Определение характеристик процессов взрыва с решениями. Сборник задач

№ 4202 М И Н И С Т Е РС Т В О Н АУ К И И В ЫС Ш Е ГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра физических процессов горного производства и геоконтроля

Б.В. Эквист

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССОВ ВЗРЫВА С РЕШЕНИЯМИ

Сборник задач

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

Москва 2020

УДК 622.81 Э35

Рецензент д-р техн. наук, проф. К.С. Коликов

Эквист Б.В.

Э35 Определение характеристик процессов взрыва с решениями: сборник задач / Б.В. Эквист. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2020. – 31 с.

ISBN 978-5-907226-75-3

Приведены описания задач с решениями по определению мощности и энергии взрыва, кислородного баланса взрывчатых веществ, детонационных характеристик процессов взрыва, тротилового эквивалента взрывчатых веществ, уравнения подобия и др.

Для студентов вузов, изучающих дисциплину «Технология и безопасность взрывных работ», для студентов направлений подготовки 21.05.04 «Горное дело» и 21.05.05 «Физические процессы горного или нефтегазового производства» всех форм обучения, а также для специалистов взрывного дела и для самостоятельной работы студентов.

УДК 622.81

3

Введение

Приведены описания задач с решениями по определению мощности и энергии взрыва, кислородного баланса взрывчатых веществ, детонационных характеристик процессов взрыва, тротилового эквивалента взрывчатых веществ, уравнения подобия и др.

Решения задач представлены для различных взрывчатых веществ и горючих составов. Постановка примеров базируется на наиболее часто встречающихся процессах взрывных работ, происходящих при промышленном использовании энергии взрыва.

Для студентов вузов, изучающих дисциплину «Технология и безопасность взрывных работ», для студентов направления подготовки 21.05.04 «Горное дело» и 21.05.05 «Физические процессы горного или нефтегазового производства» всех форм обучения, а также для специалистов взрывного дела и для самостоятельной работы студентов.

4

1 Физический взрыв за счет кинетической энергии

При ударе движущегося с большой скоростью тела о прочную преграду его кинетическая энергия переходит в тепло, количество которого достаточно для превращения части вещества в нагретый сжатый газ, расширяющийся затем со взрывным эффектом. Взрывы такой природы имеют место при падении крупных метеоритов.

Так, кинетическая энергия тела массой m = 1 кг, движущегося со скоростью v = 4 км/с, составляет

E = m2v2 =1 40002 2 =8 000 000 Дж =8000кДж.

Если вся эта энергия превратится в тепловую, то выделится тепла больше, чем при взрыве 1 кг тротила (1000 ккал/кг = 4187 кДж/кг).

Задача 1.1 Определить энергию при падении метеорита массой m = 1 т со скоростью v = 50 км/с.

Решение:

или в тротиловом эквиваленте

1 250 000 000 = 298 543кг ≈300 т. 4187

5

2 Кислородный баланс взрывчатых веществ

Кислородный баланс взрывчатых веществ (ВВ) характеризуют выраженным в процентах отношением избытка или недостатка кислорода в составе ВВ по сравнению с количеством, необходимым для полного окисления всех горючих элементов этого ВВ, к массе ВВ.

Кислородный баланс наиболее просто определяется выраженным в процентах отношением атомных единиц массы избытка или недостатка кислорода к молекулярной массе ВВ:

КБ = m −Mrmтр 100%,

где m – имеющееся количество кислорода в составе ВВ, а.е.м; mтр – требуемое количество кислорода, а.е.м;

Mr – молекулярная масса ВВ, а.е.м.

Задача 2.1Определить кислородный баланс тротила С7Н5(NO2)3.

Решение.

1 Имеющееся количество кислорода

m = 6 16 = 96 а.е.м.

2 Требуемое количество кислорода:

--для полного окисления углерода до CO2 (на один атом углерода требуется два атома кислорода)

mтрC = (7 2) 16 = 224 а.е.м.

--для полного окисления водорода до H2O (на один атом водорода требуется 0,5 атома кислорода)

mтрН = (5 0,5) 16 = 40 а.е.м.

Азот в горении участия не принимает, так как при полном окислении должен выделяться в чистом виде N2.

Итого: mтр = mтрC + mтрН = 224+ 40 = 264 а.е.м. 3 Молекулярная масса тротила

Mr = 7 12+5 1+3 14+6 16 = 227 а.е.м.

6

4 Кислородный баланс

KБ = m −Mrmтр 100 = 96227−264 100 = −74,0%.

Задача 2.2 Определить кислородный баланс аммиачной сели-

тры NH4NO3.

Решение.

1 Имеющееся количество кислорода m = 3 16 = 48 а.е.м.

2 Требуемое количество кислорода:

--для полного окисления водорода до H2O (на один атом водорода требуется 0,5 атома кислорода)

mтрН = (4 0,5) 16 =32 а.е.м.

--азот в горении участия не принимает, так как при полном окислении должен выделяться в чистом виде N2.

Итого: mтр = mтрН =32 а.е.м.

3 Молекулярная масса аммиачной селитры

Mr = 2 14+ 4 1+3 16 =80 а.е.м. 4 Кислородный баланс

KБ = m −Mrmтр 100 = 4880−32 100 = +20,0%.

Расчет кислородного баланса смесевого ВВ производится суммированием произведений доли каждого компонента на его кислородный баланс:

КБ = P1 (KБ1 )+ P2 (KБ2 ),

100

где P1 и P2 – содержание (доля) соответствующих компонентов в составе ВВ, %;

КБ1 и КБ2 – значение кислородного баланса соответствующего компонента, %.

Задача 2.3 Определить кислородный баланс граммонита 79/21 (79% аммиачной селитры; 21% тротила).

7

Решение:

KБ = P1 KБ1 + P2 KБ2 = 79 (+20)+ 21 (−74) = +0,26%. 100 100

Задача 2.4 Взрывчатое вещество игданит состоит из аммиачной селитры и солярового масла. Определить процентное соотношение компонентов, входящих в ВВ, чтобы иметь нулевой кислородный баланс. Кислородный баланс солярки: –316%.

Решение.

Составим систему уравнений:

Кислородный баланс аммиачной селитры KБ1 = +20% . Кислородный баланс солярки KБ2 = −316% .

Решив систему, получим P1 =94,05 %, P2 =5,95%.

8

3 Составление реакций взрывчатого превращения

Состав газообразных продуктов взрыва зависит не только от химическогосоставаВВи егокислородногобаланса,ноиотусловийвзрывания, влияющих на протекание вторичных химических реакций взрыва.

Влияние оболочки патронов ВВ. Бумажная парафиновая обо-

лочка патронов участвует в реакции взрыва, понижая кислородный баланс. Поэтому установлено, что масса бумажной оболочки должна быть не более 2 г, а парафина – не более 3 г на 100 г ВВ.

Влияние степени ограничения пространства, в котором расположен заряд. Плохая забойка зарядов, наличие воздушных промежутков между патронами увеличивают выделение ядовитых газов.

Влияние свойств взрываемых горных пород. При взрыва-

нии угля CO2 может переходить в CO, взрывы серосодержащих руд приводят к образованию сернистых газов и сероводородов.

Калийные руды (KCl, K2Ca2Mg(SO4)4.2H2O, KMg(SO4)Cl·3H2O и др.) и апатитонефелиновые (Ca5[PO4]3.(F, Cl, OH)2, KNa3[AlSiO4]4)

связывают окислы азота, молибденовые (MoS2) и медные (Cu5FeS4, CuFeS2 и др.) связывают окись углерода.

Чем выше коэффициент крепости взрываемых пород, тем больше образуется оксида углерода и меньше оксидов азота.

Истинные реакции взрывчатого превращения ВВ составить практически невозможно из-за многообразия факторов, влияющих на их протекание. Поэтому принят упрощенный прием составления реакций взрыва, согласно которому все ВВ делятся на три группы.

Первая группа. ВВ с количеством кислорода, достаточным (или избыточным) для полного окисления всех горючих элементов. В этом случае весь водород превращается в воду, углерод – в углекислый газ.

Задача 3.1 Составить реакцию взрыва нитрогликоля

C2H4(ONO2)2.

Решение.

Составляем упрощенный кислородный баланс ВВ:

Н → Н2О: 4 ∙ 0,5 = 2 (на 1 атом H требуется 0,5 атома O); С → СО2: 2 ∙ 2 = 4 (на 1 атом C требуется 2 атома O).

--------------------------

mтр = 6.

9

Имеющееся количество кислорода m = 6 равно требуемому количеству кислорода, следовательно, кислородный баланс нитрогликоля нулевой. Продуктами взрыва будут Н2О, СО2, N2.

Составляем реакцию взрывчатого превращения нитрогликоля:

С2H4 (ONO2 )2(ж) = 2H2O(г) + 2CO2(г) + N2(г).

Типовая задача 3.2 Составить реакцию взрыва нитроглицери-

на C3H5(ONO2)3.

Решение.

Составляем упрощенный кислородный баланс ВВ:

Н → Н2О: 5 ∙ 0,5 = 2,5 (на 1 атом H требуется 0,5 атома O); С → СО2: 3 ∙ 2 = 6 (на 1 атом C требуется 2 атома O).

--------------------------

mтр = 8,5.

Имеющееся количество кислорода m = 9. Следовательно, mтр < m , кислородный баланс положительный. Продуктами взрыва

будут Н2О, СО2, N2, О2.

Составляем реакцию взрывчатого превращения нитрогликоля:

С3H5(ONO2 )3(ж) = 2,5H2O(г) + 3CO2(г) + 1,5N2(г) + 0,25O2(г).

Вторая группа. ВВ с количеством кислорода, достаточным для полного газообразования. При этом принимается, что кислород сначала окисляет весь водород в воду, углерод в оксид углерода, а затем оставшийся кислород образует с частью оксида углерода углекислый газ.

Задача 3.3 Составить реакцию взрыва динитрогликоля

С2Н6(ОNO2)2.

Решение.

Составляем упрощенный кислородный баланс ВВ:

Н → Н2О: 6 ∙ 0,5 = 3 (на 1 атом H требуется 0,5 атома O); С → СО2: 2 ∙ 2 = 4 (на 1 атом C требуется 2 атома O).

--------------------------

mтр = 7.

Имеющееся количество кислорода m = 6. Следовательно, mтр > m , кислородный баланс отрицательный.

10