Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория горения и взрыва. Учебник
.pdf
было затруднительным, поэтому решили воспользоваться взрывным
способом.
Были проведены эксперименты, после чего рыхление взрыванием
применяли длительное время – всего было произведено без проблем
около 20 000 подрывов.
Утром 21 сентября 1921 г. произошел гигантский взрыв – склад
удобрений, а вместе с ним и завод взлетели на воздух. На месте склада образовалась воронка длиной 165 м (по другим источникам 115 м),
шириной – 96 (75) м и глубиной – 18,5 (10) м. При взрыве было убито свыше 500 человек, тяжело ранено около 2000, разрушено около
1000 зданий. В радиусе 250…300 м наблюдалось полное разрушение
зданий. Четыре человека погибли на расстоянии 7 км от места взрыва. По оценкам специалистов общая масса взорванных удобрений составила 4500 т, что эквивалентно взрыву 900 т тротила (2250 т чистой
аммиачной селитры).
Основной причиной этой крупнейшей в истории химической промышленности катастрофы была неправильная оценка чувствительности аммиачной селитры к взрыву.
2. Несчастный случай на карьере.
При уничтожении оставшихся после массового взрыва нескольких
патронов аммонита 6 ЖВ и двух электродетонаторов погиб взрывник.
После сигнала «отбой» он поместил в брошенный ковш экскаватора патроны, подключил электродетонаторы к взрывной машинке, находясь
в одном метре от ковша, произвел взрыв, который отбросил его на 50 м.
3. Авария при проведении массового взрыва на карьере.
При проведении массового взрыва на карьере произошел выброс
кусков горной массы за пределы расчетной опасной зоны, в результате чего были смертельно травмированы три жителя поселка, а также
повреждены здания, автомобиль и осветительная электросеть.
4. Несчастный случай при транспортировке взрывчатых мате-
риалов.
Двое взрывников и водитель автомобиля в ночное время доставляли на участок взрывных работ электродетонаторы. Один взрывник
сел в кузов, другой разместился рядом с водителем в кабине, положив себе связку электродетонаторов на колени. При заезде в туннель
произошел взрыв, в результате которого сидевший рядом с водителем
взрывник погиб.
Комиссия установила, что взрыв произошел вследствие контакта нарощенных проводов электродетонаторов с электросетью автомобиля.
11
5. Авария при перевозке взрывчатых материалов в ОАО «Гай-
ский ГОК».
В ОАО «Гайский ГОК» 4 марта 2004 г. для производства массового взрыва в карьере месторождения «Летнее» с поверхностного
склада взрывчатых материалов необходимо было автотранспортом
доставить 11 046 кг (263 мешка) граммонита 79/21, 72 кг (90 шт.) шашек-детонаторов БШД-800У, 8 бухт (400 м) детонирующего шнура
ДШЭ-12, 90 комплектов неэлектрической системы «Эделин», 4 пиротехнических реле РПЭ и 2 электродетонатора. Для этого участку
взрывных работ автотранспортным цехом комбината было выделено
3 бортовых грузовых автомобиля: ЗИЛ-433110 грузоподъемностью
6000 кг и два КамАЗа-4310 грузоподъемностью 5750 кг.
Перевозка осуществлялась с нарушениями установленных правил
безопасности:
1. Наряд-задание на погрузку и перевозку взрывчатых материалов
(ВМ) рабочим участка взрывных работ карьера и автотранспортного
цеха ОАО «Гайский ГОК» не выдавалось.
2. Отсутствовала схема движения колонны автомобилей с указанием мест возможной остановки транспортных средств, хотя расстояние от склада ВМ до карьера более 150 км. После выезда со склада ВМ колонна автомобилей остановилась и около 20 мин стояла на
промышленной площадке ОАО «Гайский ГОК» в ожидании горного
мастера.
3. Порядок размещения ВВ и средств инициирования в кузове автомобилей не был установлен.
4. Мастер участка взрывных работ не контролировал погрузочные
работы и процесс подготовки автомобилей к движению.
5. Несмотря на возможность размещения всех мест с гранулированными ВВ на двух автомобилях КамАЗ и отсутствие разрешения
технического руководителя предприятия на совместную перевозку
ВМ, в указанные автомобили загрузили по 100 мешков граммонита, а
остальные 63 мешка вместе со средствами инициирования и шашками из баллиститных порохов загрузили в кузов автомобиля ЗИЛ. При
этом коробки с промежуточными детонаторами не установили на безопасное расстояние от деревянного ящика со средствами инициирования и не закрепили внутри кузова, что не исключило трение их друг
о друга.
6. Материал и конструкция полога для покрытия бортов кузова автомобиля не соответствовали установленным требованиям.
12
7. Автомобили не были обеспечены средствами оперативной связи
между всеми участниками перевозки ВМ.
Первым по маршруту двигался автомобиль ЗИЛ, затем два автосамосвала КамАЗ и замыкал колонну автомобиль ГАЗ-66 «Вахта», перевозивший взрывников. Через 15 мин от начала движения с последней
стоянки водитель одного из автомобилей КамАЗ увидел в передней части кузова автомобиля ЗИЛ пламя, вырывающееся из-под полога, начал сигналить и попытался приблизиться. Услышав сигналы и увидев
открытый огонь в кузове, водитель и охранник автомобиля, на котором
произошло возгорание, остановили машину, вышли из кабины и побежали в сторону остановившихся на расстоянии около 500 м автомашин.
В это время произошел взрыв, водитель и охранник погибли. Машина
разлетелась на мелкие части, на ее месте образовалась воронка диаметром 6,5…7 м и глубиной 2 м. Время между обнаружением загорания
автомобиля и детонацией ВВ составило не более 2…3 мин.
Расследованием установлено, что взрыв произошел в результате загорания промежуточных шашек-детонаторов БШД-800У из
твердого ракетного топлива, которое привело к детонации средств
инициирования, включая детонирующий шнур, а затем всей массы
граммонита 79/21. Наиболее вероятная причина возгорания упаковки – внешний источник тепла, попавший в кузов автомобиля во время
его стоянки или движения.
Основной причиной этой аварии является не соблюдение требований «Правил безопасности при взрывных работах», касающихся перевозки ВМ по дорогам общего пользования. Согласно им совместная
перевозка ВВ и средств инициирования автомобильным транспортом
запрещена.
Возможность и условия совместной доставки ВМ должна согласовываться с территориальными органами Ростехнадзора с учетом
характера и специфики взрывных работ, маршрутов движения транспортных средств и степени готовности организаций к обеспечению
безопасности таких перевозок. При этом ВМ различных групп совместимости должны размещаться и закрепляться таким образом,
чтобы детонация одних не могла быть передана другим. В качестве
транспортных средств необходимо использовать только специальные
автомобили. Для размещения средств инициирования в кузове автомобиля последний должен оборудоваться специальным локализатором, рассчитанным на строго определенное количество перевозимых
детонаторов или детонирующего шнура.
13
6. Инцидент в ОАО «Ямалгеофизика».
В ОАО «Ямалгеофизика» 20 марта 2004 г. с базисного склада ВМ
на расходный склад по временному зимнику двумя бортовыми тентовыми автомобилями УРАЛ-4320 перевозили сейсмические заряды
ДЗС-31 на основе баллиститных порохов. В каждом транспортном
средстве кроме водителя никого не было. Лицо, сопровождающее
груз, и охрана отсутствовали. В 55 км от места назначения груза передний автомобиль загорелся и водитель покинул его. В результате
сгорели 4860 кг ВВ. Горение зарядов не перешло в их детонацию.
Таким образом, причиной большинства аварий является недостаточная подготовка и дисциплинированность лиц, проектирующих, изготавливающих, хранящих, эксплуатирующих ВМ.
Для эффективного и безопасного изготовления и применения ВВ
нужно знать: Почему происходит взрыв? Что является причиной
взрыва? Каковы условия и механизм возникновения горения и взрыва при различных воздействиях на ВВ? Какова связь между составом
ВВ, его физико-химическими, физико-механическими свойствами,
размерами и формой заряда, и его взрывным действием? Что является
причиной воспламенения взрывчатых газо- и пылевоздушных смесей
при взрывных работах? Каковы закономерности механического действия взрыва на окружающую среду?
На эти вопросы дает ответы теория детонации ВВ.
Целью изучения дисциплины «Теория горения и взрыва» является
получение знаний по физике горения и взрыва и процессов, происходящих при воздействии их на окружающую среду.
1.2. Явление взрыва и горения
При производстве взрывных работ в промышленности взрывники
руководствуются разнообразными нормативными документами (специальными правилами, инструкциями, методиками, распоряжениями), без изучения которых нельзя не только вести взрывные работы, но
даже соприкосаться с ВВ и устройствами для их взрывания, например,
«Правила безопасности при взрывных работах», «Правила безопасности при перевозке опасных грузов железнодорожным транспортом»,
«Перечень взрывчатых материалов, оборудования и приборов взрывного дела, допущенных к применению в Российской Федерации» и др.
Для полного понимания официальных документов необходима серьезная подготовка, так как в настоящее время невозможно решить
14
ни одну техническую задау без знания физической сущности тех явлений, которые при этом используются, без количественного расчета,
который может строиться только на основе объективных законов природы и в первую очередь на основе законов физики.
Итак, ответ на вопрос, что такое взрыв, необходимо давать, исходя из законов физики, которые определяют возникновение, развитие
и действие взрыва.
Впервые такая задача была поставлена в середине XVIII в. Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711–1765, первый русский
ученый-естествоиспытатель мирового значения). В работе «О природе и рождении селитры», написанной в 1748 г., он дает определение
взрыва, которое на современном языке звучит следующим образом:
Взрыв – это очень быстрое выделение большого количества
энергии и большого объема газов.
В определении взрыва, данного М.В. Ломоносовым, необходимо
уточнить следующие понятия:
1. «Очень быстрое» выделение энергии.
Быстрота тех или иных явлений – понятие относительное. Следовательно, очень быстрое выделение энергии взрыва должно сравниваться с другими видами выделения или преобразования энергии. Выделение энергии при взрыве является существенно более быстрым,
например, выделение энергии при взрыве значительно быстрее, чем
при горении. Наиболее важным при взрыве является то, что энергия
выделяется в пределах заряда взрывчатого вещества быстрее, чем она
потом передается окружающей среде.
2. «Выделение» энергии.
Согласно закону сохранения энергии – энергия не может возникать из ничего или исчезать бесследно. Поэтому под «выделением»
энергии понимают превращение в энергию взрыва соответствующего
запаса энергии, который накоплен и находится в скрытой, потенциальной форме. Например, при взрыве химических ВВ энергия содержится в скрытой, потенциальной форме в молекулах вещества, точнее, в электронных оболочках этих молекул.
3. «Большое» количество энергии.
Это определение надо рассматривать, сравнивая энергию взрыва с
той энергией, которая, так или иначе содержится в среде, окружающей место взрыва. В этом определении важно то, что выделяющаяся
при взрыве энергия намного больше энергии, содержащейся в окружающей среде.
15
Простое выделение энергии еще не означает, что произошел взрыв.
Понятие взрыв связано с сильным механическим действием, т.е. с по-
явлением механических сил, приложенных к среде и отдельным телам,
окружающим место взрыва. Если этого нет, то нет и взрыва.
Поэтому современное определение взрыва, формулируется следующим образом:
Взрыв – это процесс весьма быстрого физического или химического превращения системы, сопровождающийся переходом ее
потенциальной энергии в механическую работу.
1.3. Классификация взрывов
По своей природе взрывы бывают:
1. Физические, при которых происходят только физические пре-
образования без изменения химического состава веществ.
Физические взрывы в промышленности практически не применяются и являются, главным образом, предметом специальных научных
исследований. Возможны следующие виды исходной энергии физического взрыва: электрическая, кинетическая, тепловая и энергия
упругого сжатия.
Физический взрыв за счет электрической энергии. Примером та-
кого типа взрыва являются разряды электричества в атмосфере в виде
молний. Это природные взрывы, по своей силе они очень малы. Молния может произвести сильный световой и звуковой эффект, расщепить дерево, явиться причиной пожара, однако больших разрушений
она произвести не может.
К такому же типу относятся взрывы, возникающие при сильном
искровом разряде (при разряде конденсаторов) или при пропускании
тока большой силы через тонкую проволоку (при коротком замыкании). При этом электрическая энергия переходит в энергию нагретого
и сжатого воздуха, паров воды или металла (рис. 1.1).
16
Рис. 1.1. Схема устройства электроимпульсной станции
Наиболее сильное механическое действие может вызвать электри-
2
υ
22
=»
ческая искра в жидкости или внутри твердого тела: разрушить сосуд,
содержащий жидкость, или разбросать в разные стороны осколки
твердого тела. Это явление в последнее время находит применение
в промышленности для дробления и обработки различных материалов, штамповки металлов и т.п.
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, кДж, массой m, движущегося со
скоростью υ, составляет
2
mE×
υ
=
.
Если вся эта энергия превратится в тепловую, то выделится тепла
больше, чем при взрыве 1 кг тротила (1000 ккал/кг = 4187 кДж/кг).
Задача. Определить энергию при падении метеорита массой
m = 1 т со скоростью
= 50 км/с.
Решение
22
υ
1000 50 000
1,25 10 Дж 1 250 000 000 кДж,
12
mE××
= = =× =
или в тротиловом эквиваленте
Физический взрыв за счет тепловой энергии. К данному типу от-
носятся аварийные взрывы паровых котлов и баллонов со сжатыми
газами.
Как известно, при нагревании воды она превращается в пар, следовательно чем выше температура котла, тем больше давление водяного
пара. При перегреве воды в котле выше нормы давление пара может
возрасти до величины, превышающей сопротивление стенок котла,
тогда произойдет аварийный взрыв. После разрыва котла имевшийся
1 250 000 000
4187
298 543 кг 300 т.
17
в нем пар, а также пар, образовавшийся из перегретой воды вследствие падения давления, быстро расширяясь, произведет работу разрушения.
При случайном разогреве баллона со сжатым газом, внутри него
также повышается давление и, когда оболочка не выдержит, случиться взрыв. Кроме того, к взрыву может привести и уменьшение прочности стенки баллона в результате механических повреждений или
коррозии. Эти взрывы происходят за счет тепловой энергии сжатых
газов.
Физический взрыв за счет энергии упругого сжатия. Примером
взрыва за счет энергии упругого сжатия являются землетрясения.
Вследствие сложных геофизических процессов, в отдельных участках земной коры возникают колоссальные напряжения, которые могут охватывать весьма большие объемы. В них накапливается, а затем при землетрясении внезапно освобождается огромное количество
энергии.
Взрывы подобного типа могут произойти и в малых масштабах, например при замораживании воды в прочной стальной оболочке, целиком ею заполненной. Вследствие расширения воды при
превращении ее в лед давление в оболочке возрастает и может,
наконец, превысить сопротивление стенок, в результате чего произойдет разрыв оболочки и взрыв. Потенциальная упругая энергия
сжатой воды переходит при этом в механическую работу разрушения оболочки.
2. Химические, при которых происходят чрезвычайно быстрые
окислительные химические реакции с образованием новых соединений (газов и паров) и выделением большого количества тепла.
Энергоносителями химических взрывов являются так называемые
энергетические материалы (ЭМ). Они обладают запасом потенциальной химической энергии, которая может быть выделена только вопределенных условиях.
Газообразные вещества. Газообразные энергоносители представ-
ляют собой гомогенные смеси горючих газов (паров) с газообразными окислителями – воздухом, кислородом, хлором и другими, либо
нестабильные газообразные соединения, такие как ацетилен, этилен,
склонные к термическому разложению в отсутствие окислителей. Источником энергии взрывов газовых смесей являются экзотермические
реакции окисления горючего вещества или реакции разложения нестабильных соединений.
18
Конденсированные взрывчатые вещества. Это твердые и жидкие
ВВ или их смеси. При инициировании взрыва в этих веществах с
огромной скоростью протекают экзотермические окислительно-восстановительные реакции или реакции термического разложения с выделением тепловой энергии.
Вследствие быстроты с которой реакция проходит по ВВ, образующиеся газы, даже при отсутствии прочной оболочки, имеют высокое давление и производят сильное ударное воздействие на окружающую среду, разрушающее ее и вызывая в ней ударные волны.
Двухфазные взрывоопасные аэровзвеси. Состоят из мелкодисперс-
ных горючих жидкостей («туманов») или твердых веществ (пыли)
в окислительной среде, в основном в воздухе. Источником энергии их
взрывов также является теплота сгорания этих веществ.
3. Ядерные, при которых происходят цепные реакции деления
ядер с образованием новых элементов.
Эти реакции могут быть двух видов:
1. Деление тяжелых ядер (урана, плутония, калифорния) на более
легкие. При этом на единицу массы взрывающегося вещества выделяется в 20 миллионов раз больше энергии, чем при взрыве тротила.
2. Образование из легких ядер более тяжелых (синтез атомных
ядер – термоядерная реакция). Например, при термоядерном взрыве
из легкого водорода образуется гелий. В этих реакциях энергия взрыва, выделяемая единицей массы, превосходит энергию тротила примерно в 100 миллионов раз.
Ядерные взрывы происходят в космосе, внутри звезд.
Так как энергия, выделяющаяся при ядерном и термоядерном
взрыве на единицу массы взрываемого вещества, на несколько порядков больше, чем при химических реакциях, то и сила взрыва соответственно несравненно больше. Эти взрывы являются наиболее
мощными из применяемых и известных человечеству в настоящее
время. Рассматриваются возможности применения ядерных взрывов
для вскрытия крупных месторождений, расположенных в отдаленных районах на значительной глубине (120 м и более) для глубинного
дробления огромных объемов пород в целях последующего выщелачивания из них ценных компонентов, образования крупных каналов,
тушения горящих нефтяных и газовых скважин и т.д.
19
ТЕМА 2. ВЗРЫВЧАТЫЕ И ГОРЮЧИЕ
ВЕЩЕСТВА КАК ХИМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
2.1. Краткая история создания черного дымного
пороха – первого горючего и взрывчатого
вещества, изготовленного человеком
Взрывные явления сопровождают человечество на протяжении
всей его истории. Древние люди могли наблюдать природные взрывы
при извержении вулканов, грозе или падении метеоритов. Человек не
мог управлять природными явлениями по собственной воле, поэтому
ему казалось, что взрывами управляют могущественные боги.
Только благодаря развитию науки и техники человек смог получить технологию изготовления ВВ для производства взрывов.
Все началось с Византии, где еще в первые века нашей эры ученые
заметили, что существуют вещества, интенсивно горящие не только
на воздухе, но и под водой. Это вещества, содержащие в молекуле
элементарный кислород, например селитра (калиевая KNO
вая NaNO
, аммиачная NH4NO3). Горение под водой поддерживается
3
потому, что кислород, необходимый для этого, выделяется в большом
количестве при разложении селитры при нагреве. На этом принципе
византийцы получали горючее для так называемого греческого огня,
с помощью которого они боролись с кораблями противника.
Для ускорения реакции горения горючее вещество и вещество,
поддерживающее горение выделяющимся при горении кислородом
(окислитель), стали размалывать все мельче и мельче и тщательно
смешивать друг с другом. Поиск компонентного состава подходящих
горючих веществ и окислителей, их измельчение и смешение со временем привело к созданию первого, полученного человеком, ВВ –
черного дымного пороха, состоящего из калиевой селитры KNO
(75 %), угля С (15 %) и серы S (10 %). Взрыв черного дымного пороха
происходит из-за быстрого сгорания угля и серы в кислороде, выделяющемся из селитры при ее нагревании.
Скорость горения черного дымного пороха будет зависеть от
плотности заряда, степени измельченности его компонентов, а также герметичности сосуда, в котором он находится. Если черный порох находится в замкнутом пространстве, например в подземной
камере, не имеющей сообщения с наружным воздухом или в стволе
, натрие-
3
3
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]