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

Плотность ВВ оказывает определенное влияние на устой­ чивость детонации: при повышении плотности ВВ понижается ее устойчивость, а также увеличивается скорость детонации.

Наличие оболочки сказывается положительно на устойчивости детонации заряда: с оболочкой скорость детонации более устойчи­ ва, чем без оболочки; чем прочнее материал оболочки, тем лучше обеспечивается постоянство детонации при прочих равных усло­ виях.

Следующим фактором, влияющим на устойчивость детонации, является мо'щность начального импульса. Известны

случаи, когда В В при определенных условиях способно устойчиво

детонировать, но начальный импульс по своей величине не обеспе­ чивает развитие устойчивой детонации. Такое положение может иметь место тогда, когда в заряде возникает ударная волна, дав­ ление в которой меньше критического; в таком случае она будет распространяться, по заряду, как в инертной среде, т. е. скорость и давление ее будут постепенно уменьшаться и детонация перейдет в область неустойчивости с последующим затуханием.

Устойчивость детонации взрывчатых смесей, содержащих амми­

ачную селитру, также снижают следующие факторы, характери­ зующие химический состав и физическое состояние ВВ:

1) неблагоприятный химический состав: в смеси мало сенси­ билизатора (тротила, нитроглицерина и др.) или много инертного балласта (хлористый натрий и др.);

2)неудовлетворительное измельчение, а также сме’шение реаги­ рующих составных частей смеси;

3)слежалость ВВ;

4)переуплотнение ВВ в заряде, т. е. превышение верхнего пре­ дела плотности, при которой данное ВВ способно детонировать при

данном диаметре и от данного инициатора;

5)местное переуплотнение части ВВ, расположенной в заряде ближе к инициатору;

6)повышенное содержание влаги в составе ВВ;

7)наличие большого зазора между зарядом ВВ и стенками вмещающей его полости.

Если один или несколько перечисленных факторов неблаго­ приятны, это отнюдь не означает обязательного затухания детона­ ции. Практически возможна полная или частичная компенсация

влияния одного неблагоприятного фактора более благоприятным. Так, например, устойчивая детонация смеси с малым содержанием сенсибилизатора или смеси с большим содержанием инертной примеси может быть обеспечена за счет уменьшения плотности ВВ в заряде или за счет увеличения диаметра. заряда, или за счет применения более мощного инициатора, например промежуточного

детонатора из более чувствительного к восприимчивости детона­ ции ВВ.

Согласно высказываниям акад. Ю. Б. Харитона, возможность устойчивого распространениядетонации взрывчатой смеси опре­ деляется соотношением между временем реакции во фронте дето­

170

национной волны, определяемым физико-химическими свойствами ВВ, и временем, в течение которого давление взрыва разбрасывает непрореагировавшие частицы вещества во фронте детонационной волны. Если время реакции больше времени разбрасывания для данного ВВ, т. е. если скорость взрывчатого превращения относи­ тельно мала или же относительно мал диаметр заряда, то ВВ, не

успев прореагировать, будет выброшено давлением взрыва из зоны высокой температуры и высокого давления и детонация затухнет. Чем тщательнее перемешаны между собой и чем тоньше измель­

чены реагирующие компоненты смеси, тем больше скорость реак­ ции во фронте волны и тем устойчивее детонация данного ВВ.

Величина частиц ВВ имеет существенное значение для устойчивости детонации. Если ВВ измельчено сравнительно тонко,

то процесс детонации развивается с максимально возможной ско­ ростью. При увеличении размеров частиц скорость детонации мо­ жет снизиться до предела, при котором детонация не происходит.

Подобное влияние сказывается на всех твердых ВВ или же на ВВ, имеющих в своем составе твердые компоненты, например на оксиликвитах. Нужно при этом отметить, что чрезмерное измель­ чение ВВ, предназначенного для зарядов камер, заряжаемого рос­ сыпью, приводит к значительному пылеобразованию.

Влажность ВВ играет существенную роль для составов, содержащих аммиачную селитру. При меньшем содержании влаги скорость Детонации больше, а при повышенном — детонация может перейти в выгорание. Подобные явления иногда наблюдаются в

шахтах, где имеет место недостаточно внимательный контроль качества ВВ и его состояния. Аналогично сказывается влияние влаги на устойчивость детонации ВВ и на составах, содержащих другие сорта селитр: калиевую, натровую, но в меньшей степени.

Рассмотрев влияние различных факторов на устойчивость дето­ нации, можно вывести заключение, что устойчивость детонации,

или возможность ее затухания, определяется не влиянием одной

или двух причин, а обусловливается совокупностью многих фак­ торов, относящихся как к условиям взрыва, так и к химическому составу вещества и к его физическому состоянию. Следует под­

черкнуть, что большинство факторов, повышающих устойчивость детонации, увеличивает также ее скорость и повышает эффектив­ ность взрыва наряду с уменьшением количества образующихся ядовитых газов в продуктах взрыва.

§ 42. Работа взрыва

Работа взрыва в принципе не отличается от работы, производи­ мой каким-либо тепловым двигателем, так как и в том и в дру­

гом случае энергия выделяется в виде теплоты, которая переходит в механическую работу.

Процесс взрыва не может рассматриваться как изотермический,

потому что температурный режим этого процесса значительно и резко изменяется. Нельзя расценивать его и как протекающий

171

при постоянном давлении, так как последнее в момент детонации скачкообразно возрастает, а затем непрерывно падает.

Проф. А. Ф. Беляев предлагает при рассмотрении вопроса о ра­

без теплообмена с окружающей средой.

Если принять, что температура взрыва в начале процесса рас­ ширения газов (в момент детонации) равна а в конце расшире­ ния (после совершения работы) Т2, то работа А адиабатического расширения выразится формулой

где п— число грамм-молекул газа.

Так как расчет конечной температуры Т2 затруднителен, то ее удобнее рассматривать с учетом отношения начального объема газов 01 к конечному v2, с поправкой на отношение теплоемкости при постоянном давлении и при постоянном объеме k:

1

(50)

На основании этого можно построить формулу (51), в которой

выделении максимально возможной теплоты взрыва А = 0..

Практически из этой величины следует исключить некоторую величину q, отображающую остаДочную химическую энергию про­ дуктов взрыва, которая не переходит в теплоту, а остается в по­ тенциальном состоянии, т. е. А —О.—q.

В этом случае получим фактическую теплоту взрыва, которая также не может полностью перейти в работу, потому что часть тепла задержится в виде остаточной теплоты продуктов взрыва.

Величина остаточной теплоты может колебаться в очень больших пределах: при взрыве открытого заряда газы, имеющие высокую

температуру, выбрасываются в воздух, задерживая в себе большое количество теплоты, не перешедшей в механическую работу. При взрыве заряда ВВ в прочной среде остаточная теплота газовых продуктов будет значительно меньшей, так как большая часть теплоты будет затрачена на работу разрушения.

Некоторая, довольно значительная доля тепла затрачивается непроизводительно на нагревание окружающей среды в процессе ее разрушения. Эти потери будут особенно велики при взрыве дробя­ щих ВВ, действие которых выражается в сильном дроблении гор-

172

ной породы, особенно в местах контакта ее с зарядом, с образова­ нием большого количества пыли, активно поглощающей теплоту,

выделяющуюся при взрыве. Вмешательство этого фактора может

рушения. Некоторые, довольно приближенные расчеты производ­

ственных взрывов на выброс показывают, что примерно только от 3 до 7% полной работы взрыва затрачиваются на фактическую работу разрушения и выброса, а остальная подавляющая часть энергии идет на непроизводительные потери. При этом можно уста­

новить общее правило, что при прочих равных условиях потери будут тем меньше, чем больше расширятся газы взрыва до момен­ та выброса их в окружающую среду. На этой особенности основа­

на интересная работа Н. В. Мельникова и Л. Н. Марченко по ис­

кусственной задержке выброса газов взрыва в воздух и обеспече­ нию возможности более полного использования энергии взрыва

для выполнения полезной работы. Задержка выброса газов при этом осуществляется путем образования полой камеры вокруг за­

ряда, благодаря чему устраняется затрата энергии на переизмельчение среды, находящейся на контакте с зарядом.

При взрывах на рыхление, т. е. при основном виде взрывных

работ, проводимых в горной промышленности СССР, использова­ ние энергии взрыва на полезную работу может достигать 20— 25%.'Но и в этом случае оно также очень мало.

173

Свойства ВВ, определяющие работу взрыва, принята устанав­ ливать испытаниями на работоспособность и бризантность.

Испытание на работоспособность, называющееся также пробой Трауцля, заключается в том, что небольшой заряд ВВ взрывают внутри свинцовой бомбы и по величине образовав­ шегося при взрыве расширения канала бомбы судят о работоспо­ собности ВВ.

Свинцовая бомба (рис. 74, а) представляет собой цилиндр диаметром 200 мм и высотой 200 мм., отлитый из рафинированного свинца. По оси бомбы делается канал глубиной 125 мм и диамет­ ром 25 мм. Все бомбы, предназначенные для испытания одной пар­ тии ВВ, должны быть отлиты из одной партии свинца одновремен­ но и однообразно, причем отлитые бомбы могут быть использова­

ны для испытаний не ранее чем через 48 час. после отливки. Ис­ пытание проводится в следующем порядке.

- 20см

Рис. 74. Бомба Трауцля для определения работо­ способности взрывчатого вещества

а — до взрыва; I — бомба; 2 — заряд; б — после взрыва

Навеску ВВ весом 10 г помещают в специальную гильзу из оловянной фольги или из подпергаментной бумаги, изготовленную на деревянном цилиндрическом шаблоне диаметром 24 мм. Плот­ ность ВВ в навеске должна соответствовать стандартной плотности данного ВВ. В навеску вводят капсюль-детонатор или электроде­

тонатор с таким расчетом, чтобы его дно находилось от дна патро­ на на ’/«з высоты заряда. Подготовленный заряд осторожно вводят в канал бомбы и засыпают до устья сухим песком, предварительно просеянным через сито с 12 отверстиями на линейный сантиметр.

Песок насыпают свободно,, без всякого уплотнения. Досылку за­ ряда до дна канала производят при помощи деревянной палочки.

После взрыва канал бомбы принимает грушевидную форму (рис. 74,6); его очищают от песка и объем замеряют при помо­ щи воды, наливаемой из мерного сосуда. Из полученной величины расширения (в с.я3) вычитают объем канала до взрыва (нормаль­ ный объем равен 61 см3). Полученную разность принято считать характеристикой работоспособности испытуемого ВВ, выраженной в см3.

174

Испытание на работоспособность ведут при температуре 15°. Если испытание производилось при другой температуре, то в полу­ ченный результат вносят следующую поправку:

проба Гесса, основано на обжатии свинцового цилиндрика взры­ вом стандартного заряда испытуемого ВВ. Методика испытания такова. Цилиндрик из рафинированного свинца (рис. 75) диа­ метром 40 мм и высотой 60 мм устанавливают на металлическую плиту толщиной не менее 20 мм. На цилиндрик помещают круг­ лую стальную пластинку диаметром 41 мм и высотой 10 мм, на которую ставят патрон с испытуемым ВВ. Гильза патрона сдела­

на из бумаги толщиной 0,2 мм с внутренним диаметром 40 мм.

В гильзу помещают 50 г ВВ при той плотности, которую оно имеет

встандартных патронах; если испытывается рассыпное ВВ, то в гильзе создается насыпная плотность с легкой подпрессовкой; эту

плотность фиксируют в акте ис­ пытаний. В центре заряда делают

тем же сторонам. Разница в вы­ соте цилиндрика характеризует бризантность испытуемого ВВ, вы­ раженную в миллиметрах обжатия.

Такое испытание не может характеризовать степень возмож­ ного дробления горных пород и отражает лишь условно относи­ тельное дробящее действие ВВ.

Из приведенного описания обоих методов испытания видно, что при пробе на бризантность заряд помещают снаружи твердой сре­

ды и он соприкасается с ней только одной своей стороной. На

основании этого можно сказать, что испытание на бризантность отображает начальную фазу действия взрыва.

При пробе на работоспособность заряд ВВ помещают внутри твердой среды, которая окружает его со всех сторон, и давление

175

газов взрыва нарастает до того момента, когда оно становится до­

статочным для преодоления сопротивления среды, в данном слу­

чае забойки. Следовательно, эту пробу можно рассматривать как

характеристику работы взрыва на средних ступенях расширения

газов. Обе пробы характеризуют данное ВВ с различной точки

зрения: проба на работоспособность определяет способность ВВ

отделять от массива определенный объем горной породы, а проба на бризантность показывает условно относительную степень дроб­ ления этого объема. Вместе с тем, внутри себя каждая из этих проб может давать относительное представление о бризантности или работоспособности того или другого ВВ. Эта относительность

особенно проявляется в пробе на работоспособность и позволяет

считать, что при замене одного ВВ другим нужно взять его на столько-то больше или меньше (относительный переводный коэф­

фициент) .

Помимо распространения детонации по сплошному заряду, су­ ществует понятие о передаче детонации на расстояние. При дето­ нации заряда по массе ВВ распространяется ударная волна, под­ пираемая газовыми продуктами взрыва. При этом различают до­

полнительно зону сжатия и прилегающую к ней зону реакции. Обе зоны часто называют волной детонации. Проходящая по заряду ударная волна после возбуждения детонации по всему за­ ряду вырывается в атмосферу с сохранением значительной ско­ рости. Характеристика параметров детонации для некоторых ВВ

Встречая на своем пути расположенный на некотором расстоянии заряд, в нем она также сжимает последовательно слои ВВ, тем самым вызывая в них реакцию. Способность возбуждения детона­

ности разработана методика испытания на передачу детонации от патрона к патрону, определяющая качество ВВ. Эта методика яв-

176

ляется официальной при приемке партий ВВ как на заводах, так и на местах производства взрывных работ (см. §• 46).

Способность передачи взрыва на расстояние учитывается также при постройке складов ВВ, здания которых располагаются друг от друга на таких расстояниях, которые обеспечивали бы невозмож­

ность взрыва запасов ВВ в соседнем хранилище от воздействия

ударной волны.

Возможность передачи взрыва на расстояние, или, вернее, ве­ личина расстояния, на которое может быть передан взрыв, зависит

При удлиненной форме активного заряда играют роль место при­ ложения начального импульса и направление развития волны детонации. При детонировании заряда с торцовой части распро­

странение детонации идет по образующей и в этом же направле­

нии детонация передается пассивному заряду на большее рас­ стояние. В направлении же. перпендикулярном оси заряда, дето­ нация пассивному заряду будет передаваться на значительно

меньшее расстояние.

Не менее важным фактором является мощность ВВ активного заряда: чем больше мощность, тем больше расстояние передачи.

Затем идет чувствительность, к восприятию детонации ВВ пассив­ ного заряда: чем выше чувствительность, тем больше расстояние, на которое передается детонация. При взрывах активных зарядов, величина которых выражается килограммами, значительную роль играют оболочка активного заряда и плотность ВВ: чем прочнее оболочка и чем больше плотность активного заряда, тем больше расстояние передачи; чем больше плотность ВВ пассивного заря­

да, тем меньше расстояние передачи. Наконец, большое влияние оказывает среда, через которую происходит передача детонации: наилучшей передающей детонацию средой служит воздух, затем вода, дерево, глина, песок, измельченная порода. Последняя яв­ ляется самым плохим передатчиком, чем и объясняются случаю­ щиеся иногда отказы в передаче детонации от патрона к патрону в шпуре, если между патронами образуется прослойка из буровой муки или частиц породы.

§ 43. Плотность взрывчатых веществ и плотность заряжания

Плотностью ВВ называется отношение веса вещества к занимаемому им объему. В физике понятие о плотности рассматри­

вается как отношение массы вещества к его объему. В нашем случае эти величины совпадают по своим числовым значениям, по­ этому определение понятия плотности дается применительно к

практике взрывного дела.

ВВ редко представляют собой монолитные тела и чаще являют­ ся сыпучей массой. Поэтому различают два состояния плотности:

действительную и насыпную (гравиметрическую).

Под действительной плотностью ВВ нужно пони­ мать плотность кристалла или отдельной частицы вещества, а также плотность жидкости (нитроглицерин) или плотность застыв­ шего вещества, налитого в какой-либо сосуд при условии заполне­ ния всего объема.

Под насыпной (гравиметрической) плотностью понимают плотность всей массы ВВ, включая воздух, находящийся между кристаллами. Плотность ВВ устанавливают путем взвеши­ вания определенного объема вещества, находящегося в каком-либо мерном сосуде, и затем вес делят на объем.

Гравиметрическую плотность ВВ в патронах практически мож­ но определить с достаточной точностью путем взвешивания одного или нескольких патронов, расчета объема каждого патрона и деле­ ния веса на объем.

Плотность ВВ имеет большое значение с различных точек зре­ ния. С учетом плотности ВВ рассчитывается необходимый объем шпура, скважины или другой зарядной камеры. Чем больше

плотность ВВ (при прочих равных условиях), тем меньший объем зарядной камеры нужно подготовить для заряжания. При методе

шпуровых зарядов в забое нужно бурить меньшее количество шпу­

ров для ВВ, имеющего большую плотность; наоборот, чем меньше плотность ВВ, тем больше шпуров потребуется для размещения одного и того же количества ВВ в забое и тем больше времени не­ обходимо затратить на бурение. Поэтому при равной работоспо­ собности выгоднее применять то ВВ, которое имеет бдльшую плот­ ность, исключая случаи, когда необходимо ослабить действие взры­ ва в мягких породах или распространить его на бдльшую (по дли­

не шпура) часть породы.

Плотностью заряжания называется отношение веса ВВ

к объему зарядной камеры; при этом за объем камеры принимает­ ся весь объем шпура, скважины и пр., не занятый забойкой.

Плотность заряжания выражается в тех же размерностях, что и плотность ВВ. Понятие о плотности заряжания дает возможность получить представление о том, какое количество ВВ приходится на

единицу объема зарядной камеры, что необходимо знать при

производстве взрывных работ.

Особенно важное значение имеет коэффициент заряжа­ ния, представляющий собой безразмерную величину, характери­ зующую степень заполнения шпура, скважины и камеры взрывча­ тым веществом. Под коэффициентом заряжания понимается отно­ шение объема ВВ заряда в том виде, в каком оно помещено в зарядную камеру (в патронах, пакетах), к объему зарядной каме­ ры, не занятому забойкой. Практически эта величина дает возмож­

ность получить представление о том, насколько рационально ис­

пользован объем зарядной камеры. Так, например, если величина

коэффициента заряжания равна 0,5, то зарядная камера использо­ вана только на 50% своей вместимости, что явно нерационально. Идеальным случаем является коэффициент заряжания, равный

единице, но он неизбежно снижается за счет различных пустот, об-

178

разурщихся в зарядной камере в процессе заряжания, как, напри­ мер, за счет зазора между стенкой шпура и патроном. Во всех слу­ чаях взрывания в крепких породах следует стремиться к получе­

нию максимального значения этого коэффициента, полностью за­ полняя ВВ зарядные камеры, в том числе и шпуры. При этом усло­ вии взрыв происходит в объеме заряда и начальное давление газов взрыва достигает максимума. Чем меньше величина коэффициента заряжания, тем в большем объеме происходит образование газов при взрыве заряда одной и той же величины, тем меньше началь­ ное давление газов взрыва и дробящее действие ВВ.

Следует уделить внимание наблюдающейся в практике недо­

оценке отрицательного значения большой разницы между диамет­ рами шпура и патрона. Промышленные ВВ выпускаются преиму­ щественно в патронах диаметром 30—31 мм. Неоднократно

проведенные наблюдения за фактическим диаметром шпуров при употреблении патронов указанного диаметра показали, что. диаметр шпуров колеблется в пределах от 38 до 54 мм и в боль­ шинстве случаев равен 42—48 мм. Следовательно, фактический: коэффициент заряжания находится в пределах 0,32—0,67 и в боль­ шинстве случаев составляет 0,42—0,54.

Подобное положение явно нецелесообразно, так как оно приво­ дит к значительному перерасходу времени на бурение по крепким породам и к совершенно нерациональному использованию шпуров.. В табл. 30 для примера приведен подсчет начального давления газов взрыва аммонита №7 в патронах диаметром 30 мм в шпурах разного диаметра.

Анализируя данные таблицы, можно утверждать, что в ряде

случаев, отрицательно оценивая мощность современных ВВ, про­ изводственники делают ошибку, приписывая слабое действие взрыва недоброкачественности ВВ. Следует иметь в виду, что при

дроблении крепкцх пород следует стремиться к максимальному за­ полнению зарядной камеры ВВ. При шпуровых работах патронами