Лукьянов В.Г., Комащенко В.И., Шмурыгин В.А. Взрывные работы

Подождите немного. Документ загружается.

141

да. Реакции взрывчатого превращения позволяют определять характери-

стики ВВ (теплоту, температуру, объём и давление газов взрыва).

В табл. 2.1 приведены значения кислородного баланса некоторых

ВВ и их компонентов.

Смешивая в определённой пропорции ВВ с отрицательным и по-

ложительным кислородным балансом, получаем ВВ с нулевым или

близким к нулю кислородным балансом. Примером такой смеси из тро-

тила и аммиачной селитры является аммонит 6ЖВ. Добавляя в ВВ с по-

ложительным кислородным балансом горючие добавки, можно полу-

чить взрывчатую смесь большей работоспособности.

Характеристика взрывчатых превращений некоторых ВВ приве-

дена в табл. 2.2.

Таблица 2.1

Кислородный баланс некоторых ВВ и их компонентов

Вещество

Химическая

формула

Атомная или

молекулярная

масса

Кислородный

баланс, %

Алюминий

Аммиачная селитра

Бумага (оболочка патронов)

Гексоген

Гремучая ртуть

Динитронафталин

Калиевая селитра

Калия хлорат

Калия перхлорат

Клетчатка

Магний

Древесная мука

Натриевая селитра

Натрия хлорат

Натрия перхлорат

Нитрогликоль

Нитроглицерин

Тетрил

Тротил

Тэн

Углерод (аморфный)

–

HgC

KNO

KClO

NaNO

NaCl

NaClO

27,0

80,0

–

222,0

284,0

218,0

101,0

122,5

138,5

162,0

24,3

262,0

85,0

106,5

122,5

152,0

227,0

287,0

227,0

316,0

12,0

–89,0

+20,0

–130,0

–21,6

–11,3

–139,4

+39,6

+39,2

+46,2

–118,5

–65,8

–137,0

+47,0

+45,0

+52,2

0,0

+3,5

–47,4

–74,0

–10,1

–266,7

Смешивая в определённой пропорции ВВ с отрицательным и по-

ложительным кислородным балансом, получаем ВВ с нулевым или

близким к нулю кислородным балансом. Примером такой смеси из тро-

142

тила и аммиачной селитры является аммонит 6ЖВ. Добавляя в ВВ с по-

ложительным кислородным балансом горючие добавки, можно полу-

чить 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

ВВ

Молеку-

лярный

вес

Реакция взрывчатого раз-

ложения

Кисло-

родный

баланс,

Объём

газов

взрыва,

л/кг

Темпе-

ратура

взрыва,

Нитрогли-

церин

227

4С

(ONO

)

= 12CO

+10H

O + 6N

+3,5 715 4 100

Динитро-

гликоль

152

(ONO

)

= 2СO

+2H

O + N

738 4 200

Тротил 227

(NO

)

= H

O +

+7CO + 7C + 3N

–74 750 2 950

Аммиачная

селитра

2NH

= 4H

O +

+2H

+ O

+28 980 1 950

Динитро-

нафталин

218

(NO

)

= CO +

+3H

O+2N

+9C

–129,4 750 250

Коллоидный

хлопок

1053

22,5

28,8

36,1

8,7

=14,4H

O + 21,7CO +

+0,8C+4,35N

–33,6 936 2 600

Гексоген 222

= 3H

O +

+3CO+3N

–21,6 890 3 800

Тэн 316

C(CH

ONO

)

= 4H

O +

+3CO

+ 2CO + 2N

–10,1 790 4 000

Тетрил 287

2C6H2(NO

)

NCH

= 5H

+ 6CO + 8C + 5N

–47,4 740 3 900

Состав газообразных продуктов взрыва зависит не только от хи-

мического состава ВВ, но и от условий взрывания заряда (степени огра-

ничения 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 необ-

ходимо учитывать направление движения газового облака после взрыва,

чтобы избежать случаев отравления рабочих. С увеличением глубины

143

карьеров целесообразность применения ВВ с нулевым кислородным ба-

лансом с точки зрения санитарно-гигиенических условий атмосферы и

охраны окружающей среды увеличивается.

Для придания определённых свойств при изготовлении смесевых

ВВ в 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 количе-

ства энергии, выделяемой при взрыве. В качестве горючих веществ

применяют твёрдые или жидкие компоненты (как правило, невзрывча-

тые, 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 га-

зов. Роль горючих веществ выполняют также некоторые взрывчатые

компоненты (тротил, гексоген и т. п.), имеющие в своём составе недос-

таточное 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

ВВ для окисления горючих элементов. В качестве окислителя применя-

ют аммиачную, калиевую и натриевую селитры, перхлораты калия и на-

трия, жидкий кислород и т. д.

В качестве сенсибилизаторов обычно используют чувствительные

мощные ВВ: тротил, нитроглицерин, нитрогликоль, гексоген и т. п.

Иногда роль сенсибилизатора выполняют и невзрывчатые вещества, та-

кие как соляровое масло (не более 6 %), уголь или древесная мука.

Стабилизаторы – вещества, вводимые в состав ВВ для повыше-

ния 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 чувстви-

тельности его к механическим воздействиям. В качестве флегматизатора

используют вазелин, различные масла, тальк, парафин и т. п. Эти веще-

ства обволакивают частицы ВВ, не вступая с ними в реакцию, и тем са-

мым 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 приме-

няют хлористый натрий, хлористый калий и т. п.

144

Пластификаторы вводятся в состав ВВ для придания ему текуче-

сти. В качестве пластификаторов обычно используют загущенные вод-

ные 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 наи-

лучшие энергетические показатели взрыва и обеспечивают мини-

мальное выделение ядовитых газов?

2.3. Детонация взрывчатых веществ

Детонация – чрезвычайно быстрое распространение ударной вол-

ны по ВВ с постоянной сверхзвуковой скоростью порядка нескольких

тысяч метров в секунду.

В разное время явление детонации объяснялось различными пред-

положениями 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 во-

шли в основу общепринятой в настоящее время гидродинамической тео-

рии 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 пере-

мещение по ВВ зоны химического превращения, ведомой ударной вол-

ной постоянной амплитуды. При этом амплитуда и скорость перемеще-

ния ударной волны постоянны, так как диссипативные потери, сопро-

вождающие ударное сжатие вещества, компенсируются теплотой реак-

ции превращения ВВ.

Ударная волна характеризуется скоростью распространения, пре-

вышающей скорость звука, и резким скачкообразным изменением па-

раметров вещества – давления, плотности, температуры.

Формирование и характер распространения ударных волн опреде-

ляются фундаментальными законами физики о сохранении массы веще-

ства, изменении количества движения и энергии частицы.

145

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 возни-

кают 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 взрывча-

того химического превращения ВВ называется детонационной волной.

При взрыве детонатора, выполняющего роль инициатора (началь-

ного импульса), продукты взрыва производят резкий удар по приле-

гающему к детонатору слою ВВ и формируют ударную волну. Среда

движется со скоростью (υ

) вслед за фронтом ударной волны. Скорость

ударной волны зависит от величины её амплитуды; ударная волна рас-

пространяется 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 (υ

) для данного диаметра заряда.

Следовательно, при детонации в каждый момент времени в реакции

участвует очень ограниченная масса ВВ в слое, находящемся под действи-

ем переднего фронта детонационной волны.

Ширина зоны химической реакции очень мала и составляет для по-

рошкообразных ВВ доли миллиметра, у гранулированных ВВ она увели-

чивается до 4 см. За фронтом детонационной волны начинается расшире-

ние продуктов детонации с образованием волны разрежения, распростра-

няющейся к оси заряда (рис. 2.3, б). Фронт волны разрежения не достигает

фронта детонационной волны, и остаётся динамически стабильный опре-

делённый объём нерасширившихся газов, прилегающих к детонационной

волне, который поддерживает стабильность параметров волны. Если это

динамическое равновесие нарушается, то скорость детонации или увели-

чивается (при увеличении объёма нерасширившихся газов), или затухает.

Изменение состояния ВВ в детонационной волне в координа-

тах Р–V, где V – удельный объём или величина, обратная плотности ρ,

показано на рис. 2.4.

Вещество с начальным объёмом V

(точка А) сжимается в ударной

волне до состояния M. При этом начинается химическая реакция и дав-

ление Р

достигает максимального значения. Идёт развитие реакции с

выделением тепла и расширением продуктов взрыва, давление при этом

146

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 Р

примерно

вдвое больше давления Р

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 троти-

ла). Продолжительность химической реакции в детонационной волне

составляет 10

…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 систе-

мы уравнений, основанной на законах сохранения массы, количества

движения, энергии, состояния продуктов детонации и так называемого

правила отбора скорости детонации Чепмена–Жуге, согласно которому

147

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

скорость детонации

υ Wc

, (2.3)

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 полит-

ропы для состояния продуктов взрыва

const

PV =

, (2.4)

где Р – давление; V – объём; п – показатель политропы, равный 3 для

ВВ плотностью 1…1,2 г/см

Давление в плоскости Чепмена–Жуге рассчитывается с учётом ос-

новных законов сохранения и приведённых законов:

o д o д

ρυ ρυ

=≈

, (2.5)

где ρ

– начальная плотность ВВ, кг/м

ρρ

. (2.6)

Скорость движения продуктов взрыва за плоскостью Чепмена–Жуге

дд

=≈

. (2.7)

Скорость детонации находится по теплоте взрыва и показателю

политропы продуктов взрыва из выражения

υ 31,6 2( 1)nQ=−

, (2.8)

где Q – теплота взрыва, кДж/кг.

148

Из всех перечисленных параметров ВВ одним из наиболее важных

является скорость детонации. Она, в частности, определяет давление в де-

тонационной волне.

Процесс детонации промышленных ВВ значительно сложнее, чем

газовых смесей. Плотность продуктов детонации этих ВВ достигает

2 г/см

, уравнение их состояния неизвестно, а скорость детонации в зави-

симости 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 со-

стояние продуктов во фронте детонации состоянию кристаллической ре-

шетки твёрдого тела.

Энергия твёрдого тела складывается из упругой энергии, обуслов-

ленной 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 детона-

ции 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 энер-

гетической характеристики ВВ по формуле

υ 2( 1)

nQ=−

, (2.9)

где Q

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

Из формулы (2.9) видно, что скорость детонации непосредственно

зависит от энергетических характеристик ВВ, которые также определя-

ют и остальные параметры взрыва (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Расчётные параметры детонации некоторых ВВ

ВВ

Плот-

ность

ВВ,

г/см

Скорость

детонации,

км/с

Скорость

распрост-

ранения

продуктов

детонации,

км/с

Плотность

продуктов

детонации,

г/см

Давле-

ние на

фронте

волны,

МПа

Тротил

Тетрил

Гексоген

Нитроглицерин

Аммонит 6ЖВ

1,6

1,63

1,69

1,6

1,0

7,0

7,41

8,34

8,4

4,8

1,75

1,87

2,08

2,1

1,2

2,12

2,16

2,24

2,12

1,33

20 000

24 000

30 000

5 900

149

Рис. 2.5. График зависимости

скорости детонации

от диаметра заряда ВВ

с большой (1) и малой (2)

теплотой взрыва

При теоретических исследованиях принято, что плоский фронт

детонационной волны, распространяясь по заряду, сжимает впереди ле-

жащие слои ВВ, вызывая их химические превращения. Такой механизм

детонации называется гомогенным. Он сопровождается скоростями де-

тонации 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 воз-

никает в результате разогрева отдельных очагов в сечении заряда. Та-

кими очагами для порошкообразных и гранулированных ВВ являются

пузырьки газа между частицами. Фактически в газообразных и жидких

взрывчатых смесях происходит вращение фронта детонации и его пуль-

сации, 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 сме-

си 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 пре-

дельного диаметра d

пр

скорость детонации близка к предельной. При

критическом диаметре d

кр

детонация становится неустойчивой и затуха-

ет. Критический диаметр – это значение диаметра, ниже которого де-

тонация невозможна. Чем меньше критический диаметр, тем больше де-

тонационная способность ВВ (рис. 2.5).

Рис. 2.6. График изменения

скорости детонации

открытого заряда (1) и в

оболочке (2) при увеличении

диаметра заряда d

150

Впервые влияние диаметра на скорость детонации заряда было

теоретически объяснено Ю.Б. Харитоном и развито Р.А. Баумом.

Критический диаметр детонации открытого заряда гранулирован-

ных ВВ в бумажной оболочке составляет 60…120 мм, а в металличе-

ской трубке – 10…30 мм.

Если заряд окружён оболочкой, затрудняющей разлёт продуктов

взрыва, то критический диаметр заряда уменьшается. Например, по-

рошкообразная аммиачная селитра плотностью 1 г/см

в стеклянной

трубке имеет критический диаметр 100 мм, а в стальной трубке со стен-

ками толщиной 20 мм имеет диаметр 7 мм.

На скорость детонации влияют главным образом инерционные

свойства оболочки и её сжимаемость, оказывающие влияние на устойчи-

вость 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 за-

рядов 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/см

, размер частиц 0,18 мм):

Заряд ВВ В стеклянной В бумажной

трубке оболочке

Азид свинца 0,01…0,02 –

Тэн 1…1,5 –

Гексоген 1…1,5 4

Тротил 8…10 11

Аммонит 6ЖВ 10…12 12

Аммиачная селитра 100 –

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 детонаци-

онной волне сокращается и соответственно уменьшаются d

пр

и d

кр

, ско-

рость детонации увеличивается (рис. 2.7, кривая 1).