теория горения-2

Формула (5.59) определяет заряд, при взрыве которого в неограниченной среде образуется зона разрушения ради­ усом R. Если же взрыв производится вблизи свободной поверхности, то получается взрыв на выброс с образова­ нием воронки. Теориям образования воронок и движения породы при взрывах на выброс посвящено значительное число исследований, выполненных Е. П. Станюковичем, А. Ф. Беляевым, Г. И. Покровским и многими другими уче­ ными.

Взрыв на выброс можно разделить на два этапа: сначала выбрасываемая порода приводится в движение взрывными газами, затем куски породы разлетаются в стороны, пре­ одолевая сопротивление воздуха, и падают под действием силы тяжести.

• На первом этапе в породе образуется взрывная волна, которая движется весьма быстро. Достигая поверхности породы и отражаясь от нее, она превращается из волны, сжимающей породу, в волну разрежения. Волна разреже­ ния вызывает растяжения, растрескивание и разрушение породы. Затем начинается постепенное нарастание смеще­ ния больших масс породы, т.е. проявляется механическая работа расширяющихся взрывных газов.

Можно предположить, что первоначально порода дви­ жется прямолинейно по радиусам, расходящимся из цен­ тра взрыва. Наиболее быстро движется та часть твердого вещества, которая перемещается по кратчайшей линии между центром взрыва и свободной поверхностью (линия наименьшего сопротивления). Вблизи заряда образуется зона раздробленной и сжатой породы. Эта зона принимает на себя значительную часть энергии взрыва и, расширяясь, действует на наружные слои породы. При сравнительно

незначительных первоначальных затратах энергии образу­ ется твердая масса, воздействующая на грунт и превосходя­ щая массу взрывных газов. В результате удельный импульс, передаваемый породе, возрастает в несколько десятков раз по сравнению с импульсом, который передают взрывные газы в воздухе. Скорость первоначального выброса породы зависит от направления. Она тем меньше, чем большая масса породы находится в пределах определенного телесного угла:

где В — постоянная, пропорциональная удельной энергии взрывчатого вещества; рп — плотность породы; гцт — рассто­ яние от центра тяжести массы породы, заключенной в опре­ деленном телесном угле.

При движении внутренняя часть основания конуса, заключенного в телесном угле, будет раздавливаться, пло­ щадь основания начнет расти, а высота уменьшаться. Ско­ рость движения внутренней поверхности станет выше, а внешней — ниже W<,p. Полость, заполненная взрывными газами, будет расширяться в сторону свободной поверхно­ сти, превращаясь в удлиненный эллипсоид.

•Второй этап выброса начинается с момента, когда

впороде прекращаются распределение скорости движения

и передача энергии взрыва породе. В случае, когда давление газа в полости становится меньше атмосферного из-за того, что полость расширилась, порода приходит в движение и отдает часть своей энергии на преодоление избыточного давления. Газовая полость продолжает расширяться в сто­ рону свободной поверхности, внешняя поверхность породы выпучивается (рис. 5.10, I). В результате разрушенная порода образует как бы растягивающуюся оболочку газо­ вого пузыря. Эта оболочка состоит из множества летящих осколков, расположенных пока еще близко друг к другу.

В этот момент начинается перестройка геометрии газо­ вого пузыря. В верхней его части летящие куски рассосредоточиваются, и воздух начинает прорываться внутрь пузыря, несколько изменяя направление движения породы, что приводит к образованию «основания» оболочки газо­ вого пузыря.

Вокруг места взрыва остается узкая, но очень высокая кольцевая волна (рис. 5.10, II), которая получила название

I

II

III

IV

Рис. 5.10. Стадии образования воронки выброса

базисной. Данная волна окружает снизу высокий султан выбрасываемой породы.

Нижняя часть поверхности пузыря постепенно превра­ щается в донную часть воронки выброса.

В дальнейшем базисная волна опрокидывается (рис. 5.10, III) аналогично водной волне, набегающей на берег. В результате чего образуется кольцевой навал раздроблен­ ного твердого тела (породы) вокруг воронки.

Часть твердого вещества, поднятого взрывом вверх, при обратном падении образует на дне воронки сравни­ тельно тонкий слой раздробленной породы (рис. 5.10, IV). За кольцевым навалом простирается зона, где падают отдельные куски породы размером примерно 4—5 радиусов воронки, которые попали при выбросе в струи, образовав­ шиеся позади крупных и тяжелых кусков породы.

Рассмотренный механизм образования воронки при взрыве дает основание связать энергию заряда, глубину его заложения h33 и механические свойства твердого тела:

(5.61)

где тл — масса заряда тротила; К = —22- — удельный расход

и0

взрывчатого вещества; Х рзудельная работа разрушения; U0 — удельная энергия взрыва; h33 — глубина заложения заряда;

м = 2(3«2+4)2. (и+ 97)

т

п = --------показатель действия взрыва; гв — радиус воронки. ^3.3

Величина h33 может быть выражена через радиус ворон­ ки гв:

h33=nrB. (5.63)

В скальных породах при п = 1,75—2 глубина воронки равна глубине заложения заряда (hB= h3 3), а при п = 2,5—3 превышает ее, но не более чем на 10—20%.

Расчет удлиненных зарядов, расположенных парал­ лельно свободной поверхности на глубине h, можно осу­

тп

где ту = — ; L3 — длина заряда; Ку =0,92К — удельный рас-

ход удлиненного заряда; К — удельный расход сосредото­ ченного заряда;

и7 +15,6

Сучетом влияния силы тяжести грунта массу заряда, необходимого для образования воронки определенных раз­ меров в связных грунтах можно определить по формуле

206 Глава 5. Механическое действие взрыва

Таким образом, как показывают расчеты, радиус воронки изменяется по кривой с максимумом.

По радиусу воронки можно оценить массу взрывчатого вещества в тротиловом эквиваленте и механическое дей­ ствие взрыва в грунте на расстояниях, превышающих гв.

В озмущ енная область, возникаю щ ая при взрыве в грунте, на расстояниях г < гв ограничена фронтом удар­ ной волны.

Таблица 5-7

Показатель действия взрыва в зависимости от массы и глубины заложения заряда

На больших расстояниях внешняя граница возмущенной области представляет собой кольцевую область, в которой деформации и напряжения нарастают постепенно до неко­ торой максимальной величины, а затем плавно убывают. В связи с этим нагрузка в фиксированной точке простран­ ства меняется с течением времени не так, как это проис­ ходит в воздухе и воде при прохождении ударной волны

(рис. 5.11). По этой причине для характеристики волны сжатия в грунте приходится вводить дополнительные показатели. Если для характеристики механического дей­ ствия ударной волны достаточно было указать давление на фронте, закон спада давления и продолжительность его действия, то для волны сжатия надо указать максимальное значение давления Pm;ix, продолжительность нарастания тнр давления от начального до Ртах, продолжительность спада тсп давления от Р тах до начального, законы нарастания и спада давления. Кроме того, для волны сжатия надо ука­ зать скорость распространения головы волны сжатия и ско­ рость движения максимума давления \¥г

Рис. 5.11. Сравнение профилей ударной волны и волны

сжатия

Очевидно, что т+ = тнр + тсп, поэтому удельный импульс волны сжатия определяется по общей формуле

справедли вой и для ударной волны, с той лишь разницей, что закон изменения давления с течением времени для вол­ ны сжатия будет иным, чем для ударной волны.

Теоретических данных о параметрах волн сжатия в грунте имеется недостаточно, поэтому расчет параметров осуществляют на основании эмпирических зависимостей, полученных экспериментально.

При распространении волны сжатия в массиве грунта возникают упругие колебания. Период колебаний грунта тг ориентировочно можно определить с помощью формулы

(5.68)

где т0 — постоянная, характеризующая свойства грунта: для торфяников, плывунов она равна 0,12 с; для суглинков, глины 0,06—0,09 с; для скальных пород 0,01—0,03 с.

Возникновение упругих колебаний обусловлено движе­ нием волн сжатия и разрежения (растяжения) в твердом теле от центра взрыва. Воздействие взрыва на фундамент сооружения в конечном счете будет полностью опреде­ ляться удельным импульсом, передаваемым волной:

(5.69)

где X < 1 — коэффициент; т — время сжатия.

Радиус опасного сейсмического давления взрыва гс зависит от массы взрывчатого вещества, природы грунта и характера сооружения:

где Кс — постоянная, определяемая природой грунта и ха­ рактером сооружения.

5.4. Взрывы газопаровоздушных и пылевоздушных смесей в закрытом помещении и открытом пространстве

5.4.1. Взрывы газопаровоздушных смесей

Взрывы газопаровоздушных смесей (ГПВС) могут про­ исходить как в замкнутом, так и открытом пространствах,

в то время как взрывы пылевоздушных смесей (ПВС) про­ исходят только в закрытых помещениях.

Замкнутым пространством являются:

—помещения (здания). В них взрыв возникает в резуль­ тате утечки газа из элементов оборудования;

—емкости: резервуары, газгольдеры, цистерны, грузо­ вые отсеки танкеров — для хранения и транспортировки взрыво- и пожароопасных веществ;

—шахты. В них взрывы смесей горючих газов с возду­ хом дают тяжелые последствия.

веществ значительно ниже температуры окружающей атмос­ феры.

Вещества другой характерной группы (пропан, бутан, аммиак, хлор) хранят в жидком состоянии под давлением в однослойных сосудах и резервуарах при температуре окру­ жающей среды

В. Маршал классифицировал вещества по их располо­ жению в зонах диаграммы состояния следующим образом:

1-я категория. Вещества с критической температурой ниже температуры среды — криогенные вещества: сжижен­ ный природный газ (СПГ), содержащий в основном метан, азот, кислород;

2-я категория. Вещества с критической температурой выше, а точкой кипения ниже, чем температура окружающей среды — сжиженный нефтяной газ (СНГ), пропан, бутан, аммиак, хлор. Их особенностью является «мгновенное» (очень быстрое) испарение части жидкости при разгерме­ тизации и охлаждение оставшейся части до точки кипения при атмосферном давлении;

3-я категория. Жидкости, у которых критическое давле­ ние выше атмосферного и точка кипения выше температуры окружающей среды, — это вещества, находящиеся в обычных условиях в жидком состоянии. К ним относятся также неко­ торые вещества 2-й категории, например бутан в холодную погоду и этиленоксид в жаркую;

4-я категория. Вещества, содержащиеся при повышенных температурах (водяной пар в котлах, циклогексан и другие жидкости) под давлением и при температуре, превышающей их точку кипения при атмосферном давлении.

Скорость испарения разлитых жидкостей 3-й категории зависит от летучести, температуры внешней среды и скоро­ сти ветра.

В табл. 5.8 представлены критические параметры некото­ рых веществ.

Таблица 5.8

При полном разрушении емкостей с криогенными жид­ костями и веществами 2-й категории происходят их вски­ пание с быстрым испарением, выброс в атмосферу и обра­ зование облака газопаровоздушной смеси.

При аварийном вскрытии емкостей с негорючей или го­ рючей перегретыми жидкостями происходит взрыв, сопро­ вождающийся выбросом осколков, обладающих сильным поражающим действием.

Наличие источника зажигания может вызвать воспламе­ нение облака ГПВС. При этом возможен переход дозвуко­ вого дефлаграционного режима с ускоряющимся пламенем к детонационному сверхзвуковому.

Огненный шар без детонации возникает обычно при горе­ нии ГПВС, переобогащенной топливом, а также при горе­ нии состава, близкого к стехиометрическому.

Переходу к детонации способствуют различные препят­ ствия на пути распространения пламени, вызывающие турбулизацию (строения, предметы, пересеченная местность).

Сферическая детонационная волна может образоваться в ГПВС от слабого энергетического источника, если раз­ мер облака превышает некоторый критический диаметр

ипри определенных концентрациях смеси. В табл. 5.9 представлены минимальная энергия Emin инициирования некоторых ГПВС, наиболее чувствительных к детонации с объемной концентрацией С топлива, и минимальные диа­ метры облака dmia, способного детонировать. В табл. 5.10 представлены концентрационные пределы (КП ) детонации

ивоспламенения ГПВС в открытом пространстве и замкну­ тых объемах.