Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория горения и взрыва. Учебник
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ
Кафедра физических процессов горного производства
и геоконтроля
Б.В. Эквист
ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА
Учебник
Утверждено Методическим советом НИТУ «МИСиС»
Москва 2018
УДК 622.215.1
Э35
Рецензенты:
канд. техн. наук Б.Ф. Коньшин;
д-р экон. наук, канд. техн. наук Н.Л. Вяткин
Эквист Б.В.
Э35 Теория горения и взрыва : учебник / Б.В. Эквист. – М.: Изд. Дом
НИТУ «МИСиС», 2018. – 180 с.
ISBN 978-5-906953-90-2
В учебнике излагаются основы теории взрыва и горения веществ. Исследуются закономерности, механизм образования и основные факторы разрушающего действия ударных волн. Рассматриваются вопросы, касающиеся условий
возбуждения и распространения детонационных процессов. Приводятся основные зависимости гидродинамической теории детонации, результаты численного решения задач, связанных с процессами горения и взрыва.
Приведенные в учебнике сведения полезны студентам, изучающим дисциплину «Теория горения и взрыва», направления подготовки 21.05.04 «Горное
дело» и 21.05.05 «Физические процессы горного или нефтегазового производства» всех форм обучения.
УДК 622.215.1
ISBN 978-5-906953-90-2
2
Б.В. Эквист, 2018
НИТУ «МИСиС», 2018
Содержание
Введение .................................................................................................... 7
РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ
И ВЗРЫВА И ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ ............................................. 8
Тема 1. Общая характеристика взрыва
и взрывчатых веществ ..............................................................................8
1.1. Области применения взрывчатых веществ .................................... 8
1.2. Явление взрыва и горения .............................................................. 14
1.3. Классификация взрывов ................................................................. 16
Тема 2. Взрывчатые и горючие вещества
как химическая система .........................................................................20
2.1. Краткая история создания черного дымного пороха –
первого горючего и взрывчатого вещества, изготовленного
человеком ................................................................................................ 20
2.2. Что такое взрывчатые и горючие вещества? ................................ 21
2.3. Кислородный баланс ...................................................................... 24
2.4. Составление реакций взрывчатого превращения ........................ 28
2.5. Факторы, придающие явлению
характер взрыва ...................................................................................... 31
Тема 3. Классификация
взрывчатых веществ
по составу и применению....................................................................... 35
3.1. Взрывчатые химические соединения ........................................... 35
3.2. Смесевые взрывчатые вещества .................................................... 39
3.3. Области применения взрывчатых веществ .................................. 43
Тема 4. Основные формы химического превращения
взрывчатых веществ................................................................................ 46
4.1. Поведение взрывчатых веществ. Основные формы
горения и взрывчатых превращений .................................................... 46
4.2. Медленное химическое превращение взрывчатых веществ ...... 47
4.3. Взрывчатые превращения
взрывчатых веществ ............................................................................... 50
4.4. Горение взрывчатых веществ ........................................................ 50
4.5. Взрыв (детонация) взрывчатых веществ ...................................... 52
Тема 5. Энергия и мощность
взрыва и горения ..................................................................................... 54
5.1 Оценка энергии, выделяющейся при взрыве
взрывчатых веществ ............................................................................... 54
3
5.2. Мощность взрыва ............................................................................ 57
5.3. Баланс энергии при взрыве ............................................................ 60
РАЗДЕЛ 2. ТЕОРИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ.............................................62
Тема 6. Основы теории ударных волн ...................................................62
6.1. Действие взрывных газов
на окружающую среду ........................................................................... 62
6.2. Механизм возникновения ударных волн ...................................... 65
6.3. Основные свойства ударных волн ................................................. 67
6.4. Моделирование ударных волн ....................................................... 70
6.5. Причины снижения давления
в ударных волнах
по мере их распространения ................................................................. 74
6.6. Различие ударных и акустических волн ....................................... 76
Тема 7. Основные уравнения теории ударных волн ............................ 78
7.1. Вывод основных уравнений .......................................................... 78
7.2. Ударная адиабата (адиабата Гюгонио) .......................................... 83
7.3. Сравнение ударной адиабаты и изоэнтропы ............................... 86
Тема 8. Основные факторы разрушающего действия
ударных волн и элементы закона подобия при взрывах ......................89
8.1. Закон подобия при взрывах ............................................................ 89
8.2. Тротиловый эквивалент заряда ..................................................... 92
8.3. Параметры ударных волн при воздушных взрывах
и взрывах в воде ..................................................................................... 93
8.4. Факторы, определяющие разрушающее действие
ударных волн........................................................................................... 99
8.5. Действие ударных волн на здания .............................................. 101
8.6. Действие ударных волн на человека ........................................... 103
РАЗДЕЛ 3. ОСНОВЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
ДЕТОНАЦИИ ........................................................................................ 105
Тема 9. Общая характеристика, основные закономерности
и зависимости теории детонации ........................................................105
9.1. Исторические и общие сведения ................................................. 105
9.2. Схема протекания детонации заряда
взрывчатого вещества .......................................................................... 106
9.3. Изменение состояния взрывчатого вещества
при детонации ....................................................................................... 108
9.4. Понятие о химическом пике .........................................................111
9.5. Основные зависимости гидродинамической
теории детонации ..................................................................................112
4
Тема 10. Теория детонации газов ........................................................ 113
10.1. Вычисление параметров детонационной волны
для газовых смесей ...............................................................................113
10.2. Влияние плотности газа на скорость детонации ......................116
Тема 11. Теория детонации конденсированных
взрывчатых веществ.............................................................................. 119
11.1. Вычисление параметров детонационной волны
для конденсированных взрывчатых веществ .....................................119
11.2. Скорость детонации конденсированных
взрывчатых веществ ............................................................................. 123
РАЗДЕЛ 4. ВОЗБУЖДЕНИЕ ДЕТОНАЦИОННЫХ
ПРОЦЕССОВ ........................................................................................126
Тема 12. Начальный импульс и чувствительность взрывчатых
веществ................................................................................................... 126
12.1. Способы инициирования зарядов ВВ, применяемые
в военном деле и промышленности ................................................... 126
12.2. Чувствительность взрывчатых веществ ................................... 128
12.3. Условия, необходимые для возникновения взрывчатого
превращения ......................................................................................... 129
12.4. Основные виды начального импульса ...................................... 129
Тема 13. Механизм возбуждения горения и взрывчатых
превращений ..........................................................................................132
13.1. Возбуждение взрывного превращения
тепловым импульсом ........................................................................... 132
13.2. Возникновение горения взрывчатого вещества
при его поджигании ............................................................................. 138
13.3. Возбуждение взрывного превращения механическим
импульсом ............................................................................................. 141
13.4. Действие взрывного импульса на взрывчатое
вещество ................................................................................................ 145
РАЗДЕЛ 5. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПРОЦЕССОВ
ВЗРЫВЧАТОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ ..................................................... 152
Тема 14. Распространение детонации в газах .................................... 152
14.1. Основные положения одномерной гидродинамической
модели детонации газов ...................................................................... 152
14.2. Пульсирующая детонация газов ................................................ 157
Тема 15. Распространение детонации в конденсированных
взрывчатых веществах .......................................................................... 161
15.1. Зависимость скорости детонации от диаметра заряда ........... 162
5
15.2. Влияние типа ВВ на критический
диаметр заряда ...................................................................................... 163
15.3. Влияние степени измельчения взрывчатого вещества
на критический и предельный диаметр ............................................. 165
15.4. Влияние оболочки на скорость
и предельные условия распространения детонации ........................ 167
15.5. Влияние примесей на скорость детонации .............................. 169
15.6. Влияние плотности на скорость
и пределы устойчивости детонации .................................................. 170
15.7. Влияние мощности инициатора на скорость детонации
заряда взрывчатого вещества .............................................................. 172
Тема 16. Кумулятивное действие взрыва ............................................ 174
16.1. Кумулятивный эффект ................................................................ 174
16.2. Механизм действия кумулятивного заряда .............................. 176
Библиографический список ............................................................... 178
6
Введение
Курс «Теория горения и взрыва» входит в программу подготовки
горных инженеров по горной специализации.
Достижения науки и техники за последние десятилетия произвели
коренной переворот в технологии производства и применения взрывчатых и горючих материалов. Значительно изменился ассортимент
взрывчатых веществ. Если в период плановой экономики в основном
применялись гранулированные тротилсодержащие взрывчатые вещества (ВВ) заводского изготовления, то в настоящее время, с появлением надежных технологий, позволяющих изготавливать ВВ на местах
производства взрывных работ, применяются более безопасные эмульсионные ВВ. В процессе развития находятся и средства взрывания зарядов ВВ – неэлектрические системы инициирования, электронные
детонаторы и др. Все это было бы невозможно без фундаментальных
исследований в области детонации и горения взрывчатых веществ.
Вместе с тем взрывные работы в промышленности и процессы
горения остаются крайне опасным производством. Поэтому знание
основных положений теории детонации и горения имеет большое
значение, прежде всего для разработки вопросов, связанных с обеспечением безопасности производства.
Знание дисциплины «Теория горения и взрыва» необходимо при
проектировании, производстве и обеспечении безопасности взрывных работ на предприятиях горнодобывающего, строительного и
машиностроительного комплекса, в специализированных научных,
учебных и производственных организациях, связанных с изготовлением, перевозкой, хранением, использованием, учетом, уничтожением, переработкой взрывчатых и горючих материалов, а также
осуществляющих контроль за безопасностью взрывных работ и экологическим воздействием на окружающую среду.
Основу учебника составил цикл лекций, который подготовлен для
преподавания одноименной дисциплины для студентов направления
подготовки «Горное дело» 21.05.04. и на основе фундаментальных
исследований в области теории взрыва, приведенных в списке литературы. Это работы К.К. Андреева, А.Ф. Беляева, Ф.А. Баума, М.В. Бесчастнова, Л.В Дубнова, Я.Б. Зельдовича, Л.П. Орленко, Г.И. Покровского, Б.Н. Кутузова, М.А. Садовского, Б.Я. Светлова,
К.П. Станюковича, Д.А. Франк-Каменецкого, Б.И. Шехтера, Л.Н. Хитрина и др.
7
РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ
И ВЗРЫВА И ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
ТЕМА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЗРЫВА
И ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
1.1. Области применения взрывчатых веществ
Взрывчатые вещества широко применяют в различных областях
народного хозяйства и военно-промышленном комплексе.
1. В военном деле. Взрывы являются главным средством поражения живой силы, разрушения боевой техники и военной промышленности противника.
При взрыве фугасных боеприпасов образуются под высоким дав-
лением газы, разрушающие все, что находится в контакте с зарядом.
В боеприпасах осколочного действия взрыв дробит металлический
корпус и сообщает большую скорость его осколкам, которые, разлетаясь, поражают цель.
Для того чтобы заряд взрывчатого вещества произвел боевой эффект, он должен быть доставлен к цели либо заложен на пути движения боевых машин и живой силы противника. В большинстве случаев взрывчатые вещества (ВВ) приходится перебрасывать к месту
его действия, т.е. к цели. Переброску производят с помощью движущихся боевых машин (самолеты, подводные лодки, торпедные катера и т.д.). Однако наиболее распространенным средством переброски
ВВ к цели служат пороха. Реактивный снаряд или артиллерийское
ствольное орудие являются пороховыми двигателями для переброски
боевого заряда ВВ к цели.
2. В горном деле для добычи полезных ископаемых. Главным
потребителем взрывчатых веществ в народном хозяйстве является
горная промышленность. Основное назначение взрывов, применяемых в горной промышленности, – раздробить скальные горные породы, сделать их доступными для выемочных машин.
При вскрытии месторождений применяются направленные взрывы: на выброс (горизонтальная открытая поверхность) или сброс (наклонная или вертикальная открытая поверхность).
3. В строительстве. С помощью взрыва в строительстве возводятся окопы и траншеи, создаются и разрушаются всякого рода перемычки, сооружаются котлованы под фундаменты.
8
При строительстве гидротехнических и ирригационных сооружений ВВ применяются для сооружения каналов, возведения насыпей и
плотин. При строительстве подземных емкостей для хранения жидкостей и газов, а также при сооружении свай с уширенной пятой используются взрывные работы для образования камуфлетных полостей.
При строительстве дорог взрывы совершают наиболее сложные,
иногда не поддающиеся иным способам, работы: сооружение выемок
на косогорах, обрушение неустойчивых массивов, посадка насыпей
на болотах.
При строительстве объектов в зимнее время или в условиях многолетней мерзлоты производится взрывание для разрыхления мерзлых
грунтов.
4. В сельском хозяйстве. Взрывные работы ведутся для взрывного плантажа почвы на косогорах, дробления валунов при расчистке
полей, разброса удобрений.
5. В лесном хозяйстве. С помощью взрывов выполняются: корчевка пней для очистки полей, образование ям для посадки деревьев,
подрывка кроны деревьев, тушение лесных пожаров.
6. Подводные взрывные работы. Применяются при добыче твердых полезных ископаемых со дна морей и океанов, расчистке и углублении русел рек и каналов, разрушении подводных скал и рифов на
морском дне, проходке траншей при строительстве подводных трубопроводов, дроблении находящейся под водой кирпичной кладки, железобетонных и металлических конструкций и т.п.
7. Взрывание льда. Выполняется в основном для защиты различных гидротехнических сооружений (например, мостов) от повреждений в период ледохода, при проводке судов через льды и для предупреждения наводнений (ликвидация ледовых заторов).
8. В городских условиях или при реконструкции предприятий.
Взрывные работы выполняются в целях обрушения зданий и сооружений, валки труб, башен, колонн, дробления бетонных, железобетонных конструкций и фундаментов.
9. В металлургическом производстве. Большой объем работ приходится на дробление горячих массивов. Взрывы в горячих массивах
применяются при ремонте доменных, мартеновских и коксовых печей, нагревательных колодцев.
10. При работе с металлами. Взрыв используется для упрочнения, сварки и штамповки металла. При подготовке металлолома к переплавке его дробление также выполняется взрывным способом.
9
11. В геофизике. Применяются сейсмические взрывы для опреде-
ления глубины залегания геологических тел и состава горных пород.
12. При добыче нефти и газа. Используются взрывы для взятия
проб из скважин на больших глубинах, увеличения нефтеотдачи пластов (торпедирование), ликвидации аварий, когда буровой инструмент «прихватывает» на больших глубинах.
1.2. Основные задачи теории горения и взрыва
Применение ВВ в современных условиях немыслимо без знания
законов, определяющих их поведение при хранении и взрыве, в условиях удара, трения, температуры, высокого давления, без учета особенностей протекания взрывных процессов. Теория горения и взрыва
исследует законы, управляющие поведением ВВ, и дает ряд основных
положений для выбора оптимальных условий их применения.
Взрыв представляет собой крайне быстрое выделение потенциальной энергии, содержащейся в ВВ. В результате большой скорости выделения энергии при взрыве развивается чрезвычайно высокая
мощность. Получение такой мощности с помощью обычных машин
потребовало бы применения громоздких и дорогостоящих механизмов, использование которых во многих условиях практически невозможно. Благодаря этому ВВ находят огромное применение как в промышленности, так и в военном деле (ими снаряжают боеприпасы
фугасного и осколочного действия, реактивные снаряды артиллерийского и ствольного оружия, авиабомбы, мины, торпеды).
Вместе с тем использование ВВ сопряжено с повышенной опасностью. Случаются аварии, при которых травмируются как сами взрывники, так и другие люди, случайно оказавшиеся в зоне действия взрыва. Приведем несколько случаев и выясним причины, повлекшие их.
1. Катастрофа на заводе, производящем удобрения в Германии.
Примером того к каким тяжелым последствиям может привести
недостаточная изученность условий возбуждения взрыва является
грандиозная катастрофа, которая произошла 21 сентября 1921 г. на
предприятии компании BASF, расположенном вблизи г. Людвигсха-
фена (Ludwigshafen) в Германии.
На заводе производилась удобрительная смесь, содержащая приблизительно 50 % нитрата аммония – аммиачной селитры, NH4NO3
и 50 % сульфата аммония – (NH4)2SO4. Как продукт сезонного потребления, она накапливалась на заводских складах в больших количествах и за время длительного хранения слеживалась в сплошную камнеобразную массу. Дробление этой массы механическими средствами
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]