lukyanov-взрывные работы

Эти расчёты дают достаточное представление о качественном влиянии отдельных факторов и в особенности плотности заряда (заряжания) на эффект взрыва.

Удельная энергия ВВ F, т. е. энергия, отнесённая к единице массы,

Давления, развивающиеся при взрывах различных ВВ, могут достигать от 0,3 до 20 МПа и выше. Они возможны благодаря огромным скоростям протекания самоускоряющихся реакций.

Контрольные вопросы

1.В каких формах проявляется работа взрыва?

2.Дайте характеристику распределению энергии взрыва. Каковы значения полного и полезного КПД взрыва?

3.Назовите основные характеристики ВВ, определяющие его потенциальную энергию, потенциальную и фактическую работу.

4.Что называется теплотой взрыва?

5.По какой формуле вычисляется температура газов?

6.Напишите выражение для определения объёма газов взрыва.

2.5. Экспериментальные характеристики взрыва

Превращение тепла взрыва в механическую работу происходит со значительными потерями. Поскольку точная теоретическая оценка полезных форм работы взрыва пока невозможна, различные ВВ сравниваются между собой несколькими экспериментальными способами. В дополнение к вышеупомянутым характеристикам взрыва экспериментальным путём определяют характеристики, дающие относительную оценку ВВ.

Промышленные ВВ подвергаются следующим испытаниям:

1.Для оценки взрывчатых свойств, характеризующих эффективность, производят экспериментальное определение скорости детонации, бризантности, работоспособности. Кроме того, экспериментальным путём для новых сортов определяют теплоту и работу продуктов

взрыва, объём, температуру и давление газов взрыва.

2. Для проверки качества ВВ, их соответствия ГОСТ 14839.19–69 и пригодности к применению определяют полноту детонации, способность к передаче детонации от патрона к патрону, влажность ВВ, химическую и физическую стойкости.

161

Для ВВ, содержащих нитроэфиры более 15 %, определяют экссудацию – выделение жидких нитроэфиров на оболочке патронов.

3.Для оценки чувствительности и опасности ВВ в обращении определяется чувствительность к тепловому импульсу, к удару и трению, к инициированию, склонность к пылению, электризации.

4.Для характеристики технологичности применения ВВ определяют сыпучесть, дисперсность, увлажняемость, водоустойчивость, расслаиваемость, слёживаемость.

Определение скорости детонации осуществляется скоростной киносъёмкой фоторегистраторами, точными приборами (осциллографами), реостатными датчиками и сравнением скорости детонации испытываемого ВВ со скоростью детонации стандартного образца (метод Дотриша).

Осциллографический метод может быть применён только в том случае, если испытуемое ВВ не является токопроводящим.

Стандартный метод определения скорости детонации – метод Дотриша. В полевых условиях геолого-разведочных партий более удобен метод Дотриша, модернизированный М.Я. Сухаревским и Ф.А. Першаковым, не требующий лабораторного оборудования. Сущность метода заключается в следующем: на боковой поверхности патрона по оси заряда диаметром 31 ± 1 мм и длиной 300 мм делают два отверстия, расстояние между которыми 200 мм. В них вставляют концы отрезков ДШ (рис 2.11). Расстояние от отверстия до капсюля-детонатора должно быть 80…100 мм. Два других конца шнура прикрепляют изоляционной лентой к жестяной пластинке толщиной 0,3…0,5 мм с прокладкой толщиной 10 мм.

При взрыве детонация распространяется по заряду и обеим ветвям ДШ. Длину отрезков шнура (обычно 0,6…1,1 м) рассчитывают так, чтобы встреча волн детонаций произошла в пределах пластинки, на которой в этом месте остается диагональная вмятина. Скорость детонации (м/с) вычисляют исходя из равенства времени распространения детонационных волн по отрезку 4, заряду ВВ и отрезку 6 (см. рис. 2.11), т. е.

где S – расстояние между отверстиями, в которые вставлены отрезки ДШ; а – длина свинцовой пластины; т – расстояние от конца пластины до точки встречи волн (углубления); υВВ и υДШ – скорости детонации соответственно ВВ и ДШ, откуда

Sυ

υBB = − −ДШ + . (2.29)

L1 L2 a 2m

162

шается. Дальность передачи детонации зависит также от плотности и упругости среды, в которой распространяется ударная волна: чем больше упругость и меньше плотность среды, тем больше дальность передачи детонации. Детонация через воздух передается на большее расстояние, чем через преграду(воду, дерево, глину, песоки т. д.).

В воздухе промышленные патронированные ВВ детонируют, если промежутки между патронами диаметром в 32…36 мм достигают 2…18 см. В воде это расстояние уменьшается в 5–6 раз, в известняках в 9–12 раз, в песке – в 2–8 раз. Передача детонации при наличии оболочки увеличивается до3–5 разиболее.

Испытание ВВ на передачу детонации производится следующим образом. Два патрона укладываются на ровной поверхности грунта так, чтобы они находились на одной оси. В один патрон вставляется электродетонатор или капсюль-детонатор с отрезком огнепроводного шнура, он является боевиком или активным патроном; второй патрон является пассивным. Детонатор вставляется с внешней стороны патрона. Между торцами патронов вставляются шаблоны размером, соответствующим требованию ГОСТа или ТУ. Патроны плотноприжимаюткшаблонамизатемшаблоныубираются.

После подрыва патрона-боевика исследуется место укладки обоих патронов. Если на месте расположения патронов в грунте образовались два углубления и длина каждого из них не меньше длины патрона, то, следовательно, детонация от боевого патрона передалась пассивному и оба патрона полностью взорвались. Если будет обнаружено только одно углубление и длина его меньше суммарной длины двух патронов, то фиксируется отказ передачи детонации.

Если при трёх испытаниях получена передача детонации, то считается, что ВВ выдержало испытание.

Взаимные переходы детонационной волны (I) в ударную (II) и обратно (III) при передаче детонации на расстояние схематично показаны на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Взаимные переходы детонационной и ударной волн при передаче детонации на расстояние

164

В случае отказа число опытов удваивается. Если при этом повторятся отказы, то партия ВВ бракуется. Слежавшиеся патроны аммонита перед испытанием разминают. При испытании ВВ, поступивших на склад в мешках, изготавливают патроны диаметром 31 ± 1 мм и массой 200 ± 10 г при плотности ВВ в патроне 0,95…1,05 г/см3. Затем проводят испытания. Испытание водоустойчивых ВВ проводят после выдержки патронов в воде на глубине 1 м в вертикальном положении в течение 1 ч. Патроны помещают в специальные футляры с отверстиями. При испытании к нижнему концу активного заряда должен быть обращен верхний конец пассивного заряда. Сами испытания проводят по обычной методике. В характеристиках патронированных ВВ обязательно указывается расстояние, на которое передается детонация между патронами. Эта величина является косвенной мерой чувствительности ВВ к внешнему импульсу. Чем больше расстояние, тем надежнее детонирует заряд.

Патроны водоустойчивых ВВ перед испытанием погружают в воду в вертикальном положении на глубину 1 м от нижнего торца.

Испытания на полноту детонации проводят для определения дето-

национной способности одного или нескольких патронов ВВ. Патроны укладывают на полигоне в один ряд торцами встык. Полнота детонации определяется по углублениям в грунте на месте расположения патронов и по отсутствию остатков бумаги и ВВ. Гранулированные ВВ помещают при насыпной плотности в бумажную гильзу заданного диаметра длиной более пяти диаметров заряда. Заряд инициируют капсюлем-детонатором через промежуточный детонатор (патрон аммонита 6ЖВ массой 200 г или шашка). При взрыве допускается разброс отдельных гранул и остатков бумажной оболочки. Партия ВВ считается выдержавшей испытания, если при трёх опытах наблюдается полная детонация. В случае получения отказа число опытов удваивается, и при повторном отказе партия ВВ бракуется. Установлено, что гранулированные и водосодержащие ВВ устойчиво детонируют при размещении заряда в массиве горных пород при диаметрах в 3–4 раза меньших, чем диаметр открытого заряда.

Характеристики ВВ, определяющие их способность производить общую работу и местное дробящее действие взрыва, называют работоспособностью. Общее действие взрыва, называемое фугасностью, проявляется в разрушении (дроблении), отрыве и метании значительных масс горных пород. Процесс заканчивается, когда остаточное давление газов уравновешивается противодавлением среды.

Работа в какой-либо полезной форме общего (фугасного) действия взрыва (дробление, выброс и др.) пропорциональна полной работе взрыва.

165

Местное действие взрыва, называемое бризантностью, совершается в непосредственной близости от поверхности заряда. Проявляется оно в очень сильном дроблении среды и происходит со значительными затратами энергии на пластические деформации. Определяется бризантное действие плотностью энергии на фронте детонационной волны, пропорциональной произведению плотности на квадрат скорости детонации ρD2. Завершается процесс при падении давления газов примерно до величины 4–6 значений прочности среды на сжатие. Затраты энергии на местное действие в прочных средах много меньше, чемнаобщее, однако вряде случаев могут достигать значительных величин, ухудшая общее действие взрыва. Бризантным действием обладают взрывчатые вещества, для которых характерным видом взрывчатогопревращенияявляетсядетонация.

Наиболее простым и распространенным методом определения фугасной работы взрыва является испытание ВВ по способу Трауцля в свинцовой бомбе. Свинцовая бомба (рис. 2.13) представляет собой цилиндр диаметром и высотой по 200 мм из рафинированного свинца. По оси бомбы просверлен канал диаметром 25 мм и глубиной 125 мм. Канал имеет объём 61 см3. Внутри канала не должно быть раковин, поверхность свинцового цилиндра не должна иметь отслоений. На дно канала помещают 10 г испытываемого ВВ, завёрнутого в оловянную фольгу, с капсюлем-детонатором или электродетонатором таким образом, чтобы дно его находилось от дна патрона на расстоянии 1/3 высоты заряда. Затем канал засыпают сухим мелкимкварцевым пескомбез уплотненияивзрываютзаряд ВВ.

166

После взрыва канал бомбы принимает грушевидную форму. Её очищают от песка и замеряют образовавшийся объём полости при помощи воды, наливаемой из мерного сосуда. Из полученного объёма полости вычитают объём канала бомбы до взрыва (61 см3), а также объём расширения, полученный за счёт взрыва детонатора (28,5…30 см3). Разность объёмов характеризует величину относительной работоспособности

данного ВВ. Эта разность объёмов и принимается за меру работоспособности, которая у большинства ВВ составляет 250…550 см3.

Работоспособность ВВ определяют также с помощью баллистической мортиры или маятника.

Баллистическая мортира (рис. 2.14) представляет собой массивный цилиндр, подвешенный на тягах в виде маятника. В корпусе имеются взрывная камера, где подрывается заряд (обычно массой 10 г), и расширительная камера, в которой помещается массивный поршень-снаряд. При взрыве поршень-снаряд выбрасывается из мортиры, а сама мортира отклоняется на некоторый угол α, фиксируемый специальным устройством.

По углу отклонения мортиры оценивается эффективность ВВ. За стандарт принимается отклонение мортиры при взрыве ВВ массой 10 г. Для сравнительной оценки другого ВВ определяют заряд, вызывающий такое же отклонение мортиры.

На рис. 2.15 показана схема двухмаятниковой баллистической установки. В торце одного из маятников имеется камера для заряда ВВ массой 10 г, торец второго маятника закрывает зарядную камеру. При взрыве заряда оба маятника отклоняются практически на одинаковый угол.

Работоспособность вычисляют по формуле

где М – масса одного маятника; g = 9,81 м/с – ускорение свободного падения; l – длина подвески маятника; α – угол отклонения маятника (для промышленных ВВ α = 20…35°).

Угол отклонения маятника при испытании промышленных ВВ составляет от 14° (углениты) до 33° (детониты, аммониты). Работоспособность ВВ относительно тротила по данным испытания и по способу Трауцля расходится не более чем на 7 %. Столь малое расхождение результатов испытания позволило заменить испытания по способу Трауцля испытаниями на данной установке.

Работоспособность грубодисперсных ВВ оценивают по воронкообразованию (взрывают заряд в заданной горной породе и определяют объёмы разрушения) или по дроблению породных блоков и кубиков (взрывают блоки или кубики и определяют качество дробления).

167

Большое влияние на фугасные свойства ВВ оказывают их детонационные характеристики. Обычно в крепких скальных породах большее фугасное действие производят ВВ, детонирующие с большей скоростью, а в мягких грунтах – с меньшей скоростью.

Рис. 2.15. Схема двухмаятниковой баллистической установки:

1 – рама; 2 – мортира; 3 – заряд ВВ; 4 – подвеска; 5 – ловитель; 6 – фиксатор угла отклонения мортиры;

7 – лебёдка для спуска мортиры

Рис. 2.16. Схема к определению бризантности ВВ:

а– устройство перед взрывом;

б– обжатый свинцовый столбик

Бризантность принято оценивать величиной кинетической энергии продуктов детонации:

E = Q υ2Д / 2 ,

где Q – масса заряда, кг; υД – скорость детонации, м/с.

168

Бризантность определяют по формуле Каста:

B = FυДρ,

гдеF – силавзрыва, определяемаяизотношенияР0V0 T/273; ρ– плотностьВВ. Стандартные испытания на бризантность ВВ (рис. 2.16) с критическим диаметром до 60 мм проводят с помощью обжатия свинцовых столбиков (6) с зарядами (2) массой 50 г при плотности 1 г/см3 в бумажных патронах (7) диаметром 40 мм (проба Гесса). Между столбиком и зарядом прокладывают стальную пластину (4) диаметром 41 мм, а столбик располагают на массивной подставке (5). Устройство в сборе закрепляют шпагатом (3). взрывание производят капсюлем-детонатором (1). О бризантности судят по величине обжатия столбика, т. е. по разности между средней его высотой до и после взрыва, выраженной в милли-

метрах. Бризантность большинства ВВ равна 14…25 мм.

Метод Гесса применяется только в качестве контрольного или приёмочного на заводах-изготовителях. Для определения бризантности грубодисперсных и гранулированных ВВ, у которых критический диаметр открытого заряда больше 40 мм, их размещают в стальных кольцах. Получаемые при таких испытаниях результаты несравнимы с результатами, полученными при взрыве открытых зарядов.

Для наиболее мощных ВВ (гексоген, тэн) при определении бризантности применяют заряды массой 25 г, так как заряд массой 50 г разрушает цилиндр. Эти результаты трудно сопоставимы со стандартными.

Бризантность ВВ с предельным диаметром детонации не более 20 мм оцениваютпопробеКаста– пообжатиюмедныхкрешерныхстолбиков.

Чувствительность ВВ к внешним воздействиям. Наличие взрыв-

чатых свойств у ВВ определяет лишь потенциальную возможность взрыва. Чтобы её реализовать, надо воздействовать на ВВ так, чтобы возбудить протекание в нём интенсивных реакций и вызвать взрыв. Внешнее воздействие, необходимое для возбуждения детонации заряда ВВ, называется инициирующим (начальным) импульсом. Возбуждение взрыва с помощью начального импульса называется инициированием. Степень восприимчивости ВВ к начальному импульсу зависит от химического состава и физического состояния ВВ. Химический состав определяет прочность внутримолекулярных связей ВВ, энергия начального импульса должна быть достаточной для нарушения этих связей хотя бы небольшой части молекул ВВ. Горение некоторых участков ВВ вследствие самоускорения приводит к образованию ударной волны. Если давление в ударной волне превосходит некоторое критическое значение, то процесс переходит в детонацию. Если давление в волне меньше критического, то

169

она распространяется по заряду как по инертной среде с постепенным затуханием (снижением давления и скорости).

Физические свойства и условия по-разному влияют на восприимчивость ВВ к начальному импульсу. С увеличением влажности и плотности восприимчивость ВВ снижается, с уменьшением крупности частиц – повышается. Восприимчивость к начальному импульсу определяется также состоянием ВВ (порошкообразное, гранулированное, литое, прессованное и т. д.). Восприимчивость к определенному внешнему импульсу, вызывающему горение или детонацию, называется чувстви-

тельностью ВВ.

ВВ характеризуются различной чувствительностью к внешним воздействиям. Наиболее чувствительные – инициирующие ВВ, которые применяют в капсюлях-детонаторах и электродетонаторах. Промышленные ВВ обладают низкой чувствительностью. Например, йодистый азот взрывается от прикосновения птичьего пера, азид свинца – от лёгкого удара, тротил не взрывается от удара винтовочной пули, а игданит – от взрыва 15–20 капсюлей-детонаторов.

В процессе изготовления, перевозки, хранения и применения ВВ подвергаются неизбежному тепловому и механическому воздействиям, вызванным случайными факторами или технологической необходимостью. Непосредственно при проведении взрывных работ в качестве источников начального импульса используются капсюли-детонаторы (КД), электродетонаторы (ЭД), детонирующие шнуры (ДШ) и другие средства, инициируемые в свою очередь термической энергией огнепроводного шнура (ОШ) или электроискрой.

Таким образом, чувствительность ВВ необходимо знать, с одной стороны, для обеспечения безопасности производства, транспортировки, хранения и заряжания ВВ, с другой – для обеспечения надёжного инициирования зарядов при взрывных работах.

Формы энергии начального импульса могут быть различными: это механическая (удар, трение), тепловая (луч, огонь) энергия, а также энергия взрыва другого ВВ и т. д. Только совокупность испытаний на различные виды внешних воздействий может дать всестороннюю характеристику чувствительности и опасности ВВ.

Допустим, что температура среды равна Т0, тогда температура ВВ за счёт саморазогрева при разложении поднимается до величины Т1 (рис. 2.17). При ней обеспечивается равенство теплоприхода (кривая 1) и теплоотвода (прямая 2). Дальнейшего повышения температуры не будет из-за того, что отвод q1 энергии разложения больше, чем её выделяется при температуре среды Т0, прямая 2 выше кривой 1 при всех Т > Т1. При нагреве среды до температуры T0 теплоотвод q2 от ВВ происходит

170