Введение. Работы с применением взрывчатых материалов (ВМ) получили широкое распространение во многих отраслях: горнодобывающей

Работы с применением взрывчатых материалов (ВМ) получили широкое распространение во многих отраслях: горнодобывающей, строительной, металлургии, сейсморазведке, торпедировании и перфорации глубоких скважин и других областях деятельности человека.

Разнообразие областей, где применяются взрывные работы, предполагает использование большого количества различных по свойствам и условиям применения взрывчатых веществ и средств инициирования. В настоящее время разработан и выпускается очень большой ассортимент ВВ и СИ, которые постоянно обновляются и совершенствуются.

Первым ВВ, которое использовал человек, является дымный порох. В горном деле впервые дымный порох применен для проходки штольни (горизонтальная выработка сечением не менее 1,2 м²) в 1627 г. Быстрое развитие промышленности в ХIХ веке привело к созданию и производству мощных ВВ: в это время получены нитроглицерин, тротил, тетрин, пикриновая кислота, запатентованы детонатор (запал Нобеля), ВВ на основе аммиачной селитры и динамиты.

В начале ХХ века получены ТЭН и гексоген, которые очень широко применяются в настоящее время.

В 30-ые годы возникла необходимость замены ранее применявшихся нитроглицериновых динамитов на более безопасные ВВ на основе аммиачной селитры (аммониты и динамоны). Важной вехой в истории взрывного дела является разработка и выпуск в начале 60-ых годов простейших ВВ-игданитов (смеси АС-ДТ) и гранулированных ВВ (граммониты и гранулиты), что позволило применить механизированное заряжание, повысить плотность ВВ в зарядах, улучшить условия труда взрывников.

Одной из особенностей взрывных работ в настоящее время является использование промышленных ВВ, полученных из утилизируемых боеприпасов. Широко внедряются в производство утилизируемый из снарядов и бомб тротил (тротил У, УД), пироксилиновые и нитроглицериновые пороха в качестве мощных бризантных ВВ для дробления крепких горных пород.

1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ДЕТОНАЦИИ И СВОЙСТВА

ПРОМЫШЛЕННЫХ ВВ

1.1. Природа взрыва

По своей природе взрывы делят на:

физические - происходит физическое преобразование вещества без изменения химической природы (взрывы паровых котлов, баллонов с сжиженным газом и т.д.);

химические - происходит чрезвычайно быстрое химическое превращение веществ (образование новых химических соединений за счет реакций окисления углерода, водорода, алюминия) с выделением большого количества тепла (до 6^.10³ кДж/кг) и газообразных продуктов (до 1000 л/кг);

ядерные - происходят реакции синтеза и деления ядер с образованием новых химических элементов и выделением значительного количества тепла (до 4^.10¹⁴ кДж/кг).

В горном производстве применяются химические взрывы.

1.2. Параметры взрыва промышленных ВВ

Взрывчатые вещества под действием внешнего импульса (удар, накол, быстрый нагрев) способны детонировать (взрываться), т.е. вступать в химическую реакцию с выделением теплоты и газов и совершать механическую работу (дробление и перемещение горных пород).

Энергия при взрыве выделяется при протекании реакций окисления водорода в воду, углерода в оксиды СО и СО₂ кислородом, входящим в состав молекул взрывчатого вещества (при взрыве 1 л нитроглицерина выделяется ≈ 10⁴ кДж, что значительно меньше энергии, выделяемой при сгорании такого же количества спирта или бензина). Однако, при взрыве энергия выделяется в течение доли секунды, что обеспечивает большую мощность взрыва.

Выделяемым теплом нагреваются образующиеся продукты взрыва (газы) до температуры 2^.10³ - 5^.10^{3 о}С. Так как скорость взрыва очень велика, то в зоне взрыва в начальный момент газы развивают давление до 10⁴ Мпа, что обеспечивает разрушение и перемещение горных пород.

Отличительными признаками взрыва ВВ являются:

1. Сверхзвуковая скорость выделения энергии.

2. Высокая объемная концентрация энергии.

3. Экзотермичность процесса.

4. Образование большого количества газообразных продуктов.

1.3. Основные сведения о промышленных ВВ

ВВ - химические соединения или смеси, способные под действием внешнего импульса к быстрому самораспространяющемуся экзотермическому процессу.

По физическому состоянию ВВ делят на:

а) твердые однокомпонентные соединения или смеси твердых веществ (тротил, гексоген, пикриновая кислота; смесь тротила с аммиачной селитрой);

б) смеси твердых и жидких веществ (аммиачная селитра и дизельное топливо, аммиачная селитра и минеральное масло);

в) смеси газов (метан в воздухе);

г) смеси твердых веществ и газов (угольная пыль в воздухе);

д) смеси жидких веществ (смеси нитроэфиров, четырехокись азота и керосин).

Практическое применение в качестве промышленных ВВ получили взрывчатые вещества групп а и б.

В состав промышленных ВВ может входить несколько компонентов (взрывчатые и невзрывчатые), которые придают каждому ВВ определенные свойства. Все эти компоненты делят на:

окислители - соединения, содержащие в своем составе избыточный кислород, расходуемый на окисление углерода и водорода, которые входят в состав всех компонентов. Окислителями являются аммиачная, калиевая и др. виды селитры;

горючие добавки - вещества, содержащие в большом количестве углерод и водород (уголь, древесная мука, жидкие углеводороды), а также алюминий;

сенсибилизаторы - наиболее мощные ВВ, вводимые в смеси для повышения чувствительности и передаче детонации (гексоген, нитроглицерин);

стабилизаторы - высокомолекулярные вещества, торфяная и жмыховая мука. Вводятся в состав ВВ для предотвращения расслоения водонаполненных и слеживания порошкообразных ВВ;

флегматизаторы - легкоплавкие углеводороды, которыми обволакиваются частицы ВВ, что приводит к снижению чувствительности к тепловому и инициируещему импульсам (парафин, вазелин);

пламегасители - для взрывчатых веществ, используемых в подземных выработках, в которых возможно выделение метана и (или) взрывчатой пыли (снижают температуру взрыва). В качестве пламегасителей наибольшее распространение получили NaCℓ, KCℓ, CaCℓ.

1.4. Формы превращения ВВ, кислородный баланс и

химические реакции при взрыве

Различают четыре характерные формы химического превращения ВВ:

термический распад - происходит при нагреве ВВ ниже температуры вспышки. Важное значение при этом имеет баланс подводимого и отводимого тепла (может произойти взрыв);

горение - возникает при сильных нагревах отдельных очагов, что приводит к перемещению данной зоны по всему ВВ за счет выделяемого тепла. Скорость распространения реакции до нескольких метров в минуту;

детонация - взрывчатое превращение, поддерживаемое за счет резкого скачка давления и температуры в зоне химических реакций и мало зависящее от внешнего давления и температуры;

взрывное горение - промежуточный режим между горением и детонацией, распространяется по ВВ со скоростью до нескольких сотен метров в секунду.

Важной характеристикой промышленных ВВ является кислородный баланс, показывающий на избыток или недостаток кислорода к количеству, необходимому для окисления горючих элементов до высших оксидов. Практически любое взрывчатое вещество состоит из четырех элементов, химическую формулу которого можно представить в виде С_aН_вN_сO_d. Тогда кислородный баланс можно вычислить по формуле (в процентах)

(11)

где М - молекулярная масса ВВ, 16 - атомарная масса кислорода.

Различают нулевой, положительный и отрицательный кислородные балансы. При К_б =0 кислорода достаточно для окисления С и Н до высших оксидов; при К_б <0 кислорода недостаточно и выделяется СО; при К_б > 0 избыток кислорода идет на образование ядовитых газов NO и NO₂.

При недостатке кислорода снижается количество выделяемой теплоты, т.к. реакция образования СО идет с меньшим выделением тепла, чем реакция образования СО₂. При взрыве ВВ с К_б = 0 выделяется максимально возможное количество энергии и минимальный объем ядовитых газов. При подземных взрывах допускается использование ВВ только с К_б близким к нулевому, на карьерах и с отрицательным.

Кислородный баланс некоторых промышленных ВВ:

Гранулотол - 74% Гранулит АС-4 + 0,4%

Граммонит 30/70 - 45,9% Гранулит АС-8 + 0,3%

Граммонит 50/50 - 27,5% Гранулит М + 0,1%

Граммонит 79/21 ≈0 Игданит + 1,4%

Важное значение для расчета объема газов взрыва, теплоты взрыва, полной идеальной работы взрыва (расчетные характеристики ВВ) имеет состав продуктов взрыва, которые выделяются в результате составления химических реакций взрывчатого превращения ВВ.

Все ВВ условно делятся на 3 группы:

1. ВВ с кислородом, достаточным для окисления горючих элементов до высших оксидов (К_б≥0). При составлении реакции сначала окисляется водород, затем углерод, азот выделяется в виде молекулярного газа (реакция нитроглицерина)

4С₃Н₅(ОNО₂)₃ → 10Н₂О + 12СО₂ + О₂ + 6N₂ + Q

2. ВВ с кислородом, достаточным для полного газообразования. При составлении реакции сначала окисляется водород в воду, углерод окисляется в окись углерода. Оставшийся кислород с частью окиси углерода образует углекислый газ (реакция ТЭНа и гексогена)

С₅Н₈N₄О₁₂ → 4Н₂О + 3СО₂ + 2СО + 2N₂ + Q

C₃Н₆N₆О₆ → 3Н₂О + 3СО + 3N₂ + Q

3. ВВ с количеством кислорода, недостаточным для образования газообразных продуктов. Для составления реакций этого типа сначала окисляют водород в воду. Оставшимся кислородом окисляется углерод до окиси углерода и выделяется свободный углерод (реакция тротила)

2С₇Н₅N₃O₆ = 5H₂O + 7CO + 7C + 3N₂ + Q

Данные реакции возможны только при идеальных условиях и дают приближенную характеристику ВВ. В реальных условиях состав продуктов более разнообразен и зависит от конкретных условий применения ВВ.

1.5. Ядовитые газы взрыва

Взрывные работы на карьерах сопровождаются выделением большого количества газообразных продуктов, часть которых ядовиты. В составе продуктов взрыва можно выделить окись углерода СО; окислы азота NO, NO₂, N₂O₄; сернистый ангидрид SO₂; сероводород Н₂S; а также соединения свинца и пары ртути, образующиеся при огневом и электрическом способах взрывания.

Окись углерода СО - бесцветный газ, практически без запаха. Хорошо растворяется в воде, плотность равна плотности воздуха. В небольших количествах вызывает сильные головные боли, головокружение, тошноту. При больших концентрациях наступает отравление с потерей сознания, судорогами. При отравлении пострадавшего необходимо сразу же вынести на свежий воздух и по возможности дать кислород. Предельно допустимая концентрация при длительном пребывании людей не должна превышать 0,02 мг/л (0,0016 % объема воздуха).

Окислы азота - более опасны, чем окись углерода. Имеют резкий запах, желто-бурый цвет. При взрывах обычно образуется окись азота NО, которая в воздухе переходит в NO₂ или N₂O₄. Так как в воздухе присутствуют пары воды, то соединяясь с ней окислы азота образуют азотную или азотистую кислоты, которые при вдыхании воздуха осаждаются на слизистых оболочках и в легких, вызывая отек. Обычно это проявляется через 4-5 часов. Предельно допустимая концентрация окислов азота 0,005 мг/л (0,0001 %), концентрация 0,02 % смертельна даже при непродолжительном вдыхании.

Сернистый ангидрид - газ с кислым вкусом и сильным раздражающим запахом, бесцветный. В воздухе с парами воды образуется сернистая кислота. Предельно допустимая концентрация 0,0007 % объема.

Сероводород - бесцветный газ с запахом тухлых яиц. В смеси с воздухом взрывоопасен. Предельно допустимая концентрация 0,00066 %.

Пары ртути - не имеют запаха, цвета, вкуса. Поражают центральную нервную систему и почки. Предельно допустимая концентрация в атмосфере 0,00001 мг/л.

Для расчета общего количества выделяющихся ядовитых газов пользуются формулой, в которой объем газов пересчитывается на объем СО:

V = V_CO + 6,5(V_NO + (1.2)

1.6. Теплота и температура взрыва. Объем и давление

газообразных продуктов взрыва

Объем газообразных продуктов взрыва можно рассчитывать аналитически или определить экспериментально (бомба Долгова). Аналитическое определение объема продуктов взрыва производится на основе закона Авогадро, в соответствии с которым объем, занимаемый грамм-молекулой газа при температуре 0^оС и давлении 9,8^.10⁴ Па равен 22,4 л.

Объем газа, образующийся при взрыве 1 кг ВВ рассчитывается по формуле

(1.3)

где n₁,n₂,n₃,…,n_n - количество грамм-молекул газообразных продуктов взрыва;

М₁,М₂,М₃,…,М_n - молекулярная масса составных частей смесевого ВВ;

m₁,m₂,m₃,…,m_n - количество грамм-молекул составных частей смесевого ВВ.

В качестве примера рассмотрим расчет объема газообразных продуктов при взрыве гексогена

С₃Н₆N₆O₆ → 3H₂O + 3CO + 3N₂

Для экспериментального определения объема газообразных продуктов взрыва в бомбе Долгова (стальной сосуд емкостью до 50 л с массивной крышкой и вентилями для откачки воздуха и замера давления газов взрыва) взрывают до 100 г ВВ. После взрыва бомба выдерживается в течение 30 мин на воздухе для выравнивания температуры внутри и снаружи и измеряется давление внутри бомбы. Объем газов (без паров воды, которые конденсируются), приведенный к нормальным условиям, вычисляется по формуле

(1.4)

где V_б - объем бомбы, л;

Р - давление в бомбе после взрыва;

Т_б - температура бомбы в момент измерения давления, ^оС;

q - масса взрываемого ВВ, г.

Т=273^оК

Теплота (удельная энергия) взрыва - количество тепла, которое выделяется при взрыве 1 кг ВВ - выражается кДж/кг. Теплота взрыва - одна из наиболее важных характеристик ВВ. Если теплоту взрыва умножить на плотность ВВ в заряде, то получим объемную концентрацию энергии (кДж/м³).

Теплота взрыва рассчитывается на основе закона Гесса, в соответствии с которым тепловой эффект химического превращения системы зависит только от начального и конечного состояний и не зависит от промежуточных. Теплоту взрыва можно рассчитывать при постоянном объеме или при постоянном давлении.

Q₁ + Q₂ = Q₃ (1.5)

где Q₁ - теплота образования компонентов смесевого ВВ, кДж/кг;

Q₂ - теплота взрыва, кДж/кг;

Q₃ - теплота образования продуктов взрыва, кДж/кг.

Таким образом, теплота взрыва определяется из уравнения

Q₂ = Q₃ - Q₁ (1.6)

Теплота образования компонентов, входящих в состав ВВ и продуктов взрыва определяется по справочной литературе (справочники по термодинамике).

Экспериментальное определение теплоты взрыва производится в калориметрических установках с бомбами емкостью 5-50 л, в которых взрывают навески ВВ массой до 100 г.

Температура взрыва - максимальная температура, до которой нагреваются продукты взрыва. Температуру взрыва обычно определяют расчетным путем на основе рассчитанной теплоты взрыва и теплоемкости всех продуктов взрыва по формуле

, (1.7)

где Q₂ - теплота взрыва, Дж/моль;

С_V - средняя теплоемкость всех продуктов взрыва при постоянном объеме в интервале температур от 0 до Т ^оС, Дж/(моль^.оС).

Значение теплоемкости в зависимости от температуры определяется из выражения

С_V = а + bt (1.8)

где а и b - температурные коэффициенты.

Решив совместно уравнения (1.6) и (1.7) получим

.

При определении теплоемкости смеси газов необходимо учесть долевое участие каждого из них. Расчетная формула принимает вид:

(1.9)

Давление газов, образующихся при взрыве ВВ определяется по закону Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:

(1.10)

где Р_о - атмосферное давление газов при температуре 0^оС, равное 1,01^.10⁵ Па;

V_о - объем газов взрыва при нулевой температуре и давлении Р_о, м³;

Т - температура взрыва, К;

V - объем зарядной камеры, м³.

При фактических плотностях заряжания большую роль играет собственный объем молекул продуктов взрыва (коволюм), который принимается равным α=0,001V_о (для ρ=0,5-1 т/м³) и α=0,0006V_о (при ρ>1 т/м³). С учетом коволюма давление рассчитывается по формуле:

(1.11)

1.7. Детонация взрывчатых веществ

В соответствии с гидродинамической теорией детонация ВВ представляет собой перемещение по ВВ ударной волны, вызывающей в некотором слое скачкообразное изменение всех термодинамических параметров: давления, плотности, температуры. За фронтом волны происходит резкий разогрев частиц ВВ и газов между ними. В результате начинается интенсивная химическая (экзотермическая) реакция, энергия которой поддерживает дальнейшее распространение ударной волны. Отличительными особенностями ударной волны являются:

а) скорость распространения выше скорости звука в данной среде;

б) среда движется вслед за фронтом ударной волны;

в) на фронте волны происходит скачкообразное увеличение давления, плотности и температуры;

г) скорость ударной волны зависит от величины давления (амплитуды) на фронте волны.

Ударная волна, проходящая по ВВ и вызывающая его детонацию, называется детонационной волной. Детонация является стационарным процессом, т.е. распространяется с постоянной скоростью и амплитудой давления (рис. 1 а, б).

Рис.1. Процесс детонации ВВ

1 - продукты взрыва; 2 - фронт детонационной волны;

3 - фронт расширения продуктов взрыва;

4 - не расширившиеся газы (ρ₁, T₁, Р₁);

5 - фронт волны разрежения; 6 - ударная волна.

Теория детонации разработана для газовых смесей. Для конденсированных (твердых) ВВ она разработана еще недостаточно полно. Установлено, что давление на фронте детонационной волны (Р), скорость движения газов за фронтом детонационной волны (v_w), скорость детонации (v_д) связаны между собой следующими соотношениями:

(1.12)

(1.13)

v_д = v_w + c (1.14)

где c - скорость звука в продуктах детонации, км/с.

Скорость детонации можно определить и по следующей формуле:

(1.15)

где k - коэффициент, значение которого принимается в зависимости от плотности ВВ (ρ) и теплоты взрыва при постоянном объеме (Q_v).

В теории принято, что фронт детонационной волны сжимает впереди лежащие слои ВВ, вызывая химические реакции. Данный механизм считается однородным и возможен только при взрыве однокомпонентных мощных ВВ (тетрил, гексоген, ТЭН). Промышленные ВВ являются многокомпонентными смесями, т.е. химически и физически неоднородны. Для таких ВВ взрывчатое превращение является многостадиальным (первичные и вторичные химические реакции). Сначала происходит разрыв связей в молекулах ВВ или их газификация, затем взаимодействие их между собой или с веществами не претерпевшими изменений на первой стадии (окисление алюминия). Существенное влияние на процесс детонации промышленных ВВ оказывает гранулометрический состав и равномерность распределения компонентов в смеси. Химические реакции сначала протекают в отдельных гранулах и лишь только потом продукты разложения взаимодействуют между собой.

1.8. Факторы, влияющие на детонацию зарядов

промышленных ВВ

Скорость детонации промышленных ВВ существенно зависит от физических характеристик ВВ (тип, дисперсность, плотность) и внешних условий (диаметр заряда, наличие оболочки). В промышленных условиях это сводится к оценке устойчивости и скорости детонации по отношению к максимально возможным для данного ВВ.

Для каждого ВВ определяется два характерных диаметра: предельный (скорость детонации максимальна) и критический (в зарядах возможно прекращение детонации). Фактические значения диаметров зависят от теплоты взрыва: чем выше Q_v, тем меньше критический и предельный диаметры, а, значит, ВВ устойчиво детонирует в зарядах меньшего диаметра (рис. 2).

Cущественное влияние на скорость и устойчивость детонации промышленных ВВ оказывает наличие оболочки, затрудняющей боковой разлет продуктов взрыва, т.е. большая часть энергии воздействует на близлежащий слой ВВ. В данном случае также снижается предельный и критический диаметры, что ведет к снижению объема буровых работ и повышению качества дробления горной породы (рис. 3).

Критический диаметр некоторых ВВ (без оболочки), мм:

Гексоген 1,0-1,5 Граммонит 79/21 40-60

Тротил (порошок) 8-10 Игданит 100-120

Аммонит № 6 ЖВ 10-12

Рис. 2. Зависимость скорости Рис. 3. Изменение скорости

детонации (v_д) ВВ от диаметра детонации открытого заряда

заряда (d_з) (1) и в прочной оболочке (2)

1 и 2 - для ВВ с большей и при увеличении диаметра

меньшей теплотой взрыва

Влияние плотности ВВ неоднозначно для однокомпонентных и смесевых ВВ. Для первых при увеличении плотности скорость детонации возрастает до максимального значения и дальше не увеличивается. Для каждого смесевого ВВ имеется значение критической плотности, при которой скорость детонации максимальна. При дальнейшем уплотнении ВВ скорость детонации снижается вплоть до возникновения отказов (рис.4).

С увеличением теплоты взрыва возрастает скорость детонации ВВ и уменьшаются предельный и критический диаметры (рис.2). Существенное влияние на скорость детонации и критический диаметр оказывает дисперсность (гранулометрический состав) ВВ. С увеличением размера частиц ВВ критический диаметр увеличивается. Для аммонита №6 ЖВ критический диаметр равен 10-12 мм, а для гранулированного ВВ того же состава (граммонит 79/21) критический диаметр равен 40-60 мм.

Критический диаметр смесевых ВВ зависит и от процентного соотношения компонентов в смеси. С увеличением в составе ВВ мощных однокомпонентных ВВ критический диаметр снижается (рис. 5).

Рис. 4. Влияние плотности зарядов Рис. 5. Зависимость

ВВ на скорость детонации критического диаметра (d_кр)

1 - мощные однокомпонентные ВВ смеси тротил-селитра от

2, 3 - смесевые ВВ содержания тротила

2. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И КАЧЕСТВА

ПРОМЫШЛЕННЫХ ВВ

2.1. Методы испытаний промышленных ВВ

Для определения характеристик ВВ подвергают различного рода испытаниям:

а) для оценки взрывчатых свойств:

- скорость детонации;

- бризантность;

- работоспособность;

б) для проверки качества ВВ, соответствия ТУ или ГОСТу и пригодности к применению:

- полнота детонации;

- передача детонации от патрона к патрону;

- физическая и химическая стойкость;

- влажность;

- экссудация (для ВВ на основе нитроэфиров);

в) для определения чувствительности ВВ и опасности обращения с ними:

- чувствительность к удару и трению;

- чувствительность к тепловому и инициируещему импульсу;

- склонность к пылению и электризации;

г) для определения технологичности применения:

- гигроскопичность;

- расслаиваемость;

- сыпучесть;

- гранулометрический состав;

- водоустойчивость.

2.2. Методы определения взрывчатых свойств ВВ

Для определения скорости детонации ВВ разработаны и используются три основных метода: метод Дотриша, осциллографический и фотографический.

Метод Дотриша - производится сравнение известной скорости детонации детонирующего шнура (v_дш) со скоростью детонации испытуемого ВВ (рис. 6).

Рис. 6. Определение скорости детонации

по методу Дотриша

Испытуемое ВВ (1) помещается в стальную трубу (2) длиной ≈ 450 мм. Труба с двух сторон завинчивается крышками (3), в одной из которых есть отверстие для капсюля-детонатора или электродетонатора (4). В боковой поверхности трубы имеются два отверстия для отрезков ДШ (5). Свободные концы ДШ крепят на стальной пластинке (6). При взрыве детонация распространяется по заряду ВВ и по обеим ветвям ДШ. В месте на пластинке, где детонационные волны встретятся, образуется четкое характерное углубление (точка К). Расчет скорости детонации производится из предположения, что время, в течение которого проходят детонационные волны по первому отрезку ДШ и по второму (плюс испытуемое ВВ) равны.

. (2.1)

Приняв │АК│ = L₁, │АВ│ = L₂, │ВК│ = L₃ и выразив из (2.1) v_вв, получим выражение для расчета скорости детонации

Данный метод позволяет определить скорость детонации ВВ с точностью ± 3 %.

Осциллографический метод (рис. 7). В заряде (1) испытуемого ВВ размещают на определенных расстояниях несколько датчиков (2) и собирают электрическую цепь, которая соединяется с электронным осциллографом (3). При распространении по заряду детонационной волны замыкаются искровые промежутки датчиков за счет ионизированных веществ в зоне химических реакций. На экране осциллографа фиксируются характерные всплески напряжения. Всплесков на экране будет столько, сколько датчиков размещено в заряде.

Рис. 7. Схема к определению скорости детонации (V_д)

осциллографическим методом

1- взрывчатое вещество; 2 -датчики;

3 - осциллограф.

Зная расстояния между датчиками и скорость развертки сигнала на экране осциллографа, можно рассчитать скорость детонации как на всей длине заряда, так и на отдельных участках. Точность определения скорости детонации по этому методу составляет ±1%.

Измерение скорости детонации фотографическим методом основано на фоторегистрации светящегося фронта детонационной волны, распространяющейся по заряду ВВ, находящемуся в стеклянной трубке (рис. 8). На принципиальной схеме заряд ВВ (1) располагается перпендикулярно оси объектива (2) скоростного фоторегистратора. Изображение проецируется на пленку (6) через регулируемую щель (3), объектив (4) и вращающееся зеркало (5). При вращении зеркала световая полоска изображения процесса перемещается вдоль фокальной плоскости, экспонируя при этом фотопленку.

Перемещение светящейся зоны детонации в сочетании с движением изображения по пленке дает линию, наклон которой определяет скорость детонации заряда ВВ. Скорость детонации рассчитывается по формуле:

(2.2)

где V_p - скорость развертки изобретения, м/с;

k - коэффициент поперечного увеличения системы (отношение

длины изображения на пленке к длине заряда);

- угол наклона кривой, град.

Рис. 8. Принципиальная схема к определению скорости

детонации фотографическим методом

Характеристика ВВ, определяющая способность измельчать породу на контакте с ВВ и в непосредственной близости от него называется бризантностью. Эта работа определяется концентрацией энергии во фронте детонационной волны. Бризантность, следовательно, пропорциональнa V_д² и прямо пропорциональна плотности ВВ. Одним из основных сравнительных методов определения бризантности является

метод обжатия свинцовых столбиков (проба Гесса) (рис. 9).

Рис. 9. Определение бризантности ВВ

а) установка до взрыва; б) свинцовый столбик после взрыва.

Для определения бризантности по методу Гесса на стальную плиту (1) устанавливается свинцовый цилиндр (2) диаметром 40 мм и высотой 60 мм. На свинцовый цилиндр устанавливается стальная прокладка (3) толщиной 10 мм и диаметром 41 мм, а на нее заряд ВВ (4) массой 50 г при плотности 1 г/см³ в бумажном стакане. Испытание гранулированных и водонаполненных ВВ проводят при собственной плотности. Собранную установку закрепляют шпагатом (3) так, чтобы все изделия располагались строго по одной оси. При взрыве заряда ВВ продукты детонации наносят удар по стальной прокладке и через нее по свинцовому столбику, который деформируется (рис. 9, б) и приобретает грибовидную форму. Бризантность испытуемого ВВ оценивается по разности высот свинцового столбика до и после испытаний. Испытание производят дважды и высоту столбика после испытаний измеряют в четырех диаметрально противоположных точках. Бризантность определяется по формуле:

Б = Н_до - Н_пф (2.3)

где Н_до - высота свинцового столбика до испытаний, Н = 60 мм

Н_пф - средняя высота столбика после испытаний, мм.

Грубодисперсные ВВ с пониженной детонационной способностью (d_кр>40 мм) помещают в стальную гильзу. (В таблицах обязательно указываются условия проведения испытаний).

Характеристика, определяющая способность ВВ производить общую работу и в идеальном случае равная механическому эквиваленту теплоты взрыва, называется работоспособность (фугасность).

Самым распространенным методом определения работоспособности ВВ является проба Трауцля (свинцовая бомба) (рис. 10). В данной установке определяется работоспособность порошкообразных, гранулированных и других ВВ, у которых критический диаметр детонации (d_кр) в данных условиях не более 20 мм.

Рис. 10. Схема к определению работоспособности ВВ

в свинцовой бомбе

а) до испытаний; б) после испытаний.

Навеску ВВ массой 10 г и электродетонатор размещают в бумажном стаканчике (1) и опускают в канал свинцовой бомбы (2). Свободную часть канала засыпают забойкой (кварцевый песок) (3). В результате взрыва происходит расширение канала бомбы (рис. 10 б). Производится измерение объема канала бомбы до взрыва (V_д) и после взрыва (V_п). Работоспособность (Р_в, см³) определяется по формуле

Рв = V_д - V_п- V_к, (2.4)

где V_к - прирост объема бомбы за счет взрыва ЭД, см³

V_д @ 30 см³.

Недостатком данного метода является то, что при Р_в >420 см³ стенки бомбы становятся тонкими и расширение внутренней полости происходит быстрее, чем рост энергии самого ВВ.

Существует ряд установок (баллистическая мортира, баллистический маятник) в которых можно проводить испытания значительно больших по массе образцов ВВ (до 500 г). К примеру, на баллистическом маятнике кроме работоспособности можно определять и тротиловый эквивалент, который равен отношению энергии которая выделяется при взрыве испытуемого ВВ (200 г) к энергии которая выделяется при взрыве эталонного ВВ той же массы (тротил).

2.3. Методы проверки качества ВВ

Во время хранения и транспортирования ВВ возможно изменение их свойств. Поэтому во время хранения производится периодическая проверка качества ВВ. Испытания регламентированы "Едиными правилами безопасности при взрывных работах" и проводятся в следующих случаях: при поступлении на склад, при возникновении сомнений в доброкачественности ВВ, в конце гарантийного срока. Испытания проводят взрывники предприятия под руководством заведующего складом.

Все взрывчатые материалы, поступающие на склад, подвергаются внешнему осмотру (определяется наличие внешних повреждений, наличие необходимых обозначений на мешках или патронах ВВ).

Испытание на передачу детонации. На песчаном плотном грунте укладывают соосно два патрона ВВ. Расстояние между ними должно соответствовать величине, указанной в ГОСТе или ТУ для испытуемого ВВ. После инициирования одного из патронов должен сдетонировать и другой патрон за счет энергии ударной волны, передающейся через воздух. О полноте взрыва судят по образовавшимся отпечаткам на поверхности грунта. ВВ считается прошедшим испытание, если в двух параллельных опытах не произошло отказов. В случае отказа число опытов удваивается. В повторных испытаниях не должно быть ни одного отказа, в противном случае ВВ бракуется и возможность дальнейшего использования определяется комиссией.

Испытания на полноту детонации. На плотном песчаном грунте торцами впритык друг к другу укладываются патроны испытуемого ВВ. Количество патронов может соответствовать количеству патронов в применяемых зарядах. В наружный торец крайнего патрона вставляется КД или ЭД и производится инициирование заряда. По отпечатку на грунте судят о полноте детонации. Допускается разбрасывание отдельных гранул грубодисперсных ВВ и остатков бумаги. Количество опытов и их повторность в случае отказа как и для испытаний на передачу детонации.

Для ВВ на основе нитроэфиров, кроме того, проводятся испытания на экссудацию. Суть метода заключается в определении следов нитроэфиров на внутренней поверхности патронов (капли или следы жидкости). Если присутствуют следы или капли жидкости, то данные ВВ подлежат уничтожению.

2.4. Методы оценки чувствительности и опасности ВВ

в обращении

Чувствительность ВВ - восприимчивость к определенному внешнему импульсу (удар, трение, нагрев и т.д.), вызывающему детонацию ВВ. Чувствительность ВВ зависит от большого числа разнообразных факторов: гранулометрический состав, состояние ВВ (порошкообразные, гранулированные, литые), температуры, влажности, засоренности.

Чувствительность к удару. Испытания проводятся на специальных установках - копрах. Навеску ВВ (4) размещают между двумя роликами (3) в матрице (2,1) (рис. 11). На ролик, выступающий из матрицы, сбрасывается груз определенной массы с определенной высоты. За меру чувствительности принимается процент взрывов в 25 экспериментах. Масса груза принимается равной 10 кг или 2 кг, а высота сбрасывания 25 см, масса навески ВВ - 0,05 г.

Рис. 11. Схема установки для определения чувствительности

к удару (роликовый приборчик)

По данному методу испытаний также можно определять нижний предел чувствительности к удару, т.е. максимальную высоту сбрасывания груза массой 10 или 2 кг на навеску ВВ массой 0,1 г при которой из 25 испытаний не происходит ни одного взрыва.

Определение чувствительности ВВ к трению проводят с помощью маятника (скользящий удар) или путем истирания навески ВВ массой 0,03 г между стальными поверхностями плоского профиля. Критерием чувствительности служит максимальное давление на навеску ВВ, при котором ни в одном из опытов не происходит разложения ВВ. Это давление называют нижним пределом чувствительности.

Чувствительность ВВ к инициируещему импульсу оценивается массой заряда, необходимой для возбуждения детонации испытываемого ВВ.

Чувствительность к тепловому импульсу определяется по температуре вспышки навески ВВ. Ниже данной температуры (с точностью ± 5 ^оС) ВВ не должно вспыхивать при выдержке при данной температуре в течение 5 минут.

3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА

3.1. Классификация взрывчатых веществ

В соответствии с Едиными правилами безопасности при взрывных работах все промышленные взрывчатые материалы (ВВ, СИ, прострелочные и взрывчатые аппараты) по степени опасности при обращении с ними (хранение, перевозка, использование) относятся к классу I и разделяются на группы (табл. 1).

Таблица 1

Классификация ВМ по степени опасности при

обращении с ними

Группа совместимости (опасности)	Вещества, изделия
В	Изделия, содержащие инициирующие ВВ
С	Метательные ВВ и другие дефлагирующие ВВ или изделия, содержащие их
D	Вторичные детонирующие ВВ; дымный порох; изделия содержащие детонирующие ВВ без средств инициирования и метательных зарядов
F	Изделия, содержащие вторичные детонирующие ВВ, средства инициирования и метательные заряды, или без метательных зарядов
G	Пиротехнические вещества и изделия, содержащие их

Взрывчатые материалы различных групп совместимости должны храниться и перевозиться раздельно. Допускается совместное хранение:

1. Дымных (D) и бездымных (С) порохов в соответствии с требованиями к наиболее чувствительным из них.

2. Изделий группы а с взрывчатыми материалами групп В, С, и D.

3. Детонирующего шнура (D) с изделиями группы В (КД, ЭД, РП, КЗДШ).

По условиям применения промышленные ВВ разделяются на УП классов и специальный класс (С), который делится на 4 группы. Данная классификация разделяет ВВ на:

- непредохранительные ВВ для взрывания только на земной поверхности (большой отрицательный К_б) (класс 1);

- непредохранительные ВВ для взрывания на земной поверхности и в шахтах не опасных по выделению метана и (или) взрывчатой пыли (К_б@ 0) (класс П);

- предохранительные ВВ для взрывания в подземных выработках где есть выделение метана и (или) взрывчатой пыли (класс Ш-УП);

- непредохранительные ВВ и изделия из них (специальный класс С), предназначенные для специальных взрывных работ, кроме выработок, в которых возможно выделение метана и взрывчатой пыли (сварка, прессование, упрочнение металлов и т.д.)

По физическому состоянию промышленные ВВ делятся на порошкообразные, гранулированные, чешуйчатые, прессованные, литые, пластичные, текучие.

3.2. Компоненты промышленных ВВ

В состав промышленных ВВ входит большое количество компонентов. Среди них могут быть как взрывчатые вещества (тротил, гексоген, нитроглицерин, ТЭН, октоген) так и невзрывчатые вещества (аммиачная селитра; КМЦ; полиакриламид; гуаргам; сода; торфяная, жмыховая мука; минеральное масло; порошкообразный алюминий; вода).

Взрывчатые компоненты промышленных ВВ представляют собой в основном нитросоединения, содержащие нитрогруппу - NO₂ (нитросоединения ароматического ряда - тротил, динитронафталин, нитрометан), -О-NO₂ (нитраты спиртов - нитроглицерин, нитрогликоль, ТЭН), -N-NO₂ (нитрамины - гексоген, октоген).

Тротил (тринитротолуол) - C₆H₂(NO₂)₃ CH₃ - малочувствительное химически и термически стойкое соединение, представляющее порошок белого цвета, желтеющий на свету. Практически нерастворим в воде, токсичен, хорошо детонирует в воде. Применяется как компонент аммиачно-селитренных ВВ; для изготовления промежуточных детонаторов (Т-400Г, ТГ-500); как самостоятельное ВВ (гранулотол).

Нитроглицерин СН(СН₂ОNO₂)₃ - бесцветная маслянистая жидкость, твердеющая при температуре 13,2^оС. Очень чувствителен к механическим воздействиям и нагреванию, очень токсичен, практически не растворим в воде. Одно из наиболее мощных ВВ. Используется в смеси с нитрогликолем и нитродигликолем для производства ВВ на основе нитроэфиров (детонит М, углениты).

ТЭН (тетранитропентаэритрит) С(СН₂ОNО₂)₄ - белое кристаллическое вещество с насыпной плотностью около 1 г/см³. Химически стоек, токсичен, чувствителен к механическим воздействиям, практически нерастворим в воде. Чистый и флегматизированный ТЭН применяется в КД, ЭД и особенно широко в качестве сердцевины нетермостойких детонирующих шнуров.

Гексоген (циклотриметилентринитрамин) (СН₂)₃N₃(NO₂)₃,белый кристаллический порошок. Химически и термически стабилен, длительно выдерживает высокую температуру, весьма ядовит, обладает высокой чувствительностью к механическим воздействиям. Имеет малый критический диаметр детонации. Используется в КД, ЭД, термостойких и повышенной мощности ДШ, как сенсибилизатор в аммиачно-селитренных ВВ. Используют во флегматизированном состоянии (до 6% церезина или парафина).

Октоген (циклотетраметилентетранитрамин) (СН₂)₄N₄(NO₂)₄ -,белое кристаллическое вещество с высокой температурой плавления и термостабильностью. Обладает высокой чувствительностью к механическим воздействиям и малым критическим диаметром. Благодаря высокой термостабильности (200^оС в течение 8 часов) применяется исключительно в термостойких КД, ЭД, ДШ.

Тетрил (тринитрофенилметилнитрамин) С₆Н₂(NO₂)₄NCH₃.

Кристаллический порошок бледно-желтого цвета. При воспламенении быстро горит с возможностью перехода горения в детонацию. Не взаимодействует с металлами. Обладает высокой чувствительностью и инициирующей способностью. Используется в качестве вторичного инициирующего ВВ в большинстве выпускаемых КД и ЭД.

Среди взрывчатых веществ в отдельную группу выделяют так называемые первичные инициирующие ВВ, которые применяются исключительно для снаряжения средств инициирования. Они обладают значительно более высокой чувствительностью к внешним воздействиям, по сравнению с промышленными и другими ВВ, способны в малых количествах (десятые доли грамма) взрываться под действием слабого импульса (удар, накол, луч огня). По чувствительности инициирующие ВВ делят на первичные (гремучая ртуть, азид свинца, ТНРС) и вторичные (тетрил, ТЭН, гексоген).

Гремучая ртуть (ртутная соль гремучей кислоты - фульминат) Нg(ONC)₂. Представляет собой мелкокристаллический порошок белого цвета с температурой вспышки ≈ 170^оС и насыпной плотностью ≈ 1,2 г/см³. Хорошо прессуется до плотности 4 г/см³, сохраняя при этом чувствительность и инициирующую способность. Очень чувствительна к влаге (при влажности 10 % не детонирует). В увлажненном состоянии вступает в реакцию с медью с образованием фульмината меди, очень чувствительного к трению. С алюминием в тех же условиях образуется пористая невзрывчатая масса. При снаряжении капсюлей допустимая влажность 0,03 %, а чашечку, в которой запрессовывают гремучую ртуть, покрывают лаком.

Азид свинца (свинцовая соль азотистоводородной кислоты) Рb(N₃)₂.

Белый мелкокристаллический порошок. Не гигроскопичен, не растворим в воде, не теряет детонационной способности в увлажненном состоянии. В сухом состоянии не взаимодействует с металлами. В увлажненном состоянии взаимодействует с медью с образованием высокочувствительных соединений. Запрессовывается в алюминиевые гильзы. Менее чувствителен к лучу огня, чем ТНРС и гремучая ртуть, однако превосходит гремучую ртуть по инициирующей способности. В средствах инициирования используется в сочетании с ТНРС, как более чувствительным к лучу огня.

ТНРС (тринитрорезорцинат свинца) С₂Н₆(NO₂)₃Pb^.H₂O - ртутная соль стифниновой кислоты (стифнат свинца). Кристаллический порошок золотисто-желтого цвета. Занимает промежуточное место по чувствительности и слабее азида свинца и гремучей ртути по инициирующей способности. Не вступает в химические реакции с металлами. Применяется как промежуточный заряд массой 0,1 г для инициирования азида свинца.

Основные характеристики первичных и вторичных инициирующих веществ представлены в табл. 2.

Таблица 2

Дата добавления: 2015-06-27