2. Основы теории взрывчатых веществ

2.1 Введение

Взрывом называют чрезвычайно быстрое химическое или физическое превращение вещества (или системы), сопровождающееся таким же быстрым переходом потенциальной энергии в механическую работу. Характерным признаком взрыва является образование ударной волны (УВ) в среде, примыкающей к месту взрыва. Причиной возникновения УВ является быстрое расширение (со сверхзвуковой скоростью в данной среде) газов или паров, содержащихся до взрыва или возникших в системе в момент взрыва. Взрывы делят на физические и химические.

При физических взрывах, вызванных, например, взрывом парового котла, баллонов с газом и т.п., изменяется только физическое состояние вещества с сохранением постоянства его химического состава. В горном деле примерами таких взрывов являются отбойка угля при помощи металлических патронов "кардокс", содержащих жидкую углекислоту, или металлических патронов "эрдокс", содержащих сжатый воздух.

Химическое превращение вещества является обязательным условием химического взрыва. Взрывчатое химическое превращение вещества обуславливается наличием трех факторов: высокой скоростью, образованием газов или паров, выделением теплоты.

Общими чертами физических и химических взрывов является то, что выделяющаяся энергия при взрыве переходит в механическую работу, которую совершают сжатые газы, имевшиеся до взрыва (физический взрыв) или образовавшиеся в момент взрыва (химический взрыв). Высокая скорость выделения энергии как следствие высоких скоростей изменения состояния вещества и весьма высокое давление (от десятков до сотен тысяч атмосфер) сжатых газов предопределяет особый быстропротекающий разрушительный характер механического действия взрыва.

2.2 Ударные волны

Быстро расширяющиеся сжатые газы вызывают в окружающей среде (газовой, жидкой, твердой) скачок давления или волну возмущений, которую называют ударной волной. Скорость распространения ударной волны в среде всегда превышает скорость звука этой среды. Линейная зависимость скорости ударной волны от параметров среды записывается следующим образом:

(1.1)

где D – скорость ударной волны; С – скорость звука в среде; l – коэффициент (находят в таблицах или определяют экспериментально); U – массовая скорость частицу за фронтом ударной волны.

При взрыве одного и того же взрывчатого вещества (ВВ) одинаковой

массы в воздухе, воде и в горной породе скорости соответствующих ударных волн и давления будут подчиняться неравенствам:

Dгорн.п.>Dвод.>Dвоздух; Ргорн.п.>Рвод.>Рвоздух. (1.2)

Фронт ударной волны можно представить как линию, разделяющую два принципиально различных физических состояния в одной среде. Состояния, возникшего в результате прохождения ударной волны, и невозмущенной среды, по которой УВ еще не прошла. Таким образом, фронт УВ, распространяющийся со сверхзвуковой скоростью в среде, представляет скачкообразное изменение давления, температуры и плотности. На некотором расстоянии от заряда ВВ по среде распространяется ударная волна, которая с расстоянием постепенно вырождается в звуковую, т.е. D стремится к С при U > 0.

Ударная волна отличается от упругой тем, что создает поток вещества, следующий за ее фронтом. Расстояние, на котором ударная волна ослабляется до звуковой, в газе намного больше, чем в твердом веществе. При заданном диаметре заряда это расстояние в воздухе составляет несколько десятков и даже сотен диаметров заряда, в воде – около 2–3 диаметров, в твердом теле – меньше одного диаметра.

Условия на фронте ударной волны (часто говорят "на ударном скачке") особенно удобно записывать в следующем виде:

(здесь индексом "0" и "1" обозначены соответственно параметры невозмущенной среды и величины, характеризующие состояние вещества, сжатого

ударной волной)

закон сохранения массы: , (1.3)

закон сохранения количества движения:

, (1.4)

закон сохранения энергии:

. (1.5)

Обычно считается, что невозмущенная среда находится в состоянии покоя. Но при выводе уравнений сохранения массы (1.3), импульса (1.4) и энергии (1.5) предполагалось, что имеется начальная скорость U0. Этот более общий характер решения в некоторых случаях оказывается полезным.

Если считать, что невозмущенная среда покоится и U0=0, пренебрегая начальным давлением Р0, уравнения (1.3) - (1.5) можно переписать в более удобном для расчетов виде:

; (1.6)

; (1.7)

, (1.8)

где V0 и V1 соответственно начальный и конечный объем; Е1 – внутренняя энергия; Р1 – давление в среде;

Ширина фронта ударной волны в воздухе на уровне моря составляет 0,025 мкм (для сравнения: длина волны в инфракрасной области примерно равна 1 мкм). При распространении ударной волны в любой среде давление, плотность и температура в возмущенной области увеличиваются во много раз. Поэтому люди и животные, попавшие в зону действия ударной волны, гибнут, а сооружения разрушаются. Кроме этого, поток воздуха, возникающий за фронтом ударной волны, также наносит большой ущерб живым организмам и сооружениям. На рис.1 показан профиль ударной волны в координатах давление - расстояние.

Если профиль давления ударной волны в среде рассмотреть во времени, то окажется, что Рmax (максимальное давление) падает быстро - обратно пропорционально расстоянию (1/R). На рис.2 представлена схема, изображающая взрыв заряда ВВ в моменты времени t1, t2 и t3. Образовавшийся при взрыве газ "толкает" взрывную волну с крутым фронтом, давление в которой падает с увеличением расстояния.

Рис.1 Профиль давления при взрыве:

– зона разрежения (Р < Р0); в этой зоне поток вещества будет направлен в сторону, противоположную движению фронта ударной волны, т.е. к источнику взрыва; R – расстояние. Стрелками показано направление движения фронта ударной волны и частиц окружающей среды

Газ, образовавшийся при взрыве, расширяется до конечного колеблющегося объема, в то время как объем воздуха, охватываемый и нагреваемый ударной волной, растет с увеличением расстояния – ударная волна расходует свою энергию и затухает.

Избыточное давление (в Па) на фронте ударной волны в воздухе при

взрыве наземного заряда ВВ массой q рассчитывают по формуле Г.И. Покровского:

(1.9)

где R – расстояние от заряда до измеряемой точки.

Если заряд ВВ взрывается над поверхностью земли, то давление можно найти из следующего выражения:

(1.10).

Избыточное давление на преграде при отражении ударной волны Ротр легко рассчитать, используя известную формулу:

(1.11)

где Рв - давление ударной волны в воздухе; Р0 - атмосферное давление или начальное давление в среде.

Важным параметром воздушных ударных волн является время действия фазы сжатия (с) tф.сж.:

(1.12).

Рис.2 Схематическое изображение взрывов цилиндрического или сферического заряда ВВ.

2.3 Формы химического превращения взрывчатых веществ

В зависимости от типа взрывчатого вещества (ВВ), условий возбуждения (инициирования) процессы химического превращения могут протекать в различных формах с различными скоростями, отличающимися на порядок и более. К основным формам химического превращения относятся термическое разложение и горение (дозвуковые процессы), детонация (сверхзвуковой процесс).

Термическое разложение ВВ является гомогенным процессом, протекающем во всем объеме заряда при данной температуре. Скорость термического распада ВВ измеряется числом молей, реагирующих в единицу времени в единице объёма - моль/(с·см3). Таким образом, скорость термораспада соответствует данной температуре и одинакова во всех точках объема ВВ. Основные продукты разложения – оксиды горючих элементов (СО, СО2, Н2О др.), азот, альдегиды, кислоты и т.п. Термическое разложение может завершиться при определенных условиях тепловым взрывом.

Горение ВВ является самораспространяющимся гетерогенным направленным процессом с выраженной зоной химической реакции, разделяющей исходное вещество и продукты горения. Как и в случае термического разложения, продуктами горения являются СО, СО2, Н2О, N2. Горение протекает за счет химических реакций между окислителем и горючими компонентами, содержащимися в составе ВВ, и определяется механизмом передачи энергии из зоны химической реакции в примыкающий к ней слой исходного вещества.

Так как основные составляющие процесса тепло- и массопереноса при горении (конвекция, диффузия, теплопроводность) медленные, то и процесс горения протекает медленно - с дозвуковой скоростью. Обычно линейная скорость горения составляет несколько миллиметров в секунду (редко десятки и сотни миллиметров в секунду). Скорость горения существенно зависит от массы ВВ и внешних факторов – давления и температуры. В весьма ограниченном пространстве давление повышается быстро и горение может перейти в детонацию. В связи с этим уничтожение ВВ сжиганием проводят на открытых площадках.

Известна эмпирическая зависимость линейной скорости горения (V) от давления:

(1.13)

где Р – давление; а и b – постоянные; n – показатель степени, колеблющийся от 0 до 1. При значениях n больше единицы возможен переход горения в детонацию.

Основным видом реакции медленного термического распада ВВ является мономолекулярный распад, на который накладываются вторичные реакции с участием продуктов первичного распада. Ускорение реакции распада особенно активно происходит при повышении температуры ВВ. Если приход тепла при реакции преобладает над процессом его отвода в окружающую среду, то возможно прогрессивное нагревание ВВ и в дальнейшем значительный рост реакции, а в итоге - тепловой взрыв. Такая критическая точка называется температурой вспышки ВВ. Или другими словами, та минимальная температура, при которой в течение условно заданного отрезка времени подвод тепла становится больше теплоотвода и химическая реакция вследствие самоускорения принимает характер взрывчатого превращения, называется температурой вспышки.

Стационарное горение представляет собой процесс химического превращения, распространяющийся с малыми скоростями (миллиметры в секунду) и охватывающий последовательно слои вещества. Распространение горения происходит путем теплопередачи. В случае если отвод продуктов горения затруднен, увеличивается поверхность горения или была начальная скорость горения высокой, то медленное горение может перейти в детонацию, либо во взрывное горение. При известных условиях детонация или взрывное горение могут перейти в медленное (стационарное). Например, при переуплотнении ВВ в результате повышенного давления. Такие процессы в шахтах называют выгоранием зарядов в шпурах.

Детонация - это процесс химического превращения ВВ, сопровождающийся выделением теплоты и распространяющийся с постоянной скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе. В отличие от горения детонация представляет собой комплекс мощной ударной волны и следующей за ее фронтом зоны химического превращения вещества.

Исходная структура взрывчатых веществ является термодинамически метастабильной. Перед достижением более стабильного состояния с меньшей энергией система должна пройти через промежуточное менее стабильное состояние с повышенной энергией, это означает как бы наличие барьера, препятствующего непрерывному превращению, если при этом не обеспечена необходимая активация процесса. Химические превращения ВВ в конечные продукты взрыва могут быть инициированы путем подвода тепла, механической энергии (удар, трение), либо другими видами воздействий.

На рис.3 в качестве иллюстрации процесса графически представлено изменение свободной энергии ВВ в процессе химического превращения. В исходном состоянии ВВ обладает некоторым избытком внутренней энергии, который и определяет его термодинамическую метастабильность. Переход из исходного состояния, которое отвечает превращению в более стабильное, сдерживается энергетическим барьером – Для системы (ВВ) наименьший прирост энергии , позволяющий перейти через барьер, представляет собой свободную энергию активации реакции, и система (ВВ) с максимальной свободной энергией FA является нестабильной, находясь в "переходном" или "активированном" состоянии. Минимальный внешний импульс, способный, например, инициировать переходы "ВВ > продукты взрыва", для различных взрывчатых веществ будет различным и соответствовать величине для каждого ВВ. Так, для первичных инициирующих ВВ эта величина будет намного больше, чем для обычных бризантных ВВ. Поэтому для возбуждения реакции взрывчатого превращения в первичных инициирующих ВВ требуется меньшая энергия активации , чем для бризантных ВВ.

При взрыве взрывчатые вещества превращаются в химически устойчивые системы и это превращение может протекать с разной скоростью. Скорость взрывчатого превращения - это быстрота распространения этой реакции по взрывчатому веществу. Скорость взрывчатого превращения для данного ВВ является постоянной величиной. В зависимости от химической природы ВВ, его физических характеристик, геометрических параметров (для промышленных ВВ – величины размеров частиц, содержания влаги и других характеристик) скорость взрывчатого превращения колеблется в больших пределах (1,0-10,2 км/с).

Рис.3 Изменение свободной энергии системы (ВВ) при переходе ее в стабильное состояние: – свободная энергия активации; – движущая сила процесса перехода. Координатой реакции является любая переменная величина, служащая мерой развития реакции.

2.4 Детонация взрывчатых веществ

Служебной формой взрывчатых превращений промышленных ВВ является детонация, представляющая собой самоподдерживающий процесс перемещения по ВВ со сверхзвуковой скоростью ударного фронта (скачка давления), сопровождающийся химическим превращением вещества. Импульсом для начала развития химической реакции является, как правило, ударная волна, возбуждаемая взрывом капсюль-детонатора или электродетонатора, т.е. промежуточных детонаторов. Таким образом, химическая реакция возникает в результате адиабатического сжатия и разогрева вещества в ударном фронте. Комплекс из ударного фронта и зоны химической реакции называется детонационной волной.

В зависимость от типа ВВ, давление на ударном фронте может быть от десятков атмосфер (газовые взрывные смеси) до сотен тысяч (бризантные ВВ). В режиме стационарного распространения скорость фронта детонации может для разных ВВ составлять от 1 до 10 км/с. Тепло, выделяющееся при детонационной форме химического превращения, компенсирует потери энергии, идущие на сжатие и движение вещества, обеспечивая постоянство параметров детонационной волны. Следует подчеркнуть, что скорость детонации не зависит от начального импульса; она является характеристикой и постоянной величиной данного ВВ. Участок заряда от точки инициирования до начала распространения детонации со стационарной скоростью называют участком нестационарной детонации.

Теоретические основы детонации были заложены в конце ХIX столетия В.А. Михельсоном (Россия), Д.Л. Чепменом (Англия) и Е. Жуге (Франция). Математическая модель, созданная ими не учитывала кинетики химической реакции в детонационной волне, а представляла ударный фронт формально в виде поверхности разрыва, отделяющей исходное ВВ от продуктов взрыва.

Экзотермическая реакция, возбуждаемая механическим ударом, который передается от реагирующего слоя к соседнему слою, распространяется в виде волны давления. Такой процесс возможен лишь при том условии, что химическая реакция заканчивается прежде, чем спадет давление за счет волны разгрузки, идущей от свободной поверхности со скоростью звука. Такой сценарий возможен только при очень высоких давлениях, когда волны давления переходят в ударную волну. Таким образом, детонацию можно представить как сочетание ударной волны с зоной химической реакции.

Ударная волна возбуждает реакцию в веществе, а реакция усиливает ударную волну, пока не установится равновесие между передаваемой и рассеиваемой энергией не установится стационарный режим распространения волны детонации. Исследование процессов в такой установившейся волне в одномерном случае является задачей гидродинамической теории детонации. С учетом энерговыделения при детонации, основные соотношения между начальными и конечными параметрами состояния вещества, а также скоростью детонации и массовой скоростью движения продуктов химического превращения за фронтом находятся из законов сохранения массы, импульса и энергии в волне.

Независимо друг от друга Я.Б. Зельдович, Д. Нейман, В. Дёринг предложили модель детонационной волны, которая учитывает химическую зону превращения (зону "химпика") ВВ в конечные продукты. В соответствие с такой моделью, исходное ВВ с начальными параметрами p0, v0 (рис.4) сжимается в ударном фронте (точка В), разлагается и выходит из зоны реакции (точка С) со скоростью, уменьшенной на величину u, равную скорости газообразных продуктов взрыва. В случае одномерного потока законы сохранения массы и импульса записывают следующим образом:

где Р0 и Р – начальное давление и давление ПВ соответственно; r0=1/v0, r=1/v – соответственно начальная плотность ВВ и плотность ПВ.

Закон сохранения энергии записывается в форме:

(1.16)

где Е, Е0 - соответственно удельная внутренняя энергия в конечном и начальном состояниях. Выражение (1.16) является одной из форм записи уравнения ударной адиабаты Гюгонио для ПВ.

Рис.4 Схема фронта детонации: D – скорость распространения детонационной волны; u – скорость ПВ.

На P–v-диаграмме детонационной волны, рис.5, начальному состоянию соответствуют точка А, сжатию ВВ ударным фронтом – точка В. Экзотермическая реакция в ВВ, начавшаяся на ударном фронте (точка В), заканчивается на поверхности Чепмена–Жуге, рис.4, или в точке С, рис.5. Точка С называется точкой Жуге или Чепмена–Жуге; она лежит на адиабате продуктов взрыва (адиабате Гюгонио). Процесс превращения сопровождается расширением ПВ, поэтому давление ПВ падает: в точке Жуге давление РЖ почти вдвое ниже давАдиабатическому сжатию вещества отвечает прямая АВ, рис.6 с очень малым наклоном относительно оси абсцисс, что свидетельствует о крайне малом времени сжатия и малой толщине сжатого слоя. Зоне химика отвечает участок ВС на кривой спада давления. Точка С отвечает точке Жуге, участок за этой точкой характеризует спад давления в расширяющихся ПД.

Таким образом, вещество в детонационной волне последовательно проходит все состояния по пути АВС Зона сжатия в ударной волне очень мала (порядка 0,1 мкм), зона химической реакции зависит от химических и физических свойств ВВ и имеет ширину 0,5 мкм (для азида свинца) до 10 мм (для тротила и тетрила). Продолжительность времени химпика в высокоплотном флегматизированном гексогене составляет ~(2,5±5)·10–9 с при максимальном давлении в волне – 40 ГПа.

Несмотря на то, что описанная модель не во всех случаях соответствует наблюдаемым явлениям в структуре детонационных волн, общие зависимости вписываются в гидродинамическую теорию путем пространственно-временного усреднения параметров детонационной волны с неоднородным фронтом.

Рис.5 P–v-диаграмма детонационной волны.

Детонация по Чепмену–Жуге удовлетворяет условию (точка С):

D=U+C, (1.17)

где U – массовая скорость частиц ПД; C – скорость звука в ПД; D – скорость детонации, равная скорости перемещения зоны химической реакции. Другими словами, химическая реакция во взрывчатом веществе в форме детонации отвечает условию (1.17).

Если D>Dч.ж. давление может превысить Рж и тогда говорят о "пересжатой" детонации. При Dуменьшенным по отношению к действительным размерам заряда.

Практическое использование СФР возможно в нескольких режимах:

- съемка с боковой поверхности заряда ВВ (в этом случае на фотопленке фиксируется временная развертка распространения зоны свечения – фронта ударной волны, детонационной волны или пламени при горении ВВ – по длине заряда. Данная постановка эксперимента позволяет регистрировать и переход ные процессы, т.к. изображение на пленке является аналогом t,x-диаграммы);

- съемка с торцевой поверхности заряда (данная постановка применима для регистрации скорости детонационной волны);

- покадровая съемка (в этом случае перед фотопленкой устанавливается линзовая вставка, позволяющая получать покадровое изображение процесса со скоростью до 2-х миллионов кадров в секунду; щелевая диафрагма при данной съемке отсутствует).

Типичная картина покадрового изображения развития высокоскоростного процесса показана на рис.10.

Рис.9 Принципиальная оптическая схема зеркальной развертки: 1 – заряд ВВ, расположенный перпендикулярно к плоскости чертежа; 2 – объектив; 3 – щелевая диафрагма; 4 – объектив; 5 – вращающееся зеркало; 6 – фотопленка; 7 – направление вращения зеркала; 8 – направление перемещения изображения.

Рис.10 Серия последовательных кадров светящихся продуктов взрыва заряда аммонита 6ЖВ: 1 – электродетонатор; 2 – заряд ВВ; 3 – картонное основание.

2.5.2 Метод ионизационных датчиков

Данный метод измерения скорости детонации основан на ионизации продуктов взрыва за фронтом детонационной волны. Как было установлено при детонации зарядов ВВ могут возникать высокие напряжения. Например, между двумя проводниками, идущими от электродетонатора №8, получены сигналы величиной 2 кВ. Более высокие значения (20 кВ) зафиксированы в зарядах, покрытых оболочкой из поваренной соли. Эти наблюдения послужили причиной исследований как ионизированного состояния в бризантных ВВ во время детонации, так и связи детонации с ионизацией. На основании многочисленных экспериментов было установлено, что высокая степень ионизации в зоне реакции детонационной волны является уникальной особенностью детонации конденсированных ВВ.

Электрическое сопротивление продуктов взрыва составляет от нескольких единиц до нескольких десятков Ом на миллиметр. Помещая в заряд ВВ на некотором расстоянии друг от друга искровые промежутки (ионизационные датчики), к которым приложено некоторое напряжение, можно во время детонации фиксировать возникающий в цепи электрический импульс. На рис.11 показана схема измерения скорости детонации с помощью ионизационных датчиков.

Рис.11 Постановка метода ионизационных датчиков:

1 – заряд ВВ; 2 – лепестки датчиков.

Ионизационные датчики помещаются в заряд ВВ, лепестки которых

включаются в цепь осциллографического измерителя времени. Таким образом с помощью осциллографа измеряется временной промежуток (t) прохождения детонационной волны участка L -- DВВ=L/t. Для данного метода DDВВ/DВВ»±0,5%.

Кроме метода ионизационных датчиков в экспериментальных исследованиях широко используются электромагнитный метод регистрации массовой скорости за фронтом ударных и детонационных волн, метод измерения скорости детонации с помощью реостатного датчика. В последние годы разработаны способы измерения скорости детонации с помощью световодов, основанные на передаче свечения детонационной волны к фотоприемникам. Методика измерения по своей сути близка к методу измерения электроконтактными датчиками. Отличается тем, что к регистрирующим приборам по световодам передается свечение детонационной волны.

2.5.3 Метод Дотриша

Для контроля качества ВВ на полигонах наиболее простым и доступным способом определения скорости детонации является хорошо испытанный метод Дотриша, рис.12. С боковой стороны заряда испытываемого ВВ длиной 300 мм (или другой длины) вводят отрезки детонирующего шнура (ДШ) длиной от 1,5 до 3-х метров. Расстояние между точками А и Б в зависимости от длины патрона должно быть 200 – 300 мм. Расстояние между точками и длину детонирующего шнура тщательно измеряют, при этом скорость детонации ДШ должна быть известна до проведения опыта. Свободный отрезок ДШ укладывают на металлическую пластину толщиной не менее 2–4 мм и длиной 300–400 мм. На середине пластины отмечают участок (точка О) между равными отрезками: АО=АБ+БО.

Электродетонатор устанавливают как показано на схеме рис.12. Во время взрыва заряда ВВ детонационная волна, дойдя до точки А, возбуждает детонационную волну в отрезке АО детонирующего шнура, которая пойдет по ДШ в сторону точки О. Продолжая движение по заряду ВВ, детонационная волна дойдет до точки Б и возбудит детонацию в отрезке БО детонирующего шнура. Таким образом, детонационные волны в отрезках АО и БО будут двигаться навстречу друг другу и в какой-то момент встретятся, например, в точке В. Если скорость детонации заряда ВВ будет меньше скорости детонации ДШ, то столкновение двух волн произойдет справа от точки О. Если же скорость детонации заряда ВВ окажется больше, чем детонирующего шнура, то столкновение двух волн произойдет слева от точки О. Результатом "лобового" столкновения детонационных волн, идущих по отрезкам ДШ, будет скачкообразное повышение давления и образование двух симметричных газовых струй, направленных перпендикулярно к оси ДШ. Высокое давление газов создаст характерное углубление на поверхности металлической пластины.

Время, в течение которого фронт детонации пройдет от точки А к точке В, будет равно

Время, затраченное фронтом детонации в заряде ВВ на прохождение участка от точки А к точке Б (расстояние b), определяем из выражения

,

а время прохождения ДВ по шнуру от точки Б к точке В легко находят из выражения

Поскольку детонационные волны, распространяющиеся в отрезках (АО + а) и (БВ – а) детонирующего шнура, встречаются в точке В, то очевидно, что t1=t2+t3:

или

Рис.12 Схема определения скорости детонации по Дотришу:

1 – электродетонатор (или капсюль-детонатор); 2 – заряд ВВ; 3 – ДШ; 4 – металлическая пластина; DДШ – скорость детонации ДШ; DВВ – скорость фронта детонационной волны в заряде ВВ. Стрелками указано направление движения фронта детонационной волны в заряде ВВ и в детонирующем шнуре.

Используя начальное условие, при котором АО=b+БО, произведем замену в последнем уравнении и получим:

Окончательно будем иметь

(1.23).

Ошибка в измерениях, как показала многолетняя практика, не превышает 3-5%.

2.5.4 Передача детонации на расстояние

Передача детонации на расстояние характеризует способность взрыва заряда ВВ (активного заряда) вызывать детонацию другого заряда (пассивного заряда), установленного на некотором расстоянии от первого. Реакция взрывчатого превращения пассивного заряда ВВ объясняется резким сжатием первого его слоя и сильным разогревом ударной волной, возникшей при взрыве активного заряда. Дальность передачи возрастает с увеличением диаметра, плотности, массы и мощности активного заряда. Факторами, от которых зависит дальность передачи, являются свойства пассивного заряда, наличие оболочки, свойства материала оболочки, среды, разделяющей заряды, и др. Установлено, что из свойств активного заряда определяющими являются скорость детонации и плотность ВВ. На основе принципа передачи детонации на расстояние введено испытание чувствительности ВВ к восприятию детонации, рис.13. Это испытание заключается в определении максимального расстояния между двумя патронами диаметром 31–32 мм, при котором взрыв активного заряда вызывает безотказную детонацию пассивного заряда ВВ.

Для каждого промышленного ВВ установлены минимумы таких расстояний (х).

Рис.13 Схема испытания ВВ на передачу детонации.

На грунте укладывают два патрона на расстоянии, указанном в ТУ. Если при двух взрывах отказов не произошло, то ВВ считают выдержавшим испытания. Если произошел отказ, то количество испытаний увеличивают вдвое. При повторном отказе бракуется вся партия ВВ При испытаниях ВВ, поступивших в мешках, изготавливают патроны диаметром 31 ± 1 мм, длиной 200 ± 10 мм при плотности заряда ВВ 0,95-1,05 г/см3. Водоустойчивые ВВ испытывают после их выдержки в воде в течение 1 часа на глубине 1 м.

2.6 Термодинамика процессов горения и взрыва

Работоспособность взрывчатого вещества как источника энергии определяется теплотой взрыва (теплотой взрывчатого превращения). Часто в связи с этим о ВВ говорят как о своеобразной тепловой машине, которая, в конечном счете, превращает потенциальную энергию в механическую работу. В результате взрыва ВВ работу в окружающей среде совершают в процессе расширения нагретые и сжатые продукты взрыва (ПВ). Таким образом, одним из условий взрывчатого превращения является экзотермичность процесса. Тепло, выделяемое при взрыве, сильно влияет на сам характер взрыва, на температуру и давление ПВ, бризантность и работоспособность ВВ.

2.6.1 Тепловой эффект реакции взрыва. Закон Гесса

В инженерной практике определение теплового эффекта реакции взрывчатого превращения производят в соответствии с первым началом (законом) термодинамики и важнейшим законом термохимии - законом Гесса.

Согласно первому началу термодинамики вся теплота, сообщенная системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы системой:

Q=DU+А или dQ=dU+dА

где U – внутренняя энергия; А – работа.

Для случая изобарного процесса (при постоянстве давления Р=const) это уравнение, определяющее тепловой эффект реакции взрыва QP, примет вид:

dQP=dU+PdV=d(U+PV) или dQP=dН

где величина Н=U+PV называется энтальпией. Энтальпия является функцией состояния системы и определяется ее параметрами.

В случае изохорного процесса (при постоянстве объёма V=const) тепловой эффект реакции взрыва равен

dQv=dU или Qv=DU(298)=DН(298)-Sn·R·298

где Sn – сумма стехиометрических коэффициентов при газовых компонентах в уравнении реакции взрыва; R=8,31 Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная.

Для реакций, протекающих в изотермических условиях (при постоянстве температуры Т=const), тепловой эффект вычисляют в соответствии с законом Гесса

DrH0298=[anкон(DfH0298)кон-anисх(DfH0298)исх]

где: DfН0298 – стандартные энтальпии образования исходных и конечных веществ (индекс f означает формирование, а r - реакцию), т.е. энтальпии реакции образования 1 моль этих веществ из простых веществ, взятые в форме, устойчивой при нормальных условиях (Р0=101,3 кПа; Т0=298К). Размерность их следующая: кДж/моль или ккал/моль (в более поздней литературе). Эти величины приводятся в справочниках физико-химических величин (см. приложение); n – стехиометрические коэффициенты в реакции.

В настоящее время помимо термодинамической системы знаков существует термохимическая система знаков теплоты и работы. Согласно последней тепловой эффект Q противоположен по знаку изменению энтальпий реакции DrH0298:

Q= -DrH0298, кДж/моль или Q= -DrH0298·n, кДж

где n – число молей вещества. Таким образом, если величина DrH02980, реакция протекает с теплопоглощением (-Q, +DH).

Как следует из закона Гесса, суммарный тепловой эффект некоторой последовательности химических реакций не зависит от пути превращения исходных веществ в конечные продукты, а определяется только начальным и конечным состоянием системы:

Qр=aQпв–Qвв, (1.24)

где Qр - теплота взрывчатого превращения; Qвв, aQпв - теплота образования

ВВ и сумма теплот образования продуктов взрыва соответственно.

В общем виде Закон Гесса можно сформулировать следующим образом: тепловой эффект кругового процесса равен нулю.

При вычислении теплоты образования ВВ обычно рассматривают такие три составляющие системы, рис.14, как взрывчатое вещество (1), продукты взрыва (2) и свободные молекулы химических элементов (3).

Рис.14 Схематическое изображение закона Гесса.

При переходе (1)-->(2) выделится тепло, равное теплоте полного сгорания – Qвв. В случае перехода (2)-->(3) произойдет поглощение тепла, равное сумме теплот образования ПВ – aQпв. Так как переход (3)-->(1) соответствует процессу образования молекул ВВ, то теплота этого процесса равна теплоте взрывчатого превращения - Qр.

Таким образом, в качестве теплоты взрывчатого превращения (Qр=Qвзр) рассматривают количество тепла, выделяемое при взрывчатом превращении одного моля вещества.

Теплотой образования вещества (Qобр=-DfH0298) называют количество тепла, которое выделяется или поглощается при образовании одного моля вещества из молекул газов соответствующих элементов (Н2, О2, N2 и т.д.) и простых веществ (С, металл и т.д.). При этом реакции образования могут быть как реальными

так и виртуальными (пример - реакция образования тротила):

В общем виде виртуальная реакция образования ВВ брутто-формулы СaНbОcNd записывается следующим образом:

a·СТВ+(b/2)·Н2+(c/2)·О2+ (d/2)·N2 ---> СaНbОcNd+Qобр

Теплоту образования ВВ Qвв в прямом эксперименте определить невозможно. Величину Qвв рассчитывают с учетом экспериментально найденной стандартной теплоты сгорания данного вещества.

Стандартная теплота сгорания вещества - это количество тепла, выделяющееся при сгорании одного моля вещества в атмосфере избытка кислорода при условии, что углерод и водород образуют при этом высшие

оксиды (СО2, Н2О).

Для ВВ формулы СaНbОcNd реакция сгорания в избытке кислорода может быть представлена следующим образом:

СaНbОcNd+[a+(b/4)+(c/2)]O2 ---> aCO2 +(b/2)H2O(l)+(d/2)N2+Qсгор.

Для бризантных ВВ допустимы небольшие ошибки при оценке Qобр, так как окончательная приемка ВВ производится по натурным испытаниям зарядов: бризантность, разрушение преград, метательные действия, работоспособность и т.д.

В таблице приложения П-1 приведены стандартные энтальпии образования DfН0298 некоторых индивидуальных ВВ, горючих, окислителей и продуктов некоторых реакций взрыва, а в таблицах П-2 и П-3 - контрольные задания.

2.6.2 Примеры расчета тепловых эффектов реакций

взрывчатых превращений

Пример 1. Рассчитать тепловой эффект реакции взрывчатого превращения 320 г дымного пороха следующего состава: 75% KNO3, 15% С и 10% S.

Решение. Реакция горения дымного пороха, состоящего из указанных компонентов, имеет вид:

2,38KNO3(s)+4C(s)+S(s)=1,19K2O(s)+SO2(g)+3,95CO(g)+0,05C(s)+1,19N2(g), где 2,38=; 4=;

1= (М – мольные массы, г/моль; m – массы в соответствии с процентным содержанием, г; 320 г – общая масса ВВ).

Дальнейший расчет удобнее производить при помощи таблицы.

Вещество KNO3(s) C(s) S(s) K2O(s) SO2(g) CO(g) C(s) N2(g)
DfН0298, кДж/моль -492,5 0 0 -361,5 -296,9 -110,5 0 0
Исходные вещества Конечные вещества (продукты)
n 2,38 4 1 1,19 1 3,95 0,05 1,19

Примечание: индексы (s) и (g) у веществ обозначают их агрегатное состояние (твердое и газообразное). Следует учитывать, что величины DfН0298 для простых веществ равны нулю (например, для С, S и N2 в данном примере).

Найдём по закону Гесса тепловой эффект реакции для 1 моль ВВ:

DrH0298=anкон(DfH0298)кон-anисх(DfH0298)исх=[-361,5·1,19+(-296,9·1)+

+(-110,5·3,95)+0·0,05+0·1,19]-[(-492,5·2,38)+0·4+0·1]=8,59 кДж/моль.

Для расчета теплового эффекта рассматриваемой реакции горения 320г дымного пороха необходимо определить количество моль вещества, содержащееся в указанной массе. Для этого выведем брутто-формулу (или условную формулу) данного ВВ (2,38KNO3(s)+4C(s)+S(s)):

Брутто-формула имеет следующий вид: CaSbNcOdКе, где а, b, c, d и е – количества углерода (С), серы (S), азота (N), кислорода (О) и калия (К), соответственно.

а=4·1=4; b=2,38·1=2,38; c=2,38·1=2,38; d=2,38·3=7,14 и е=2,38·1=2,38. Таким образом, получим: C4S2,38N2,38O7,14К2,38. Следовательно, в 320 г ВВ состава C4S2,38N2,38O7,14К2,38 содержится следующее количество моль вещества

n=, где МВВ=12·4+32·2,38+14·2,38+

+16·7,14+39·2,38=365 г/моль – мольная масса указанного ВВ; mВВ=320 г – масса данного ВВ (см. условие).

Тогда Q= -·n= -8,59 кДж/моль·0,877 моль= -7,53 кДж.

Пример 2. Рассчитать тепловой эффект реакции взрывчатого превращения 1 кг нитроглицерина:

С3Н5(ONO2)3(l)®3CO2+2,5H2O+1,5N2+0,25O2.

Решение. Расчет произведём при помощи таблицы:

Вещество С3Н5(ONO2)3(l) CO2 H2O N2 O2
DfН0298, кДж/моль -364,8 -393,5 -241,8 0 0
Исходные вещества Конечные вещества (продукты)
n 1 3 2,5 1,5 0,25

Примечание: индекс (l) у вещества обозначает агрегатное состояние (жидкое).

Согласно закону Гесса найдём тепловой эффект реакции для 1 моль ВВ:

DrH0298=anкон(DfH0298)кон-anисх(DfH0298)исх=[-393,5·3+(-241,8·2,5)+

+0·1,5+0·0,25]-[(-364,8·1)]=-1420,2 кДж/моль.

В 1 кг ВВ состава С3Н5(ONO2)3 содержится следующее количество моль вещества

n=, где МВВ=227 г/моль – мольная масса указанного ВВ; mВВ=103 г – масса данного ВВ (см. условие).

Тогда Q= -·n=1420,2 кДж/моль·4,41моль=6263,1 кДж.

Пример 3. Рассчитать стандартную энтальпию образования ацетиленида серебра DfH0298(Ag2C2) по реакции Ag2C2=2Ag+2C, если тепловой эффект данной реакции составляет Q=364,53 кДж/моль.

Решение. Обозначим стандартную энтальпию образования ацетиленида серебра через х (искомая величина). Расчет произведём при помощи таблицы:

Вещество Ag2C2 Ag C
DfН0298, кДж/моль х 0 0
Исходные вещества Конечные вещества (продукты)
n 1 2 2

Тогда можно составить уравнение:

DrH0298=anкон(DfH0298)кон-anисх(DfH0298)исх=(0·2+0·2)-(х·1)

По условию задано, что Q=364,53 кДж/моль, т.е. DrH0298=-Q=-364,53 кДж/моль и уравнение примет вид:

(0·2+0·2)-(х·1)=-364.53, откуда х=DfH0298(Ag2C2)=364,53 кДж/моль.

2.7 Кислородный баланс ВВ

С химической точки зрения взрыв – это необратимая химическая реакция превращения исходного ВВ в газообразные продукты. Направление реакции и состав конечных продуктов определяют основные параметры взрыва: теплоту, температуру, давление и др. Входящие в состав продуктов взрыва (ПВ) окислы азота и окись углерода, как известно, обладают высокой токсичностью. Они становятся особенно опасными в подземных выработках, когда их количество превышает допустимые пределы. Борьба с ядовитыми газами в горных выработках ведется в течение многих десятков лет, а в настоящее время в связи с расширением ассортимента применяемых ВВ и развитием горных работ становится весьма важной и актуальной. Неизбежные ограничения, например, по условиям вентиляции в подземных выработках обязывают вводить определенные нормы для ВВ в отношении количества образуемых при взрыве ядовитых газов.

Идеальными компонентами взрывчатого превращения являются наиболее термодинамически устойчивые соединения. Однако в случаях промышленного использования ВВ наблюдаются отклонения от идеального состава ПВ по нескольким причинам. Например, на состав ПВ с отрицательным кислородным балансом сильное влияние оказывает плотность заряда ВВ, скорость закалки ПВ (скорость теплообмена с окружающей средой), условия разлета ПВ, т.е. время протекания реакции в зоне химического пика и особенности характера взаимодействия между компонентами ПВ, а также химический состав и концентрация добавок. Кроме этого, свойства горных пород при ведении взрывных работ оказывают весьма заметное влияние на образование, состав и концентрацию ядовитых газов. Причиной отклонения от идеального состава ПВ является каталитическое действие горных пород – при взрыве одного ВВ в различных горных породах, были обнаружены значительные отклонения количественного состава ядовитых газов. Другими словами, горные породы вступают в химическое взаимодействие с ПВ, оказывая каталитическое действие на сценарии вторичных реакций в самих ПВ.

Эксперименты исследования современного периода свидетельствуют о том, что влияние породы, окружающей заряд ВВ, значительно сильнее, чем влияние состава ВВ на количество ядовитых газов в ПВ. Колебания суммарного количества ядовитых газов при взрыве различных ВВ в одной горной породе достигали 200%, а при взрыве одного ВВ в различных породах – до 1000%.

При взрывании зарядов ВВ в горном массиве возникают радиальные и тангенциальные трещины, механизм образования которых подробно описан в литературе. ПВ под действием высокого давления проникают не только в свежеобразованные трещины, но и в трещины естественного происхождения, вызывая их развитие. Процесс разрушения, при котором происходит образование трещин, сопровождается разделением разноименных электрических зарядов на свежеобразованных поверхностях, при этом, в области разрыва возникают электрические поля высокой напряженности, что приводит к резко неравновесному состоянию поверхности, высокой поверхностной проводимости и химической активности. На стойкость молекул и ход химических реакций в целом оказывает решающее влияние плотность поверхностных зарядов. Под действием давления газов вероятность соударения молекул ПВ с поверхностными зарядами трещины резко возрастает, т. е. существует большая вероятность их сближения на расстояния, сравнимые с межъядерными расстояниями в молекуле. В результате этого возможна диссоциация исходных молекул и образование новых, в том числе и таких токсичных, как окислы азота, углерода и др.

Для оценки энергетических параметров ВВ необходимо находить соотношение между горючими компонентами и окислителем в молекуле. Это соотношение характеризуется величиной кислородного баланса – КБ, выраженного в процентах.

Кислородным балансом называется выраженное в процентах отношение массы свободного кислорода, остающегося после окисления всего углерода, содержащегося в ВВ, в углекислый газ СО2, всего водорода в H2O, всех металлов в высшие оксиды к массе взятого ВВ. Азот при этом должен оставаться свободным в виде N2.

Таким образом, из определения следует, что КБ может быть положительным, отрицательным и нулевым.

Положительный КБ - наличие кислорода в составе ВВ превышает количество, необходимое для окисления горючих элементов (при взрывчатом превращении ВВ образуются ядовитые окислы азота, вследствие чего такие ВВ не допускаются для взрывных работ над землей). Вещества с положительным КБ (селитра, нитроглицерин), т.е. окислители, для увеличения мощности ВВ необходимо смешивать с соединениями, имеющими отрицательный кислородный баланс, или с горючими, в которых не содержится кислорода.

Нулевой КБ – в составе ВВ кислород содержится в количестве, необходимом для полного окисления всех горючих элементов.

Отрицательный КБ – наличие кислорода недостаточно для окисления всех горючих элементов и компонентов в продуктах взрывчатого превращения.

При отрицательном кислородном балансе в результате взрыва могут образоваться ядовитые газы (СО), сажа (С), а при положительном - ядовитые оксиды азота. Поэтому в промышленности стремятся использовать ВВ такого состава, чтобы их кислородный баланс приближался к нулю. Кислород ВВ в этом случае расходуется таким образом, что в первую очередь он идёт на окисление металлов, водорода, серы в диоксид, углерода первостепенно в оксид, далее в диоксид.

По составу ВВ делятся на индивидуальные химические вещества и механические смеси компонентов, которые вступают между собой в реакцию.

Кислородный баланс индивидуальных взрывчатых веществ можно вычислить по их химическим формулам. Если индивидуальное ВВ содержит атомы кислорода, водорода и азота и его химический состав описывается формулой CaHbNcOd , то его кислородный баланс вычисляется по формуле:

,

где 2a - число атомов кислорода в СО2 , b/2 - число атомов кислорода в H2O, а знаменатель - это масса моля ВВ, г/моль.

Для смесевых ВВ вычисление КБ производится, исходя из процентного содержания компонентов смеси и по ее условной химической формуле, или по величине кислородного баланса каждого компонента, приводимого в справочниках.

В том случае, если помимо атомов водорода, кислорода, углерода и азота в состав ВВ входит алюминий и его химический состав выражается условной формулой CaHbNcOdAll , кислородный баланс ВВ вычисляют по формуле:

,

в которой 3/2 l - число атомов кислорода в Al2O3.

Кислородный баланс смесевых ВВ на практике чаще вычисляют, относя к одному килограмму смеси. В этом случае расчетная формула имеет вид:

.

В инженерной практике применяют также следующие расчетные формулы при определении КБ. Так для индивидуальных ВВ можно использовать следующее выражение:

где АГ – грамм-атомный вес излишка или недостатка кислорода в составе ВВ; М – грамм-молекулярный вес данного ВВ; 16 – грамм-атомный вес кислорода; КГ– необходимое число атомов кислорода для полного окисления атомов углерода в СО2 и атомов водорода в воду; KB – число атомов кислорода в составе взрывчатого вещества; АГ=(КВ–КГ)·16.

KГ =2·Сn+0,5·Hm.

Нулевому КБ соответствует кислородный коэффициент aК, равный 1:

aК=d/(2a+0,5b)=1.

Относительно 1 кг смеси ВВ расчет КБ можно производить по формуле:

Если в смеси ВВ содержится алюминий, то уравнения для КБ и aК будут иметь следующий вид:

где е – количество грамм-атомов алюминия.

В таблице П-4 приложения приведены значения КБ некоторых ВВ и их компонентов.

2.7.1 Примеры определения КБ ВВ

Пример 1. Вычислить кислородный баланс нитроглицерина C3H5(ONO2)3.

Решение. В молекуле нитроглицерина число атомов: кислорода d = 9, углерода a = 3, азота c = 3 и водорода b = 5. Подставляя эти данные, получим:

= .

Нитроглицерин имеет слегка положительный кислородный баланс.

Пример 2. Вычислить кислородный баланс тринитротолуола (тротила) C7H5(NO2)3 .

Решение. В молекуле тринитротолуола число атомов: кислорода d = 6, углерода a = 7, азота c = 3 и водорода b = 5. Подставляя эти данные, получим:

= .

Как следует из этого расчета, тринитротолуол имеет резко отрицательный кислородный баланс.

Пример 3. Вычислить кислородный баланс нитрата аммония (аммиачной селитры) NH4NO3.

Решение. В молекуле NH4NO3 число атомов: кислорода d = 3, углерода a = 0, азота c = 2 и водорода b = 4. В итоге получим:

= .

Положительный КБ.

Пример 4. Вычислить кислородный баланс аммонала, смесевого ВВ, состоящего из аммиачной селитры (80% по массе), тротила C7H5(NO2)3 (15%) и алюминия (5%). Расчет выполнить, исходя из массы ВВ, равной 1 кг.

Решение. Первый способ – по условной химической формуле смеси.

В 1000 г ВВ заданного состава содержится 800 г NH4NO3 (масса одного моля М = 80), 150 г тротила (М = 227) и 50 г алюминия. Число молей этих компонентов в 1 кг их смеси заданного состава составляет: nNH4NO3 =, nC7H5(NO2)3 = , nAl = = 1,85 или в ней содержится 10NH4NO3 + 0,66 C7H5(NO2)3 + 1,85Al. Для вывода условной химической формулы, которая должна иметь общий вид CaHbNcOdAll , вычисляем число молей: атомов углерода a = 0,66?7 = 4,62; атомов водорода b = 10?4 + 0,66?5 = 43,3; атомов азота с = 10?2 + 0,66?3 = 21,98; атомов кислорода d = 10?3 + 0,66?6 = 33,96; атомов алюминия l = 1,85. Условная химическая формула ВВ, таким образом, имеет вид:

C4,62 H43,3N21,28O33,96Al1,85 ,

а кислородный баланс ВВ равен

= == + 0,47% .

Второй способ решения этой задачи – по величине кислородного баланса (приложение) и доле по массе (wi) каждого компонента смесевого ВВ. Формула для расчета кислородного баланса в этом случае имеет вид:

КБ = S(КБi ? wI)

Кислородный баланс NH4NO3 равен +20% (см. пример 3), для тротила КБ = – 74% (пример 2), для алюминия КБ = -=-88,9%. Для смеси заданного состава КБ = 0,8?20 + 0,15?(-74) + 0,05?(-88,9) = + 0,46%.

Пример 5. Какое количество тротила (КБ = -74%) следует добавить к 1 кг нитрата аммония (КБ = +20%), чтобы кислородный баланс этой смеси был равен нулю?

Решение. Обозначив искомую массу тротила за x, получим

КБ = S(КБi ? wI) = , откуда x = = 270,3 г.

2.8 Чувствительность ВВ к внешним воздействиям

Взрывчатые свойства ВВ определяют лишь потенциальную возможность их взрывчатого превращения. Для реализации этой возможности необходимо произвести на ВВ такое воздействие, которое было бы способно вызвать в нем взрывчатое превращение, т.е. воздействие, которое называют инициирующим импульсом. Способность ВВ реагировать на внешние воздействия путем химического превращения в форме детонации (взрыва) - это чувствительность ВВ к внешним воздействиям. Чувствительность ВВ является важнейшим параметром, определяющим не только принципиальную возможность практического применения ВВ, но и области применения.

Начальными импульсами могут быть различные виды воздействий. Любое внешнее воздействие по физической сути является энергетическим. ВВ об-

ладает избирательной чувствительностью к различным видам начальных импульсов. Так, одни ВВ более чувствительны к механическим воздействиям (трение, накол и т.п.), другие – к тепловым (открытый огонь, контактный нагрев), третьи – к энергии лазерного излучения, рентгеновского или инфракрасного. Чувствительность к внешним воздействиям классифицируют по видам начального импульса, рассматривая отдельно чувствительность к удару, лучу огня, ударной волне и др.

Основными видами начальных импульсов являются следующие формы энергии: тепловая, механическая, электрическая, энергия электромагнитного излучения, ударно-волновое воздействие, детонационный импульс, ультразвуковые волны и т.д.

Поскольку наиболее распространенным видом случайного воздействия является механическое (удар, трение, накол), то чувствительность ВВ к этому виду воздействия исследуется в первую очередь для оценки уровня их опасности, а также для оценки безотказности срабатывания ВВ. Основными экспериментальными методами оценки чувствительности ВВ к механическим воздействиям являются: определение чувствительности к трению ударного характера (метод Боудена–Козлова), к трению при истирании, к удару (копер Велера, копер К-44-1, копер К-44-II, роликовые приборы №1 и №2), метод критических напряжений (измеряются напряжения, развивающиеся в ВВ при ударе в момент возбуждения взрывного процесса).

В процессе производства, переработки, снаряжения и применения ВВ распространенным видом внешнего воздействия является тепловое – контактный нагрев, действие открытого огня. Взрывчатое вещество при нагревании термически разлагается с выделением тепла. Если скорость отвода тепла в системе будет меньше скорости поступления в нее тепла, то реакция может сопровождаться возникновением вспышки. Температура, при которой химическая реакция принимает характер взрывчатого превращения - это температура вспышки.

Одним из вариантов испытания ВВ на чувствительность к тепловому воздействию является метод ЛТИ, разработанный в Санкт-Петербургском технологическом университете. По этому методу температуру вспышки определяют при 5-ти секундной задержке воспламенения ВВ. Используются следующие навески ВВ: для ИВВ – 0,02 г, для БВВ – от 0,05 до 0,1 г.

Чувствительность ВВ к электрическому импульсу является важнейшей характеристикой, поскольку большинство взрывчатых веществ диэлектрики и обладают способностью к электризации. Главная опасность состоит в том, что накопленный статический заряд на стенках оборудования или ВВ может превысить электрическую прочность окружающей среды, а электрический разряд при этом может вызвать воспламенение или детонацию ВВ.

Искровой разряд может возникнуть от блуждающих токов, статической электризации и других причин. В момент пробоя в разрядном промежутке образуется тонкий токопроводящий канал холодной плазмы с плотностью тока 104–105 А/см2. За время 0,1–1,0 мкс воздух нагревается до температуры 10000К, что является причиной образования ударной волны. Если ВВ (в виде пыли или порошка) оказывается по каким-либо причинам в разрядном промежутке, то оно может воспламениться или детонировать.

В соответствие с правилами безопасности и охраны труда предусмотрены

следующие основные меры защиты от электризации:

- непрерывный отвод образующихся зарядов путем заземления оборудования;

- принятие мер для повышения объемной и поверхностной проводимости (увлажнение поверхности частиц, поддержание в помещении относительной влажности свыше 65%, введение антистатических добавок, электропроводящих добавок (металлов, графита и т.п.);

- обслуживающий персонал должен быть в электропроводной одежде и обуви (человек, изолированный от земли, может накопить на себе заряд до 15000 В);

- в наиболее опасных с точки зрения электризации узлах устанавливаются приборы, непрерывно фиксирующие фактический уровень электризации.

С целью создания надежных, безотказно действующих средств инициирования (капсюлей детонаторов – КД, электродетонаторов – ЭД) проводятся исследования чувствительности бризантных ВВ к детонационному импульсу.

Чувствительность БВВ к взрывному импульсу инициирующих ВВ определяется для обеспечения безотказного действия КД и ЭД и характеризуется величиной минимального инициирующего заряда ИВВ. В табл.1 приведены значения МИЗ штатных ИВВ.

Таблица 1

Минимальный инициирующий заряд штатных ИВВ для некоторых БВВ (вторичных инициирующих ВВ)

Бризантное взрывчатое

вещество

МИЗ инициирующих ВВ, г
азид свинца гремучая ртуть
Тротил 0,1 0,36
Тетрил 0,023 0,3
Гексоген 0,02 0,19
ТЭН 0,01 0,17

2.9 Относительная оценка полезной работы взрыва

2.9.1 Работоспособность ВВ

Для определения относительной работоспособности ВВ наиболее широко применяется метод свинцовой бомбы (проба Трауцля), принятый на Втором Международном конгрессе прикладной химии. Бомба Трауцля представляет собой свинцовый цилиндр диаметром и высотой 200 мм, в которой имеется цилиндрическое несквозное отверстие диаметром 25 мм и глубиной 125 мм, (см. рис.15). Бомбу отливают из рафинированного свинца при температуре 390–400°С. На дно отверстия помещают заряд ВВ весом 10 г в бумажной гильзе. На заряд ВВ устанавливают электродетонатор ЭД-8-Э, а свободную часть канала бомбы засыпают сухим кварцевым песком. Испытания проводят при температуре +10 °С. При изменении температуры производят соответствующие поправки: при 0 °С полученную величину расширения увеличивают на 5%, при +30 °С – уменьшают на 6%. В бомбе в районе размещения заряда при взрыве образуется полость (см. рис.15, в). Расширение канала бомбы происходит за счет действия давления продуктов взрыва электродетонатора и испытуемого ВВ. Мерой относительной работоспособности ВВ (в см3) является величина расширевшегося объема канала свинцовой бомбы за вычетом начального объема (61 см3) и расширения (30 см3) за счет взрыва электродетонатора.

Принципиальные недостатки этого способа состоят в следующем. По величине расширения канала нельзя количественно сравнивать ВВ, а можно лишь расположить их в некоторой последовательности, т.е. в некоторый относительный ряд, поскольку величина расширения объема связана с истинной работоспособностью ВВ нелинейной зависимостью.

А.Ф. Беляевым предложен метод эквивалентных зарядов, заключающийся в определении эквивалентной массы аммонита 6ЖВ, производящей такое же действие, как исследуемый заряд ВВ. Обязательным условием метода является использование зарядов равного объема. При соблюдении данного условия одинаковым расширениям должна соответствовать одинаковая работа.

Помимо метода свинцовой бомбы на практике получили широкое применение:

- метод баллистического маятника;

- метод баллистической мортиры;

- оценка работоспособности по воронке выброса.

С методикой проведения исследований и оценки работоспособности перечисленных способов можно познакомиться в специальной литературе.

Рис.15. Определение работоспособности в свинцовой бомбе:

1 – свинцовая бомба; 2 – канал; 3 – сухой кварцевый песок; 4 – электродетонатор; 5 – испытуемое ВВ; 6 – полость, образовавшаяся в бомбе при взрыве ВВ и ЭД.

2.9.2 Бризантность ВВ

Бризантность или дробящее действие взрыва определяют простым и широко распространенным методом, используя стандартную пробу на обжатие свинцовых столбиков или пробу Гесса, рис.16, которая используется в качестве контрольной приемочной пробы.

Мерой бризантности ВВ (Б) является величина обжатия или, другими словами, разность высот столбика до обжатия (60 мм) и после обжатия (НВ, мм): Б=60–НВ, мм.

Для промышленных ВВ величина обжатия столбика зависит от скорости детонации ВВ, которая возрастает с измельчением компонентов, увеличением гомогенности их смешивания.

Помимо пробы Гесса на практике используют методы испытаний бризантности ВВ с использованием баллистического маятника (экспериментальное значение импульса рассчитывается по измеренному отклонению маятника).

Бризантность промышленных ВВ исследуют путем дробления кубиков горной породы (после взрыва разрушенная горная порода подвергается ситовому анализу – определяют выход зерен размером 5– 7 мм).

Рис.16. Схема к определению бризантности по пробе Гесса (а):

1 – огнепроводный шнур; 2 – капсюль детонатор; 3 – заряд испытуемого ВВ (50 г); 4 – бумажная оболочка; 5 – стальная пластина; 6 – свинцовый столбик; 7 – металлическая плита; (б) – свинцовый столбик после обжатия.

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

Еще по теме 2. Основы теории взрывчатых веществ:

  1. § 4. Криминалистическое исследование взрывных устройств и взрывчатых веществ
  2. Тема 8. Криминалистическое исследованиеОРУЖИЯ, ВЗРЫВНЫХ УСТРОЙСТВ, ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И СЛЕДОВ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
  3. 12.5. Криминалистическое исследование взрывных устройств, взрывчатых веществ и следов их применения
  4. Глава 13. КРИМИНАЛИСТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОРУЖИЯ, ВЗРЫВНЫХ УСТРОЙСТВ, ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И СЛЕДОВ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
  5. Лекция 2. Криминалистическое исследование холодного оружия, взрывных устройств, взрывчатых веществ и следов их применения
  6. 3. Взрывные устройства, взрывчатые вещества и следы взрыва как объекты криминалистического исследования.
  7. Тема 1. Основы теории права
  8. Глава IIМетодологические основы теории доказательств
  9. Раздел п е ,р в ы й ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОСУДАРСТВА И ПРАВА
  10. § 1. Основы теории рефлекторной деятельности
  11. § 2. Основы теории законности. Правовой порядок
  12. Психотерапия, сфокусированная на проективной идентификации (интегративная модель на основе теории объектных отношений)
  13. 3. ТРЕБОВАНИЯ К ПСИХОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕОРИИ ЛИЧНОСТИ
  14. ТЕОРИИ «ГЕРОЕВ» И «ТЕОРИИ ЧЕРТ»
  15. § 1. Понятие теории государства и права.Предмет теории государства и права
  16. Тема 22. Основы методики расследованияПРЕСТУПЛЕНИЙ «ПО ГОРЯЧИМ СЛЕДАМ».Основы методики расследования преступлений,СОВЕРШЕННЫХ ОРГАНИЗОВАННЫМИ ПРЕСТУПНЫМИ ФОРМИРОВАНИЯМИ