Восприимчивость ВВ к инициированию

Общие положения о работе

 и балансе энергии при взрыве

 

Работа заряда ВВ может быть полезной, с целью которой производят взрыв, и бесполезной, представляющей собой потери энергии, а также оказывать вредное воздействие на законтурную среду в виде сейсмических и воздушных ударных волн. В зависимости от условий взрыва и его целей формы работы, КПД взрыва будут существенно меняться. Применительно к взрывным работам в скальных породах наибольшее значение имеет работа дробления и перемещения пород, в рыхлых ¾ простреливание (образование полостей) и выброс на определенную высоту и расстояние.

Энергия, затраченная при взрыве на разрушение, перемещение горной массы, образование сейсмических и воздушных волн, нагревание породы и воздуха, характеризует полную работу взрыва.

Работа взрыва совершается за счет теплоты, выделившейся при взрыве,

где Е — общая энергия взрыва, кДж;  ¾ удельная теплота взрыва, кДж/кг; Q¾ масса заряда, кг.

Работу, произведенную взрывом по разрушению и перемещению массива породы, называют полезной работой взрыва. Полезная работа взрыва А_п составляет часть полной энергии (теплоты) взрыва:

где  ¾ КПД взрыва.

Величина КПД взрыва по выделению энергии достигает 0,7—0,8, однако отдельные виды работы могут меняться. Так, если взрыв произведен на поверхности массива, то полная работа остается прежней, работа на разрушение среды и сейсмические волны в массиве уменьшится, а на образование воздушной волны увеличится.

Максимальная работа А_п, которую могут совершить газы взрыва (при расширении до атмосферного давления) при условии перехода всей внутренней энергии газов в механическую работу, называют идеальной работой взрыва.

Приняв приближенно, что при определенном взрыве КПД действия различных ВВ примерно одинаковы, можно сравнить их эффективность по теплотам взрыва этих ВВ.

Поэтому можно полагать

Рассматривая расширение газов взрыва по адиабатическому закону до атмосферного давления  Па, можно А_п определить по формуле

где  ¾ начальное давление газов взрыва, Па; k ¾ показатель адиабаты, k =  (  и  ¾ теплоемкости газов при постоянном давлении и объеме,

Величина Е_п, (кДж) представляет собой потерянное тепло, которое даже при идеальном ходе процесса остается в продуктах взрыва при расширении их до атмосферного давления. Если взрыв происходит в сплошной среде с сопротивлением сжатию р_р, то

т.е. полная работа уменьшится, а потерянное тепло увеличится.

На рис. 5.1 приведена схема баланса энергии при взрыве. В качестве исходной взята потенциальная химическая энергия ВВ. Из-за возможности разброса непрореагировавшего ВВ, недостаточной полноты взрывчатого превращения фактическая теплота взрыва меньше на величину химических потерь. Фактическая теплота взрыва не может быть превращена в работу даже при идеальном ходе процесса разрушения, т.к. происходит нагревание разрушаемой среды продуктами взрыва. Разность между фактической теплотой и полной называют тепловыми потерями. Общая величина полной работы взрыва находится в этих пределах, но она может расходоваться на те или иные формы общего и бризантного или местного действия взрыва.

 

Рис. 5.1. Схема баланса энергии при взрыве (по А.Ф. Беляеву)

Большая часть полной работы проявляется в виде общего (фугасного) действия.

Существующие методы испытаний ВВ позволяют оценить только часть энергии, идущую на ту или иную работу деформирования или разрушения, причем данные, как правило, получают в относительных величинах, позволяющих только качественно сравнивать различные ВВ.

 

 

5.2. Методы испытаний

промышленных ВВ

 

Промышленные ВВ подвергают следующим испытаниям:

¨ для оценки взрывчатых свойств, характеризующих производственную эффективность, производят экспериментальное определение скорости детонации, бризантности, работоспособности. Кроме этого, экспериментальным или расчетным путем для новых сортов ВВ определяют теплоту и работу продуктов взрыва, объем, температуру и давление газов взрыва;

¨ для проверки качества ВВ, их соответствия пригодности к применению производят определение полноты детонации, способности к передаче детонации от патрона к патрону, влажности ВВ, химической и физической стойкости;

¨ для ВВ, содержащих нитроэфиры в количестве >30 %, производят определение их экссудации;

¨ для оценки чувствительности и опасности ВВ в обращении определяют чувствительность к тепловому импульсу, к удару и трению, к инициированию, склонность к пылению, электризации. Для эмульсионных ВВ разработаны международные специальные методы испытаний;

¨ для характеристики технологичности применения ВВ проводят оценку сыпучести, дисперсности, увлажняемости, водоустойчивости, расслаиваемости, слеживаемости, химической стойкости.

5.3. Методы оценки взрывчатых свойств ВВ

 

Определение скорости детонации ВВ наиболее просто производят с помощью двух отрезков ДШ, скорость детонации которых известна (метод Дотриша). На боковой поверхности по оси заряда, заключенного в металлическую трубку с внутренним диаметром 30 или 40 мм, толщиной стенок 3-4 мм и длиной 450 мм с завинчивающимися с обеих сторон крышками делают два отверстия на расстоянии а, равном 350 (200) мм. В эти отверстия вставляют концы отрезков ДШ длиной 1,5 и 1 м. Расстояние от отверстия до капсюля-детонатора 60 мм. Свободные концы ДШ крепят на пластинке-фиксаторе со стальной прокладкой так, чтобы риски на пластинке точно совпадали с концами ДШ (рис. 5.2). Испытываемый заряд инициируют промежуточным детонатором в виде прессованной шашки огневым или электроогневым способом.

 

Рис. 5.2. Определение скорости детонации по Дотришу:

1 ¾ заряд ВВ; 2 ¾ торцевые крышки (колпачки); 3 ¾ детонатор; 4 ¾ промежуточный заряд-детонатор; 5 — оболочка заряда; 6, 7 ¾ отрезки ДШ; 8 ¾ защитная труба металлическая; 9 ¾ опорная пластинка; 10 ¾ пластинка-фиксатор; А ¾ точка встречи детонационных волн; Б, К ¾ концы отрезков ДШ

При взрыве детонация распространяется по заряду и по обеим ветвям ДШ длиной L₁ и L₂. В месте встречи детонационных волн на пластинке образуется углубление (точка А на рис. 5.2). Расчет скорости детонации производят, исходя из равенства времени распространения детонационных волн по обеим ветвям шнура до места встречи, т.е.

Приняв

 и ,

получим

откуда

где  и  ¾ скорости детонации испытываемого ВВ и ДШ, м/с.

В зависимости от цели испытаний заряд ВВ может быть в порошкообразном, гранулированном или прессованном виде. Точность определения скорости детонации по этому методу находится в пределах .

Точные методы определения скорости детонации основаны на определении с помощью электронного осциллографа или частотомера времени прохождения детонационной волной фиксированного расстояния по заряду или на дешифровке кадров скоростной киносъемки свечения детонирующего заряда. Эти методы применяются только при выполнении исследовательских работ.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ БРИЗАНТНОСТИ ВВ. По характеру действия взрыва ВВ на массив принято различать бризантное (дробящее) и фугасное (общее) действие.

К бризантным формам работы взрыва относится измельчение породы на контакте и в непосредственной близости от заряда. Эта работа пропорциональна плотности ВВ и квадрату скорости детонации.

Для оценки бризантного действия ВВ применяют пробу на бризантность на свинцовых цилиндрах (метод Гесса) или пробу на дробящее действие взрыва на породных образцах. По методу Гесса из рафинированного свинца отливают и торцуют столбики диаметром 40 и высотой 60 мм, на которые устанавливают стальную прокладку толщиной 10 мм и заряд испытуемого ВВ массой 50 г. Бризантность характеризуют величиной осадки столбика после взрыва в миллиметрах, которое измеряется в четырех взаимно перпендикулярных направлениях. Для мощных ВВ (гексоген, ТЭН) применяют заряд в 25 г. Заряды гранулированных ВВ помещают в стальные кольца. Полученные результаты несопоставимы между собой и служат только как контрольные для каждого типа ВВ.

Эти пробы необходимы для лабораторной сравнительной оценки ВВ.

К фугасным формам работы взрыва относят разрушение породы на большом расстоянии от заряда (за пределами бризантного действия) и движение породы при взрыве.

Это действие взрыва проявляется в объеме, в десятки и сотни раз превышающем объем заряда. Величина фугасной формы работы взрыва пропорциональна общей энергии ВВ или его работоспособности.

Для оценки фугасной работы взрыва определяют работоспособность в свинцовой бомбе (метод Трауцля), приведенной на рис. 5.3, на баллистической мортире или маятнике (рис. 5.4), на породных образцах, по воронке выброса. Результаты сравнительных испытаний ВВ на баллистической мортире используют в США и в других странах для определения переводных коэффициентов при расчете удельных расходов различных ВВ. Для этого на мортире подбирают величину заряда  применяемого ВВ, который дает такое же отклонение мортиры, как заряд  стандартного ВВ. Поправочный коэффициент на расход ВВ: .

Свинцовая бомба представляет собой цилиндр высотой
200 мм и диаметром 200 мм, изготавливаемый из рафинированного свинца, имеет отверстие диаметром 25 мм и глубиной
125 мм для помещения заряда ВВ массой 10 г с электродетонатором (рис. 5.3, а).

 

Рис. 5.3. Определение работоспособности ВВ в свинцовой бомбе:

а ¾ до взрыва; б ¾ после взрыва; 1 ¾ свинцовый цилиндр; 2 ¾ заряд ВВ; 3 ¾ детонатор;
4 ¾ забойка;

 

6

Рис. 5.4. Определение работоспособности:

а¾ в баллистической мортире; 1 ¾ мортира; 2 ¾ снаряд; 3¾ вкладыш; 4¾ подвеска;
5¾ опора; 6 ¾ заряд ВВ; б¾ с помощью баллистического маятника; 1¾ маятник; 2¾ подвеска; 3¾ мортира; 4 ¾ заряд

Забойка песчаная. После взрыва (рис. 5.3, б) в бомбе образуется раздутие, его величина за вычетом объема отверстия (61¾62 см³) и расширения, производимого электродетонатором (~ 30 см³), и является мерой относительной работоспособности ВВ.

Л.И. Бароном взамен испытаний в свинцовой бомбе предложено испытание ВВ производить в кубических блоках из горной породы или песчано-цементного раствора с размером ребра 200 мм с размещением в центре блока в шпуре заряда 10 г. Дробящее действие ВВ характеризуют выходом мелких кусков (фракции до 7 мм) на 1 кг его массы.

Баллистическая мортира представляет собой (см. рис. 5.4, а) массивный цилиндр, подвешенный на тягах в виде маятника. В корпусе имеются взрывная камера, в которой подрывается заряд (обычно величиной 10 г), и расширительная камера, в которой помещается массивный поршень-снаряд. При взрыве поршень-снаряд выбрасывается из мортиры, а сама мортира отклоняется на некоторый угол, фиксируемый специальным устройством.

По углу отклонения мортиры оценивают эффективность ВВ. За стандарт принимают отклонение мортиры зарядом тротила массой 10 г. Для сравнительной оценки другого ВВ определяют заряд, вызывающий такое же отклонение мортиры.

При определении работоспособности на баллистическом маятнике, имеющем большую массу (несколько тонн), вплотную по рельсам подкатывается мортира (рис. 5.4, б) с зарядом 200 г. После взрыва фиксируют угол отклонения маятника и сравнивают с результатами, полученными при испытаниях другого ВВ.

Главный недостаток всех испытаний на работоспособность — в малых величинах и диаметрах зарядов, не достигших критических. Поэтому эти испытания носят только качественный относительный характер и должны быть обязательно дополнены полигонными и промышленными испытаниями зарядов при диаметрах более критических, таких, как применяют на производстве.

В настоящее время все шире на подземных и открытых работах применяют существенно менее чувствительные гранулированные и водосодержащие ВВ, однако стандартных (гостиро-ванных) методов оценки их характеристик (оценок) до сих пор не разработано. Созданием указанных методик, некоторые из которых уже опубликованы, занимается Институт химфизики РАН (г. Черноголовка), однако следует указать, что разработка новых рецептур ВВ (гранулированные, водосодержащие, льющиеся, эмульсионные, смеси эмульсий и гранул) опережает разработки гостированных методов их испытаний. Поэтому в учебнике они не приведены, а сведения о них можно получить в специальной литературе.

 

 

5.4. Расчетно-экспериментальные

характеристики ВВ

 

Рассмотренные выше характеристики дают относительную качественную оценку ВВ, не выраженную в размерностях энергии, объема, температуры, давления. Это затрудняет использование приведенных характеристик при количественной оценке эффективности ВВ. Поэтому в дополнение к вышеприведенным применяют характеристики теплоты и работы газов взрыва, температуры, объема и давления газов взрыва, определяемые расчетным или экспериментальным методом. Эти величины характеризуют параметры идеализированного процесса взрыва и не учитывают коэффициента полезного использования энергии. Тем не менее они дают объективную энергетическую характеристику взрыва и могут быть использованы на практике.

Определение теплоты взрыва является одной из основных оценок эффективности ВВ при разрушении пород. Зная затраты энергии на разрушение единицы объема породы и энергию, выделяемую при взрыве единицы массы ВВ, можно оценить эффективность действия данного ВВ.

Объемная концентрация энергии ВВ, характеризующая количество энергии в единице объема ВВ и определяемая произведением удельной энергии ВВ на его плотность, дает более объективную энергетическую оценку ВВ, плотность которых существенно отличается от единицы.

Теплота взрыва определяется теоретически или экспериментально.

В качестве стандартных условий принимают температуру (по Цельсию) 0°, 15° (иногда 25°) и давление в 9,8×10⁴ Па.

Теплота взрыва вычисляется на основе закона Гесса, согласно которому тепловой эффект химического превращения системы зависит только от начального и конечного ее состояния и не зависит от промежуточных состояний, т.е. индексы 1, 2, 3 означают соответственно начальное, промежуточное и конечное состояния системы:

.

Расчет теплоты взрыва (кДж/кг) может быть выполнен, если известны теплоты образования ВВ Q₁, продуктов взрыва Q₃ из элементов и уравнение взрыва:

Для расчетов термохимических параметров взрыва составлены таблицы теплоты образования веществ при постоянном объеме (см. табл. 4.1).

Для определения теплоты взрыва 1 кг ВВ (кДж) без учета расширения газов пользуются формулой

или с учетом расхода тепла Q_p на расширение продуктов взрыва:

где М ¾ молекулярная масса ВВ.

Экспериментальное определение теплоты взрыва производят в специальной калориметрической бомбе.

Объем газов при взрыве определяют по реакции взрывчатого разложения ВВ на основе закона Авогадро, согласно которому объем, занимаемый грамм-молекулой различных газов при температуре 0 °С и давлении 10⁵ Па, равен 22, 42 л.

Для определения объема газов v_г, образуемых при взрыве
1 кг ВВ (л/кг), пользуются формулой

где  ¾ количество грамм-молекул газообразных продуктов взрыва;  ¾ количество грамм-молекул составных частей ВВ;  ¾ молекулярная масса составных частей ВВ.

Объем газов, образуемых какой-либо смесью компонентов, определяют как сумму объемов газов, образуемых отдельными компонентами смеси.

Для опытного определения объема продуктов взрыва взрывают некоторое количество ВВ (обычно до 100 г) в калориметрической бомбе. Объем охлажденных до комнатной температуры газообразных продуктов измеряется при помощи газомера.

Давление газов в зарядной камере (Па) при взрыве может быть определено, исходя из объединенных законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака с поправкой Ван-дер-Ваальса:

где  ¾ атмосферное давление газов при температуре 0 °С;
 ¾ объем газов взрыва ВВ при 0 °С; Т ¾ температура взрыва, считая от абсолютного нуля, К; v ¾ объем зарядной камеры, м³; a ¾ собственный объем молекул (коволюм) продуктов взрыва (для практических расчетов a = 0,001 v₀).

Подставив в формулу определения давления величину  где  ¾ плотность заряда ВВ,

получим

Несмотря на введение поправочного коэффициента a, эта формула не дает точных результатов при плотности заряда  г/см³.

 

 

5.5. Оценка чувствительности ВВ

 

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ВВ ¾ степень восприимчивости к определенному внешнему импульсу, вызывающему детонацию заряда. Она зависит от свойств ВВ, его состояния (порош-кообразное, гранулированное, литое и т.д.), температуры, влажности, степени ограничения заряда и т.д.

Для оценки чувствительности ВВ проводят испытания: на удар, трение, нагревание (в том числе действие открытого пламени), воздействие ударной воздушной волны, передачу детонации на расстояние, на воздействие детонатора.

Чувствительность к инициированию принято оценивать минимальным зарядом, который необходим для возбуждения детонации (табл. 5.1).

Чувствительность ВВ к удару определяют на специальных копрах. При испытаниях на навеску ВВ, заключенную между двумя металлическими поверхностями, сбрасывают груз определенной массы.

 

Таблица 5.1

Восприимчивость ВВ к инициированию

ВВ	Минимальный инициирующий заряд, г
	Гремучая ртуть	Азид свинца
Тротил (порошкообразный)	0,36	0,09
Аммонит 6ЖВ	0,3	—
Тетрил	0,29	0,025

При испытании инициирующих ВВ используют рычажный копер с грузом массой 0,5—1,8 кг. Для бризантных ВВ применяют вертикальные копры с грузами 5—20 кг и высотой их падения до 3 м. Навеска ВВ принимается 3 г.

В качестве критерия чувствительности принимают процент взрывов из 25, 50 или 100 испытаний при сбрасывании груза
10 кг с высоты 0,25 м.

Этими испытаниями установлено, что наиболее чувствительными к удару являются ВВ, содержащие гексоген, жидкие нитроэфиры (30—80 % взрывов); обычные, предохранительные аммониты, аммоналы дают 10—30 % взрывов, гранулиты (измельченные) 0¾12 %. Наименьшую чувствительность имеют игданит (0¾4 %) и водосодержащие ВВ, которые при этих испытаниях не дают ни одного взрыва.

Иногда определяют максимальную высоту сбрасывания ударника массой 2 кг, при которой не происходит ни одного взрыва, и минимальную высоту, при которой взрыв навески происходит при каждом сбрасывании (табл. 5.2).

Испытания на чувствительность к трению производят на маятнике трения или растиранием навески в фарфоровой ступке. Испытание на трение (скользящий удар) производят путем сдвига навески ВВ боковым ударом ролика, прижатого с определенной силой к поверхности ВВ.

Чувствительность к удару и трению имеет большое значение при создании машин для механизированного заряжания ВВ.

 

Таблица 5.2

---

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 250; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!