Взрыв – источник упругих колебаний

По М.М. Протодьяконову и СНиПу

Наименование грунтов (пород)	Степень крепости грунтов (пород)	Классификация грунтов (пород) по М.М. Протодьяконову	Группы грунтов (пород) по СНиПу
Категория крепости	Коэффициент крепости f
Наиболее крепкие, плотные и вязкие кварциты и базальты, исключительные по крепости другие породы	В высшей степени крепкие	I	19-20	XI
Очень крепкие гранитные породы. Кварцевый порфир, очень крепкий гранит, кремнистый сланец. Менее крепкие, чем указанные выше кварциты. Самые крепкие песчаники и известняки	Очень крепкие	II	15-18	X
Гранит плотный и гранитные породы. Очень крепкие песчаники и известняки. Кварцевые рудные жилы. Крепкий конгломерат. Очень крепкие железные руды. Известняки (крепкие). Некрепкий гранит. Крепкие песчаники. Крепкий мрамор. Доломит. Колчеданы	Крепкие	III     IIIa	11-14     9-10	IX     VIII
Обыкновенный песчаник. Железные руды. Песчанистые сланцы. Сланцевые песчаники	Довольно крепкие	IV   IVa	7-8   4-6	VII   VI
Крепкий глинистый сланец. Некрепкий песчаник и известняк, мягкий конгломерат. Разнообразные сланцы (некрепкие), плотный мергель	Средние	V   Va		V
Мягкий сланец, очень мягкий известняк, мел, каменная соль, гипс. Разрушенный песчаник, сцементированная галька, каменистый грунт. Щебинистый грунт. Разрушенный сланец, слежавшийся сланец, слежавшаяся галька и щебень, крепкий каменный уголь. Отвердевшая глина	Довольно мягкие	VI     VIa	1.5	IV
Глина (плотная). Мягкий каменный уголь. Крепкий нанос, глинистый грунт. Легкая песчаная глина, гравий, лесс	Мягкие	VII   VIIa	0.8	IV
Растительная земля. Торф, легкий суглинок, сырой песок	Землистые	VIII	0.6	III
Песок, осыпи, мелкий гравий, насыпная земля, добытый уголь	Сыпучие	IX	0.5	II
Плывуны, болотистый грунт, разжиженный лесс и другие разжиженные грунты	Плавучие	X	0.3	I

Основным показателем этой классификации является коэффициент крепости, характеризующий предел прочности пород при одноосном сжатии.

2.1. Краткие исторические сведения [1, 11]

Первое применение ВВ имело место в военном деле и первым известным человечеству ВВ был черный (дымный) порох. Имена изобретателей пороха и дата его открытия затерялись в глубине веков и честь его изобретения присваивается многими нациями.

В 673 г. при обороне Константинополя впервые применяется «греческий огонь» - зажигательная смесь из смолы, серы, канифоли, селитры и аэрозольных присадок; пламя практически не гасилось водой. В 682 г. китайский алхимик Сун Сымяо описывает способ изготовления весьма эффективной горящей смеси: селитры, серы и опилок.

Фридрих Энгельс в статье «Артиллерия» следующими строками:

«В настоящее время почти общепризнано, что изобретение пороха и применение его для бросания тяжелых тел в определенном направлении - восточного происхождения. В Китае и Индии селитра самопроизвольно выделяется из почвы и вполне естественно, что население быстро ознакомилось с ее свойствами. Огнестрельные припасы, изготовленные из смеси этой соли. с другими горючими веществами, выделывались в Китае в весьма ранний период и употреблялись как для военных целей, так и при общественных торжествах».

И далее:

«Арабы получили селитру и огнестрельные припасы от китайцев и индусов. Два из арабских наименований селитры означают китайская соль и китайский снег»…

Сведения, имеющиеся в старинных летописях, позволяют утверждать, что порох для военных целей применялся на Руси до 1382 г., так как достоверно известно, что при Дмитрии Донском во время обороны Москвы от нашествия татаро-монгольских орд хана Тохтамыша в 1382 г. русские войска применяли дымный порох для стрельбы из артиллерийских орудий.

В Западной Европе англичане приписывают заслугу открытия пороха Рожеру Бэкону (1257 г.), итальянцы - Майпери (1216 г.), немцы - монаху Бертольду Шварцу (1354 г.). Из этих несовпадающих дат можно, по - видимому, сделать одно заключение, что все они правдоподобны, как правдоподобны и имена «первооткрывателей», но каждая дата и каждое имя характеризуют время первого случая использования пороха в данной стране…

Первое применение пороха в горном деле относится к 1627 г. (по другим данным - к 1617 г.), когда Каспар Вейндль использовал его для разрушения горного массива в Верхне-Бобровой штольне в Силезии.

В 1812 г. в России член-корреспондент Петербургской академии наук Павел Львович Шиллинг впервые успешно применил электрический воспламенитель для взрывания пороховых зарядов.

В 1831 г. Бикфорд изобрел огнепроводный шнур.

Тысячелетнее господство дымного пороха в 1845 г. нарушил Шенбейн Кристин Фридрих, синтезировавший в Базельском университете (Швейцария) пироксилин.

Химики разных стран испытывали действие азотной кислоты на различные органические вещества, изобретая тем самым все новые и новые ВВ. В 1788 г. Таусманом открыт тринитрофенол (пикриновая кислота), вначале известный только как краска для шелка и шерсти; его взрывчатые свойства открыты Шпренгелем в 1873 г.; в 1799 г. Говардом была открыта гремучая ртуть, которая впоследствии произвела переворот и истории ВВ, будучи применена в качестве инициирующего ВВ, вызывающего детонацию других ВВ. В 1834 г. был получен нитробензол, а в 1835 г. Лорен изготовил нитронафталин. Затем, почти одновременно, были открыты два мощных ВВ, совершивших переворот как в военной, так и в гражданской технике: в 1845 г. А.А. Фадеев вновь получил пироксилин, а в 1846 г. Асканио Собреро открыл нитроглицерин. Последний пытались применить в военном деле (Зинин, 1853) и при промышленных взрывных работах, однако попытки использования его в чистом виде сопровождались несчастными случаями, причиной которых являлась его высокая чувствительность. В дальнейшем сотрудник Н.Н. Зинина В.Ф. Петрушевский нашел прекрасный способ безопасного использования нитроглицерина и предложил в 1866 г. артиллерийскому ведомству снаряжать гранаты вместо пороха специальным составом, содержащим смесь нитроглицерина с углекислым магнием, получившим название динамита. Полевые опыты, проведенные В.Ф. Петрушевским, дали положительные результаты, и динамит был предложен для использования в горном деле, но вследствие пренебрежения к отечественным открытиям со стороны русских промышленников и царского генералитета предложение реализовано не было. Наряду с этим Альфред Нобель, живший в то время в России и знакомый с опытами Зинина и Петрушевского, реализовал в 1867 г. это важное открытие вначале в Германии, затем в Швеции и далее в других странах Европы. Именно поэтому за рубежом неправильно приписывают Нобелю авторство в открытии динамитов…

…В связи с разработкой новых ВВ (впоследствии получивших название бризантных) А. Нобель, открыв явление детонации, в 1867 г. применял для взрывания зарядов медный капсюль, снаряженный чистой гремучей ртутью. По другим сведениям такое предложение было сделано в 1865 г. капитаном Л.И. Андриевским.

Начало второй половины XIX в. важно с точки зрении развития взрывных работ. В этот период открыт третий (Вильбранд, 1863.), а в 1867 г. шведские химики Ольсен и Норбин получили патент на способ изготовления аммиачно-селитренных ВВ – аммонитов.

Русская наука и русские инженеры справедливо выдвигали требования, которым должны удовлетворять промышленные ВВ, что, в частности, подтверждается мыслями, изложенными в статье инж. А.Ф. Путвинского, который писал: «При современном состоянии горного дела всем требованиям практики может удовлетворять только идеальный взрывчатый состав; на мой взгляд требования эти следующие: 1) чтобы работы с взрывчатым составом не были вредны для здоровья рабочих: 2) чтобы при взрыве он развивал возможно большую силу; 3) чтобы работа с ним во всякое время года и при всяких климатических условиях была совершенно безопасна; 4) чтобы работа с ним велась легко и скоро; 5} чтобы работа с ним могла вестись в любом месте рудников или копен, не требуя усиленной тяги воздуха; 6) чтобы сила его при взрыве развивалась постепенно и руда или уголь получались в достаточно крупных кусках; 7) чтобы взрыв состава не производил взрыва рудничных газов; 8) чтобы он был прост и безвреден при фабрикации; 9) чтобы он сохранялся, не подвергаясь атмосферному влиянию и не угрожая опасностью неожиданного взрыва; 10) чтобы он был дешев.

Применение взрыва и ВВ в сейсморазведке, по всей видимости, случилось с момента её зарождения, в 20-х годах XX в. В сейсморазведке, как правило, при взрывных работах применяются тротил, аммониты, тетрил, гексоген, тэн, гремучая ртуть, стифнат свинца, азид свинца, дымные пороха, бездымные пороха.

2.2. Понятие о взрыве и взрывчатых веществах (ВВ) [1, 9, 10, 11]

Взрывом называют физическое или химическое превращение вещества, при котором его энергия быстро переходит в энергию сжатия и движения самого вещества или продуктов его превращения и окружающей среды.

Энергия, выделяющаяся при взрыве, переводится в механическую работу, которую совершают сжатые газы или пары, имевшиеся до взрыва или образовавшиеся в момент взрыва, или же прилегающие к месту взрыва слои воздуха. Быстрота выделения энергии и огромное давление (десятки и сотни тысяч атмосфер) сжатых газов предопределяют особый разрушительный характер механического действия взрыва. Кроме того, быстро расширяющиеся сжатые газы вызывают в окружающей среде волну возмущения, называемую ударной волной. Последняя представляет собой скачкообразное изменение давления, температуры и плотности, распространяющихся в среде со сверхзвуковой скоростью.

Взрывы бывают физического и химического порядка. Примерами взрывов физического порядка можно назвать взрывы паровых котлов или баллонов со сжиженными или сжатыми газами, электрический взрыв можно наблюдать при разряде конденсаторов (молния в природе), падение метеоритов на Землю.

Основное значение в народном хозяйстве, в частности, в сейсморазведке имеет химический взрыв.

При взрыве химического характера происходит исключительно быстрое превращение вещества из одной формы в другую с коренным изменением его химического состава, выделением тепла и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу. Химическое превращение вещества при взрыве отмечается тремя основными факторами: мгновенной скоростью превращения, выделением большого количества тепла и образованием значительного количества газов. Только совокупность указанных факторов обусловливает возможность процесса взрывчатого превращения.

Из всех факторов наиболее влиятельным является скорость взрывчатого превращения, которая составляет для различных взрывчатых веществ от долей метра до нескольких тысяч метров в секунду. Например, пороховая сердцевина огнепроводного шнура горит со скоростью 1 см/сек, а скорость детонации тэна достигает 8400 м/сек. Скорость реакции взрыва определяет мощность того или другого взрывчатого вещества. Чем больше скорость взрывчатого превращения, тем выше мощность взрывчатого вещества.

При взрыве высокое давление создается главным образом за счет повышения температуры - результат выделения тепла в про­цессе химической реакции взрывчатого превращения вещества. Температура при взрыве различных веществ изменяется от 15000 до 4500° С. В момент нагревания давление возрастает по закону Гей-Люссака:

,

где р - конечное давление, кГ/см², р₀ - начальное давление, кГ/см², t - температура взрыва,°С.

Прирост температуры на 1°С увеличивает давление на 1/273 против начального. Под непосредственной силой давления разрушается среда и в ней создаются упругие колебания.

Образование значительного количества газов в продуктах взрыва, нагретых выделившейся при этом процессе теплотой, является неотъемлемой частью взрыва. Чем больше объем газов при взрыве относительно объема вещества до взрыва, тем сильнее данное ВВ. Для современных промышленных взрывчатых веществ объем газов в продуктах взрывчатого превращения составляет 600—1000 л на 1кг.

Внешние признаки взрыва - звуковой эффект, сотрясение окружающей среды, распространение ударной воздушной волны, наличие пламени и грибообразного столба черных газов. Они определяются средой, в которой произведен взрыв (в воздухе, на поверхности земли, в шурфе или скважине).

Следовательно, взрыв можно характеризовать как чрезвычайно быстрое химическое превращение вещества, сопровождающееся выделением большого количества тепла (энергии) и образованием сильно нагретых газов, производящих работу вследствие резкого повышения давления в месте их образования.

Приведем также определение взрыва, данное в системе стандартом безопасности труда «Взрывобезопасность», которая действует и по настоящее время: «Взрыв - быстрое превращение вещества (взрывное горение), сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить работу».

Взрывчатые вещества (ВВ) – вещества, способные к взрывному превращению, а именно - такие химические системы, которые под влиянием определенного внешнего импульса способны со значительной скоростью переходить в другие системы с образованием газов или паров и выделением тепла, нагревающего газы до высокой температуры.

По своему физическому состоянию взрывчатые химические системы могут быть: а) газовыми смесями (метан + воздух; ацетилен + кислород и т. п.), б) смесями твердых или жидких веществ с газами (угольная, древесная и тому подобная органическая пыль, брызги нефти + кислород воздуха), в) жидкими веществами (нитроглицерин, нитрогликоль), г) смесями жидких и твердых компонентов (динамиты: нитроэфиры + селитра; оксиликвиты: жидкий кислород + твердое горючее), д) твердыми взрывчатыми, соединениями или смесями (тринитротолуол, аммониты).

Практическое значение имеют две последние группы, причем наибольшее распространение получили твердые взрывчатые смеси.

Главное преимущество ВВ перед другими источниками энергии заключается и их компактности, транспортабельности и в том, что выделение энергии у них может протекать за короткое время, позволяя развивать огромные мощности. Так, при взрыве килограммового сферического заряда, изготовленного из сильного ВВ - гексогена плотностью 1,65 г/см³, возбуждаемого (инициируемого) в центре, скорость распространения взрывчатого превращения по веществу (детонация) составит 8300 м/сек. Путь r₀ - радиус заряда, который пройдет превращение, определяется из равенства

,

где G - вес, σ₀ - плотность заряда. Время, в течение которого реализуется этот процесс, будет равно (D - скорость детонации гексогена). Мощность N (ккал/сек), развиваемую при взрыве, можно оценить, зная, что при взрывчатом превращении килограмма гексогена выделяетсяQ ккал тепла

.

Для гексогена Q = 1320 ккал/кг. Мощность, получаемая из расчета, несколько завышена, так как не было учтено время, в течение которого расширяющиеся газы совершают работу. Но для сравнения укажем, что она превышает мощность самой крупной гидростанции мира - Братской ГЭС.

В настоящее время понятие ВВ дополняется понятием энерговмещающих композиций (ЭК) (см. 2.7). В работе II приведены следующие сведения:

«Совместное использование взрывных химических реакций, искрообразования и электричества стало предметом изучения на протяжении двух столетий. Новые эксперименты в 60 - 80-х гг. XX в. потребовали мощных (10-7, 19-9 Вт) и энергоемких (1-250кДж) разрядов, которые для инициирования были использованы впервые. Эксперименты способствовали созданию нового класса веществ, способных к взрывному превращению. Они отличались от существующих ВВ исключительной безопасностью при изготовлении и эксплуатации».

Советские ученые К.А. Наугольных и Н.А. Рой первыми указали на «интересную возможность инициирования разрядов проволочками из материала, реакция которого с кислородом, образующимся в результате диссоциации воды, обладает большим тепловым эффектом». Такие материалы - алюминий, цирконий, бериллий. Тепловой эффект экзотермических реакций существенно увеличивает механическую работу, совершаемую каналом разряда.

Их работы послужили началом усиления энергогидравлического эффекта (ЭГЭ) за счет химических превращений.

Практическое применение ЭГЭ потребовало теоретически обосновать воспроизведение ЭГЭ при помощи взрывающихся тепловых элементов (ВТЭ). Тепловой элемент, состоящий из энергосоставляющего материала, может способствовать взрыву. В качестве комбинированного взрывающегося теплового элемента (КВТЭ) могут применяться бензин, керосин, угольный порошок, алюминиевая пудра, сахарная пудра, а в качестве окислителя - марганцовокислый калий, бертолетова соль, сильные кислоты.

При температуре 4000 °С указанные окислители и горючие материалы никаких взрывных реакций не дают; вещество находится в плазменном состоянии.

Реакции с выделением тепла происходят на порядок ниже. Эти составы пожаро- и взрывоопасны, и при определенных соотношениях горение переходит в детонацию. Требования, предъявляемые к энерговыделяющим композициям, в основном те же, что и к ВВ, но эти композиции отличаются простотой изготовления и безопасностью применения.

Основные требования к ЭК

ЭК должны:

- увеличивать эффективность работы ЭГУ в несколько раз, компенсируя усложнение технологии проведения разряда с участием ЭК;

- обеспечивать безопасность применения в любом технологическом процессе:при производстве, хранении и транспортировке;

- быть устойчивыми к тепловым, механическим, электрическим воздействиям обычной бытовой и производственной техники;

- надежно и безотказно инициироваться импульсным электрическим разрядом;

- изготавливаться простым способом, не прибегая к сложным и трудоемким операциям. Временной фактор должен быть сведен к минимуму;

- не изменять своих свойств с момента изготовле­ния до момента использования. Чувствительность ЭК должна быть согласована с параметрами разряда и условиями проведения разряда (водная среда, открытые или закрытые камеры, скальная, или рыхлая порода). Самым высоким теплосодержанием обладают ЭК, в состав которых входят металлические порошки - алюминия, кремния, ферросилиция и селикокальция. Смесь содержащая 40% алюминия и 60% аммиачной селитры (без воды), характеризуется наиболее высоким теплосодержанием.

Дата добавления: 2014-12-29