Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология и безопасность взрывных работ. Учебник
.pdf
Поэтому современное определение взрыва, формулируют
следующим образом: взрыв – это процесс весьма быстрого
физического или химического превращения системы, сопровождающийся переходом ее потенциальной энергии в механическую работу.
21
4. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЗРЫВОВ
По своей природе взрывы делятся следующим образом.
Физические, при которых происходят только физические
преобразования 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.
1. Физический взрыв за счет электрической энергии. Примером такого типа взрыва являются разряды электричества в атмосфере в виде молний. Это природные взрывы по своей силе
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 проволочку (при коротком замыкании). При этом электрическая энергия переходит
в энергию нагретого и сжатого воздуха, паров воды или металла
(рис. 4.1).
Рис. 4.1. Схема устройства электроимпульсной станции
Наиболее сильное механическое действие может вызвать
электрическая искра в жидкости или внутри твердого тела: разрушить сосуд, содержащий жидкость, или разбросать в разные
стороны осколки твердого тела. Эти явления в последнее время
находят применение в промышленности для дробления и обработки различных материалов, штамповки металлов и т.п.
22
2. Физический взрыв за счет кинетической энергии. При
22
22
4187
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
22
mv
E⋅= = = =
1 4000
8 000 000 8000 .
Дж кДж
Если вся эта энергия превратится в тепловую, то выделится тепла больше, чем при взрыве 1 кг тротила (1000 ккал/кг =
= 4187 кДж/кг).
Задача 4.1. Определить энергию при падении метеорита
массой m = 1 т со скоростью v = 50 км/с.
Решение
22
mv
E⋅== =⋅=
1000 50 000
12
1,25 10 1 250 000 000
Дж кДж
или в тротиловом эквиваленте
1 250 000 000
= ≈
298 543 300 .
кг т
3. Физический взрыв за счет тепловой энергии. К данному типу относятся аварийные взрывы паровых котлов и баллонов со сжатыми газами.
Как известно, при нагревании воды она превращается в пар,
и 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, и тогда произойдет аварийный взрыв. После разрыва
котла имевшийся 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 выдер-
23
живает, случается 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.
4. 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 накапливаются, а затем при землетрясении внезапно освобождаются огромные количества 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.
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). Энергетические материалы обладают запасом потенциальной химической энергии,
которая может быть выделена только в определенных условиях.
1. Газообразные вещества. Газообразные энергоносители
представляют собой гомогенные смеси горючих газов (паров) с
газообразными окислителями
– воздухом, кислородом, хлором
и др., 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.
2. Конденсированные взрывчатые вещества. Конденсированные ВВ – это твердые и жидкие взрывчатые вещества или их
смеси. При инициировании взрыва в этих веществах с огромной
24
скоростью протекают экзотермические окислительно-восстановительные реакции или реакции термического разложения с
выделением тепловой энергии.
Вследствие быстроты, с которой реакция проходит по взрывчатому веществу, образующиеся газы, даже при отсутствии
прочной оболочки, имеют высокое давление и производят сильный удар по окружающей среде, разрушающий и разбрасывающий ее, а также вызывающий в ней ударные волны.
3. Двухфазные взрывоопасные аэровзвеси. Двухфазные
взрывоопасные аэровзвеси состоят из мелкодисперсных горючих жидкостей («туманов») или твердых веществ (пыли) в окислительной среде, в основном в воздухе. Источником энергии их
взрывов также является тепло сгорания этих веществ.
Ядерные, при которых происходят цепные реакции деле-
ния 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 млн 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 млн раз.
Ядерные взрывы происходят в космосе, внутри звезд.
Так как энергия, выделяющаяся при ядерном и термоядерном взрывах 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 с целью последующего выщелачивания из них ценных компонентов, для образования крупных каналов, тушения горящих нефтяных и газовых скважин и т.д.
25
5. ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА
КАК ХИМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
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 взрывчатых веществ для
производства взрывов.
Все началось в 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
ние под водой поддерживается потому, что кислород, необходимый для горения, 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 взрывчатого вещества – черного дымного пороха, состоящего из калиевой селитры KNO
С (15 %) и серы S (10 %). Взрыв черного дымного пороха обусловлен очень быстрым сгоранием угля и серы в кислороде, выделяющемся из селитры при ее нагревании.
Скорость горения черного дымного пороха зависит от плотности заряда, степени измельченности его компонентов, а также от герметичности сосуда, в котором он находится. Если
черный порох находится в замкнутом пространстве, например
в подземной камере, не имеющей сообщения с наружным воз-
, натриевая NaNO3, аммиачная NH4NO3). Горе-
3
(75 %), угля
3
26
духом, или в стволе пушки, то он сгорает очень быстро и это
горение напоминает взрыв. Если же порох находится в полузамкнутом пространстве, например в цилиндрическом сосуде,
имеющем достаточно большое отверстие с его торца, то порох
горит сравнительно долго, а образующиеся при горении пороховые газы вырываются из отверстия в виде мощной струи. Такой сосуд с горящим порохом является простейшим вариантом
реактивного двигателя. Он начинает стремительно двигаться в
сторону, противоположную направлению струи пороховых газов. Это явление было замечено уже в X веке создателями первых пороховых ракет.
Что такое взрывчатые и горючие вещества?
При взрывных работах в промышленности применяются химические взрывы. Энергоносителями химических взрывов являются взрывчатые вещества.
Взрывчатыми могут быть вещества или смеси веществ любого физического (газообразного, жидкого, твердого) состояния (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Агрегатное состояние взрывчатых веществ
Благодаря исключительно большой скорости химической
реакции образующиеся в большом количестве газообразные
продукты взрыва занимают в первый момент объем самого ВВ
и находятся в сильно сжатом состоянии. В результате в месте
взрыва резко повышается давление, а газы начинают расширяться и наносят удар по окружающей среде. Если взрыв про-
27
исходит на поверхности, то удар по воздуху – газообразной
среде; в воде – удар по жидкой среде; в горной породе – удар по
твердой среде.
Взрывчатые вещества – это относительно неустойчивые
химические системы, способные под влиянием внешних воздействий к весьма быстрым экзотермическим превращениям, сопровождающимся образованием сильно нагретых газов
или паров.
Выясним, почему взрывчатые вещества являются химическими системами.
Система (от греч. systema – целое, составленное из частей;
соединение) – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство.
Как и любые вещества, взрывчатые вещества состоят из частиц (атомов, молекул). Число этих частиц огромно. Например,
если в каком-то сосуде содержится всего 0,1 моль вещества, то
22
число частиц достигает астрономических цифр – 6 ⋅ 10
. Поэтому это не просто частицы, а система взаимодействующих
частиц. Все, что находится вне системы, называется внешней
средой.
Если в состав системы входят вещества или частицы, способные к химическому взаимодействию, то эти системы являются химическими системами. Взрывчатые вещества – это химические системы.
К параметрам любой химической системы относятся температура, давление, объем, масса, плотность и др.
Температура. Для измерения температуры используется абсолютная шкала температур и шкала температур по Цельсию.
Единицей измерения абсолютной шкалы температур служит
кельвин (К). В этой шкале точка 0 К называется
абсолютным
нулем. Единицей измерения в шкале Цельсия является градус
Цельсия, °С. Нуль по Цельсию равен 273,15 К.
Сравнение свойств различных веществ необходимо проводить при какой-то одной – стандартной температуре. Стан-
дартной считается температура, равная 273 К (0 °С).
Давление. В качестве единицы давления раньше служила
атмосфера (атм) и высота ртутного столба в миллиметрах (мм
28
рт. ст.), 1 атм = 760 мм рт. ст. Эти единицы до сих пор используются в повседневной жизни.
В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения давления является паскаль (Па), или ньютон на метр ква-
2
дратный (Н/м
):
1 атм = 101 325 Па = 101,325 кПа.
В системе СГС давление измеряется в барах:
5
1 бар = 10
Па = 0,986923 атм.
Стандартным давлением газа до недавнего времени считалось
101,325 кПа. В 1984 г. Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) рекомендовал считать в качестве стандартного давление, равное 100 кПа (1 бар).
Таким образом, стандартными условиями являются тем-
пература 273 К (0 °С) и давление 100 кПа. Эти условия иногда
называют также нормальными.
Все взрывчатые вещества могут быть подразделены на две
основные группы: взрывчатые химические соединения и взрывчатые смеси.
Взрывчатые химические соединения представляют собой
относительно неустойчивые химические системы, способные под
влиянием внешних воздействий к быстрым экзотермическим
превращениям, в результате которых происходит полный разрыв внутримолекулярных связей и последующая рекомбинация
свободных атомов (или ионов) в термодинамически устойчивые
продукты.
Молекулы взрывчатых химических соединений содержат
все необходимое для взрыва. Например, тринитротолуол –
(NO2)3, содержит горючие элементы – углерод и водород;
С
7H5
а также окислитель – кислород.
Молекулы взрывчатых химических соединений можно
представить в виде двух активных групп атомов, разделенных
малоактивной преградой (рис. 5.2). Такой преградой являются обычно атомы азота, который сам малоактивен в химическом отношении.
Под влиянием внешних воздействий (например, при ударе,
трении или нагревании, поджигании) увеличивается скорость
движения молекул ВВ. Это приводит к увеличению силы молекулярных соударений. В результате достаточно сильных соуда-
29
рений молекулы взрывчатого вещества разрушаются. Активные атомные группы освобождаются, неактивные преграды,
имевшиеся между ними, выбиваются и удаляются. Активные
атомные группы приходят во взаимодействие друг с другом и
из них образуются достаточно подвижные, имеющие большую
скорость и несущие на себе значительную энергию взрывные
газы. Эти газы быстро расширяются и передают среде, окружающей место взрыва, энергию своих молекул.
Рис. 5.2. Структура молекулы взрывчатого химического со-
единения
Другая группа взрывчатых веществ – смеси частиц, состо-
ящие из различных молекул.
Взрывчатые смеси представляют собой системы, состоя-
щие как минимум из двух химически не связанных между собой компонентов. Обычно один из компонентов смеси представляет собой горючее вещество, совсем не содержащее кислорода
либо содержащее его в количестве, недостаточном для полного
внутримолекулярного окисления, а второй компонент, наоборот, вещество, относительно богатое кислородом.
Например, в 1920–1930-х гг. широко применялись смесевые
взрывчатые вещества под названием оксиликвиты. Эти взрывчатые вещества представляют собой смесь твердого горючего вещества (например, древесных опилок, угля, торфа и т.п.) с жидким кислородом. Жидкий кислород может быть введен в смесь
в достаточном количестве, чтобы обеспечить полное сгорание
горючей части смеси.
Однако изготовление оксиликвитов связано с технически-
ми сложностями и небезопасно, так как для получения жидкого кислорода необходимо сильное охлаждение до температуры
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]