lukyanov-взрывные работы

личины импульса может быть получена скорость детонации vд выше или ниже характерной для данного заряда, но в любом случае на участке, равном примерно диаметру заряда dз, эта скорость стабилизируется и дальше будет постоянной по всей длине заряда Lз (рис. 2.9).

Поэтому для инициирования любого заряда необходимо иметь достаточно мощный точечный источник, от которого детонация будет распространяться с характерной для данного диаметра скоростью.

Контрольные вопросы

1.Какие режимы химического разложения ВВ Вы знаете?

2.Что такое детонация ВВ?

3.Дайте определения понятию фронта детонации.

4.Какие основные компоненты ВВ Вы знаете?

5.Что такое критический диаметр заряда?

6.Как плотность ВВ влияет на скорость детонации и критический диаметр?

7.В какой части заряда мощность инициирующего импульса определяет режим детонации?

8.Как оболочка влияет на скорость детонации?

152

2.4. Общие положения о работе и балансе энергии при взрыве. Энергетические характеристики взрыва

Работа взрыва представляет собой процесс чрезвычайно быстрого расширения раскалённых газообразных продуктов взрыва с почти мгновенным превращением тепловой энергии в механическую.

Работа взрыва проявляется в полезных формах по выполнению функций, возложенных на взрыв, и бесполезных, связанных с неизбежными потерями и вредным воздействием на окружающую среду. Формы работы взрыва существенно меняются в зависимости от условий проведения и целей его применения. Применительно к взрывным работам общего назначения в скальных породах наибольшее значение имеет работа дробления и перемещения пород, в рыхлых – простреливание (образование полостей), уплотнение и выброс. При проведении специальных видов взрывных работ определяющей может являться работа по образованию направленных трещин или щелей, отверстий, сейсмической волны и т. д.

Работа взрыва совершается за счёт теплоты, выделившейся при взрыве. В наиболее общем виде распределение энергии взрыва может быть оценено диаграммой А.Ф. Беляева (рис. 2.10). В качестве исходной взята потенциальная химическая энергия ВВ. Поскольку реализация потенциальной энергии ВВ в условиях охлаждения неограниченно расширяющихся продуктов взрыва до абсолютного нуля лишена практического значения, ВВ сравнивают между собой по максимальной работе, которую могут совершить продукты взрыва при адиабатическом расширении до атмосферного давления и охлаждении до температуры 18 °С. Эта работа называется полной идеальной работой взрыва АП, которая, исходя из основных законов термодинамики, составляет:

где Р0 – атмосферное давление, Па; V0 – объём продуктов взрыва, образующихся при взрыве 1 кг ВВ в нормальных условиях, м3; Т1 – температура продуктов взрыва в момент его совершения, °С; Т2 – температура продуктов взрыва после их расширения и охлаждения до нормальных условий, °С; k – отношениетеплоёмкостей припостоянныхдавлениииобъёме.

153

Рис. 2.10. Баланс энергии при взрыве:

А – потенциальная энергия ВВ; Б – полная фактическая тепловая энер-

гия взрыва; В – полная фактическая работа взрыва; I – химические потери; II – идеальные тепловые потери; III – потери тепла на нагревание окружающей среды;

IV и V – бесполезные и полезные формы механической работы

Полная идеальная работа взрыва может быть также определена из следующего выражения:

где Р1 – начальное давление газов взрыва, Па; Р2 = 1,01·105 Па – атмосферное давление; Qв – полная теплота взрыва, Дж/кг.

При взрыве в сплошной среде с сопротивлением сжатия Р1 = Р2 полная работа уменьшается, а потеря тепла увеличивается. Максимальную работу, которую могут совершить газы взрыва при условии перехода всей внутренней энергии в механическую работу, называют потенциалом ВВ. Из-за возможности частичного разброса непрореагировавшего ВВ, недостаточной полноты взрывчатого превращения или других процессов фактическая теплота взрыва будет меньше на величину потерь. Относительный процент химических потерь увеличивается с уменьшением диаметра заряда. Использование прочных оболочек зарядов уменьшает эти потери. Химические потери максимальны при взрыве наружных зарядов, а также слежавшихся, увлажнённых, переуплотненных и грубодисперсных ВВ.

Полная фактическая тепловая энергия взрыва не полностью превращается в механическую работу. Определённая доля тепловой энергии взрыва расходуется на идеальные тепловые потери, обусловленные поглощением тепла твёрдыми частицами в продуктах взрыва и повышенной теплоёмкостью многоатомных газов. Пылевые частицы пород, смешиваясь с продуктами взрыва в процессе их расширения, отнимают значительное ко-

154

личество тепловой энергии. В зависимости от условий взрывания суммарныетепловыепотеримогутсоставлять 40…60 % общейэнергиизарядаВВ.

Если из полной потенциальной энергии ВВ вычесть химические и тепловые потери, то оставшаяся часть потенциальной энергии будет характеризовать величину полной фактической работы взрыва, которая представляет собой сумму всех видов механической работы: полезных, вредных и бесполезных, совершаемых взрывом по разрушению и сжатию твёрдой среды, перемещению взорванной массы, разбросу кусков породы, образованию трещин и заколов.

Таким образом, полная фактическая работа взрыва будет равна

где Qп – суммарные тепловые потери, Дж/кг.

При взрыве скважинного заряда энергия взрыва бесполезно тратится на переизмельчение пород, образование заколов, разброс кусков породы, сейсмическое колебание массива, образование воздушной волны в пылегазовом облаке, когда продукты взрыва, имея значительную температуру, двигаясь по поверхности, не совершают полезной работы. Если взрыв произведён на поверхности массива, то полная работа взрыва остаётся прежней, работа на разрушение среды уменьшится, а затраты энергии на образование воздушной волны увеличатся.

Таким образом, если величина полного КПД взрыва

равна 0,7–0,8, то полезный КПД взрыва ηп = Aп.ф / Ап составляет всего

10…20 % при взрывании на рыхление и 3…6 % при взрывании на выброс (Ап.ф – полезная механическая работа). Поскольку точная теоретическая и экспериментальная оценки полезных форм работы взрыва пока невозможны, различные ВВ между собой сравнивают несколькими практическими способами. Эти способы будут рассмотрены ниже.

Основными характеристиками ВВ, определяющими его потенциальную энергию, потенциальную и фактическую работу взрыва, являются теплота и температура взрыва, объём и давление взрывных газов. Эти величины характеризуют параметры идеализированного процесса взрыва и не учитывают коэффициент полезного использования энергии. Вместе с тем они дают вполне объективную характеристику энергетического эффекта взрыва и могут быть использованы на практике.

Теплотой взрыва называют количество тепла, выделяющегося при взрывном превращении 1 моля или 1 кг ВВ. Теплоту взрыва можно определить расчётным путём через теплоту образования веществ. Вычисления основываются на термохимическом законе Гесса, согласно которому тепловой эффект реакции зависит не от пути реакции, а только от на-

155

чального и конечного состояния системы. В соответствии с этим конечный тепловой эффект реакции, т. е. теплота превращения ВВ в продукты взрыва (теплота взрыва, Дж/моль), Qв равен разности теплоты образования продуктов взрыва Qп.в и исходных ВВ или их компонентов QВВ, т. е.

где МВВ – молекулярная масса ВВ.

Для 1 кг взрывчатой смеси теплота взрыва определяется по формуле

где q1, q2, …, qn – теплота образования продуктов взрыва; n1, n2, …, nn – число образовавшихся молей продуктов взрыва; Qн1, Qн2, ..., Qнn – теплота образования компонентов взрывчатой смеси; N1, N2, ..., Nn – число их киломолей в 1 кг смеси; М1, M2, ..., Mn – молекулярная масса компонентов.

Теплота образования некоторых ВВ, составных частей взрывчатых смесей и продуктов взрыва приведена в табл. 2.4.

Теплота взрыва ВВ, имеющих отрицательный кислородный баланс, зависит от плотности заряда. С увеличением плотности теплота взрыва возрастает, причём в тем большей степени, чем более отрицателен кислородный баланс. Это объясняется тем, что с увеличением плотности растёт давление продуктов взрыва и соответственно смещается вправо равновесие реакции генераторного газа в продуктах взрыва, сопровождающееся выделением тепла:

В целом теплота взрыва большинства ВВ находится в пределах 3200…6600 кДж/кг. Сравнивая с теплотой сгорания 1 кг, например, угля или бензина (соответственно 33 600 и 42 000 кДж), видно, что при взрыве энергий выделяется в 5–12 раз меньше. Если рассчитать теплоту горения 1 кг смеси топлива с кислородом, то разница становится меньше, но ещё достаточно большая – в 1,5–3 раза. Поэтому очевидно, что огромное разрушающее действие взрыва обусловлено только громадной его мощностью, которая, например, при взрыве всего 200 г аммонита 6ЖВ превышает 1,1 ГВт за счёт скорости высвобождения энергии.

156

Таблица 2.4

Теплота образования некоторых ВВ, составных частей взрывчатых смесей продуктов взрыва

Для расчёта теплоты взрыва необходимо знать уравнение взрывчатого превращения ВВ.

Например, требуется определить теплоту взрыва нитроглицерина, взрывчатое превращение которого протекает следующим образом:

157

С3Н5(ОNО2)3 →ЗСО2 + 2,5Н2О + 1,5N2 + 0,25О2.

Теплота образования нитроглицерина Q1–2 = 351 кДж/моль. Теплота образования продуктов взрыва

Q1–3 = Qсо2 + Qн2о= 3qсо2 + 2,5qн2о=3 × 396 + 2,5 × 241 = 1790 кДж/моль.

Теплота взрыва при постоянном давлении

Q2–3 = Q1–3 – Q1–2 = 1790 – 351 = 1439 кДж/моль.

Теплота взрыва при постоянном объёме QV связана с Qр следующими выражениями:

•если охлаждение продуктов взрыва идёт до 15 °С (288 К), то

QV = Qр + 0,572 n;

•если до 25 °С (298 К), то QV = Qр + 0,592 п (п – число молей газообразных продуктов взрыва).

Следовательно, если принять температуру среды за 15 °С, то

QV = 1439 + 0,572(3 + 2,5 + 1,5 + 0,25) = 1439 + 4,2 = 1443,2 кДж/моль.

В расчёте на 1 кг ВВ выделившаяся теплота составит

Q1 = QV · 1000/Mвв = 1443·1000/227 = 6357 кДж/кг.

Температура взрыва – максимальная температура, до которой нагреваются продукты взрыва. Из-за сложности опытного определения по спектру светового излучения температуру взрыва обычно вычисляют, принимая процесс взрыва адиабатическим. В действительности имеются потери тепла на нагревание окружающей среды и некоторое расширение газов. Время реакции промышленных ВВ настолько мало, что этими факторами можно пренебречь.

Температура взрыва вычисляется по формуле

где QВ – теплота взрыва ВВ, кДж/моль; СV = а + bТ – теплоёмкость отдельных продуктов взрыва при постоянном объёме, зависящая от температуры, Дж/(моль·С); а и b – эмпирические коэффициенты.

Подставив значение СV и решивуравнениеотносительноT, получим:

Продукты взрыва состоят из газов, теплоёмкость которых различна, поэтому величина Σ па означает суммарную мольную теплоемкость всех газов взрыва при температуре 0 °С, т. е. Σ па = п1а1 + п2а2 + … + пnаn.

Точно так же величина Σ па означает суммарное приращение мольной теплоёмкости газов при повышении их температуры на 1°С:

158

Теплоёмкость некоторых газов в зависимости от температуры, Дж/(моль·°С)

Зная температуру взрыва, можно правильно выбрать тип ВВ при взрывании в шахтах, опасных по скоплению газа и пыли. Температура взрыва колеблется от 1 800 °С для предохранительных ВВ до 4 500 °С для гексогена и тэна. При этом максимальная температура, до которой могут нагреваться продукты взрыва, зависит от состава, влажности ВВ и вида образуемых продуктов взрыва. Температура увеличивается при добавке алюминиевой пудрыиуменьшается привведениивсостав ВВинертныхсолей.

Объём газов взрыва, согласно закону Авогадро, равен объёму, который занимает 1 моль различных газов при 0 °С и давлении 1,01·105 Па, и со- ставляет22,42·10-3 м3. Объёмгазов(м3), образующихсяпривзрыве1 кгВВ,

где п – число молей газообразных продуктов взрыва; m – число молей составных частей ВВ; М – относительная молекулярная масса составных частей ВВ.

При постоянном давлении и любой температуре объём (м3) газов при взрыве 1 кг ВВ определяют по формуле

где Тг – температура газов взрыва, °С.

Объём газов, образуемых какой-либо смесью компонентов (химических соединений или элементов), определяется как сумма объёмов газов, образуемых отдельными компонентами смеси.

При взрыве заряда выделяются газы, оказывающие огромное давление на окружающую среду. Оно зависит от удельного объёма газов, температуры взрыва, плотности заряда и других факторов.

Давление газов взрыва в зарядной камере определяется исходя из объединенных законов Бойля–Мариотта и Гей–Люссака по уравнению Клайперона:

159

где Ро = 1,01·105 Па – атмосферное давление при температуре 0 °С; VО – объём газов взрыва ВВ (м3) при 0 °С и давлении 1,01·105 Па; Т – темпе-

ратура взрыва, считая от абсолютного нуля, К; V – объём зарядной камеры, м3.

Для идеальных газов

где Тс – температура газов взрыва, °С.

При очень высоком давлении, которое в момент взрыва возникает в зарядной камере (шпуре), плотность газов взрыва близка к плотности жидкости. При определении давления газов взрыва нельзя пренебрегать объёмом молекул этих газов. Поэтому давление газов взрыва рассчитывают по упрощенному уравнению Ван-дер-Ваальса (расчёт «статического давления газов при мгновенном взрыве»):

где α – коволюм газов взрыва, определяемый объёмом, занятым молекулами.

При плотности заряжания ВВ, равной 0,5…1,0 г/см3, α = 0,001 Vо. Для твёрдых продуктов взрыва коволюм определяют по выражению

где nт – количество атомов выделившегося твёрдого продукта (углерода); А – атомная масса твёрдого продукта; γт – удельная масса твёрдого продукта; Mвв – молекулярная масса ВВ.

Объём зарядной камеры заменим на плотность заряжания ВВ ( = М/V). Тогда при М = 1 (единичная масса) получим уравнение для расчёта давления газов взрыва:

Например, требуется определить давление газов при взрыве заряда тротила, имеющего плотность заряжания 0,9 кг/дм3, температуру взрыва 2 950 °С и удельный объём газов взрыва 750 л/кг. Для этого находим температуру взрыва:

Т = Тс + 273 = 2950 + 273 = 3 223 °С.

Затем определяем расчётное давление газов при взрыве 1 кг заряда тротила:

160