книги из ГПНТБ / Недин В.В. Буровзрывные работы учебное пособие для студентов горных вузов и факультетов

может произойти в замкнутом пространстве при отсутствии при­ тока воздуха.

Современные промышленные ВВ обычно представляют собой механическую смесь твердых ( в большинстве случаев — порош­ кообразных) веществ, или же твердых и жидких веществ. ВВ в виде газовой смеси не применяются ввиду малой концентрации энергии в единице их объема, неудобства и большой опасности в

обращении.

При изготовлении ВВ типа механических смесей большое зна­

чение имеет тщательность перемешивания составных частей и

тонкость помола твердых компонентов (негранулированный). Наряду с ВВ, имеющими в своем составе горючие компонен­

ты и кислород, существуют отдельные ВВ, которые этих компо­

нентов не содержат (например, азид свинца PbNe — соль азоти­ стоводородной кислоты).

Все ВВ представляют собой химически малоустойчивые си­

стемы, которые при соответствующем внешнем воздействии легко могут перейти в более устойчивые системы. При этом величина и

характер внешнего воздействия, необходимого для возбуждения взрыва разных ВВ, различна.

Основные отличия ВВ от других источников энергии сле­ дующие.

1. Большая концентрация энергии в единице объема. Так, на­ пример, 1 кг аммиачно-селитренного ВВ, занимающий объем око­ ло 1 л, выделяет при взрыве около 700 ккал тепла, а на 1 кг смеси углерода с кислородом, занимающий объем около 509 л, выделя­ ет при сгорании 2140 ккал. Энергия, приходящаяся на 1 л объема ВВ, составляет, таким образом, 700 : 1=700 ккал/л, а на 1 л сме­ си углерода с кислородом только 2140: 509 = 4,2 ккал/л.

2. Большая мощность, обусловленная весьма быстрым проте­ канием процесса взрыва. Так, например, мощность при взрыве 1 кг ВВ, происшедшем в течение 0,2 миллисекунд, приблизитель­

но составляет:

Следует, однако, отметить, что при взрыве полезно использу­ ется далеко не вся эта энергия ВВ. По подсчетам проф. Г. И. По­

кровского, при взрывании грунта на выброс коэффициент полез­

ного действия не превосходит 3—7%.

3. Наличие большого количества газов в продуктах взрывча­ того превращения. Чем больше объем этих газов по сравнению с объемом ВВ до взрыва, тем, как правило, сильнее ВВ. Образова­ ние газов является неотъемлемой характерной чертой взрыва ВВ.

Так, например, горение термита, протекающее весьма быстро с выделением значительного количества тепл.:, не носит характера

взрыва, так как при этой реакции нет выделения газообразных

продуктов.

Для современных ВВ объем газов в продуктах взрывчатого превращения находится в пределах 600—1000 л на 1 кг.

4. Выделение большого количества тепла, которое ведет к зна­ чительному повышению температуры — до 1500—4500°.

Внешнее воздействие, необходимое для возбуждения взрыва ВВ, называется начальным импульсом.

Начальный импульс выводит из состояния малоустойчивого

тельность к начальному импульсу: при большей прочности вну­ тримолекулярных связей необходима большая энергия для их ос­ лабления или разрыва.

Чувствительность ВВ, состоящих из одного химического сое­

теплота образования (эндотермический характер соединения), тем выше чувствительность ВВ.

Влияние факторов физического порядка. Чувствительность промышленных ВВ уменьшается с увеличением их плотности (за некоторыми исключениями) с ростом размеров частиц, с увели­ чением влажности (для некоторых сортов ВВ) и т. д.

В горном деле применяются в основном ВВ, имеющие относи­ тельно низкую чувствительность к огню и механическим воздей­ ствиям. Такие свойства ВВ необходимы для того, чтобы обраще­ ние с указанными веществами, их хранение, транспортировка и т. д. были бы достаточно безопасны. Поэтому для возбуждения взрыва промышленных ВВ необходимо сообщать им достаточно

сильный начальный импульс. Для получения такого импульса

используют взрыв небольшого заряда специального ВВ, которое

само легко может взрываться при воздействии на него пламени,

искры и др.

Процесс возбуждения взрыва в массе ВВ называется иници­ ированием, а ВВ, используемые для создания начального им­ пульса, инициирующими ВВ.

Процесс взрывчатого превращения у разных ВВ протекает с

различной скоростью. Различают два вида распространения

взрыва:

1) взрывное горение — распространение взрыва без прохождения ударной волны, со скоростью порядка сотен метров

всекунду *;

2)детонацию — распространение взрыва, обусловленное

прохождением ударной волны по ВВ и протекающее для данного ВВ, при данном его состоянии и при данных условиях с постоян­ ной сверхзвуковой скоростью (порядка нескольких тысяч метров в секунду).

Ударной волной называется скачкообразное изменение давления, распространяющееся в среде со сверхзвуковой скоро­ стью.

Существует несколько теорий процесса детонации. Наиболее распространенной в настоящее время является гидродинамичес­ кая теория. Согласно гидродинамической теории, распростране­ ние детонации определяется прохождением по ВВ ударной вол­ ны, мощность которой достаточна для возбуждения взрывчатого превращения последовательных слоев ВВ при сжатии вещества в волне. Причины возникновения таких ударных волн могут быть различны, в частности, причиной может быть мгновенная хими­ ческая реакция. Характерной особенностью ударной волны по сравнению со звуковой является, кроме высокой ее скорости, движение за ней в том же направлении потока газов (продуктов взрывчатого превращения ВВ).

В зависимости от внешних факторов детонация может быть устойчивой (т. е. развиваться с максимальной и постоянной ско­

ростью) или же ослабнуть, перейти в выгорание и даже затух­

нуть.

На устойчивость детонации ВВ определенного состава влияет много факторов; основные из них следующие:

1. Плотность ВВ. С увеличением плотности ВВ до определен­ ного предела скорость детонации увеличивается, но дальнейший

рост плотности выше этого предела ведет к затуханию детона­ ции.

1 Горение ВВ при повышенном давлении, без производства механической работы, со скоростью несколько десятков метров в секунду называется выго­ ранием.

2.Мощность начального импульса. Слабый начальный им­ пульс не обеспечивает нормальной детонации ВВ.

3.Диаметр патрона ВВ. С увеличением диаметра патрона (до

определенного предела) скорость детонации увеличивается. При

очень малом диаметре ВВ вообще не детонирует. Для большин­ ства промышленных ВВ минимальный диаметр, обеспечивающий устойчивую детонацию (он называется критическим диаметром),

составляет около 20—25 мм. Для высокочувствительных и мощ­ ных ВВ влияние диаметра менее значительно.

4.Тонкость измельчения и тщательность смешения реагирую­

щих компонентов взрывчатой смеси. Чем тоньше измельчение и тщательнее смешение, тем выше скорость детонации ВВ,

имеющих в своем составе твердые (негранулированные) ком­ поненты.

5. Состояние ВВ (повышенная влажность, слежалость и

пр.).

Разность между количеством кислорода, фактически находя­

щимся в составе данного ВВ, и тем его количеством, которое не­ обходимо для полного окисления всех горючих компонентов ВВ

(углерода — в углекислый газ, водорода — в воду), называется

кислородным балансом. Эту разность принято выражать в процентах. Она может иметь положительное, нулевое и отри­ цательное значение.

ВВ, содержащие ровно столько кислорода, сколько необходи­ мо для окисления углерода в углекислый газ и водорода в воду,

называются ВВ с нулевым кислородным балансом.

В В, содержащие кислород в количествах, недостаточных для полного окисления горючих элементов, называются ВВ с отри­ цательным кислородным балансом.

ВВ с избыточным количеством кислорода называются ВВ с

положительным кислородным балансом.

Величина отрицательного или положительного кислородного баланса определяется как соотношение между весом избытка или недостатка кислорода и общим весом вещества.

Для взрывных работ в горной промышленности наиболее благоприятны ВВ с нулевым кислородным балансом, так как

при этом обеспечивается наибольшее выделение энергии при наи­ меньшем образовании ядовитых газов.

Если В В представляет собой механическую смесь двух ве­ ществ, из которых первое богато углеродом и водородом, а вто­ рое— кислородом, то для получения нулевого кислородного ба­ ланса, очевидно, необходимо условие:

При 'изготовлении большинства современных промышленных ВВ в качестве вещества, богатого кислородом, применяется ам­

Реакция взрывчатого превращения ВВ может быть составле­ на на основе теоретических соображений или на основе анализа продуктов взрыва.

Теоретический метод основан на предположении, что взрыв происходит при постоянном объеме и процесс протекает адиаба­ тически.

Как видно из уравнения (44), в продуктах разложения имеют­ ся углекислый газ, пары воды, свободный азот и свободный кисло­ род. Отсутствие окиси углерода (СО) и окислов азота (NO2, NO) в продуктах взрыва вытекает из принципа наибольшего выделе­ ния тепла, так как при образовании окиси углерода выделяется вбего лишь 26 ккал/моль, что значительно меньше теплоты обра­ зования СО2 (94 ккал/моль), а образование окислов азота вооб­

ще происходит с поглощением тепла (—22 ккал/моль).

Для ВВ типа механических смесей при небольшом положи­

тельном кислородном балансе реакция выразится уравнением.

-f- тСв1 Н41 Nc, — пхСО2 -|- n2 Н2О -|- п$ N2 4- /24О2) (45)

где Л1, п2, пз, П4 — коэффициенты, имеющие следующие значения:

реакции, протекающие при диссоциации или взаимодействии уже образовавшихся газовых продуктов взрыва. Основные из этих вторичных реакций следующие

ядовитых газов (СО и NO) даже при применении ВВ с нулевым кислородным балансом. Однако количество этих газов при нуле­ вом кислородном балансе образуется минимальное. При отрица­ тельном кислородном балансе образуется большое количество окиси углерода, а при положительном балансе — много ядови­ той окиси азота.

Следует также помнить, что при нулевом кислородном балан­ се обеспечивается (при прочих равных условиях) также наиболь­

ший эффект взрыва, так как в этом случае выделяется наиболь­ шее количество тепла.

Из всего изложенного ясно, что при взрывных работах необ­ ходимо применять ВВ с нулевым или небольшим положитель­ ным кислородным балансом (некоторый избыток кислорода предназначается для уравновешивания баланса в случае всту­ пления в реакцию бумажной оболочки и влагоизолирующего по­ крытия патронов ВВ).

§ 2. Расчет основных параметров взрыва

Газообразные продукты взрыва при их расширении произво­ дят механическую работу. Величина ее зависит от'параметров начального состояния газов, вследствие чего определение этих параметров имеет теоретическое и практическое значение. К ос­ новным параметрам относятся: 1) объем газообразных продуктов взрыва; 2) количество тепла, выделяемое при взрыве; 3) темпе­

ратура взрыва; 4) давление газов. Значения основных параметров могут быть определены опытным путем или расчетом, дающими приблизительно одинаковые результаты.

Ниже дается расчет этих величин, а также скорости детонации в сокра­ щенном виде (детальное изложение см. в работе проф. О. Е. Власова «Ос­ новы динамики взрыва» [13]).

1. Объем газообразных продуктов взрыва рассчитывают, исходя из за­ кона Авогадро, согласно которому одна граммолекула всех газов при нор­ мальных условиях (при 0° и давлении 760 мм рт. ст.) занимает объем, рав­ ный 22,4 л.

Объем V газообразных продуктов взрыва для одной граммолекулы ВВ,

mi

где mi — число взятых граммолекул ВВ;

«I, «2, «з — числа граммолекул газообразных продуктов взрыва.

где Щ], т2 — числа граммолекул компонентов ВВ; Ali, М2— молекулярные веса этих компонентов.

Необходимо иметь ввиду, что формулы (53) и (54) дают значения объе­ мов газов после полного их расширения и охлаждения. В процессе же дето­ нации газообразные продукты находятся в сильно сжатом состоянии и имеют очень незначительный объем.

2. Количество тепла, выделяемое при взрыве, рассчитывается на осно­ вании первого начала термодинамики, которое для частного случая химиче­ ских реакций было высказано Гессом. Закон Гесса гласит, что если система переходит из одного состояния в доугое через ряд промежуточных ступеней, то сумма тепловых эффектов, наблюдаемых при отдельных промежуточных реакциях, равна тепловому эффекту при непосредственном переходе системы

пСобщ Ю00 (\nQкон — 2mQrta4)1000