ЕКВ ГЭ МК ОЭ 2013 / ЕКВ конспекты 1-11 PDF / 05 Детонация 2003

Тема 5. Детонация ВВ и факторы, влияющие на ее устойчивость

5.1. Понятия о химическом превращении, взрыве и детонации ВВ

Взрыв – процесс быстрого физико-химического превращения веществ, при котором выделяется большое количество энергии в ограниченном объеме за весьма короткий промежуток времени и совершается работа.

Ударная волна – является характерным признаком взрыва и представляет собой резкое повышение давления, сопровождающееся сжатием, нагревом и изменением скорости движения вещества.

Взрывы разделяют на физические, при которых изменяется только физическое состояние вещества (баллоны со сжатым газом, паровые котлы, молнии и т. п.) и химические, при которых изменяется химический состав вещества с выделением тепла и образованием газообразных продуктов.

Химические взрывы:

-тепловые (гомогенные), которые происходят при постепенном и равномерном нагреве всего объема ВВ;

-самораспространяющиеся, которые протекают при возбуждении химической реакции сначала в небольшой части объема ВВ, откуда она с высокой скоростью самопроизвольно распространяется на весь объем ВВ. В промышленности применяют самораспространяющиеся взрывы.

Взрывчатое превращение представляет собой совокупность реакций окисления горючих элементов, входящих в состав ВВ (С, Н), за счет кислорода, также входящего в состав ВВ, поэтому взрыв происходит в любых условиях замкнутого пространства без доступа кислорода извне.

Для возбуждения взрыва веществу необходимо сообщить начальный импульс достаточной интенсивности, вызывающий быструю химическую реакцию в ВВ, сопровождающуюся возникновением в нем незатухающей ударной волны.

В зависимости от интенсивности внешнего воздействия процесс химического превращения ВВ может протекать в трех формах:

1 – термическое разложение – сравнительно медленный процесс распада вещества при его нагреве ниже температуры вспышки, происходящий во всем объеме ВВ. Скорость распада возрастает с увеличением температуры нагрева ВВ. В случае преобладания теплового выделения в результате экзотермической реакции распада ВВ над отводом тепла в окружающую среду, процесс термического разложения может перейти в горение.

2 – горение – самораспространяющийся процесс химического превращения ВВ, происходящий в сравнительно узкой зоне(основании пламени), которая перемещается по ВВ в результате прогревания впередилежащих -по верхностных слоев ВВ до температуры вспышки. Различают стационарное горение, распространяющееся с постоянной скоростью(от миллиметров до нескольких метров в секунду), и нестационарное (взрывное) – распространяющееся с непостоянной нарастающей скоростью (до сотен м/с). При резком

2

нарастании скорости горения, сопровождающемся образованием волн сжатия впереди пламени, возможен переход горения в детонацию.

3 – детонация – процесс перемещения по заряду ВВ с очень высокой скоростью (от 3-5 до 7 км/с) зоны химической реакции со скачкообразным повышением давления на крутом фронте волны.

Детонационная волна – это перемещающаяся по ВВ ударная волна, которая адиабатически сжимает и разогревает ВВ, вызывая в нем химическую реакцию взрывчатого превращения. При этом нагретые до десятков тысяч градусов газообразные продукты взрыва(ПВ), занимающие первоначально объем исходного вещества, развивают давление несколько десятков тысяч МПа.

5.2. Основы теории детонации ВВ

Под действием ударной волны происходит разрушение молекул ВВ, и, освободившись от связей, нагретые до высокой температуры горючие элементы и кислород вступают в зоне7 за фронтом ударной волны2 в химическую реакцию с выделением тепла и превращением ВВ в газообразные ПВ(рис. 5.1).

6 7

5

ВВ

D

1

4

2

3

Рис. 5.1. Схема детонации заряда ВВ:

1 – детонационная волна; 2 – ударная волна; 3 – фронт расширения ПВ; 4 – фронт волны разрежения; 5- зона не расширившихся газов; 6 – плоскость Чепмена – Жуге; 7 – зона химической реакции;

D – скорость распространения волны детонации по заряду ВВ.

Комплекс из ударной волны2 и зоны химической реакции7 представляет собой детонационную волну 1. От зоны химической реакции распространяется фронт расширения ПВ 3, а с периферии к центру заряда по наклонной к оси плоскости распространяется фронт волны разрежения 4. В центре заряда в виде конуса формируется зона не расширившихся газов5. Зона химической реакции 7 ограничивается плоскостью Чепмена – Жуге 6, давление ПД в которой примерно в 2 раза ниже, чем во фронте детонационной волны сжатия.

3

(Д. Чепмен из Англии, Е. Жуге из Франции – создали в конце XIX века первые математические модели детонационной волны).

На профиле детонационной волны, построенном в координатах давление (Р) – расстояние (Х), адиабатическому сжатию ВВ соответствует прямая

АВ (рис. 5.2).

P

X

Рис. 5.2. Профиль детонационной волны

Зоне химической реакции соответствует участокВС на кривой падения давления, участок кривой CF характеризует спад давления в расширяющихся ПД.

Головную часть волны химической реакции принято называтьхимическим пиком (см. рис. 5.2, участок ВС). В зоне химического пика скорость распространения выделившейся теплоты выше скорости детонационной волны, благодаря чему происходит"подпитка" волны детонации, за счет выделившейся в химическом пике энергии, что обеспечивает её устойчивость и самораспространение.

Основным условием устойчивости детонации заряда ВВ является пре-

обладание количества энергии, выделившейся в зоне химического пика, над потерями энергии в этой зоне вследствие расширения ПД, и наоборот...

5.3. Факторы, влияющие на устойчивость детонации ВВ

Все факторы, влияющие на скорость и устойчивость детонации ВВ в заряде, условно разделяют на 2 группы:

1 – зависящие от состояния ВВ

1.1. Дисперсность ВВ.

Детонационная способность особенно смесевых ВВ зависит равномерности перемешивания иразмеров частиц составляющих компонентов. Чем меньше частицы, тем быстрее завершаются их разложение, смешивание элементов и вторичное взаимодействие газов первичного превращения.

1.2. Чувствительность ВВ к начальному импульсу.

Возбуждение детонации в заряде ВВ обеспечивается любым внешним воздействием достаточной интенсивности, вызывающим благодаря развитию высокого давления разрыв внутримолекулярных связей вещества и быструю химическую реакцию, сопровождающуюся возникновением незатухающей ударной волны.

4

Вкачестве внешнего воздействия для инициирования взрывов в зарядах

ВВприменяют взрывы малых зарядов инициирующих ВВ, которые должны обеспечивать необходимое давление в волне сжатия.

Показателем чувствительности к начальному импульсу считают минимальную массу инициирующего заряда ВВ, который обеспечивает возбуждение детонации в испытываемом ВВ, и называют минимальным инициирующим импульсом, измеряемым в граммах гремучей ртути.

Взависимости от интенсивности инициирующего импульса начальная скорость детонации в заряде ВВ может быть выше или ниже скорости детонации этого ВВ (рис. 5.3).

D

Dmax

D вв

D min

Рис. 5.3. Зависимость скорости детонации заряда ВВ от интенсивности начального импульса:

Dmin, Dmax – минимальная и максимальная скорости детонации инициирующего ВВ, вызывающего детонацию заряда;

Dвв – скорость детонации взрываемого промышленного ВВ; lз –длина заряда

Влияние интенсивности инициирующего импульса на скорость детонации заряда ВВ сказывается лишь на начальном участкеI развития (разгона, замедления) детонации, а на участке II, равном (от 1 до 2) диаметров заряда dз, скорость детонации стабилизируется.

Для безотказного инициирования зарядов промышленных ВВ необходимо сообщить достаточно мощный точечный импульс, который вызовет начальную детонацию в некоторой критической массе взрываемого заряда, способной обеспечить самораспространение детонации по всей массе ВВ с характерной для него скоростью.

Для ВВ с пониженной чувствительностью к начальному импульсу применяют дополнительный инициатор в виде тротиловой шашки или патронабоевика с другим более чувствительным ВВ.

2 – зависящие от условий взрывания ВВ:

2.1. Диаметр заряда

2.1.1.Критический dкр – такой диаметр зарядаdз, при дальнейшем уменьшении которого детонация заряда ВВ становится неустойчивой, скорость детонации Dкр наименьшая, т. е. происходит её затухание (рис. 5.4.).

2.1.2.Предельный dпр – такой диаметр заряда ВВ, при котором обеспечивается максимальная (идеальная) скорость детонации ВВDи, и при дальнейшем увеличении которого скорость детонации ВВ не увеличивается.

5

D

Dи

Dкр

Рис. 5.4. Зависимость скорости детонации D от диаметра заряда dз:

Dи , Dкр – соответственно идеальная и критическая скорость детонации ВВ; dкр, dпр – критический и предельный диаметр заряда ВВ.

2.2. Плотность ВВ в заряде.

С увеличением плотности p индивидуальных ВВ скорость детонации D возрастает до максимального значения (кривая 1, рис. 5.5).

Для смесевых ВВ различают плотность ВВ в заряде:

1. Насыпная pн – плотность ВВ в разрыхленном естественном состоя-

нии;

2.Оптимальная pопт – плотность смесевых ВВ, при которой скорость детонации максимальна (точка А на кривой 2, рис. 5.5.), так как с уменьшением расстояния между частицами компонентов, составляющих ВВ, улучшаются условия передачи теплоты от частицы к частице, а также условия для взаимодействия химических элементов, образовавшихся в процессе первичной химической реакции.

3.Критическая pкр – плотность смесевого ВВ, при которой скорость детонации уменьшается до её полного затухания, так как с дальнейшим уменьшением расстояния между частицами, уменьшается их свободная поверхность, что затрудняет восприятие ими теплоты, их поджигание и распространение химической реакции на их поверхности.

Таким образом, при переуплотнении смесевых ВВ в зарядах происходят затухание детонации и отказы взрывов. (Так, аммиачная селитра, входящая в состав переуплотненного ВВ, ведет себя как инертное вещество, поглощающее тепло и не поддерживающее химическую реакцию горения).

D

1

А

2

Рис. 5.5. Зависимость скорости детонации D

от плотности ВВ p: 1 – для индивидуальных ВВ; 2 – для смесевых ВВ.

7

3.Неплотная досылка патронов ВВ в шпуры при заряжании.

4.Недостаточное разрыхление слежавшихся ВВ в патронах перед -до сылкой их в шпуры.

5.Переувлажнение ВВ в обводненных шпурах.

5.5.Методы оценки и средства обеспечения устойчивости детонации

Сопротивляемость ВВ канальному эффекту определяют путем по-

мещения 5 патронов исследуемого ВВ в бумажной оболочке длиной250 мм и диаметром 20 мм в стальную трубу с внутренним диаметром36 мм и длиной 1,25 м. В первый патрон вставляют ЭД мгновенного действия и взрывают заряд. Мерой сопротивляемости канальному эффекту является длина участка сдетонировавшего заряда до места затухания детонации (для аммонита ПЖВ-20 эта длина 76-79 см, для угленита Э-6 – 35 см).

Средством повышения устойчивости детонации является соблюдение технологии БВР, ЕПБ:

-Соблюдение минимально допустимых расстояний между зарядами в массиве пород для предотвращения откольного эффекта, прорыва газообразных ПД.

-Очищение шпуров и скважин от буровой мелочи перед заряжанием.

-Применение водоустойчивых ВВ.

-Использование забойки зарядов.

-Применение промежуточных инициаторов для малочувствительных

ВВ.

-Применение патронов ВВ с диаметром, соответствующим диаметру

шпура.

-Разрыхлять слежавшиеся ВВ.

-Соблюдение технологии заряжания.