Теория горения и взрыва поражающие факторы действия взрыва. Лабораторный практикум

№ 3364 МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра физических процессов горного производства и геоконтроля

ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА

ПОРАЖАЮЩИЕ ФАКТОРЫ ДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВА

Лабораторный практикум

Утверждено Методическим советом НИТУ МИСиС

Москва 2018

УДК 622.233:622.235 Т33

Рецензент канд. техн. наук, доцент Б.Ф. Коньшин

Авторы:

В.А. Белин, М.Г. Горбонос, Р.Л. Коротков, Б.В. Эквист

Теория горения и взрыва : поражающие факторы действия Т33 взрыва : лабор. практикум / В.А. Белин [и др.]. – М. : Изд.

Дом НИТУ «МИСиС», 2018. – 24 с.

Предназначен для изучения влияния энергии взрыва, расстояния до него, наличия забойки на уровень ударной воздушной волны (УВВ) и сейсмических колебаний окружающей среды. Поражающие факторы взрыва измеряют с помощью прибора для регистрации сейсмических колебаний и давления ударной воздушной волны. Эффект взрыва имитируется разрядом конденсаторов через медную проволочку. По результатам измерений строят графические зависимости, проводят анализ и делают выводы.

Для студентов, изучающих дисциплину «Технология и безопасность взрывных работ» по специализации 21.05.04 «Горное дело», 21.05.05 «Физические процессы горного производства», а также для специалистов взрывного дела и самостоятельной работы студентов.

УДК 622.233:622.235

Коллектив авторов, 2018

НИТУ «МИСиС», 2018

3

Лабораторная работа 1

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭНЕРГИИ ВЗРЫВА И РАССТОЯНИЯ ДО НЕГО, НАЛИЧИЕ ЗАБОЙКИ НА УРОВЕНЬ УДАРНОЙ ВОЗДУШНОЙ ВОЛНЫ

1.1. Цель работы

Установление закономерностей изменения давления ударной воздушной волны ∆P (УВВ) в зависимости от энергии взрыва, расстояния и наличия забойки.

1.2. Теоретические основы

Взрыв заряда сопровождается выделением большого количества энергии, что приводит к повышению температуры и давления продуктов взрыва. В результате ударного сжатия воздуха, прилегающего к заряду, возникают УВВ, скорость которых в начальный момент равна скорости перемещения продуктов детонации и приблизительно на расстоянии 8…15 радиусов заряда происходит ее отрыв от перемещения продуктов детонации. При удалении ударной волны интенсивность ее падает и в конечном счете она переходит в звуковую волну. Форма ударной волны характеризуется фазой сжатия на фронте и фазой разряжения в конце импульса.

Эффективным средством снижения интенсивности ударной воздушной волны при взрывах скважинных и наружных зарядов является забойка, ограничение одновременно взрываемого наружного заряда и засыпка его рыхлой породой в соответствии с Едиными правилами безопасности.

Применение укрытий ограничивает разлет осколков породы, а также снижает интенсивность ударных волн. На застекление возможна установка экранирующих щитов, а также укрепление рам и установка экранирующих преград из мешков или ящиков с песком.

Возможным средством увеличения мощности взрыва является короткозамедленное взрывание.

На основании экспериментов определено соотношение ∆P3/∆P0 для наружных зарядов массой 3,5 кг, где ∆P3 и ∆P0 – давление на фронте ударных воздушных волн при взрыве соответственно с забой-

4

кой и без неё. Если обозначить hзаб – высота засыпки заряда; h0 – высота заряда, то можно записать

Значения Kз в зависимости от отношения hзаб / h0:

Из экспериментов следует, что при высоте забойки, равной высоте заряда, интенсивность волны снижается на 30 %, что соответствует коэффициенту K3= 0,7. При использовании такой забойки возможно уменьшение радиуса опасной зоны в 1,2 раза или увеличение суммарного заряда в 2 раза. Для снижения радиуса опасной зоны в 1,5 раза необходимо обеспечить превышение высоты забойки над высотой заряда в 2 раза. При этом массу заряда можно увеличить в 3 раза при равном воздействии УВВ.

Для скважинных зарядов глубиной 5 м и диаметром 100…120 мм с практической точки зрения для снижения давления УВВ достаточно использовать забойку 1…1,2 м, а забойку свыше 2 м применять нецелесообразно.

Согласно Единым правилам безопасности при взрывных работах безопасное расстояние по действию УВВ поверхностного заряда рассчитывается по формулам:

–для зарядов больше 10 000 кг Rв = Kз 3Q ;

–для зарядов меньше 10 000 кг Rв = kв 3Q ,

где Rв – безопасное расстояние, м; Q – масса заряда взрывчатого вещества, кг; Kв и kв – коэффициенты, зависящие от условий расположения заряда, а также от степени допускаемых повреждений.

Наиболее слабым местом в конструкции сооружений следует считать остекление, на которое воздействует УВВ.

Характер воздействия ударной воздушной волны на остекление определяется соотношением времени фазы сжатия и периода собственных колебаний стекла.

Как правило, взрывные работы должны обеспечивать полную безопасность, не допуская даже нарушений остекления. Такие повреж-

5

дения вызываются слабыми УВВ с избыточным давлением на фронте до 2000 Па. На практике волны с такой интенсивностью реализуются на больших расстояниях от места взрыва и распространяются со скоростью звука.

Согласно наиболее распространенным представлениям, стекла разрушаются при достижении критической величины давления на фронте. По М.А. Садовскому эта величина составляет 5·103 Па, по другим данным 10…3,5·103 Па. Если учесть, что для обеспечения безопасности с учетом разброса данных, расчетное критическое давление должно быть в 3–5 раза меньше нормативного, то практический интерес могут представить ударные воздушные волны с давлением на фронте, начиная с 50 Па.

При этом следует иметь в виду, что на слабые волны накладываются различные воздушные волны (отраженные, рефрагированные, ветер и т.д.).

Характер распространения УВВ определяется скоростью и направлением ветра, температурой, плотностью, давлением и влажностью воздуха, наличием преграды и т.д.

Температурные изменения в атмосфере схематически можно разделить на два случая. В первом случае температура понижается с увеличением высоты, это в свою очередь приводит к уменьшению скорости звука по высоте. Этот случай изменения температуры является нормальным и наиболее благоприятным при проведении взрывов, так как распространение происходит вверх и волна не преломляется к земле и не отражается от нее.

Во втором случае (аномальном) температура воздуха повышается с высотой (температурная инверсия), это имеет место при раннем восходе солнца и на территории России чаще всего встречается в Сибири. При этом происходит отклонение УВВ обратно к земле и возможно фокусирование взрывных волн с увеличением избыточного давления в определенных местах.

Увеличения скорости ветра с высотой также может привести к наклону УВВ к поверхности земли.

При взрывах на склонах гор и сопок происходит отражение УВВ от наклонной поверхности и увеличение избыточного давления в направлении противоположном преградам (склонам гор, экранирующим постройкам и т.д.).

Наихудшим временем года по разрушениям от действия УВВ является зима.

6

На больших расстояниях длительность импульса сжатия соизмерима с периодом собственных колебаний конструкций. Поэтому на больших расстояниях этот параметр для них играет существенную роль. При малых расстояниях и зарядах продолжительность фазы сжатия УВВ становится существенно меньше периода собственных колебаний сооружений и сравнима с периодом колебаний стекла, а поэтому критерием опасности является­ импульс давления, определяемый площадью, ограниченный кривой давления в функции времени.

Спектр УВВ достаточно широк – от долей Гц до нескольких кГц. Из работ М.А. Садовского следует, что импульсное воздействие

возмущающей силы применяется при

τ ≤ 0,25 Т0,

где τ – время приложения силы; Т0 – период собственных колебаний конструкции, статическое воздействие силы принимается при

τ ≥ 10Т0.

Рассмотрим воздействие на застекление толщиной 2 мм УВВ. В первом случае размеры стекла следующие: ширина 0,25 м, длина 1,41 м, период собственных колебаний Т0 = 0,015 с.

Импульсное воздействие происходит при длительности импульса

Во втором случае размеры застекления следующие: ширина 0,76 м длина 1,41 м период собственных колебаний Т0 = 1,28 с.

Импульсное воздействие происходит при длительности импульса

τим ≤ 0,32 с и частоте Fим ≥ 3,7 Гц.

Статистическое воздействие происходит при длительности импульса τст ≥ 12,8 с и частоте Fст ≤ 0,08 Гц.

Можно сделать вывод, что импульс УВВ оказывает как динамическое, так и статистическое воздействие. Перераспределение энергии на статистическое и динамическое воздействие зависит от периода собственных колебаний стекол. Поэтому необходимо зафиксировать спектральную плотность энергии импульса УВВ и распределить ее

7

согласно импульсному и статистическому воздействию, а уже потом вести расчет на прочность остекления.

Из вышесказанного следует, что взрывные работы лучше прекратить или ограничить, если скорость ветра в сторону охраняемого объекта на поверхности земли увеличивается. Радиус опасной зоны по действию УВВ зимой выше, чем в другое время года.

Анализ аномальных случаев распространения УВВ, связанных с метеоусловиями, говорит о том, что повреждения, как правило, не наблюдаются на расстояниях меньше 1000 м.

Вслучае когда инициирование скважинных зарядов происходит от магистральной сети ДШ (детонирующий шнур), сеть ДТП представляет собой дополнительный наружный заряд. Его доля в образовании УВВ возрастает по мере увеличения забойки и в общем случае достаточно велика.

Следует учитывать возможное наложение сейсмического воздействия и воздействия УВВ на охраняемые объекты. Это обстоятельство может привести к критическим перегрузкам в конструкциях.

Регистрация УВВ представляет собой анализ перепадов уровней давления в фазе сжатия и растяжения, их длительности и частотного спектра.

Вкачестве датчика используются приборы, регистрирующие перепады давления воздуха в широком частотном диапазоне. Это могут быть пьезоэлектрические преобразователи, мембранные датчики, магнитоэлектрические, угольные, и другого типа микрофоны и т.д.

Обозначим полную энергию, излучаемую источником, через Е, которая распространяется сферически с непрерывно возрастающим радиусом r. Таким образом, мощность УВВ, проходящая через поверхность сферы радиусом r, должна быть равна излучаемой энергии Е, деленной на площадь поверхности S = 4πr2, т.е.

I = 4πEr2 ,

где I – интенсивность УВВ.

На достаточном расстоянии от источника средняя интенсивность I пропорциональна квадрату давления УВВ Р в точке r:

P=(const)1r .

Споявлением в поле одной или нескольких отражающих преград волновая картина меняется вследствие отражений. Тогда давление в

8

некоторой точке поля складывается из давления, создаваемого исходной волной, и давлений, создаваемых отраженными волнами.

Для получения явлений отражения размеры преграды должны быть соизмеримы с длиной волны или больше нее. Количественно отражение зависит и от поглощающей способности препятствий. Таким образом, физические размеры и поглощающая способность препятствия влияют на его отражающую способность.

Если УВВ распространяется со скоростью звука с, тогда справедлива формула для длины волны

Интенсивность давления УВВ пропорциональна квадрату давления. Например, слабое пороговое давление воспринимаемое человеком на частоте 1000 Гц, определено в 0,0002 мкбар (2·10–5Н/м2). С другой стороны, самое высокое давление, не вызывающее болевых ощущений, около 1000 мкбар, т.е. масштаб давлений перекрывает очень широкий динамический диапазон 1:1 000 000.

Таким образом, удобнее использовать относительную шкалу давления, которая называется децибеловой шкалой. Децибел определяется как десятичный логарифм отношения двух величин интенсивности давления, умноженный на 10. Интенсивность пропорциональна квадрату давления, поэтому шкалу можно представить в виде формулы:

где Р – измеряемое давление; P0 – опорное давление (для звука

Р0 = 0,0002 мкбар (2·105Н/м2).

Таким образом, шкала 1:1 000 000 приводится к уровню от 0 до 120 дБ. Если теперь измерить полный уровень давления, то такое измерение не даст никакого представления о распределении частот, т.е. о спектральной характеристике сигнала, необходимой для определения соотношения импульсного и статистического воздействия

9

УВВ на окружающие предметы. Таким образом, зарегистрированный датчиком импульс УВВ необходимо пропускать через набор узкополосных фильтров для определения его спектрального состава. Затем записать обработанный сигнал на бумажный, магнитный или другой носитель. Возможна дальнейшая обработка сигнала на персональном компьютере.

При проведении измерений следует учитывать нижеприведенные факторы и использовать определенные схемы измерений:

–оценить по расчетам и наблюдениям источник УВВ, его направление и возможный перепад давления;

–выбрать наиболее подходящие измерительные приборы;

–проверить характеристики и откалибровать приборы;

–начертить измерительную схему с указанием приборов;

–начертить схему условий проведения измерений (местоположения источника УВВ, положение датчика и его ориентация, положение и приближенные размеры отражающих преград, рельеф местности и т.д.);

–записать метеорологические данные, важные с точки зрения измерений (скорость ветра, температуру, влажность, давление);

–провести измерения.

Стандартная схема измерительной аппаратуры представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Блок-схема измерительного устройства для регистрации давления УВВ:

1 – измерительный датчик; 2 – предварительный усилитель; 3 – аналоговый усилитель; 4 – анализатор спектра; 5 – аналогово-

цифровой преобразователь; 6, 7 – записывающие устройства

При большом входном сопротивлении ((100 Ом…1 ГОм) на входные цепи (кабель, датчик, корпус и т.д.) наводится высокий уровень помех, которые ослабляют измеряемый сигнал. Для устранения этого недостатка применяют схему по синфазному подавлению помехи

(рис. 1.2).

10