Кислородный баланс, состав и вредность 2 страница

Рис.6 Фрикционный маятник для определения чувствительности

ВВ к трению

2.6. Скорость и виды взрывчатых превращений [1,6,9]

Цель изучения реакции взрывчатого превращения следующая. Зная начальное и конечное состояние взрывчатой системы, можно определить количество освобождающейся энергии, что необходимо для оценки ожидаемого действия взрыва.

Все малоустойчивые взрывчатые системы, которыми являются ВВ, при взрыве превращаются в химически устойчивые системы, причем это превращение может протекать с различной скоростью.

Под скоростью взрывчатого превращения принято понимать быстроту распространения этого явления по массе ВВ. Скорость взрывчатого превращения при благоприятных условиях (однородных) для данного ВВ является величиной постоянной. Однако она колеблется в больших пределах в зависимости от влияния различных факторов, точнее, от совокупного влияния этих факторов. Такими факторами являются: химическая природа ВВ, плотность ВВ, диаметр заряда, величина частиц ВВ, а также (для ВВ, содержащих аммиачную селитру) содержание влаги.

Как известно, существуют две формы быстрого химического превращения – горение и детонация. Они имеют различные скорости распространения и механизмы передачи тепла из зоны реакции к новым порциям ВВ, вступающим в реакцию.

Скоростью горения ВВ называют скорость перемещения фронта границы превращения по взрывчатому веществу в направлении, перпендикулярном к поверхности заряда. (Нельзя путать это понятие с распространением пламени вдоль поверхности заряда - процессом, имеющим самостоятельное значение и играющим большую роль во внутренней баллистике стреляющих систем). Она измеряется в единицах длины в секунду. Иногда горение характеризуют массовой скоростью, определяемой как количество сгоревшего вещества в граммах на единицу площади сечения заряда за единицу времени (г/см²). Процесс зависит от характера химической реакции, протекающей в ВВ, и скорости передачи тепла к новому, прогреваемому слою. Скорость горения в зависимости от условий меняется в больших пределах (от долей миллиметра до нескольких метров в секунду) даже у одного и того же вещества. Опытным путем установлено, что дымный порох при плотности 1,9 г/см³ и давлении 1 кГ/ см² горит со скоростью 0,8см/сек, а при давлении 2500 кГ/ см² скорость горения достигает 10,9 см/сек. Шашка прессованного тротила весом 400г и высотой (длиной) 10 см при плотности 1,59 г/см³ и давлении 1 кГ/ см² сгорает за 15 мин, а если предельно увеличить давление в замкнутой среде, то скорость горения достигнет скорости взрыва (6800м/сек).

Процесс горения распространяется по массе взрывчатого вещества за счет передачи тепловой энергии от слоя к слою благодаря теплопроводности, а также излучения тепла газообразными продуктами горения.

Взрывчатое превращение дробящих (бризантных) ВВ, какими являются все современные промышленные ВВ, происходит в форме детонации.

Чрезвычайно быстрое распространение взрыва, обусловленное прохождением ударной волны по массе ВВ, измеряемой несколькими тысячами метров в секунду, называется детонацией. (Детонация ‑ частный случай взрыва).

Детонационное превращение объясняется гидродинамической теорией.

Гидродинамическая теория детонации впервые высказана русским ученым Михельсоном в 1890 г. и в значительной мере разработана и дополнена работами советских ученых Н.Н. Семенова, Ю.Б. Харитонова, Я.Б. Зельдовича, Г.И. Покровского, О.Е. Власова, Л.Д. Ландау, К.П. Станюковича и др. Эта теория, в свое время разработанная для газов, оказалась в большинстве основных положений применима и к конденсированным ВВ.

В основу гидродинамической теории положен принцип распространения по массе ВВ ударной волны сжатия, проходящей со сверхзвуковой скоростью.

Согласно этой теории, распространение ударной волны по заряду ВВ происходит за счет энергии реакции химического превращения или разложения. В зоне непосредственного воздействия ударной волны слои ВВ сжимаются, разогреваются и начинают быстро реагировать, превращаясь в продукты взрыва. Таким образом, по взрывчатому веществу распространяется стационарная затухающая волна, обеспечивающая реакцию вещества заряда за счет ударного разогрева - эта волна называется детонационной волной. Заканчивается эта волна условной границей, называемой плоскостью Чемпена Жуге. Скорость распространения детонационной волны называется скоростью детонации (тысячи метров в секунду). Высокая скорость распространения детонационной волны по заряду ВВ вызывает скачкообразное возрастание параметров (давление, температуры, объема) как во фронте детонации, так и в ударной волне.

Устойчивой детонация является тогда, когда процесс взрывчатого превращения распространяется по всему заряду с одинаковой, максимально возможной скоростью, присущей этому ВВ в данных условиях. При нарушении этого процесса детонация становится неустойчивой. Все промышленные ВВ, применяемые при взрывных работах, должны обладать устойчивой детонационной способностью. При неустойчивой детонации возникает опасность неполного взрыва, выгорания части заряда или частичный его разброс.

Устойчивость детонации зависит от диаметра патронов шашек, плотности ВВ, содержания влаги, химического состава, физического состояния, срока и условий хранения, мощности начального импульса.

Наименьший диаметр удлиненного заряда, зависящий от состава ВВ, физического состояния и условий взрыва, при котором может еще протекать устойчивая детонация ВВ, называется критическим. Диаметр заряда, по достижении которого скорость детонации не увеличивается, называется диаметром детонации.

Взрыв одного заряда ВВ может вызвать детонацию другого, расположенного на определенном расстоянии. Подобные явления принято называть взрывом или детонацией через влияние.

Отметим также явление взрывного горения, которое протекает со скоростью сотни метров в секунду. К примеру, в определенных условиях, это может происходить с дымным порохом. Детонация ВВ и взрывное горение могут быть объединены общим понятием взрыв.

Существуют также такие виды превращения, как медленный термический распад, который происходит при нагревании ВВ ниже температуры вспышки, значения которой лежат в пределах 160-300°С (основой реакции является мономолекулярный распад), и медленное выгорание взрывчатого вещества, носящее название дефлаграции -имеет место в шахтах при повышенном давлении.

2.7. Фугасное, бризантное и кумулятивное действие взрыва [6]

Под фугасным действием взрыва подразумевают общую работу, которую могут совершить газы, образовавшиеся при взрыве.

Работоспособность, бризантность и явление кумуляции относятся кчислу основных свойств взрывчатых веществ, имеющих большое практическое значение при ведении взрывных работ.

Свойство ВВ при взрыве разрушать определенный объем породы называется работоспособностью. Работоспособность главным образом зависит от объема газов и количества теплоты, образующихся при взрыве данного ВВ.

Газообразные продукты взрыва, сильно сжатые и нагретые до высокой температуры, при расширении производят работу. Эта работа определяется экспериментально при помощи свинцовой бомбы.

Бомба представляет собой цилиндр (рис.7), отлитый из рафинированного свинца диаметром и высотой,равными 200 мм. Вдоль оси цилиндра имеется канал глубиной 125 мми диаметром 25 мм. Первоначальный объем канала измеряют с точностью до 1 см³, наливая воду из градуированного сосуда. После этого 10 г испытуемого ВВ заключают вместе с электродетонатором в гильзу из оловянной фольги или пергаментной бумаги и размещают на дне канала свинцовой бомбы. Проводники электродетонатора выводятся на поверхность, а свободная часть канала до краев заполняется мелкозернистым сухим песком. Затем производится взрыв навески испытуемого ВВ. В результате взрыва канал принимает грушевидную, форму; он очищается от всех остатков, и его объем вновь измеряют с точностью до 1 см³,заливая водой из градуированного сосуда.

Рис.7. Свинцовая бомба для определения работоспособности ВВ: а – до взрыва, б – после взрыва;1-ВВ; 2-забойка; 3-электродетонатор

Разность объемов канала свинцовой бомбы до взрыва и после него характеризует работоспособность данного ВВ в кубических сантиметрах. Эта проба для испытания работоспособности ВВ была предложена Трауцлем и, несомненно, представляет собой условность, которая, однако, дает возможность определять относительную характеристику разрушающих способностей различных ВВ в районе расположения данного заряда.

Способность ВВ при взрыве дробить на более или менее мелкие части плотную среду, окружающую заряд, называется бризантностью. Она является неизменным свойством ВВ и колеблется в зависимости от состояния ВВ, условии взрыва и прежде всего от скорости взрывчатого превращения ВВ. Например, порошкообразный тротил имеет дробящее действие меньше, чем прессованный или плавленый тротил. Бризантность ВВ принято оценивать величиной обжатия свинцового цилиндрика при взрыве заряда, которая выражается в уменьшении высоты последнего в миллиметрах. Для проведения испытания берут свинцовый цилиндрик (рис.8) высотой 60 мми диаметром 40 мм, который ставят на стальную плиту толщиной не менее 20 мм, а на верх цилиндрика накладывается стальная пластинка толщиной 10 мми диаметром 41 мм. Сверху стальной пластинки устанавливается заряд испытуемого ВВ в бумажной оболочке с капсюлем-детонатором весом 50 г, затем производится взрыв. Энергия взрыва - резкий толчок на стальную плиту, которая, в свою очередь, сжимает свинцовый цилиндрик. После этого измеряют высоту цилиндрика в четырех диаметрально противоположных точках и подсчитывают среднее значение из этих измерений.

Эта проба для испытания бризантности ВВ была введена Гессом и являетсяусловной, как и проба, предложенная Трауцлем. По Методу Гесса можно получать относительные характеристики разрушающих способностей различных ВВ, которые проявляются непосредственно в районе твердой среды, окружающей заряд. Среда может быть представлена металлом, бетоном, горными породами и др.

Рис. 8. Испытание ВВ на бризантность:

1- свинцовый цилиндрик; 2- стальная плита; 3- стальная пластина;

4 – заряд ВВ; 5- детонатор;6- огнепроводный шнур;

7-свинцовый цилиндрик

Кумуляцией называется явление при взрыве, заключающееся в повышенном действии взрыва заряда ВВ определенной формы, достигаемое увеличением или скоплением направленных масс взрывчатого превращения, которые, разлетаясь первоначально по нормали к поверхности кумулятивной выемки заряда ВВ, встречаются примерно у ее оси, уплотняются и приобретают большую скорость. Впервые кумуляция была обнаружена в 1864 г. М.М. Боресковым, а в 1865 г. использована Д.И. Андриевским при создании капсюля-детонатора.

В 20-х гг. прошлого столетия М.Я. Сухарский положил начало изучению этого явления, а в дальнейшем М.А. Лаврентьев и Г.И. Покровский научно обосновали теорию кумуляции.

Кумулятивное действие осуществляется при помощи выемки, сделанной в основании заряда ВВ.

Направленное действие взрыва кумулятивного заряда можно проследить на следующем примере (рис.9). Если на стальную плиту небольшой толщины поставить два цилиндрических заряда ВВ одинокого объема, причем один заряд сплошной, а другой с конической выемкой в нижней части, противоположной детонатору, то при взрыве сплошного заряда образуется вмятина, а при взрыве заряда с конической выемкой, меньшего по весу, плита пробивается насквозь.

Такое сосредоточение действия взрыва объясняется тем, что газообразные продукты взрыва, движущиеся от поверхности конуса, встречаются на его оси и образуют плотную тонкую струю. Пробивное действие значительно усиливается, если выемка в заряде облицована тонкой металлической оболочкой. Кумулятивная струя, вызванная взрывом такого заряда, при высокой температуре под большим давлением плавит металл, включая его в себя, выбрасывается со скоростью 12-16 км/сек и пробивает сталь.

Мощность кумулятивной струи зависит от размеров конусообразной или сферической выемки в заряде, формы и плотности заряда и от применяемого ВВ.

Рис. 9. Пробивное действие фигурно пропорционального

и кумулятивного зарядов:

1- стальная плита; 2- фигурно-пропорциональный заряд;

3- кумулятивный заряд с конической выемкой;

4- вмятина; 5- сквозная пробоина

Более эффективны кумулятивные выемки, длина которых не превышает половины длины заряда, а толщина стенки торцовой части основания выемки равна ¹/₆ поперечника заряда (рис.10).

Рис. 10. Схема кумулятивной выемки в заряде

Явление кумуляции используется при изготовлении капсюлей-детонаторов и электродетонаторов путем устройства вогнутости в донышке гильзы, увеличивающей инициирующее действие.

2.8. Основные свойства взрывчатых веществ (ВВ) [5,6,9,11]

Плотность ВВ – отношение веса вещества в граммах к занимаемому им объему в кубических сантиметрах.

Заводы изготовители выпускают промышленные ВВ в прессованном, плавленом, пластичном, порошкообразном и жидком видах, в результате чего они имеют различную плотность и подразделяются на монолитные тела и сыпучие массы. Поэтому принято различать две основные плотности: действительную и гравиметрическую.

Действительной плотностью называется отношение веса ВВ к занимаемому им объему с учетом полного отсутствия воздушных промежутков в этом объеме. К действительной плотности можно отнести плотность кристаллического вещества, жидкого нитроглицерина, налитого в какой-либо сосуд, при условии заполнения всего объема, или застывший после расплавления тротил.

Гравиметрической плотностью называется отношение веса ВВ к занимаемому им объему с учетом наличия воздушных промежутков между кристаллами или зернами ВВ в этом объеме. Гравиметрической плотностью обладают следующие порошкообразные ВВ: аммониты, тротил, дымный порох и др.

Действительная плотность определяется при помощи пикнометра и ареометра, гравиметрическая - денситометром.

Существуют также понятия оптимальной и критической плотности.

Оптимальная плотность – это такое соотношение массы ВВ к объему, при котором достигается наибольший эффект при взрыве ВВ.

Критическая плотность – плотность, при которой еще возможна устойчивая детонация. При дальнейшем увеличении плотности выше критической детонация затухнет.

Все взрывчатые вещества обладают присущими им оптимальными плотностями; изменения последних в сторону снижения или повышения ухудшают качества ВВ и даже лишают их способности взрываться. Увеличение плотности до определенного предела повышает концентрацию энергии ВВ в единице объема, скорость детонации ВВ (табл. 7), степень дробления горной породы и качество образования в ней упругих колебаний.

Таблица 7

Влияние плотности на скорость детонации ВВ (м/сек)

Взрывчатые вещества	Плотность ВВ, г/см^3
0,81	1,00	1,20	1,30	1,40	1,50	1,60	1,63
Тротил прессованный								Не взрывается
Гексоген флегматизированный (5% парафина)	-	-	-					-

Плотность ВВ имеет большое практическое значение при взрывных работах. При равных условиях возбуждения упругих колебаний в горных породах для ВВ большой плотности требуется горная выработка (шурф, скважина) меньшего объема, чем для того же ВВ небольшой плотности.

В настоящей главе рассмотрим понятие плотности заряжания, которая имеет существенное значения при взрывных работах.

Плотностью заряжания называется отношение веса ВВ к объему зарядной камеры; при этом учитывается только объем шурфа или скважины, не занятый забоечным материалом. При размещении зарядов в воздухе или в водоеме зарядная камера условно будет равна объему размещенного заряда.

Плотность заряжания обусловлена теми же соотношениями, что и плотность, ВВ. Представление о плотности заряжания дает возможность судитьо том, какое количество ВВ приходится на единицу объема зарядной камеры. Исходя из этого представления, при необходимости можно увеличивать или уменьшать мощность взрыва, так как последняя зависит от плотности заряжания. Наряду с этим большое значение имеет коэффициент заряжания, который представляет собой безразмерную величину, характеризующую степень заполнения шурфа, скважины и других камер взрывчатыми веществами. Коэффициент заряжания определяет отношение фактического объема заряда ВВ (в шашках, патронах, пакетах) к не занятому забойкой объему зарядной камеры, в которой он помещен. Эта величина дает представление о том, насколько рационально использован объем зарядной камеры. Если величина коэффициента заряжания равна 0,60, то зарядная камера использована только на 60% своей емкости. Полное использование зарядной камеры резко повышает эффективность взрыва, как это видно из табл. 8.

Таблица 8

Зависимость начального давления газов при взрыве от коэффициента заряжания

Коэффициент заряжания	Начальное давление газов, Гк/см^2
Аммонит № 8	Аммонит АП-1	Аммонит № 7
0,35
0,38
0,50
0,60
0,74
0,94

Получить коэффициент заряжания, равный единице, практически невозможно, так как в процессе заряжания образуются зазоры между зарядом и стенками скважины, а также между шашками тротила или патронами аммонита внутри заряда.

Максимальное использование коэффициента заряжания создает значительную экономию расхода ВВ и снижает затраты на бурение взрывных скважин и подготовку других зарядных камер.

Все взрывчатые вещества представляют собой неустойчивые химические соединения, в силу чего даже при идеальных условиях хранения с истечением установленного срока они стареют и в определенной степени начинают разлагаться. Процессы разложения ВВ происходят с различными скоростями. Малостойкие ВВ разлагаются быстрее, а стойкие - медленнее. Первоначально разложение протекает с весьма незначительной скоростью, с течением времени скорость увеличивается и бурная реакция приводит отдельные ВВ к самовоспламенению и даже взрыву. Все новые взрывчатые вещества и ВВ, находящиеся в обращении, проверяются на стойкость для установления гарантийного срока их хранения и безопасного использования в промышленности.

Способность ВВ сохранять в течение длительного времени практически неизменными их физико-химические(взрывчатые) свойства называется стойкостью взрывчатых веществ. Различают два вида стойкости - физическую и химическую.

Физическая стойкость находится в зависимости от ряда физических свойств вещества: летучести, гигроскопичности, сохранения без изменения плотности и однородности частиц в составе их общих способностей, сохранения физического состояния. Особенно большое влияние на физическую стойкость ВВ оказывает гигроскопичность. Ею обладают аммиачно-селитренные ВВ, она вызывает в них слеживание, снижение чувствительности к начальному импульсу и даже полную потерю взрывчатых свойств.

Явление эксудации (выделение жидких составляющих), к примеру у динамита, повышает опасность обращения с ним.

Химическая стойкость зависит от химической природы взрывчатого вещества, которая выражается главным образом в прочности взаимосвязи его молекул, способности их в той или иной степени реагировать на внутренние и внешние воздействия, и от наличия определенных примесей. Такие вещества, как тротил, дымные и бездымные пороха, относятся к числу химически стойких, и при нормальных условиях хранения они способны длительное время сохранять свои качества. Наоборот, динамиты, нитроглицерин и пироксилин при тех же условиях хранения довольно скоро начинают разлагаться, теряя свои качества.

Примеси с различными свойствами по-разному влияют на стойкость ВВ: одни повышают ее, а другие понижают. Примеси, повышающие стойкость, обладают способностью легко вступать в химическую реакцию с примесями, ускоряющими процесс разложения вещества, например, с остатками кислот или продуктами разложения. Вступая в реакцию с ускорителями разложения, они парализуют их действие, но не останавливают процесс распада молекул взрывчатого вещества, а только в некоторой степени замедляют его. Примеси, понижающие стойкость, обладают каталитическими свойствами, ускоряющими процесс разложения ВВ; к ним относятся следы свободных кислот и окислы азота.

Примеси, способные замедлять процессы разложения взрывчатых веществ и тем самым повышать их стойкость, называются стабилизаторами. Наиболее распространенными стабилизаторами являются: дифениламин, этиловый спирт, ацетон, углекислый аммоний и др.

Химическая стойкость взрывчатых веществ определяется различными методами. Все методы основаны на искусственном процессе разложения взрывчатых веществ при нагревании.

По энерговыделяющим (ЭК) композициям [11] дается следующее описание физико-химических свойств.

Водоустойчивость - способность ЭК сохранять взрывчатые свойства в водной среде. Вода растворяет твердую фазу окислителя или разбавляет насыщенный раствор, флегматизируя ЭК, что приводит к потере взрывчатых свойств. Мерой водоустойчивости служит время пребывания ЭК в воде, в течение которого ЭК снижает свои взрывные свойства на определенный процент.

Испытания на водоустойчивость проводятся следующим образом: ЭК в количестве, требуемом для взрыва, погружается в шпур и заливается водой. Через определенный промежуток времени (от нескольких минут до нескольких часов) происходит взрыв.

Таблица 9

Дата добавления: 2014-12-29