lukyanov-взрывные работы

да. Реакции взрывчатого превращения позволяют определять характеристики ВВ (теплоту, температуру, объём и давление газов взрыва).

Втабл. 2.1 приведены значения кислородного баланса некоторых

ВВи их компонентов.

Смешивая в определённой пропорции ВВ с отрицательным и положительным кислородным балансом, получаем ВВ с нулевым или близким к нулю кислородным балансом. Примером такой смеси из тротила и аммиачной селитры является аммонит 6ЖВ. Добавляя в ВВ с положительным кислородным балансом горючие добавки, можно получить взрывчатую смесь большей работоспособности.

Характеристика взрывчатых превращений некоторых ВВ приведена в табл. 2.2.

Таблица 2.1

Кислородный баланс некоторых ВВ и их компонентов

Смешивая в определённой пропорции ВВ с отрицательным и положительным кислородным балансом, получаем ВВ с нулевым или близким к нулю кислородным балансом. Примером такой смеси из тро-

141

тила и аммиачной селитры является аммонит 6ЖВ. Добавляя в ВВ с положительным кислородным балансом горючие добавки, можно получить взрывчатую смесь большей работоспособности.

Промышленные ВВ для взрывания в подземных условиях обычно имеют незначительный положительный кислородный баланс – от 0,1 до 4 %. Избыток кислорода расходуется на окисление бумажных оболочек и парафинового покрытия патронированных ВВ.

Таблица 2.2

Характеристика взрывчатых превращений некоторых ВВ

Состав газообразных продуктов взрыва зависит не только от химического состава ВВ, но и от условий взрывания заряда (степени ограничения пространства, в котором расположен заряд, влажности ВВ) и свойств породы, влияющих на протекание вторичных химических взрывных реакций.

На карьерах разрешается применять ВВ с кислородным балансом, отличным от нулевого, однако при крупных взрывах и при взрывании на глубоких горизонтах карьеров при определении опасной зоны необходимо учитывать направление движения газового облака после взрыва, чтобы избежать случаев отравления рабочих. С увеличением глубины

142

карьеров целесообразность применения ВВ с нулевым кислородным балансом с точки зрения санитарно-гигиенических условий атмосферы и охраны окружающей среды увеличивается.

Для придания определённых свойств при изготовлении смесевых

ВВв их состав вводят следующие компоненты: горючие вещества,

окислители, сенсибилизаторы, стабилизаторы, флегматизаторы и пламегасители (последние только в составе предохранительных ВВ).

Горючие вещества вводятся в состав ВВ для увеличения количества энергии, выделяемой при взрыве. В качестве горючих веществ применяют твёрдые или жидкие компоненты (как правило, невзрывчатые, типа тонкоизмельченного угля, древесной муки, солярового масла), богатые углеродом и водородом, или пудры (алюминия, магния и т. д.), способные легко окисляться и выделять большое количество тепла и газов. Роль горючих веществ выполняют также некоторые взрывчатые компоненты (тротил, гексоген и т. п.), имеющие в своём составе недостаточное количество кислорода для полного окисления углерода. При этом часть углерода реагирует с избыточным кислородом окислителя, повышая тем самым общую энергию взрыва.

Окислители содержат избыточный кислород и вводятся в состав

ВВдля окисления горючих элементов. В качестве окислителя применяют аммиачную, калиевую и натриевую селитры, перхлораты калия и натрия, жидкий кислород и т. д.

Вкачестве сенсибилизаторов обычно используют чувствительные мощные ВВ: тротил, нитроглицерин, нитрогликоль, гексоген и т. п. Иногда роль сенсибилизатора выполняют и невзрывчатые вещества, такие как соляровое масло (не более 6 %), уголь или древесная мука.

Стабилизаторы – вещества, вводимые в состав ВВ для повышения их химической и физической стойкости. В качестве стабилизатора в аммонитах используют древесную, жмыховую и торфяную муку, а в динамитах – мел и соду. Стабилизаторы, применяемые в аммонитах, выполняют также роль горючих добавок и разрыхлителей, уменьшая слёживаемость ВВ.

Флегматизаторы вводятся в состав ВВ для снижения чувствительности его к механическим воздействиям. В качестве флегматизатора используют вазелин, различные масла, тальк, парафин и т. п. Эти вещества обволакивают частицы ВВ, не вступая с ними в реакцию, и тем самым снижают его чувствительность к механическим воздействиям.

Пламегасители – вещества, вводимые в состав ВВ для снижения температуры взрыва и уменьшения вероятности воспламенения метано- и пылевоздушных смесей в шахтах. В качестве пламегасителей применяют хлористый натрий, хлористый калий и т. п.

143

Пластификаторы вводятся в состав ВВ для придания ему текучести. В качестве пластификаторов обычно используют загущенные водные растворы.

Контрольные вопросы

1.Дайте определение понятию взрыва.

2.Какие виды взрыва Вы знаете?

3.Что такое химический взрыв?

4.Назовите обязательные условия протекания химического взрыва.

5.Что такое кислородный баланс?

6.Какие ядовитые газы выделяются при взрыве?

7.Какие принципы составления рецептуры ВВ обеспечивают наилучшие энергетические показатели взрыва и обеспечивают минимальное выделение ядовитых газов?

2.3. Детонация взрывчатых веществ

Детонация – чрезвычайно быстрое распространение ударной волны по ВВ с постоянной сверхзвуковой скоростью порядка нескольких тысяч метров в секунду.

В разное время явление детонации объяснялось различными предположениями и теориями.

Большой вклад в теорию детонации внесли В.А. Михельсон, С. Чепмен, Е. Жуге, которые связали явление детонации с прохождением по ВВ ударной волны. Положения эти были в дальнейшем развиты и вошли в основу общепринятой в настоящее время гидродинамической теории детонации, которая нашла отражение в трудах советских учёных Я.Б. Зельдовича, Ю.Б. Харитона, Л.Д. Ландау, К.П. Станюковича и др.

Согласно гидродинамической теории детонацией считают перемещение по ВВ зоны химического превращения, ведомой ударной волной постоянной амплитуды. При этом амплитуда и скорость перемещения ударной волны постоянны, так как диссипативные потери, сопровождающие ударное сжатие вещества, компенсируются теплотой реакции превращения ВВ.

Ударная волна характеризуется скоростью распространения, превышающей скорость звука, и резким скачкообразным изменением параметров вещества – давления, плотности, температуры.

Формирование и характер распространения ударных волн определяются фундаментальными законами физики о сохранении массы вещества, изменении количества движения и энергии частицы.

144

Процессы формирования и распространения ударных волн по ВВ принято в теории описывать законами распространения волн в газах. Это обусловлено тем, что на фронте ударной волны в заряде ВВ возникают давления, на порядок и более превышающие прочность материала ВВ, что позволяет пренебречь силами сцепления между частицами и описать его состояние уравнениями газодинамики.

Совокупность ударной волны и прилегающей к ней зоны взрывчатого химического превращения ВВ называется детонационной волной.

При взрыве детонатора, выполняющего роль инициатора (начального импульса), продукты взрыва производят резкий удар по прилегающему к детонатору слою ВВ и формируют ударную волну. Среда

движется со скоростью (υw) вслед за фронтом ударной волны. Скорость ударной волны зависит от величины её амплитуды; ударная волна распространяется в виде однократного скачка уплотнения (рис. 2.3, а).

В результате действия ударной волны на её фронте возбуждается интенсивная, чрезвычайно быстро протекающая химическая реакция с выделением тепла и газов. Энергия реакции этого слоя поддерживает амплитуду и скорость распространения ударной (детонационной) волны на определённом уровне, обеспечивая постоянную скорость дето-

нации (υд) для данного диаметра заряда.

Следовательно, при детонации в каждый момент времени в реакции участвует очень ограниченная масса ВВ в слое, находящемся под действием переднего фронта детонационной волны.

Ширина зоны химической реакции очень мала и составляет для порошкообразных ВВ доли миллиметра, у гранулированных ВВ она увеличивается до 4 см. За фронтом детонационной волны начинается расширение продуктов детонации с образованием волны разрежения, распространяющейся к оси заряда (рис. 2.3, б). Фронт волны разрежения не достигает фронта детонационной волны, и остаётся динамически стабильный определённый объём нерасширившихся газов, прилегающих к детонационной волне, который поддерживает стабильность параметров волны. Если это динамическое равновесие нарушается, то скорость детонации или увеличивается (при увеличении объёма нерасширившихся газов), или затухает.

Изменение состояния ВВ в детонационной волне в координатах Р–V, где V – удельный объём или величина, обратная плотности ρ, показано на рис. 2.4.

Вещество с начальным объёмом V0 (точка А) сжимается в ударной волне до состояния M. При этом начинается химическая реакция и давление Рм достигает максимального значения. Идёт развитие реакции с выделением тепла и расширением продуктов взрыва, давление при этом

145

падает, а объём вещества увеличивается. Заканчивается реакция в точке К на ударной адиабате продуктов взрыва, называемой точкой Чепме- на–Жуге. Прямая АКМ, соединяющая параметры состояния исходного вещества с параметрами всплеска в состоянии максимального сжатия и завершения реакции, называется прямой Михельсона.

Рис. 2.3. Схема детонации заряда ВВ:

1 – продукты взрыва; 2 – фронт детонационной волны

Вещество в детонационной волне последовательно проходит все состояния по прямой АКМ. Участок АK отвечает зоне сжатия в ударной волне, участок КМ – зоне химической реакции. Давление Рм примерно вдвое больше давления Рк.

По гидродинамической теории детонации, разработанной Я.Б. Зельдовичем и Д.Н. Нейманом, ВВ при сжатии характеризуется ударной адиабатой 1 (адиабатой Гюгонио), а конечные продукты – адиабатой 2 (ударной адиабатой продуктов взрыва) (см. рис. 2.4).

Зона сжатия ВВ в ударной волне очень мала (до 0,1 мкм), зона химических реакций зависит от физических и химических свойств ВВ и имеет протяженность от 0,5 мм (для азида свинца) до 10 мм (для тротила). Продолжительность химической реакции в детонационной волне составляет 106 …10–7 с.

Параметры детонационной волны – давление, объём, температу-

ра в точке, скорость детонации и скорость распространения продуктов взрыва за фронтом детонации – рассчитываются путём решения системы уравнений, основанной на законах сохранения массы, количества движения, энергии, состояния продуктов детонации и так называемого правила отбора скорости детонации Чепмена–Жуге, согласно которому

146

в точке Жуге, характеризующей переход от адиабаты 1 к адиабате 2, скорость детонации

где W – скорость движения продуктов взрыва, м/с; с – скорость звука в продуктах взрыва, м/с.

Рис. 2.4.Ударная адиабата

Л.Д. Ландау и К.П. Станюковичем предложено уравнение политропы для состояния продуктов взрыва

где Р – давление; V – объём; п – показатель политропы, равный 3 для ВВ плотностью 1…1,2 г/см3.

Давление в плоскости Чепмена–Жуге рассчитывается с учётом основных законов сохранения и приведённых законов:

Скорость детонации находится по теплоте взрыва и показателю политропы продуктов взрыва из выражения

где Q – теплота взрыва, кДж/кг.

147

Из всех перечисленных параметров ВВ одним из наиболее важных является скорость детонации. Она, в частности, определяет давление в детонационной волне.

Процесс детонации промышленных ВВ значительно сложнее, чем газовых смесей. Плотность продуктов детонации этих ВВ достигает 2 г/см3, уравнение их состояния неизвестно, а скорость детонации в зависимости от плотности достигает 8 000 м/с, что в несколько раз превышает скорость детонации газов.

Основы теории детонации твёрдых ВВ разработаны советскими учеными Л.Д. Ландау и К.П. Станюковичем. Они впервые уподобили состояние продуктов во фронте детонации состоянию кристаллической решетки твёрдого тела.

Энергия твёрдого тела складывается из упругой энергии, обусловленной силами взаимодействия между молекулами, и из тепловой энергии колебаний частиц около их положений равновесия.

Л.Д. Ландау и К.П. Станюкович показали, что в условиях детонации можно учитывать только упругую энергию. Исходя из этого, они установили, что давление во фронте детонации пропорционально кубу плотности ВВ.

Скорость детонации может быть определена в зависимости от энергетической характеристики ВВ по формуле

где QTV – теплота взрыва ВВ при постоянном объёме, Дж/кг.

Из формулы (2.9) видно, что скорость детонации непосредственно зависит от энергетических характеристик ВВ, которые также определяют и остальные параметры взрыва (табл. 2.3).

Таблица 2.3 Расчётные параметры детонации некоторых ВВ

148

При теоретических исследованиях принято, что плоский фронт детонационной волны, распространяясь по заряду, сжимает впереди лежащие слои ВВ, вызывая их химические превращения. Такой механизм детонации называется гомогенным. Он сопровождается скоростями детонации 6…8 км/с. Расчёты показывают, что при меньших скоростях детонации на фронте волны однородного слоя ВВ будет недостаточно для возникновения химической реакции. В этом случае детонация возникает в результате разогрева отдельных очагов в сечении заряда. Такими очагами для порошкообразных и гранулированных ВВ являются пузырьки газа между частицами. Фактически в газообразных и жидких взрывчатых смесях происходит вращение фронта детонации и его пульсации, что является причиной неоднородности фронта.

Специфика промышленных ВВ состоит в том, что они являются физически и химически неоднородными системами, чем объясняются особенности их детонации. Промышленные ВВ представляют собой смеси разнородных по химическим и физическим свойствам материалов.

Скорость и устойчивость детонации промышленных ВВ зависят от типа ВВ, его дисперсности и плотности, диаметра заряда, наличия и характеристики оболочки.

При увеличении диаметра заряда d скорость детонации Q растёт и приближается к максимальному значению. Начиная с некоторого предельного диаметра dпр скорость детонации близка к предельной. При критическом диаметре dкр детонация становится неустойчивой и затухает. Критический диаметр – это значение диаметра, ниже которого детонация невозможна. Чем меньше критический диаметр, тем больше детонационная способность ВВ (рис. 2.5).

149

Впервые влияние диаметра на скорость детонации заряда было теоретически объяснено Ю.Б. Харитоном и развито Р.А. Баумом.

Критический диаметр детонации открытого заряда гранулированных ВВ в бумажной оболочке составляет 60…120 мм, а в металлической трубке – 10…30 мм.

Если заряд окружён оболочкой, затрудняющей разлёт продуктов взрыва, то критический диаметр заряда уменьшается. Например, порошкообразная аммиачная селитра плотностью 1 г/см3 в стеклянной трубке имеет критический диаметр 100 мм, а в стальной трубке со стенками толщиной 20 мм имеет диаметр 7 мм.

На скорость детонации влияют главным образом инерционные свойства оболочки и её сжимаемость, оказывающие влияние на устойчивость детонации и прочность оболочки при малых плотностях заряжания. Оболочка только при меньших диаметрах позволяет получить предельные скорости детонации, а при больших диаметрах скорости детонации для зарядов в оболочке и без оболочки становятся одинаковыми (рис. 2.6).

В зарядах малого диаметра необходимо обеспечивать тщательное заполнение ВВ в шпуре, чтобы шпур выполнял роль оболочки. При взрывах зарядов большого диаметра оболочка не влияет на устойчивость детонации. Оболочка не оказывает существенного влияния на скорость детонации зарядов однокомпонентных ВВ большой плотности, но сильно сказывается на скорости детонации зарядов средней плотности.

Ниже приведены значения критического диаметра (мм) некоторых ВВ (плотность 0,9…1,1 г/см3, размер частиц 0,18 мм):

Плотность ВВ существенно влияет на устойчивость и скорость детонации. Для однородных (индивидуальных) ВВ (тротил, гексоген, тэн и др.) с увеличением плотности ширина зоны реакции в детонационной волне сокращается и соответственно уменьшаются dпр и dкр, скорость детонации увеличивается (рис. 2.7, кривая 1).

150