чувствительность последнего; примеси с меньшей твер­ достью уменьшают чувствительность ВВ. К числу примесей, повы­ шающих чувствительность и называемых сенсибилизатор а- м и, относятся металлические опилки, толченое стекло, песок и т. п. Процесс введения таких примесей в состав ВВ и тем самым повы­ шение его чувствительности называется сенсибилизацией.

Явление сенсибилизации объясняется концентрацией усилий на острых углах примесей, что способствует возникновению местных разогревов, приводящих к началу химической реакции в отдельных точках в массе ВВ. Примеси, понижающие чувствительность ВВ, называются флегматизаторами; они представляют собой легкоплавкие вещества или жидкости, к которым относятся: вода,

масла, вазелин, парафин, церезин и т. п. Лучшей флегматизирую-

щей способностью обладают вещества с большой вязкостью, тепло­ емкостью и высокой температурой вспышки. Процесс введения этих примесей в ВВ и имеющее место при этом понижение их чувстви­ тельности называется флегматизацией. Происходящее при этом снижение чувствительности объясняется тем, что флегматизатор обволакивает частицы ВВ тонкой пленкой, которая смягчает удар и позволяет частицам передвигаться относительно друг друга без разрушения кристаллической решетки.

§ 41. Основы теории детонации

В то время как скорость распространения горения по массе ВВ измеряется миллиметрами или сантиметрами в секунду, ско­ рость распространения детонации выражается в тысячах метрах

в секунду. Отличие заключается не только в скорости, но и в ме­

ханизме распространения обоих явлений. Распространение процес­ са горения по ВВ обусловлено передачей энергии (тепла) от слоя к слою путем теплопроводности и излучения тепла горячими газо­ образными продуктами горения. Распространение детонации об­

условлено прохождением по заряду ВВ особой волны колебаний, называемой ударной волной, которая возбуждает в каждом последующем слое вещества интенсивную химическую реакцию, со­

провождающуюся выделением энергии, необходимой для после­ дующего самораспространения процесса.

Механизм детонации объясняет современная теория, называе­

мая гидродинамической. Эта теория впервые высказана русским ученым В. А. Михельсоном в 1889 г. и была разработана для газов. Затем она была развита трудами советских ученых (Я. Б. Зельдович, К. П. Станюкович, Л. Д. Ландау и др.) и допол­ нена необходимыми положениями применительно к детонации кон­

165

денсированных ВВ, что имеет весьма серьезное значение в технике использования бризантных и инициирующих ВВ. В частности, в

гидродинамической теории использован принцип распространения в

среде ударной волны сжатия, т. е. поверхности внезапного разры­ ва плотности, давления и температуры. Этот внезапный разрыв или скачкообразность процесса служит отличительным признаком детонации.

Ударные волны возникают в любой сжимаемой среде (в том числе и твердой) в результате крутого подъема давления в этой

среде, который может явиться следствием взрыва, удара, сильного электрического разряда, быстрого перемещения поршня в трубе и т. п. Ударная волна отличается от звуковой не только большой скоростью, но и тем, что вслед за ударной волной происходит дви­ жение потока среды в том же направлении.

Для лучшего усвоения процессов, протекающих при скачко­ образном распространении детонации, рассмотрим наиболее простой случай распространения детонации по бесконечно длинно­ му однородному заряду1. Предположим, что вследствие большого

расстояния от центра детонации волна будет плоской и стационар­

ной, т. е. такой, параметры которой во время движения не меняют­ ся. Из этого заряда выделим цилиндрическую часть с площадью поперечного сечения, равной единице, и с таким условием, чтобы образующие цилиндра были перпендикулярны поверхности фронта

волны детонации. Волна детонации распространяется по

этому участку справа налево в направлении, указанном стрелкой. На рис. 72 показаны два последовательных положения фронта ударной волны, отделенные друг от друга промежутком времени,

равным единице. В начальной позиции (рис. 72, а) давление газа обозначим через Ро, его удельный объем через v0 и скорость частиц

1 О. Е. Власов, Основы динамики взрыва, изд. Военно-инженерной ака­ демии, Москва, 1945.

166

сечение равно единице. Из удельного объема газа в начальном со­ стоянии' v0 находим его вес С:

(39)

v0

В конечном положении удельный объем газа равен v и зани­ мает объем, равный объему цилиндра, ограниченного плоскостями

AiB} и С1£>1, т. е, имеющего высоту w—и, и его вес будет равен:

По закону сохранения массы оба вычисленные значения равны, что дает следующее соотношение:

w~u = w^Uo

V v0

Решая это уравнение относительно скорости распространения

ударной волны w, получаем:

По формуле (43) вычисляют максимальную скорость детона­

ции. 1

Не приводя дальнейших сложных выводов, ограничимся указа­ нием, что, исходя из закона сохранения количества движения и за­ кона сохранения энергии, выведены следующие формулы.

А = 1,47 —- 6

где d — диаметр молекулы;

167

определяется по формуле

=

0 М

где cv — теплоемкость продуктов взрыва при постоянном объеме;

То—начальная температура в град. Кельвина; М— молекулярный вес газа.

/— механический эквивалент тепла.

3.Для исчисления среднего давления газов взрыва

М — молекулярный вес газов; v — удельный объем газов;

а •— коволюм.

При вычислениях в числитель вводят дополнительный множи­

тель 1 000 для перевода удельного объема из литров в кубические метры, а в знаменатель — дополнительный множитель 10 000 для выражения окончательного результата в атмосферах, а не в мил-, лиметрах водяного столба, как то следовало бы в системе техниче­

168

5.Для исчисления температуры газов в момент детонации

где значения членов уравнения приняты те же, что указаны выше. Детонация может быть устойчивой, т. е. протекающей с макси­ мальной скоростью, присущей данному ВВ, или неустойчивой. При устойчивой детонации скорость постоянная, не меняющаяся в за­ висимости от каких-либо' факторов. При неустойчивой детонации скорость явления колеблется, причем колебания (плавные или рез­ кие) приводят в конечном итоге к уменьшению скорости подчас до

значительных пределов, выражающих собой затухание явления

детонации и переход в выгорание — процесс, протекающий с очень

малыми скоростями. При выгорании никакой работы разрушения не происходит, что по существу означает срыв поставленного перед взрывом задания. Больше того, при взрывных работах в шахтах с опасной средой (взрывчатые пыль или газ) выгорание может быть

причиной воспламенения или взрыва опасной среды и связанных с этим несчастных случаев. Даже в шахтах, где отсутствует опасная среда, выгорание также может явиться причиной травматизма, так как при замедленном процессе реакция превращения ВВ идет по совершенно иному направлению с образованием большого коли­

чества сильно ядовитых окислов азота.

Поэтому весьма важно при всякого рода взрывных работах обеспечить условия, при которых возможна только устойчивая детонация.

Устойчивость детонации зависит от целого ряда факторов, из которых главными являются: диаметр и оболочка заряда, мощность начального импульса, состав и состояние ВВ.

Влияние диаметра заряда сказывается в том, что для каждого ВВ существует некий минимальный диаметр заряда, при котором детонация данного ВВ (при нормальном его состоянии) протекает

нормально, без колебаний в скорости. Этот диаметр носит назва­ ние критического. Если диаметр заряда менее этой величины, то устойчивая детонация его невозможна, так как начавшийся процесс быстро затухает. Повышая величину диаметра выше кри­ тического, можно постепенно повышать скорость детонации, но до некоторого, определенного для каждого ВВ предела (называемого предельным диаметром), после которого дальнейшее уве­ личение не влечет за собой повышения скорости детонации. Ско­

рость, присущая критическому диаметру для данного ВВ при дан­ ных условиях, называется критической скоростью дето­ нации. Критическая скорость детонации зарядов однородных ВВ находится в пределах 2 000—3 000 м/сек, а для зарядов аммонитов она составляет от 1 000 до 1 200 м/сек-, при этом нужно помнить,

что нормальная скорость детонации при диаметре зарядов, равном

169