5. Основы теории предохранительных ВВ

До середины XIX века в шахтах и рудниках черный порох использовался до тех пор, пока не появились основные компоненты современных промышленных ВВ. Когда в угольных шахтах стали применять динамиты (динамит изобретен А. Нобелем в 1867 г.), то с самого начала стало ясно, что динамиты по сравнению с черным порохом являются более безопасными ВВ. Однако последующий опыт использования динамита показывал, что и это ВВ может воспламенять пыле- и метано-воздушные смеси. Было установлено, что для воспламенения метано-воздушной смеси (МВС) в ней достаточно взорвать 1 г. черного пороха или несколько грамм динамита.

В связи с ростом аварий в угольных шахтах, вызванных воспламенением

и взрывом МВС и пылевоздушных смесей (ПВС) при использовании ВВ, в некоторых странах были созданы специальные комиссии, с целью изучения причин воспламенения шахтного воздуха и разработки мер и способов борьбы с этим явлением.

Качественные представления о механизме теплового ускорения химических реакций в условиях возникновения взрыва были созданы Вант-Гоффом в 1884 г. Примерно в эти же годы Малляр и Ле-Шателье изучали процесс воспламенения смесей некоторых горючих газов с воздухом. При проведении исследований ими было открыто явление задержки воспламенения, наиболее характерное для МВС. Благодаря этому открытию удалось научно обосновать возможность применения ВВ в шахтах, опасных по взрыву газа или пыли. Малляр и Ле-Шателье предположили, что действие взрыва заряда ВВ на МВС прежде всего зависит от температуры продуктов взрыва. В соответствии с их гипотезой МВС будет воспламеняться всегда, если температура продуктов взрыва (ПВ) превысит 2200°С, и не будет воспламеняться, если температура ПВ будет меньше температуры вспышки – 650°С. При температурах ПВ, соответствующих значениям величин, лежащих в диапазоне от 2200 до 650°С, воспламенение может произойти или не произойти в зависимости от того, успеют ли ПВ охладиться ниже температуры вспышки за время, меньшее, чем время задержки вспышки, соответствующее данной температуре. Изложенные соображения явились основой первой антигризутной (термической) гипотезы.

Французская антигризутная комиссия на основании результатов работ Малляра и Ле-Шателье приняла решение, что ВВ, используемые при взрывных работах по породе, должны иметь температуру взрыва не более 1900°С, а при взрывных работах в угольных забоях – не более 1500°С. На практике, однако, взрывы МВС происходили, если температура ПВ превышала минимальную температуру воспламенения МВС – 650°С. Оказалось, что взрывы МВС могут быть вызваны в случае увеличения массы ВВ (с увеличением массы заряда медленнее охлаждаются ПВ, увеличивается время воздействия высокой температуры на газовую смесь). Появилось понятие предельного заряда, превышение массы которого вызывает воспламенение газовой смеси. Поскольку расчетные методы предельной массы заряда ВВ не существовали, во многих странах было решено проводить оценки в опытных штреках, воспроизводя наиболее опасные условия, которые могут иметь место при взрывных работах в угольных шахтах.

Накопленный экспериментальный материал, разработанная академиком Н.Н. Семеновым теория теплового самовоспламенения, представления о цепных реакциях и опыт ведения взрывных работ в целом, стали основанием для разработки нового механизма воспламенения МВС. В частности, предполагалось, что основными источниками воспламенения МВС могут быть ударная волна, горящие или нагретые до высокой температуры частицы, высокотемпературные газообразные продукты взрыва.

Французский исследователь Е. Одибер, проводя эксперименты по воспламенению МВС, установил, что при свободном падении частиц песка, нагретых до 900–1100°С, в МВС наблюдалось воспламенение. В связи с полученными результатами, Е. Одибер предположил, что воспламенение вызывается твердыми нагретыми частицами. Эта гипотеза была развита К. Бейлингом, который проводил исследования и в опытной шахте. Он предложил рассматривать четыре фактора: ударную волну, волну сжатия, газообразные продукты взрыва и твердые частицы. Неубедительность приведенных им доказательств в пользу механизма воспламенения горящими частицами, вероятно, явилась причиной, из-за которой представления Бейлинга не только не получили широкой поддержки, но и вызывают до сих пор ряд серьезных сомнений.

Вклад в развитие представлений о механизме воспламенения МВС сделал Е. Одибер, предположив, что воспламенение зависит от общей энергии ПВ, либо от удельной энергии, приходящейся на один моль газообразных продуктов взрыва. Механизм процесса воспламенения МВС следующий. При взрыве заряда ВВ продукты взрыва, имеющие высокую температуру, смешиваются с МВС (поэтому механизм иногда называют "механизмом воспламенения путем смешения"). Если в процессе разбавления ПВ метано-воздушной смесью будет достигнута температура вспышки, то произойдет воспламенение МВС. Одибер показал также, что ВВ с положительным или отрицательным кислородным балансом являются опасными в отношении воспламенения метана. Наименьшую опасность представляют ВВ с нулевым кислородным балансом. По мере накопления опыта все больше возникало оснований для возражения против "механизма смешения".

Ф.М. Галаджий и Б.И. Вайнштейн утверждали, что воспламенение взрывчатой газовой смеси при сжатии ее в ударной волне более вероятно, чем смешение МВС с быстро остывающими ПВ. Это утверждение основано на экспериментальных результатах. Известно, что смесь метана СН4 с воздухом дает наиболее сильный взрыв при содержании в ней метана 9,46% и воздуха 90,54% по объему. Взрывная реакция идет без изменения объема газов. Теплота взрыва (QР), приходящаяся на 1 кмоль МВС составляет 75,8 МДж, а на 1 м3 – 3377,14 кДж (как и при взрыве 1 кг аммонита ПЖВ-20). При большем содержании метана или кислорода взрыв будет слабее, поскольку избыточный компонент, не участвуя в химической реакции взрыва, поглощает часть теплоты взрыва на собственное нагревание. Пределы содержания метана, за которыми смесь его с воздухом перестает гореть и взрываться, зависят от давления – чем оно больше, тем шире эти пределы, табл.10.

Таблица 10

Взрывоопасные пределы содержания метана в МВС

Взрывоопасность характеризуется температурой вспышки (ТВСП) и задержкой вспышки (τВСП). На чувствительность МВС к нагреванию влияют примеси некоторых газов и распыленных твердых веществ. Известно, например, что повышают чувствительность к нагреванию СО, NО2, О2, а уменьшают – СО2, N2, NаСl, КСl.

Вспышка МВС происходит с некоторым замедлением, зависящем от температуры нагревания. Величина замедления (период индукции) с повышением температуры уменьшается (табл.11).

Таблица 11

Задержка вспышки в зависимости от температуры

Действие солей (NаСl, КСl) как отрицательных катализаторов объясняется тем, что реакции окисления СН4 до СО2 и Н2О являются цепными и цепи обрываются на поверхности частиц указанных солей.

СН4+2О2-->СО2+2Н2О.

Цепная реакция – это химическая реакция, в каждом элементарном акте которой появляется по крайней мере одна активная частица, что вызывает цепи превращений. Цепи превращений – это последовательность химических реакций, в которых продукты предыдущих стадий являются реагентами для последующих. Для понижения величин QР и TВЗР взрывчатых веществ, содержащих большое количество аммиачной селитры, используют добавки инертных солей NаСl и КСl. Например, добавки 20% NаСl снижают QР и TВЗР на 25-30%. NаСl и КСl являются не только отрицательными катализаторами (табл.12), но и пламегасителями.

Рис.30 Схема взаимодействия кислорода воздуха с молекулой метана.

Таблица 12

Период индукции в зависимости от типа отрицательного катализатора

Некоторые главные факторы, влияние которых на зажигание МВС наиболее существенно:

- воздушная ударная волна;

- раскаленные или горящие твердые частицы;

- горячие газообразные ПВ.

Существующие гипотезы учитывают именно эти факторы, но даже и в этом случае они позволяют делать меньше ошибок при подборе предохранительных ВВ и условий взрывания.

Основные требования, предъявляемые ко всем предохранительным ВВ, являются обязательными и для высокопредохранительных составов. Эти требования сводятся к следующему:

- иметь небольшую теплоту и температуру взрыва;

- иметь небольшую работоспособность – порядка 200–240 см3 при взрывании по углю, а в особо опасных забоях – 170 см3; 240–300 см3 – при взрывании по породе;

- энергия взрыва должны быть ограничена;

- ВВ должны хорошо детонировать;

- иметь кислородный баланс, близкий к нулю;

- в состав ВВ целесообразно вводить инертные вещества, обладающие в то же время отрицательными каталитическими свойствами относительно реакции окисления метана;

- не должны содержать посторонних включений (металлических и др.), способных гореть в воздухе с развитием высокой температуры.

Отвечая этим требованиям, предохранительные ВВ имеют свои, присущие только им особенности, благодаря которым они обеспечивают высокую степень безопасности при взрывных работах. Современные предохранительные ВВ, безопасные с точки зрения воспламенения МВС, можно считать безопасными и в отношении воспламенения пылевоздушной смеси.

По оценкам специалистов до 25% от количества случаев воспламенения МВС или ПВС в опасных выработках шахт являются взрывные работы. Анализ взрывов в шахтах показывает (опыт России и Украины), что главными причинами являются выгорание зарядов (~25%) и их обнажение (~25%), далее идут трещины в массиве пород (~20%), отсутствие или недостаточность забойки (~12%), низкая водоустойчивость зарядов. Таким образом, почти 50% аварий связаны с применением ВВ, которые не соответствуют указанному классу предохранительности и воспламеняют газ в результате обнажения заряда, при наличии трещин в массиве пород и отсутствии забойки. Существующий ассортимент предохранительных ВВ имеет ряд недостатков. Например, предохранительные аммониты способны к выгоранию, слеживаемости, они обладают малой водоустойчивостью, высокой чувствительностью к уплотнению и т.д.

ВВ, содержащие нитроэфиры, имеют сложный состав, содержат токсичные соединения, обладают высокой чувствительностью к механическим воздействиям, имеют высокую стоимость.

В настоящее время предохранительные ВВ еще не могут быть признаны абсолютно безопасными для ведения взрывных работ во взрывоопасносной атмосфере шахт. Поэтому необходимо их дальнейшее совершенствование в направлении повышения антигризутности, т.е. увеличения массы предельного заряда в МВС. Решение этого вопроса является важной задачей, имеющей большое научное и практическое значение для повышения техники безопасности и охраны труда.

Наиболее перспективным направлением повышения уровня предохранительных свойств ВВ является применение в их составе химически активных солей- ингибиторов реакции окисления метана кислородом воздуха. В результате торможения этой реакции ингибитором, который находится в составе предохранительного ВВ, удается обеспечить предупреждение взрывов МВС при взрывных работах. Однако было установлено, что соли-ингибиторы, введенные непосредственно в состав предохранительных ВВ, в оболочку заряда или забойку, могут под действием взрыва терять свойства отрицательных катализаторов (ингибиторов), что является аномальным явлением, которое ранее не было известно. Это явление характеризуется тем, что в течение определенного времени под действием продуктов детонации ВВ соли-ингибиторы становятся не способными тормозить реакцию окисления метана, в результате чего происходит воспламенение МВС. Считается, что ответственным за каталитическое ингибирующее действие соли является образующий ее металл. Ионы металла на поверхности кристалла соли сначала захватывают или адсорбируют радикал, а затем происходит его рекомбинация с другими радикалами. В результате рекомбинации на поверхности соли-ингибитора радикалы выводятся из зоны реакции, и скорость реакции окисления метана резко тормозится вплоть до полного прекращения реакции.

Однако, как показали исследования по изучению предохранительных свойств ПВВ в МВС, ингибирующая активность соли существенно зависит от времени контакта ингибитора со взрывоопасной МВС. Было установлено, что существует интервал времени, в течение которого ингибитор оказывается не способным затормозить реакцию окисления метана. Этот интервал времени, в течение которого у ингибитора существует дерекомбинационный эффект, соответствует интервалу времени, когда кристаллы соли-ингибитора находятся непосредственно в зоне действия на них сильной детонационной или ударной волны.

В табл.13 приведены результаты расчетов давления динамического сжатия кристаллов соли-ингибитора во фронте детонационной волны предохранительных ВВ. В табл.14 приведены результаты расчета давления ударного сжатия ингибитора при детонации ВВ и приращения энергии кристаллами соли, равное работе их сжатия. Эти величины были сопоставлены со значениями масс предельных зарядов предохранительных ВВ IV-VII классов, которые характеризуют уровень их предохранительных свойств.

Результаты, приведенные в табл.13,14 показывают, что сжатие вещества ингибитора при детонации ВВ происходит под действием возникающей в нем ударной волны. Величина давления, возникающая в кристаллах соли, оказывает существенное влияние на уровень предохранительных свойств ВВ, т.к. кристаллы соли-ингибитора под действием высокого давления становятся не способными тормозить цепные реакции окисления метана кислородом воздуха. Необходимо отметить, что величина затраты энергии детонации ВВ на сжатие кристаллов соли-ингибитора не оказывает существенного влияния на уровень предохранительных свойств ВВ. Для угленита Э-6 и ионита различие в таких затратах энергии не превышает 10%, тогда как уровень их предохранительных свойств отличается существенно – величина предельного заряда ионита в 10 раз больше, чем у угленита.

5.1 Перспективы развития предохранительных ВВ

Существующий ассортимент предохранительных ВВ имеет ряд недостатков. У предохранительных аммонитов основными из них являются выгорание, слеживаемость, малая водоустойчивостть, высокая чувствительность к уплотнению и т.д. Нитроэфиросодержащие ВВ имеют высокую чувствительность к механическим воздействиям, токсичные компоненты, сложный состав и высокую стоимость.

Попытки создания новых предохранительных ВВ устойчивых к выгоранию, с повышенной детонационной способностью при групповом взрывании, с пониженной чувствительностью к механическим воздействиям, с хорошей водоустойчивостью, меньшей токсичностью компонентов и продуктов взрыва, не привели к положительным результатам.

С появлением в промышленности нового поколения эмульсионных взрывчатых веществ возникла реальная возможность создания на их основе новых предохранительных ВВ, которые сочетают в себе безопасные свойства и требуемые детонационные характеристики. Тонкодисперсная структура этих ВВ при наличии воды, имеющих теплоту взрыва в пределах 2933 кДж/кг и высокую детонационную способность без использования индивидуальных взрывчатых веществ, позволили российским ученым создать промышленные ВВ III–V классов (табл.15).

Таблица 13

Давление динамического сжатия кристаллов соли-ингибитора

во фронте детонационной волны

Таблица 14

Давление ударного сжатия соли-ингибитора во фронте детонации ВВ

и приращение энергии ее кристаллов в результате их сжатия

Физико-химические параметры и взрывчатые свойства порэмитов соответствуют не только техническим требованиям горнодобывающей отрасли, но и лучшим мировым образцам (табл.16).

Преимущества предохранительных порэмитов в сравнении с патронированными штатными предохранительными ВВ:

- высокая безопасность по отношению к механическим и тепловым воздействиям (удару, трению, прострелу пулей, огню и т.п.);

- низкая способность к горению или отсутствие к выгоранию;

- высокая чувствительность к инициированию стандартным КД;

- отсутствие пыления, электризации, эксудации и контакта с токсичными продуктами;

- сохранение взрывчатых характеристик в интервале плотностей от 0,5 до 1,5 г/см3;

- высокая водоустойчивость, сохраняющаяся в воде на большой глубине и

в проточной воде;

- обеспечивают при взрыве выделение газов низкой токсичности;

- дешевые в изготовлении; высокая технико-экономическая эффективность применения.

Таблица 15

Характеристики патронов эмульсионных ВВ

Таблица 16

Некоторые взрывчатые свойства предохранительных

патронированных эмульсионных ВВ

5.2 Испытание предохранительных ВВ

Испытание на безопасность действия взрыва

в метано-воздушной среде

На безопасность по метану предохранительные ВВ испытывают в опытных штреках (рис.31). Опытный штрек представляет собой стальную трубу диаметром 1,5–1,8 м и длиной 15–25 м. С одной стороны труба открыта, а с другой – имеет стальное днище с отверстием диаметром 400 мм для мортиры. Во внутренней полости опытного штрека устанавливается бумажная диафрагма, разделяющая штрек на две камеры. Объем камеры от днища до диафрагмы (10 м3) называют взрывной камерой, в которой перед испытанием ВВ создается метано-воздушная атмосфера взрывоопасной концентрации (~ 10% метана по объему). Равномерное распределение компонентов смеси осуществляют с помощью лопастной мешалки. Концентрацию газа во взрывной камере измеряют электрическим газоанализатором. Мортира представляет собой стальной цилиндр длиной 1200 мм и диаметром 550 мм с несквозным каналом диаметром 55 мм и глубиной 900 мм. В канал мортиры устанавливается заряд предохранительного ВВ массой 600 г, забойка производится глиной (50 г), толщина слоя забойки 10 мм. Заряд ВВ взрывают электродетонатором.

Взрывчатое вещество считается предохранительным, если при 10-ти

кратном исполнении взрыв МВС не произойдет ни разу. Испытывают предохранительные ВВ III и IV классов. ВВ V класса испытывают внутри загазованной камеры, взрывая патрон массой 200 г. ВВ VI класса испытывают внутри загазованной камеры, взрывая заряд, уложенный между ребрами уголковой мортиры (рис.32), при этом устанавливают максимальную массу ВВ, не вызывающую взрыва МВС.

Рис.31 Схема опытного штрека:

1 – стальная труба; 2 – дно штрека с отверстием; 3 – диафрагма; 4 – взрывная камера (10 м3); 5 – мортира; 6 – заряд ВВ; 7 – глиняная забойка.

Рис.32 Схема уголковой мортиры с отражательной стенкой в опытном штреке: 1 – уголковая мортира; 2 – заряд ВВ; 3 – отражательная стенка.

Уголковая мортира представляет собой стальной цилиндр диаметром

230 мм и длиной 2000 мм с продольным пазом глубиной 90–100 мм. Отражательная стенка выполняется из стального листа размером 1х2 м. ВВ VI класса считаются выдержавшими испытания, если заряд массой 1 кг не воспламеняет метано-воздушную смесь в 10 последовательных опытах на расстоянии уголковой мортиры от отражательной стенки 20 см.

Испытание на безопасность действия взрыва

в пылевоздушной среде

Для создания взрывоопасной взвеси угольной пыли (400–600 г/м3) в

опытном штреке на расстоянии 8–11 м от днища под углом 20° к горизонтальной оси штрека устанавливается пылераспылительная мортира (рис.33), на дно которой помещают заряд ВВ массой 50 г с электродетонатором мгновенного действия. Сверху заряд ВВ покрывают угольной пылью массой 6 кг. Угольную пыль распыляют за 2–10 с до взрыва основного испытываемого заряда. При проведении испытаний диафрагму в штреке не ставят. ВВ считается предохранительным, если при 10-ти кратном взрывании заряда массой 700 г не произошло ни одного взрыва пыли.

Рис.33 Схема пылераспылительной мортиры:

1 – мортира; 2 – заряд ВВ (50 г); 3 – угольная пыль.

<< | >>
Источник: Институт дистанционного обучения. Технология и безопасность взрывных работ. 2010

Еще по теме 5. Основы теории предохранительных ВВ:

  1. Тема 1. Основы теории права
  2. Глава IIМетодологические основы теории доказательств
  3. Раздел п е ,р в ы й ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОСУДАРСТВА И ПРАВА
  4. § 1. Основы теории рефлекторной деятельности
  5. § 2. Основы теории законности. Правовой порядок
  6. Психотерапия, сфокусированная на проективной идентификации (интегративная модель на основе теории объектных отношений)
  7. 3. ТРЕБОВАНИЯ К ПСИХОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕОРИИ ЛИЧНОСТИ
  8. ТЕОРИИ «ГЕРОЕВ» И «ТЕОРИИ ЧЕРТ»
  9. § 1. Понятие теории государства и права.Предмет теории государства и права
  10. Тема 22. Основы методики расследованияПРЕСТУПЛЕНИЙ «ПО ГОРЯЧИМ СЛЕДАМ».Основы методики расследования преступлений,СОВЕРШЕННЫХ ОРГАНИЗОВАННЫМИ ПРЕСТУПНЫМИ ФОРМИРОВАНИЯМИ
  11. 6. ПРАВОВЫЕ ОСНОВЫ БАНКОВСКОГО КРЕДИТА, ДЕНЕЖНОГО ОБРАЩЕНИЯ И РАСЧЕТОВ. ОСНОВЫ ВАЛЮТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И ВАЛЮТНОГО КОНТРОЛЯ