Соболев В.В., Шиман Л.Н. Высокоэнергетическая обработка материалов. Сборник научных трудов

Подождите немного. Документ загружается.

Высокоэнергетическая обработка материалов

ло молей ингибитора и ε – удельное содержание ингибитора в ВВ.

В опытном

штреке в канале мортиры без забойки при прямом инициировании были оп-

ределены предельные заряды классических ПВВ (табл. 1), а методами корре-

ляционного анализа получили эмпирическое уравнение, связывающее пре-

дельный заряд ПВВ с вышеупомянутыми факторами:

1 7546

87509 92

H( )

−

⎛⎞

−

⎜⎟

⎝⎠

. (1)

Таблица 1.

Результаты испытаний классических ПВВ в опытном штреке

при взрывании в канальной мортире

№

пп

Образец ПВВ

Удельная

теплота

взрыва, Q

кДж/кг

Число

газообраз-

ных ПВ, n

моль/кг

Теплосо-

держание,

кДж/моль

Предельный

заряд в МВС,

, г

1. Аммонит АП-5ЖВ 3794,9 35,13 108,02 ~ 95

2. Аммонит ПЖВ-20 3426,7 32,00 107,05 ~ 200

3. Аммонит ПЖВ-30 2999,1 27,97 107,22 ~ 400

4. Аммонит ПЖВ-40 2570,6 23,97 107,22 ~ 1000

5. Аммосоль 2543,9 26,65 94,45 ~ 1000

6. ПВВ Одибера № 1 2669,4 24,46 109,11 ~ 1000

7. ПВВ Одибера № 2 2953,9 28,84 102,43 ~ 879

8. Опытн. обр. АНГ-16 2548,2 26,83 94,98 ~ 1000

9. Опытн. обр. АНГ-17 2574,8 26,85 95,9 ~ 1000

10. Опытн. обр. АНГ-18 2426,9 24,715 98,2 ~ 1000

11. Опытн. обр. 199с 2344,8 18,37 127,6 ~ 800

12. Опытн. обр. 177с 2077,3 22,9 90,7 ~ 1400

13. Славит (Чехия) 2861,2 28,4 100,75 ~ 880

14. Юнибел (Англия) 2726,8 26,24 103,92 ~ 850

15. Юнифракс (Англия) 2803,0 28,2 99,4 ~ 795

Эмпирическое уравнение (1) получено для ПВВ, содержащих NаCl как

ингибитор, что позволяет исследовать ингибирующее действие на МВС дру-

гих солей. Введем в уравнение коэффициент – К

, учитывающий изменение

актив-ности любой соли-ингибитора относительно NаCl. Приняв для NаCl

= 1, получим уравнение:

570

9287509

)M/,(n

)(H

−

. (2)

Высокоэнергетическая обработка материалов

Таким образом, рассчитав для любого ингибитора коэффициент К

можно сделать вывод: если К

> 1, то соль обладает более сильным ингиби-

рующим действием на МВС, чем NаCl, если К

< 1 – она менее эффективна.

Сначала были исследованы ионообменные ПВВ, которые, как и классиче-

ские, в качестве соли-ингибитора в продуктах взрыва содержали хлористый

натрий. Результаты испытаний этих ПВВ приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты исследований ионообменных ПВВ,

содержащих в продуктах взрыва NаCl

Параметры ПВВ

Предельный

заряд, М

, г №

п/п

ПВВ

Ионооб-

менная пара

солей

Ингиби-

тор

кДж/моль

ε,

кг/кг

моль

экспе-

римент

расчет

по (1)

по

урав-

нению

(2)

1 Оп. обр.

АНГ-5

NаNО

–

NН

NаCl 93,21 0,216 3,551 1000,0 350,6 1,817

2 Оп. обр.

АНГ-8

NаNО

–

NН

NаCl 97,57 0,321 5,474 1200,0 784,4 1,274

3 Оп. обр.

АНГ-6

NаNО

–

NН

NаCl 94,65 0,212 3,599 900,0 347,86 1,718

4 Акванал

ПХМ-5

NаClО

карбамид

NаCl 59,27 0,246 3,148 1000 647,68 1,281

5 Юнигекс NаNО

–

NН

NаCl 106,66 0,353 5,357 1200,0 673,88 1,389

6 Оп. обр.

А1

NаNО

–

NН

NаCl 163,71 0,464 5,895 1000 443,34 1,589

Среднее

значение

- - - - - 1,511

Таблица 3

Результаты исследований классических ПВВ, содержащих различные соли

Параметры ПВВ

Предельный заряд, М

№

п/п

ПВВ

Инертная

соль

Ингиби-

тор

кДж/моль

ε,

кг/кг

моль

эксперимент

расчет

по (1)

по

уравне-

нию (2)

1 ПЖВ-

20%

NН

НCl 82,14 0,0 3,738 100,0 386,84 0,462

2 ПЖВ-

30К

30% КCl КCl 108,26 0,30 4,03 350,0 371,83 0,966

3 ПЖВ-

40S

40% SiО

SiO

108,26 0,40 6,655 150,0 1026,37 0,334

4 ПЖВ-

20S

20% SiО

SiO

108,26 0,2 3,327 ~ 90,0 236,26 0,576

5 ПЖВ-

20У

20% Са-

СО

СаО 88,03 0,112 2,0 250,0 126,9 1,471

6 ПЖВ-

20Б

20% NаВr NаBr 108,26 0,2 1,944 100,0 92,03 1,048

Высокоэнергетическая обработка материалов

Таблица 4

Результаты исследований ионообменных ПВВ с различными обменными солями

Параметры ПВВ

Предельный

заряд, М

, г

№

п/п

ПВВ

Обменная

пара солей

Ингибитор

кДж/моль

ε,

кг/кг

моль

экспе-

римент

расчет

по (1)

по

уравне-

нию (2)

Оп. обр.

275

Са(NО

)

–

NН

СаCl 54,46 0,267 2,43 1400,0 490,75 1,817

Угленит

14Ф

NаNО

–

(NН

)

НРО

Nа

120,58 0,341 2,11 1000,0 104,26 3,626

Оп. обр.

ПФ-6

СаСО

–

NН

СаСl

85,94 0,0999 0,85 150,0 29,2 2,543

Угленит

7у

КNО

–

NН

КCl 85,7 0,42 5,644 1200,0 1193,2 1,003

Критическое условие (3) позволяет оценить ингибирующее действие

солей-ингибиторов при взрыве заряда ПВВ в МВС по отношению числа мо-

лей ингибитора и радикалов, участвующих в реакции. Так как они влияют на

скорость двух конкурирующих процессов – образования активных центров в

реагирующей среде и их рекомбинацию на поверхности кристаллов ингиби-

тора, то если

][

≥

•

, тогда процесс рекомбинации радикалов преобладает

над процессом их образования, а если

][

•

, тогда наоборот. В первом слу-

чае при взрыве заряда ПВВ ингибирующее действие соли – преобладающее и

процесс воспламенения МВС не возможен, а во втором случае – наоборот,

развитие цепной реакции окисления метана более быстрое и вызывает вос-

пламенение МВС. Эти теоретические выводы требовали экспериментальных

исследований механизма воспламенения МВС. Были изготовлены ориги-

нальные

составы ПВВ, приведенные в табл. 5, которые испытывали в опыт-

ном штреке МакНИИ в канальной мортире без забойки при обратном спосо-

бе инициирования заряда. Предохранительные свойства опытных составов

ПВВ сравнивали с предохранительными свойствами аммонита Т-19. Резуль-

таты испытаний приведены табл. 6.

Аммонит Т-19 и опытный образец № 3 по составу являются классиче-

скими, опытный

образец № 2 – ионообменным, а № 1 – смешанным, то есть

включает признаки как классических ПВВ, так и ионообменных. С помощью

Высокоэнергетическая обработка материалов

отношения

fn ][

•

R критического условия (3) можно учитывать соотношение

концентрации ингибитора и активных частиц-радикалов в реагирующей

МВС. Все составы ПВВ содержат соль-ингибитор NaCl, следовательно, для

нее химическая активность постоянна: f = const. В этом случае концентрация

ингибитора в продуктах взрыва определяется отношением: n

/ N

. Более

сложно учитывать концентрацию радикалов

][

•

R в реагирующей среде, обра-

зующуюся при действии на МВС продуктов взрыва ПВВ и ударной волны. В

первом приближении общая концентрация радикалов в объеме МВС, охва-

ченной ударной волной с параметрами, достаточными для возбуждения ре-

акции и продуктами взрыва ВВ, будет равна сумме:

ПВув

RRR ][][][

•••

. (4)

Таблица 5

Опытные составы ПВВ для исследований критических условий

воспламенения МВС

Состав ПВВ

Энергетические

параметры

ПВВ

Детони-

рующая

способность

ПВВ

№

п/п

ТНТ

АС

ПХН

NаCl

кДж/кг

моль/кг

Т,

Д,

м/с

кр

мм

Работоспо-

собность

ПВВ относи-

тельно

Т-19

1 30,9 - 44,1 25,0 4614,34 15,0 3581,5 3285 10,1 0,902

2 20,0 30,0 50,0

- 3518,6 26,35 2566,0 3682 9,0 0,945

3 40,0 40,0 - 20,0 2896,7 34,38 2038,7 4280 8,0 0,927

ТНТ – тротил, АС – нитрат аммония, ПХН – перхлорат натрия; Д – скорость детонации

ВВ, d

кр

– критический диаметр детонации

Таблица 6

Результаты испытаний опытных ПВВ в опытном штреке

Уровень предохрани-

тельных свойств за-

ряда в МВС, кг

№

п/

ПВВ

Плот-

ность

ВВ,

кг/м

Показа-

тель по-

литропы

детонации

Скорость

детона-

ции, м/с

Давление

детона-

ции, ГПа

не воспл. воспл.

1 Аммонит Т-19 1080 2,26 4164 5,573 0,1 0,2

2 Оп. обр. № 3 1100 2,3 4280 6,106 0,1 0,2

3 Оп. обр. № 2 1300 2,4 3682 5,184 0,1 0,2

4 Оп. обр. № 1 1300 2,38 3285 4,150 0,5 0,6

Высокоэнергетическая обработка материалов

Очевидно, что количество радикалов в объеме МВС, охваченной удар-

ной волной –

yв

R ][

•

будет зависеть от массы заряда и теплоты взрыва ПВВ, а

количество радикалов в продуктах взрыва ПВВ –

ПВ

R ][

•

будет зависеть от его

состава и температуры продуктов взрыва. Результаты испытаний опытных

ПВВ (см. табл. 5 и 6) показывают, что их детонационные параметры и рабо-

тоспособ-ность примерно одинаковые, то есть, они не сильно отличаются

друг от друга. Следовательно, можно предположить, что число радикалов в

объеме МВС, охваченной ударной волной при взрыве

зарядов этих ПВВ, то-

же будет не сильно отличаться друг от друга, поэтому принимаем

constR

ув

≈

•

][

. Тогда уравнение (4) примет вид:

constRR

ПВ

••

][][

. (5)

В этом случае становится очевидным, что уровень предохранительных

свойств ПВВ будет зависеть от соотношения:

constR

ПВ

•

][

. Понятно, что чем

больше это соотношение, тем выше уровень предохранительных свойств

ПВВ и больше его предельный заряд в МВС. Для того чтобы подтвердить

этот вывод экспериментально, предварительно был сделан аналитический

расчет состава продуктов взрыва опытных ПВВ с учетом константы равнове-

сия водяного газа и температуры продуктов взрыва. Результаты расчета при-

ведены в табл. 7.

Особую сложность вызывал расчет состава продуктов взрыва опытного

образца № 1 с учетом сублимации и возгонки хлористого натрия при детона-

ции. Дело в том, что, согласно работы [2], при температуре выше 2500

хлористый натрий начинает интенсивно сублимироваться и возгоняться, не-

смотря на высокое давление взрыва заряда ВВ. В работе [2] для ряда хими-

ческих соединений были приведены полученные методом Лангмюра экспе-

риментальные данные давления насыщенного пара в зависимости от теплоты

возгонки и энергии связи этих соединений. Давление насыщенного пара для

хлористого натрия можно

выразить линейной функцией от температуры и

теплоты возгонки:

Высокоэнергетическая обработка материалов

95,81071,4

−⋅=

−

ТP

, (6)

где Р

– давление насыщенного пара, атм.

Результаты расчета по этому уравнению сведены в табл. 7. Оказалось,

что энергетические параметры ПВВ № 1 такие, что NaCl при взрыве этого

ПВВ полностью переходит в пар. Поэтому был сделан второй расчет парамет-

ров этого ПВВ с учетом того, что продукты взрыва содержат NaCl в виде пара.

Для проверки надежности

такого расчета были использованы результаты ис-

следований по определению работоспособности ПВВ № 1 и № 2 на 10-ти тон-

ном баллистическом маятнике МакНИИ. Известно, что работоспособность

ПВВ на баллистическом маятнике определяется их удельной энергией взрыва

и наличием в продуктах взрыва конденсированной фазы, на разгон и выброс

которой из канала мортиры затрачивается часть энергии

взрыва. Взрывая на

баллистическом маятнике заряды одинаковой массы, можно определить ра-

ботоспособность заряда ПВВ относительно эталона. В качестве эталонного

ПВВ использовали аммонит Т-19. Тогда относительная работоспособность

опытного ПВВ № 1 будет равна:

91,0

)2,01(97,3452

06,2811

5,0

−

−T

отн

Эксперимент дает относительную работоспособность 0,902 (см.

табл. 5), что очень хорошо согласуется с расчетом для парообразного инги-

битора NaCl. Тем не менее, был сделан еще расчет давления насыщенного

пара NaCl в зарядной полости канала мортиры, в которой взрывали заряды

ПВВ № 1. При этом предполагали, что если давление пара Р

для NaCl будет

больше, чем давление газообразных продуктов взрыва ПВВ в зарядной каме-

ре, то пары NaCl будут равномерно смешаны с газообразными продуктами и

в таком виде выброшены из канала мортиры. Для этого найдем давление

продуктов взрыва ПВВ № 1 в канале мортиры по формуле:

238

0 4284

4 15 10 2 9562 10

зар

BB H

PP , ,

⎛⎞

==⋅ ≈⋅

⎜⎟

⎝⎠

, Па,

где

зар

Δ – плотность заряжания канала мортиры, г/см

Высокоэнергетическая обработка материалов

По уравнению (6) давление насыщенного пара NaCl при взрыве равно:

7105,395,826881071,495,81071,4lg

=−⋅⋅=−⋅⋅=

−−

ТР

то есть

10237,53,5134 ⋅== атмР

, Па. Так как

P >

P , то NaCl при взрыве

пар. Таким образом, и данный расчет показывает, что NaCl при взрыве заряда

ПВВ № 1 в канале мортиры находится в виде пара. Это позволяет конкрети-

зировать дальнейшие исследования.

Переходим к анализу результатов определения предохранительных

свойств ПВВ и изучению влияния ингибирующего действия соли-ингибитора

на величину предельного заряда.

Согласно работе [3],

для обратного способа инициирования заряда

ПВВ в канале мортиры получено расчетное уравнение предельного заряда:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

5,0

)1(

92,87509

, (7)

где

– коэффициент, учитывающий изменение скорости истечения продуктов

взрыва ВВ из канала мортиры при обратном способе инициирования заряда.

В работе [4] получено уравнение для расчета концентрации радикалов

в продуктах взрыва ПВВ:

)

][8

11(

][

ПВ

+±−

•

, (8)

где К

– константа реакции образования радикалов; [Э

] – содержание в про-

дуктах взрыва ПВВ химических элементов, из которых при взрыве образу-

ются радикалы.

Анализируя данные табл. 7, можно утверждать, что образующими ради-

калы элементами в продуктах взрыва ПВВ являются свободные кислород и во-

дород. Молекулы этих элементов в свободном виде при высоких температурах

взрыва начинают диссоциировать, образуя активные радикалы-

атомы:

HHH

•

⇔+

••••

+⇔ OOO

Высокоэнергетическая обработка материалов

По известному составу продуктов взрыва ПВВ и их температуре по

уравнению (8) определяем содержание радикалов в продуктах взрыва. С точ-

ностью до константы, определим значение критических условий, опреде-

ляющих ингибирующее действие соли-ингибитора при взрыве ПВВ. Уравне-

ние (7) позволяет определить предельный заряд ПВВ для условий обратного

инициирования заряда в канале мортиры

с учетом типа ВВ, испытанного в

опытном штреке. Результаты расчетов приведены в табл. 8.

Результаты исследований показывают, что рост критической величины

][

•

приводит к возрастанию предельных зарядов ПВВ как при прямом, так и

при обратном способе инициирования заряда. Это указывает на явную связь

между ингибирующим действием соли NaCl и массой предельного заряда

ПВВ. Также установлена четкая связь между количеством радикалов в про-

дуктах взрыва ПВВ и его уровнем предохранительных свойств. Увеличение

числа (концентрации)

радикалов в продуктах взрыва ПВВ снижает его пре-

дельный заряд. В целом, соотношение между концентрацией соли-

ингибитора и концентрацией радикалов в продуктах взрыва и определяет

предельный заряд ПВВ в МВС. Это наглядно видно из табл. 8 при сравнении

расчетных данных с экспериментальными. Таким образом, эксперименталь-

ным путем доказано влияние на величину предельного

заряда ПВВ ингиби-

рующего действия соли-ингибитора, образующейся в продуктах взрыва при

детонации ВВ. Это позволяет обосновать выбор ингибиторов для ПВВ и спо-

соб их ввода в состав.

Выводы

Результаты работы позволили установить, что соли-ингибиторы для

ПВВ необходимо выбирать с учетом их химической природы и размера час-

тиц или кристаллов. Наиболее мелкие кристаллы ингибитора образуются в

продуктах взрыва ПВВ в результате реакции между обменными солями. В

этом случае эффективность ингибирования МВС солью примерно в 1,5 раза

выше, чем у соли

, введенной в состав ПВВ как балластная добавка. Хлори-

стый кальций и фосфат натрия при прочих равных параметрах ингибирова-

ния МВС обладают в 2-3 раза более высокой эффективностью торможения

взрывных реакций метана, чем используемые в настоящее время в составах

ПВВ хлористые натрий и калий.

Высокоэнергетическая обработка материалов

Литература

Дубнов Л.В. Предохранительные взрывчатые вещества в горной про-

мышленности. – М. – Л.: Углетехиздат, 1953. – 148 с.

Куликов И. С. Термическая диссоциация соединений. – М.: Метал-

лургия, 1966. – 250 с.

Калякин С.А., Шевцов Н.Р. Аномальное влияние ингибитора на цеп-

ную реакцию окисления метана при взрыве // Технология и проектирование

подземного строительства. Вестник. Вып.2. – Донецк: НОРД-ПРЕСС, 2002. –

С. 166-180.

Калякин С.А. Механизм воспламенения метано-воздушной смеси

продуктами взрыва ВВ // Способы и средства создания безопасных и здоро-

вых условий труда в угольных шахтах. Сб. научн. тр. МакНИИ. – Макеевка:

МакНИИ, 2004. – С. 143-159.

УДК 622.235.22

К ВОПРОСУ О СНИЖЕНИИ ВЕРОЯТНОСТИ

ВЗРЫВОВ И ВСПЫШЕК МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

ПРИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТАХ

О.И. Кашуба, Ю.В. Манжос

Государственный Макеевский научно-исследовательский институт

по безопасности работ в горной промышленности (МакНИИ),

ул. Лихачева, 60, г. Макеевка, 86108, Украина

e-mail: maknii@tr.dn.ua

Расчет показывает, что на промышленное взрывчатое вещество патрона-боевика, в кото-

ром находится дефектный электродетонатор, воздействуют продукты сгорания электроде-

тонатора с высокими поджигающими параметрами, а именно: с давлением от 8,86 до

16,05 МПа и температурой от 733

°К до 1328°К.

A calculation shows that on the industrial explosive of patron-hit with imperfect electro-

detonator the products of electro-detonator combustion with high incendiary parameters influence,

namely: with pressure from 8,86 to 16,05 MPa and temperature from 733°К to 1328°К.

Одной из причин воспламенения метановоздушной смеси (МВС) при

взрывных работах в угольных шахтах является выгорание шпуровых зарядов