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

Подождите немного. Документ загружается.

161

1,3 750 3223 0,9

2, 6 10

273(1 0, 001 750 0,9)

⋅⋅ ⋅

==⋅

−⋅⋅

Эти расчёты дают достаточное представление о качественном

влиянии отдельных факторов и в особенности плотности заряда (заря-

жания) на эффект взрыва.

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

/ 273FPVT

. (2.27)

Давления, развивающиеся при взрывах различных ВВ, могут дос-

тигать 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 потен-

циальную 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 полез-

ных 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, влаж-

ность ВВ, химическую и физическую стойкости.

162

Для ВВ, содержащих нитроэфиры более 15 %, определяют экссу-

дацию – выделение жидких нитроэфиров на оболочке патронов.

3. Для оценки чувствительности и опасности ВВ в обращении опре-

деляется чувствительность к тепловому импульсу, к удару и тре-

нию, к инициированию, склонность к пылению, электризации.

4. Для характеристики технологичности применения ВВ определяют

сыпучесть, дисперсность, увлажняемость, водоустойчивость, рас-

слаиваемость, слёживаемость.

Определение скорости детонации осуществляется скоростной ки-

носъёмкой фоторегистраторами, точными приборами (осциллографами),

реостатными датчиками и сравнением скорости детонации испытываемо-

го 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 Дот-

риша. В полевых условиях геолого-разведочных партий более удобен ме-

тод Дотриша, модернизированный М.Я. Сухаревским и Ф.А. Першако-

вым, не требующий лабораторного оборудования. Сущность метода за-

ключается 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, что-

бы встреча волн детонаций произошла в пределах пластинки, на кото-

рой в этом месте остается диагональная вмятина. Скорость детонации

(м/с) вычисляют исходя из равенства

времени распространения детона-

ционных волн по отрезку 4, заряду ВВ и отрезку 6 (см. рис. 2.11), т. е

ДШ BB ДШ

υυυ

Lam L m

−+ −

, (2.28)

где S – расстояние между отверстиями, в которые вставлены отрезки

ДШ; а – длина свинцовой пластины; т – расстояние от конца пластины

до точки встречи волн (углубления); υ

ВВ

и υ

ДШ

– скорости детонации со-

ответственно ВВ и ДШ, откуда

ДШ

LLa m

−−+

. (2.29)

163

Рис. 2.11. Схема к определению скорости детонации по методу Дотриша:

1 – инициатор; 2 – заряд ВВ; 3 – оболочка;

4 и 6 – отрезки ДШ L

и L

; 5 – свинцовая пластина

Поскольку скорость детонации зависит от плотности ВВ, при ис-

пытаниях необходимо обеспечивать плотность, присущую ВВ в про-

мышленных условиях.

Определение скорости детонации с помощью искровых хроно-

графов, скоростной съёмки свечения в зарядах, зеркальной фотораз-

вёртки и другими способами сложно и применяется только при специ-

альных исследованиях.

Детонационную способность пороха определяют в зарядах массой

8 кг, располагаемых на глубине 1 м в шурфах размером 0,5×0,5 м или

канавах. Если порох не детонирует от детонатора из заряда аммонита

6ЖВ массой 2 кг, то партию бракуют.

Важной экспериментальной характеристикой является расстоя-

ние передачи детонации от заряда к заряду. Вероятность передачи де-

тонации важна для надёжного взрывания зарядов, состоящих из отдель-

ных патронов или с воздушными промежутками, для установления

толщины стен между ячейками хранилищ ВВ, обеспечивающих локали-

зацию взрыва в одной из них, для проектирования средств заряжания.

Детонационная волна на границе заряда вызывает в окружающей

среде ударную волну, которая вместе с продуктами взрыва в воздухе

может вызвать взрыв другого заряда, если он не очень удалён от перво-

го. Первый заряд называется активным, второй – пассивным.

Дальность передачи детонации возрастает с увеличением массы и те-

плоты взрыва ВВ активного заряда, а на близких расстояниях – также с

увеличением скорости детонации и плотности ВВ. Расстояние передачи

растёт с увеличением чувствительности ВВ пассивного заряда. С увеличе-

нием плотности пассивного заряда расстояние передачи детонации

умень-

164

шается. Дальность передачи детонации зависит также от плотности и упру-

гости среды, в которой распространяется ударная волна: чем больше упру-

гость и меньше плотность среды, тем больше дальность передачи детона-

ции. Детонация через воздух передается на большее расстояние, чем через

преграду (воду, дерево, глину, песок и 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 увеличива-

ется до 3–5 раз и более.

Испытание ВВ на передачу детонации производится следующим об-

разом. 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 бое-

виком или активным патроном; второй патрон является пассивным. Дето-

натор вставляется с внешней стороны патрона. Между торцами патронов

вставляются шаблоны размером, соответствующим требованию ГОСТа или

ТУ. Патроны плотно прижимают к шаблонам и затем шаблоны убираются.

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 счи-

тается, что ВВ выдержало испытание.

Взаимные переходы детонационной волны (I) в ударную (II) и об-

ратно (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

165

В случае отказа число опытов удваивается. Если при этом повто-

рятся 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/см

. 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 испыта-

нии к нижнему концу активного заряда должен быть обращен верхний

конец пассивного заряда. Сами испытания проводят по обычной методи-

ке. В характеристиках патронированных ВВ обязательно указывается

расстояние, на которое передается детонация между патронами. Эта ве-

личина является косвенной мерой чувствительности ВВ к внешнему им-

пульсу. Чем больше расстояние, тем надежнее детонирует заряд.

Патроны водоустойчивых ВВ перед испытанием погружают в во-

ду 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 отка-

за число опытов удваивается, и при повторном отказе партия ВВ бракует-

ся. Установлено, что гранулированные и водосодержащие ВВ устойчиво

детонируют при размещении заряда в массиве горных пород при диамет-

рах в 3–4 раза меньших, чем диаметр открытого заряда.

Характеристики ВВ, определяющие их способность производить

общую работу и местное дробящее действие взрыва, называют работо-

способностью. Общее действие взрыва, называемое фугасностью, про-

является 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.

166

Рис. 2.13. Испытания ВВ на

работоспособность:

а – бомба

Трауцля; б, в – бомба до взрыва и после;

1 – электродетонатор; 2 – заряд ВВ

Рис. 2.14. Схема к опреде-

лению работоспособности ВВ

в баллистической мортире:

1 – мортира; 2 – снаряд;

3 – вкладыш; 4 – подвеска;

5 – опора; 6 – заряд ВВ

Местное действие взрыва, называемое бризантностью, совершается в

непосредственной близости от поверхности заряда. Проявляется оно в очень

сильном дроблении среды и происходит со значительными затратами энер-

гии на пластические деформации. Определяется бризантное действие плот-

ностью энергии на фронте детонационной волны, пропорциональной произ-

ведению плотности на квадрат скорости детонации ρD

. Завершается про-

цесс при падении давления газов примерно до величины 4–6 значений проч-

ности среды на сжатие. Затраты энергии на местное действие в прочных сре-

дах много меньше, чем на общее, однако в ряде случаев могут достигать зна-

чительных величин, ухудшая общее действие взрыва. Бризантным действи-

ем обладают взрывчатые вещества, для

которых характерным видом взрыв-

чатого превращения является детонация.

Наиболее простым и распространенным методом определения фу-

гасной работы взрыва является испытание ВВ по способу Трауцля в свин-

цовой 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 см

. Внутри канала не должно быть раковин, поверхность свинцового

цилиндра не должна иметь отслоений. На дно канала помещают 10 г испы-

тываемого 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

мелким кварцевым песком без уплотнения и взрывают заряд ВВ.

167

После взрыва канал бомбы принимает грушевидную форму. Её

очищают от песка и замеряют образовавшийся объём полости при помо-

щи воды, наливаемой из мерного сосуда. Из полученного объёма полости

вычитают объём канала бомбы до взрыва (61 см

), а также объём расши-

рения, полученный за счёт взрыва детонатора (28,5…30 см

). Разность

объёмов характеризует величину относительной работоспособности

данного ВВ. Эта разность объёмов и принимается за меру работоспособ-

ности, которая у большинства ВВ составляет 250…550 см

Работоспособность ВВ определяют также с помощью баллистиче-

ской 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 расшири-

тельная камера, в которой помещается массивный поршень-снаряд. При

взрыве поршень-снаряд выбрасывается из мортиры, а сама мортира от-

клоняется 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 уста-

новки. В торце одного из маятников имеется камера для заряда ВВ массой

10 г, торец второго маятника закрывает зарядную камеру. При взрыве за-

ряда оба маятника отклоняются практически на одинаковый угол.

Работоспособность вычисляют по формуле

2(1cosα)EMgl

−

, (2.30)

где М – масса одного маятника; g = 9,81 м/с – ускорение свободного па-

дения; l – длина подвески маятника; α – угол отклонения маятника (для

промышленных ВВ α = 20…35°).

Угол отклонения маятника при испытании промышленных ВВ со-

ставляет от 14° (углениты) до 33° (детониты, аммониты). Работоспособ-

ность ВВ относительно тротила по данным испытания и по способу

Трауцля

расходится не более чем на 7 %. Столь малое расхождение ре-

зультатов испытания позволило заменить испытания по способу Трауц-

ля испытаниями на данной установке.

Работоспособность грубодисперсных ВВ оценивают по воронко-

образованию (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).

168

Большое влияние на фугасные свойства ВВ оказывают их детона-

ционные характеристики. Обычно в крепких скальных породах большее

фугасное действие производят ВВ, детонирующие с большей скоро-

стью, 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

Бризантность принято оценивать величиной кинетической энер-

гии продуктов детонации:

υ /2EQ= ,

где Q – масса заряда, кг; υ

– скорость детонации, м/с.

Рис. 2.16. Схема к определению

бризантности ВВ:

а – устройство перед взрывом;

б – обжатый свинцовый столбик

169

Бризантность определяют по формуле Каста:

υρBF

где F – сила взрыва, определяемая из отношения Р

T/273; ρ – плотность ВВ.

Стандартные испытания на бризантность ВВ (рис. 2.16) с крити-

ческим диаметром до 60 мм проводят с помощью обжатия свинцовых

столбиков (6) с зарядами (2) массой 50 г при плотности 1 г/см

в бумаж-

ных патронах (7) диаметром 40 мм (проба Гесса). Между столбиком и

зарядом прокладывают стальную пластину (4) диаметром 41 мм, а стол-

бик располагают на массивной подставке (5). Устройство в сборе закре-

пляют 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 диа-

метр открытого заряда больше 40 мм, их размещают в стальных коль-

цах. Получаемые при таких испытаниях результаты несравнимы с ре-

зультатами, полученными при взрыве открытых зарядов.

Для наиболее мощных ВВ (гексоген, тэн) при определении бри-

зантности применяют заряды массой 25 г, так как заряд массой 50 г раз-

рушает цилиндр. Эти результаты трудно сопоставимы со стандартными.

Бризантность ВВ с предельным диаметром детонации не более 20 мм

оценивают по пробе Каста – по обжатию медных крешерных столбиков.

Чувствительность ВВ к внешним воздействиям. Наличие взрыв-

чатых свойств у ВВ определяет лишь потенциальную возможность взры-

ва. Чтобы её реализовать, надо воздействовать на ВВ так, чтобы возбу-

дить протекание в нём интенсивных реакций и вызвать взрыв. Внешнее

воздействие, необходимое для возбуждения детонации заряда ВВ, назы-

вается инициирующим (начальным) импульсом. Возбуждение взрыва с

помощью начального импульса называется инициированием. Степень

восприимчивости ВВ к начальному импульсу зависит от химического со-

става и физического состояния ВВ. Химический состав определяет проч-

ность внутримолекулярных связей ВВ, энергия начального импульса

должна быть достаточной для нарушения этих связей хотя бы небольшой

части молекул ВВ. Горение некоторых участков ВВ вследствие самоус-

корения приводит к образованию ударной волны. Если давление в удар-

ной волне превосходит некоторое критическое значение, то процесс пе-

реходит в детонацию. Если давление в волне меньше критического, то

170

она распространяется по заряду как по инертной среде с постепенным за-

туханием (снижением давления и скорости).

Физические свойства и условия по-разному влияют на восприим-

чивость ВВ к начальному импульсу. С увеличением влажности и плот-

ности восприимчивость ВВ снижается, с уменьшением крупности час-

тиц – повышается. Восприимчивость к начальному импульсу определя-

ется также состоянием ВВ (порошкообразное, гранулированное, литое,

прессованное и т. д.). Восприимчивость к определенному внешнему им-

пульсу, 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. Промышлен-

ные 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 необходимо-

стью. Непосредственно при проведении взрывных работ в качестве ис-

точников начального импульса используются капсюли-детонаторы

(КД), электродетонаторы (ЭД), детонирующие шнуры (ДШ) и другие

средства, инициируемые в свою очередь термической энергией огне-

проводного шнура (ОШ) или электроискрой.

Таким образом, чувствительность ВВ необходимо знать, с одной

стороны, для обеспечения безопасности производства, транспортиров-

ки, 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 ха-

рактеристику чувствительности и опасности ВВ.

Допустим, что температура среды равна Т

, тогда температура ВВ

за счёт саморазогрева при разложении поднимается до величины Т

(рис. 2.17). При ней обеспечивается равенство теплоприхода (кривая 1)

и теплоотвода (прямая 2). Дальнейшего повышения температуры не бу-

дет из-за того, что отвод q

энергии разложения больше, чем её выделяет-

ся при температуре среды Т

, прямая 2 выше кривой 1 при всех Т > Т

При нагреве среды до температуры T

теплоотвод q

от ВВ происходит