Использование взрывчатых веществ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА - ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

1.1 Анализ опасности взрывчатых веществ

1.2 Область применения взрывчатых веществ

2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

2.1 Основные типы взрывчатых веществ и их классификация

2.2 Средства воспламенения и инициирования

2.3 Смесевые взрывчатые вещества

2.4 Физико-химические основы взрывных превращений

2.5 Горение взрывчатых веществ

2.6 Возбуждение взрывных превращений и начальный импульс

3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

3.1 Энергетические характеристики

3.2 Стойкость взрывчатых веществ

3.3 Разрушающие факторы взрывчатых веществ

4. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

4.1 Чувствительность к тепловому импульсу

4.2 Чувствительность к механическим воздействиям

4.3 Критерии оценки взрывоопасности при вибрации

4.4 Чувствительность ВВ к разрядам статического электричества

4.5 Чувствительность ВВ к совместному воздействию

5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

5.1 Оценка разрушающей способности взрывов и безопасности человека от ударной волны

5.2 Токсичность взрывчатых веществ и продуктов взрыва

5.3 Оценка безопасности при механических воздействиях

5.4 Оценка электростатической безопасности при эксплуатации ВВ

5.5 Безопасность взрывных работ при наличии блуждающих токов

Литература



ВВЕДЕНИЕ

Взрывчатые вещества (ВВ) как высококонцентрированный и экономичный источник энергии кроме оборонной отрасли широко применяют в различных отраслях народного хозяйства. Около 90 % всего объёма руд цветных и черных металлов в нашей стране добывают взрывным способом. Более 80 % всех промышленных ВВ используется в горнорудной промышленности. Массовые взрывы широко используются в строительстве, при сооружении плотин и насыпей, прокладке магистралей, водных каналов, нефтегазопроводов. Продолжается поиск и исследование дальнейших путей использования и управления энергией взрыва. В настоящее время применяется взрывной способ производства некоторых особенно ценных минералов и искусственных материалов, ускоряются отдельные химические процессы с использованием сверхвысоких давлений взрыва, проводятся работы по искусственному дождеванию, внедряются методы взрывного бурения.

Наряду с интенсификацией производственных процессов с использованием высокоэффективных ВВ и разработкой современных ВВ с более чувствительными компонентами выдвигаются повышенные требования безопасности работ на всех этапах соприкосновения человека с взрывчатыми материалами. Проблема безопасности была и остается актуальной на стадиях проектирования, подготовки, испытания, изготовления и применения ВВ.

Безопасность различных видов взрывных работ в значительной степени зависит от теоретических знаний и накопленного опыта при создании безопасных технологий. При контактировании человека с взрывчатыми материалами большую роль играет психологический фактор, когда понимание механизма процессов взрывного превращения позволяет более уверенно и качественно выполнять требования инструкций, правил и других нормативных документов.

К сожалению, как показывает практика, аварии и взрывы с человеческими жертвами часто происходят по причине несовершенства отдельных технических средств, ошибочных действий производственного персонала и руководителей предприятий, а также нарушений требований технологической документации вследствие безответственного отношения к работе и недостатка знаний в области безопасности технологических процессов.

Следовательно, необходимо постоянно обновлять знания в области безопасности технологических процессов всем работникам предприятий, проектных организаций и органов надзора.

В предлагаемом читателю пособии изложены материалы по основам эксплуатационной безопасности при использовании конденсированных ВВ. Под конденсированными взрывчатыми веществами понимаются порошкообразные, твердомонолитные, гранулированные, чешуированные, пластичные, эластичные, пастообразные, желеобразные и жидкие взрывчатые вещества. Обобщены научные и практические достижения в этой области на основе исследований различных ученых, приведены конкретные примеры.

В первом разделе дан краткий анализ опасности ВВ, которые при определенных обстоятельствах приводят к аварийной ситуации или катастрофам.

Во втором и третьем разделах изложены основные положения теории и термодинамики ВВ. Материал представлен в объёме, необходимом для понимания процессов возникновения и развития взрывных превращений. При этом использованы труды зарубежных и российских ученых.

В четвертом разделе описаны основные критерии безопасности ВВ, характеризующие минимальные воздействия на вещество, при которых начинаются взрывные превращения. Описаны методы и установки для их определения, приводятся экспериментальные результаты.

В пятом разделе дана оценка обеспечения безопасности при эксплуатации и испытании промышленных ВВ. Описаны критерии разрушающей способности взрыва и токсичности продуктов после взрыва. Приведена оценка электростатической безопасности и безопасности взрывных работ при наличии блуждающих токов.

В учебном пособии отражается круг вопросов по эксплуатационной безопасности ВВ, который является дополнительным материалом при изучении раздела «Взрывная безопасность» курса «Безопасность жизнедеятельности», рекомендуется студентам вузов, обучающимся по направлениям «Химические технологии энергонасыщенных материалов и изделий» и «Горное дело», а также будет полезным для специалистов предприятий и организаций, занимающихся эксплуатацией взрывчатых веществ.

Авторы не претендуют на всю полноту рассматриваемого вопроса, поэтому с благодарностью примут все пожелания и замечания по данному учебному пособию.



1. ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА - ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

1.1 Анализ опасности взрывчатых веществ

В нашей стране многие годы было принято, что тема трагических событий и катастроф в сфере материального производства всегда оставалась закрытой для широкой общественности. Информация о крупномасштабных взрывах и пожарах, валовых выбросах токсичных продуктов была весьма приблизительной, а о гибели людей и других тяжелых последствиях знали лишь должностные лица, не заинтересованные, как правило, в широкой огласке. Является неполной и информация о катастрофах прошлого века за рубежом в Фликсборо, Сан-Хуан-Иксуатепеке, в Бхопале и многих других местах, где погибли тысячи работающих и часть населения, проживающего вблизи промышленных объектов.

Потребовались трагические события на Чернобыльской АЭС, магистральном трубопроводе сжиженного нефтяного газа под Уфой, в хранилище жидкого аммиака в Ионаве (Литва), на нефтеперера-батывающей установке Ярославля, чтобы общество начало осознавать необходимость переоценки уровня существующей технической безо-пасности применяемых технологий, оборудования, систем управления и защиты от промышленных аварий и катастроф.

Наибольшую опасность при авариях представляют взрывчатые вещества. Для убедительности можно привести ряд исторических примеров значительного воздействия взрывчатых веществ, происшедших вследствие сознательных действий человека или аварийных ситуаций [1]. Один из самых колоссальных взрывов произошел 10 октября 1885 г. у входа в Нью-Йоркскую гавань. Под действием трех раздельных ударов, напоминающих толчки при землетрясении, в обширной зоне вокруг места взрыва произошло сотрясение почвы; на площади 400ґ250 м на высоту 60 м поднялся столб морской воды, выбрасывавший в воздух пену, ярко окрашенную газообразными продуктами взрыва. Этот гигантский гейзер возник в результате взрыва огромной подводной скалы, так называемый Флуд Рок (рифа Hell Gate - Адских ворот); большая часть этой скалы располагалась ниже уровня воды. Эта скала представляла собой гнейсовую массу, пронизанную кварцевыми жилами.

Сначала в скале были проложены две шахты глубиною 20 м, которые выходили на поверхность воды, а затем вся скалистая масса была пройдена сетью штолен общей длиной 6600 м и шириною 3,5 м, при этом было вынуто около 60000 м³ породы (рисунок 1.1). Самая большая галерея была длиною 360 м; толщина сводов, подлежавших взрыву, колебалась от 3 до 6 м. Как в сводах, так и в стенках штолен было заложено в общей сложности 13280 буровых скважин глубиною 2,7 м и диаметром 12 см, заряженных патронами рекарока, герметично запаянными в медные гильзы, в которые предварительно вкладывался патрон динамита с электрозапалом, соединенным с общей сетью воспламенения. Количество израсходованных взрывчатых веществ составило 109000 кг рекарока и 19050 кг гурдинамита. Воспламенение было произведено после частичного затопления штолен водою. Хотя все заряды взорвались одновременно, получились три отдельных сотрясения соответственно трем различным средам (вода, воздух и земля), в которых удар взрыва распространяется с разной скоростью. Взорванная площадь скалы составляла 180000 м² , а расходы исчислялись цифрою 5ј млн. франков.

Рисунок 1.1 - Подготовка к взрыванию рифа Флуд-Рок в Нью-Йоркской гавани

Более красноречивым доказательством передачи взрыва на расстояние была ужасная катастрофа в гавани Галифакс. Утром 7 декабря 1917 года около 9 часов французский транспорт «Монблан» с грузом боевых припасов столкнулся при входе в бухту с направляющимся навстречу ему бельгийским продовольственным транспортом «Има». «Монблан», имевший водоизмещение 3121 тонн и шедший с полным грузом, получил удар в носовую часть; запасы бензина, расположенные в переднем трюме, разлились по судну и воспламенились. В то время как команда всеми средствами пыталась побороть огонь, транспорт приблизился к набережной. Между тем горящий бензин попал в топки. Команда потеряла надежду справиться с бедствием и, будучи уверена в том, что всякая дальнейшая борьба бесполезна, оставила горящее судно. Через 17 минут после столкновения последовал взрыв, напоминающий извержение вулкана; часть города Ричмонд (штат Виржиния на юго-востоке США), расположенная амфитеатром на берегу моря, была сровнена с землей; взрывом было на месте убито 5000 и ранено 10000 человек. Убытки исчислялись сотнями млн. франков.

Действие взрыва на расстоянии было исключительное. В 7 км от бухты телеграфист был убит ударом о стену. В 10 км севернее города была разрушена колония индейцев, и многие из них были погребены под развалинами. Даже на расстоянии 100 км были выбиты оконные стекла.

21 сентября 1921 г. в Оппау подрывы, производившиеся в складе искусственного удобрения (смесь нитрата и сульфата аммония), вызвали величайший взрыв, подобный извержению вулкана. На том месте, где хранилось 4500 тонн соли, зиял кратер длиною 165 м, шириною

96 м и глубиною 18,5 м. При этом было убито 509 человек и 1917 жителей окружающей местности пострадали.

Возникшие взрывные волны достигли самых высоких слоев воздуха, и оттуда, как бы с неба, распространились на далекие расстояния. В 360 км от места взрыва, в горной долине Энгодина, исполинский взрыв был воспринят как звуковая волна.

6 июня 1989 г. газета «Правда» сообщила о трагедии вблизи железнодорожной станции г. Арзамаса. Утром 4 июня взлетели на воздух три крытых вагона с промышленными ВВ, предназначенными для геологов, горняков, строителей. Общая масса ВВ составляла 120 тонн.

В результате взрыва были разрушены большой жилой массив, станционные постройки; погибло большое число людей. Очевидцы наблюдали, что вначале возник высокий столб пламени, затем прошел гул, и в небо начал подниматься серый «гриб». Из первых сообщений стало известно, что погибли 68 человек, полностью разрушено 150 жилых домов. О силе взрыва можно судить также из сообщений очевидцев, наблюдавших, как за километр от места взрыва летели куски рельсов, в кирпичном здании на расстоянии 0,5 км от железной дороги наблюдались пробоины в полуразрушенных стенах. На железнодорожном пути на месте взрыва образовалась воронка «вполовину футбольного поля» и глубиной около 30 м. За взрывом последовал пожар от воспламенения природного газа, выходящего из разрушенного магистрального подземного трубопровода, который пересекал железнодорожный путь. В сообщениях газет упоминалось о материальном ущербе, исчисляемом в 400 млн. руб.

Данные примеры показывают колоссальную мощность источников энергии ВВ, которые могут кроме полезного действия принести сокрушительные разрушения с негативными последствиями.

В химической индустрии мира в среднем каждые 2 месяца происходит одна катастрофа. За период с начала 1984 г. до конца первого полугодия 1985 г. зарегистрировано 90 крупных аварий, при которых погибло около 5 тысяч человек. Более половины промышленных катастроф в период 1900-1990 гг. приходится на 1970-1990 гг., причем треть из них - на 80-е годы; одновременно возрос их разрушительный эффект.

На химико-технологических объектах нашей страны за 1980-2000 гг. произошло примерно 180 крупных промышленных взрывов с тяжелыми последствиями. Отмечается неуклонное увеличение их числа за последние годы [2]. При этом локальные взрывы и пожары, ежегодное число которых исчисляется тысячами, при неблагоприятном стечении обстоятельств могут вызвать цепное развитие аварий до катастрофических масштабов.

1.2 Область применения взрывчатых веществ

На протяжении многих веков ВВ состоят на службе у человека.

И сегодня существуют области человеческой деятельности, где без взрывчатых веществ обойтись невозможно. Это использование их в военном деле и в промышленных целях.

Взрывчатыми веществами снаряжаются боеприпасы различных типов: ракеты, снаряды, мины, торпеды, авиационные бомбы и др. ВВ являются основным средством, обеспечивающим поражение живой силы, боевой техники и разрушение объектов различного назначения.

Для доставки боеприпасов до цели широко используются метательные ВВ - пороха. Пороховой заряд сообщает боеприпасу скорость, необходимую для его переброски на дальние расстояния или поражения быстродвижущихся целей.

Появление новых видов современного оружия не только не снизило значения ВВ и порохов, а, наоборот, расширило область их применения. Они используются в противотанковых и зенитных управляемых ракетах, ракетах оперативно-тактического назначения, авиационных и глубинных бомбах. Для осуществления взлета современных истребителей применяются пороховые стартовые ускорители.

Даже в ядерном и термоядерном оружии не обходятся без взрывчатых веществ. Чтобы произошел ядерный взрыв, необходимо быстрое соединение нескольких частей ядерного заряда (делящегося вещества), масса которых в отдельности меньше, а в сумме больше критической. Быстрое соединение субкритических масс ядерного заряда достигается взрывом обычного ВВ.

ВВ находят применение и в народном хозяйстве [3]. С помощью ВВ выполняются разнообразные работы. Энергия взрыва принята на вооружение человека как одно из многих средств ускорения и значительного снижения трудоемкости горных и земляных работ. С помощью взрыва почти мгновенно можно получить необходимую глубину для прокладки дороги в горах или котлован для устройства сооружения. ВВ с успехом используются при строительстве плотин, каналов, для углубления и расширения рек и водоемов. При добыче полезных ископаемых взрыв очень часто является единственным средством.

Подземный взрыв может быть источником звуковых или сейсмических волн. Направление движения и скорость этих волн зависят от свойств горных пород. Произведя небольшой подземный взрыв и регистрируя на некотором расстоянии от места взрыва с помощью измерительных приборов время прибытия сейсмических волн, можно получить данные о расположении невидимых отражающих поверхностей, рассчитать их глубину, угол наклона и изучить структуру пород. Взрывом осуществляют резку и сварку металлов. Взрыв является средством научного исследования. При взрыве имеют место очень высокие температуры, скорости и давления. Это позволяет изучить явления, возникающие при сильном воздействии на вещество, и способствует раскрытию новых свойств материи.

Приведенными примерами не исчерпывается все многообразие случаев практического использования ВВ. Способы и область применения ВВ постоянно совершенствуются одновременно с разработкой новых ВВ, обладающих более эффективными взрывчатыми свойст-вами.



2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

2.1 Основные типы взрывчатых веществ и их классификация

Взрывчатые вещества весьма разнообразны по своему химическому составу, физическим свойствам и агрегатному состоянию. Известно много ВВ, представляющих собой твердые, жидкие и газообразные вещества. В принципе взрывчатым веществом может быть любая смесь горючего с окислителем. Самое древнее ВВ - дымный порох, который представляет собой смесь двух горючих (уголь и сера) с окислителем (калиевая селитра). Другой вид подобных смесей - оксиликвиты - представляют собой смесь тонкодисперсного горючего (мох, опилки и т.д.) с жидким кислородом.

Необходимым условием получения ВВ из горючего и окислителя является их тщательное перемешивание. Однако как бы тщательно не были перемешаны составные части смеси, невозможно добиться такой равномерности состава, при которой с каждой молекулой горючего соседствовала бы молекула окислителя. Поэтому в механических смесях скорость химической реакции при взрывном превращении никогда не достигает максимального значения. Такого недостатка не имеют взрывчатые химические соединения, в молекулу которых входят атомы горючего (углерода, водорода) и атомы окислителя (кислорода).

К взрывчатым химическим соединениям, молекулы которых содержат атомы горючих элементов и кислорода, относятся сложные азотнокислые эфиры многоатомных спиртов, так называемые нитроэфиры, и нитросоединения ароматических углеводородов.

Взрывчатые вещества по своим свойствам делятся на инициирующие , бризантны е иметательные . В некоторых случаях говорят соответственно о первичных, вторичных ВВ и порохах.

Характерной особенностью инициирующих ВВ (ИВВ) является их способность детонировать под влиянием простого внешнего импульса (луча огня, удара, трения и т.д.), тогда как для детонации бризантных ВВ (БВВ) требуется предварительный взрыв инициирующего ВВ. Деление ВВ на инициирующие и бризантные до некоторой степени условно. Так, для ряда ИВВ можно создать такие условия, при которых горение не переходит в детонацию, т.е. ИВВ ведут себя как бризантные ВВ. И наоборот, некоторые бризантные ВВ в особых условиях воспламенения через сравнительно короткое время детонируют, т.е. ведут себя как инициирующие ВВ. Как в первом, так и во втором случаях требуются особые условия.

Способность ИВВ детонировать от простого импульса требует чрезвычайно осторожного обращения с ними и, что особенно важно, при работе с ними не пользоваться большими количествами единовременно.

Пороха, благодаря особенностям своей структуры, а именно

однородности и монолитности пороховых элементов, обеспечивают устойчивое и равномерное горение. Даже при давлениях от 4000 до 5000 атмосфер пороха устойчиво горят не детонируя. Однако при достаточном начальном импульсе можно вызвать также и детонацию порохов. Таким образом, хотя три группы ВВ и выполняют различные функции, однако органического различия между ними нет.

Ниже приведены общие характеристики некоторых представителей ИВВ, БВВ и порохов, наиболее широко используемых в военных и промышленных целях.

Инициирующие взрывчатые вещества

Гремучая ртуть Hg(OCN)₂ - кристаллическое вещество белого или серого цвета с плотностью 4,307 г/см³ . Заряд гремучей ртути в прессованном виде (давление прессования 300 кг/см² ) имеет плотность, равную 3,3 г/см³ . При действии луча огня гремучая ртуть воспламеняется, но горение быстро переходит в детонацию. При увеличении давления прессования условия перехода горения гремучей ртути в детонацию ухудшаются. Запрессованная под давлением более 800 кг/см² в корпусе гильзы капсуля-детонатора №8 гремучая ртуть сгорает без детонации (явление перепрессовки гремучей ртути). Увлажнение её резко снижает чувствительность к внешним воздействиям. В присутствии влаги гремучая ртуть взаимодействует с металлическим алюминием, поэтому ее не прессуют в алюминиевую оболочку.

Гремучая ртуть достаточно чувствительна к лучу огня. Применяется для снаряжения капсулей-детонаторов и в ударных составах для снаряжения капсулей-воспламенителей.

Азид свинца Pb(N₃ )₂ - кристаллическое вещество белого цвета с плотностью 4,71 г/см³ . Плотность прессованного заряда азида свинца 3,9 г/см³ .

Азид свинца под влиянием внешнего воздействия детонирует без предварительного горения. Благодаря этой особенности азид свинца в отличие от гремучей ртути не перепрессовывается и при увлажнении практически не теряет чувствительности к внешним воздействиям. Взаимодействует с металлической медью, образуя особо чувствительный к механическим воздействиям азид меди. Процесс образования азида меди ускоряется в присутствии влаги и углекислоты воздуха.

С металлическим алюминием азид свинца не реагирует.

Азид свинца применяется для снаряжения капсулей-детонаторов, однако вследствие относительно малой чувствительности азида свинца к лучу огня при снаряжении капсулей-детонаторов поверх слоя азида свинца всегда присутствует небольшой слой более чувствительного к лучу огня тринитрорезорцината свинца (тенереса).

Тенерес (ТНРС, тринитрорезорцинат свинца, стифнат свинца) C₆ H(NO₂ )₃ O₂ Pb - кристаллическое вещество желтого цвета с плотностью 3,1 г/см³ . Хотя ТНРС и относят к разряду инициирующих ВВ, однако переход горения в детонацию в его зарядах происходит только при насыщенной плотности, причем и в этом случае предварительно сгорает сравнительно большая для инициирующих ВВ масса вещества (0,5 г в корпусе гильзы капсуля-детонатора №8).

ТНРС весьма чувствителен к лучу огня и поэтому применяется в капсулях_детонаторах, снаряженных азидом свинца, чтобы облегчить воспламенение последнего. Применяется в ударных составах для снаряжения капсулей-воспламенителей.

Бризантные взрывчатые вещества

Тротил (ТНТ, тол, тринитротолуол) C₆ H₃ (NO₂ )₃ СН₃ - кристаллический продукт бледно-желтого цвета с плотностью 1,66 г/см³ , температурой плавления 80,8 °С. Насыпная плотность тротила примерно 0,9 г/см³ , плотность литых зарядов примерно 1,56 г/см³ .

Тротил представляет собой пластичное вещество, легко поддающееся прессованию (в заводских условиях получают заряды плотностью 1,60 г/см³ ). Тротил малочувствителен к механическим воздействиям. Заряды тротила в литом виде не детонируют от капсуля_детонатора №8. Промышленностью выпускается как кристаллический, так и чешуированный тротил.

Тротил является одним из основных бризантных ВВ и применяется для снаряжения различных боеприпасов как в чистом виде (прессованием, заливкой, шнекованием), так и в смесях с аммиачной селитрой и другими веществами.

Тетрил (тринитрофенилметилнитрамин) С₆ H₂ (NO₂ )₃ NCH₃ NO₂ - кристаллическое вещество желтого цвета с плотностью 1,72 г/см³ . Температура затвердевания тетрила 128,7 ^о С. Тетрил достаточно пластичен, поэтому прессованием удается получить изделие с плотностью до 1,67 г/см³ . Скорость детонации тетрила выше, чем скорость детонации тротила. Тетрил заметно более чувствителен к внешним воздействиям, чем тротил. Применяется для снаряжения капсулей_детонаторов в качестве вторичного заряда, а также в виде прессованных шашек в качестве промежуточного детонатора для усиления действия капсуля_детонатора.

Гексоген (циклотриметилентринитроамин) C₃ H₆ N₆ O₆ - белое кристаллическое вещество с плотностью 1,8 г/см³ . При температуре

203,5 ^о С плавится с разложением. Гексоген относится к группе мощных бризантных ВВ. Скорость детонации гексогена лежит выше скорости детонации тротила и тетрила. Гексоген чувствителен к внешним воздействиям, поэтому для снаряжения боеприпасов применяется не в чистом виде, а с добавлением различных флегматизаторов. Гексоген применяется в смесях с другими, менее чувствительными бризантными ВВ, а также как вторичный заряд для снаряжения капсулей_дето-наторов.

ТЭН (пентаэритриттетранитрат) C(CH₂ ONO₂ )₄ - белое кристаллическое вещество с плотностью 1,77 г/см³ и температурой плавления 141 ^о С. Прессуется ТЭН трудно (расслаивается при высоких давлениях прессования). Относится, как и гексоген, к мощным бризантным ВВ. ТЭН более чувствителен, чем гексоген, к внешним воздействиям.

В герметичной оболочке горение ТЭН сравнительно легко переходит в детонацию. Применяется для изготовления детонирующих шнуров и снаряжения капсулей-детонаторов в качестве вторичного заряда, в флегматизированном виде - для снаряжения мелкокалиберных зарядов.

Метательные взрывчатые вещества (пороха)

Характерное отличие порохов от ВВ заключается в том, что горение не переходит в процесс детонации даже при больших плотностях заряжания. Однородная структура и высокая плотность пороховых зерен обеспечивают их устойчивое и равномерное горение.

Черный порох (дымный порох) представляет собой смесь 75 % селитры, 10 % серы и 15 % угля. Однородная масса черного пороха имеет плотность 1,5-1,6 г/см³ , а для прессованных образцов до 1,7-1,9 г/см³ . Дымный порох легко воспламеняется от луча огня и чувствителен к механическим воздействиям. Применяется для изготовления огнепроводного шнура, а также в качестве воспламенительных зарядов при воспламенении бездымного пороха.

Бездымный порох (коллоидный) представляет собой сложную смесь, основными компонентами которой являются пироксилин (коллоксилин) и нитроглицерин.

Существует много различных рецептур бездымных порохов, которые влияют как на внешний вид пороха, так и на его баллистические качества (скорость горения и её зависимость от давления, мощность, температура и т.д.). Например, пироксилиновые пороха имеют в своем составе до 98 % пироксилина, а баллиститные (нитроглицериновые) наряду с пироксилином содержат также в виде нелетучего растворителя нитроглицерин в количестве от 25 до 45 %.

Все бездымные пороха относятся к категории ВВ, стойкость которых обязательно проверяется в течение хранения их на складах. Это определяется тем, что в состав порохов входят пироксилин и нитроглицерин, т.е. вещества, имеющие в составе молекул эфирную группу.

2.2 Средства воспламенения и инициирования

При производстве различных испытаний ВВ в качестве средств воспламенения и инициирования применяется огнепроводный (бикфордов) шнур, детонирующий шнур, капсуль_детонатор и электродетонатор.

Огнепроводный шнур состоит из внешней оплетки и сердцевины, представляющей собой плотно спрессованный дымный порох. Обычно оболочкой шнура является трехслойная оплетка из льняной или джутовой нити. Огнепроводный шнур применяется для передачи луча огня капсулю-детонатору или пороховому заряду в заданный промежуток времени. Скорость горения шнура порядка 1 см/с.

Детонирующий шнур в отличие от огнепроводного шнура, имеет сердцевину из взрывчатого вещества, способного детонировать при малых диаметрах. Для изготовления детонирующего шнура применяются смеси горючей ртути с тетрилом (гремучертутнотетриловый шнур) или чистые ВВ, например ТЭН (тэновый шнур). Детонирующий шнур предназначен для передачи детонации от одного заряда к другому и для одновременного возбуждения детонации ряда зарядов.

Внешний вид детонирующего шнура отличается от внешнего вида огнепроводного цветом наружной оплетки (оплетка детонирующего шнура красная или оранжевая). Скорость детонации шнура от 7000 до 7700 м/с.

Капсуль-детонатор №8 представляет собой металлическую гильзу диаметром 7 мм и длиной 47±1 мм, снаряженную инициирующим или инициирующим и бризантным веществом (комбинированный капсуль_детонатор). Основное назначение капсулей-детонаторов - возбуждение детонации различных зарядов бризантных ВВ. На рисун-

ке 2.1 приведен схематический разрез капсуля_детонатора №8.

Как видно на фигуре, поверх инициирующего ВВ запрессовывается чашечка с отверстием, назначение которой - обеспечить стойкость заряда при механических воздействиях.

Электродетонатор мгновенного действия состоит из капсуля_детонатора, в гильзу которого вмонтирован электровоспламенитель (рисунок 2.2). В практике наиболее распространенным является твердокапельный электрозапал, состоящий из двух проводников, к концам которых припаян константановый мостик. Концы проводов и мостик путем обмакивания в воспламенительный состав покрываются каплей этой массы. При пропускании тока через электрозапал мостик накаливается и воспламеняет воспламенительный состав капли, в результате чего возникает мощный луч огня. Комбинацию электрозапала и капсуля_детонатора называют электродетонатором мгновенного действия.



1 - гильза; 2 - тетрил; 3 - азид свинца; 4 - тенерес; 5 - гашечка

Рисунок 2.1 - Схема

2.3 Смесевые взрывчатые вещества

Смеси на основе жидких нитропарафинов и солей гидразина (астралиты)

Жидкие ВВ давно привлекали внимание исследователей в связи с повышенной плотностью, малым критическим диаметром, способностью целиком заполнять зарядный объём и тем самым обеспечивать высокую концентрацию энергии и эффективность взрывания. Жидкие ВВ не растворяются в воде, не смешиваются с ней и являются водоустойчивыми. Обладают хорошей текучестью даже при минусовых температурах, что облегчает механизацию зарядных работ. Наибольший интерес представляют жидкие нитропарафины и ВВ на их основе. Особое внимание в этом классе соединений уделяется нитрометану, который имеет явно выраженные взрывчатые свойства. Нитрометан предназначен для взрывных работ в нефтедобывающей и горной промышленности для внутрипластового взрывания.



В таблице 2.1 приведены свойства эвтектических бинарных смесей нитропарафинов с аммиачной селитрой [7]. Видно, что по энергетическим характеристикам смесь, содержащая нитрометан, превосходит аналогичную смесь, содержащую тротил. Таблица 2.1 - Свойства смесей нитропарафинов с аммиачной селитрой
Наименование нитропарафинов	Содержание аммиачной селитры в стехиометрической смеси, %	Плотность, г/см3	Теплота взрыва	Объём газов взрыва, л/кг	Относительная эффективность к тротилу, %
			весовая, кДж/кг	объёмная, кДж/л
Тротил (эталон)	78,7	1,30	4200	5500	892	100
Нитрометан	67,0	1,32	4710	6210	930	112
Нитроэтан	84,0	1,32	4030	5290	950	95
Нитро- пропан	87,5	1,30	4000	5400	961	94

Так как нитрометан тяжелее воды и не смешивается с ней, им можно заряжать обводненные скважины через столб воды, которая в данном случае будет выполнять роль забойки. Недостатком нитрометана является его высокая летучесть.

Взрывчатые свойства нитрометана следующие: бризантность

15 мм при инициировании от шашки тетрила массой 5 г и 22 мм от шашки 10 г; работоспособность по баллистической мортире 134 % по отношению к тротилу; скорость детонации в металлической трубе 6…6,5 км/с.

При введении в нитрометан алюминия массовая энергия взрыва повышается в 1,4-1,5 раза, а объёмная в 1,6-2,0 раза. По приближенным оценкам в благоприятных условиях взрывания во взрывчатом превращении может участвовать до 25 % алюминия. Объёмная энергия таких бинарных систем от 8400 до 9660 кДж/л, что превосходит объёмную энергию алюмотола, граммонала и акватола на 28…45 %.

На основе загущенного нитрометана и измельченной селитры готовятся пластичные высокоплотные и высоководоустойчивые ВВ, не уступающие по мощности динамитам и в то же время отличающиеся от них малой токсичностью, высокой морозостойкостью, низкими чувствительностью к механическим воздействиям и стоимостью. Взрывчатые свойства пластичных нитрометановых ВВ следующие: теплота взрыва от 6300 до 7560 кДж/л, бризантность от 14 до 19 мм, работоспособность от 380 до 490 мл, скорость детонации от 4,7 до 5,8 км/с.

Смеси на основе гидрата гидразина (NH₂ NH₂ H₂ O), за рубежом называемые астралитами, характеризуются высокими расчетными энергетическими показателями. Кроме простейшей смеси гидразина с аммиачной селитрой, запатентованы многокомпонентные жидкие составы. Взрывчатой основой в таких системах служат нитрат и перхлорат гидразина. К достоинствам жидких гидразинсодержащих ВВ можно отнести широкий температурный диапазон эксплуатации (от минус 30 до плюс 45 ^о С), высокие плотность (1,3…1,4 г/см³ ) и скорость детонации (7,5…8 км/с), безопасность в обращении. Благодаря высокой плотности объёмная энергия заряда в скважине может достигать

5650 кДж/л. Объём продуктов взрыва достигает 1000 л/кг. Недостатком астралитов является их низкая физическая стойкость из-за испарения гидразина. Астралиты можно готовить на месте применения смешиванием нитратов и перхлоратов гидразина с жидким аммиаком или растворами аммиачной селитры.

Смесевые эмульсионные ВВ

Несмотря на достигнутый в настоящее время уровень использования в промышленности широкого класса разработанных ВВ, работы по поиску повышения эффективности взрыва путем применения новых составов ВВ и конструкций зарядов продолжаются.

В высокоразвитых горнодобывающих странах на предприятиях, ведущих взрывные работы открытым способом, и в военном деле достаточно широко применяются смеси в виде эмульсии, сенсибилизированной ( от лат. sensibilis - чувствительный, повышение чувствительности ) ее аэрацией с алюминиевым порошком АСД, получившие название «тяжелые АНФО». При этом содержание АСД в такой смеси обычно составляет от 70 до 80 % по массе. Этот тип смесевых эмульсионных ВВ используют для заряжания механизированным способом сухих или слабообводненных взрывных скважин с поверхности. Эти ВВ имеют меньшую стоимость и улучшенные детонационные характеристики, обусловленные, главным образом, применением в гранулированной фазе пористой аммиачной селитры высочайшего качества. Скорость детонации подобного смесевого ВВ на основе плотной гранулированной аммиачной селитры (гранулит НП) при плотности зарядов 1,2 г/см³ в стальной оболочке (Ж75…100 мм) составляет всего от 2,86 до 3,26 км/с, что свидетельствует о флегматизирующем влиянии большого содержания АСД на детонационные параметры таких смесей.

Для повышения эффективности взрыва такой смеси и поднятия КПД взрыва её основной составляющей (гранулита) была предложена конструкция заряда коаксиальной формы: по оси заряда гранулита размещается линейный инициатор из сенсибилизированной эмульсии, скорость детонации которой существенно превышает стационарную скорость детонации гранулита. В роли линейного инициатора по детонационным параметрам использованы эмульсионные ВВ сибирит-1000 или сибирит-1200, которые характеризуются высокой скоростью детонации [8].

Оценка относительной работоспособности зарядов различной формы (рисунок 2.3) проводилась по методу воронки выброса.



1 - электродетонатор №8; 2 - прессованная шашка ТГ - 10 г;

3 - прессованная шашка из тротила - 80 г; 4,6 - гранулированное ВВ;

5 - эмульсионное ВВ

Рисунок 2.3 - Конструкция сплошного (а) и комбинированного (б) коаксиального зарядов, использованных при экспериментах [8]

Критерий относительной работоспособности f - отношение масс зарядов из эталонного (m _Э ) и испытываемого (m _ВВ ) взрывчатых веществ, образующих при взрыве воронки одинакового объёма:

. (2.1)

При проведении эксперимента в качестве эталонного ВВ использовалась смесь гранулированного и чешуйчатого ТНТ в соотношении 50/50 по массе.

К параметрам, определяющим в первом приближении эффективность взрыва заряда ВВ в горной породе, относятся объёмная энергия Е и скорость детонации D . При этом коэффициент мощности взрывчатых веществ K= E Ч D является комплексным показателем, учитывающим как количество выделяемой при взрыве заряда энергии, так и скорость ее высвобождения. В относительном виде коэффициент K позволяет сравнить взрывную эффективность двух зарядов ВВ одинакового объёма, соответственно испытываемого (индекс 2) и эталонного (индекс 1).

, (2.2)

где - плотность ВВ, кг/м³ ;

Q - теплота взрыва, кДж/кг;

D - скорость детонации, км/с.

Для оценки относительной эффективности взрыва комбинированного заряда коаксиального типа, сформированного из эмульсионного ВВ сибирита-1200 и гранулита НП (рисунок 2.3 б), по сравнению с обычным зарядом гранулита НП вышеприведенная формула (2.2) примет вид:

, (2.3)

где - доля соответственно сибирита-1200 и гранулита НП в единице объёма комбинированного заряда;

, - соответственно плотность сибирита-1200 и гранулита НП;

D_С , D_НП , D_Р.НП - соответственно скорость детонации сибири-

Аналогичным образом оценивается относительное удешевление комбинированного заряда коаксиального типа в сравнении с обычным зарядом гранулита НП:

, (2.4)

где С_С , С_НП - цена одной тонны соответственно сибирита-1200 и гранулита НП, руб.

Результаты экспериментальных испытаний (таблица 2.2) смесевых эмульсионных ВВ показали, что применение комбинированных зарядов коаксиальной формы с осевым зарядом из эмульсионного ВВ приводит к более полному выделению энергии при взрыве гранулита НП, изготовленного с использованием плотной гранулированной аммиачной селитры.

Таблица 2.2 - Результаты экспериментальных испытаний ВВ

ВВ	Конструкция заряда	Относительная работоспособность
ТНТ (гранулы / чешуйки 50/50)	Сплошная	1,00
Гранулит НП	Сплошная	0,56
Гранулит НП (пористая АС)	Сплошная	1,10
Сибирит 2500 РЗ	Коаксиальная	1,00
Сибирит 2500 РЗ (пористая АС)	Коаксиальная	1,47

Разработанное смесевое эмульсионное ВВ сибирит 2500 Р3 допущено Госгортехнадзором России к постоянному применению, изготовляется в процессе механизированного заряжания скважин и применяется на ряде разрезов Кузбасса.

Предложенный способ формирования комбинированного заряда коаксиальной формы из эмульсионного ВВ и ВВ типа АСД позволяет повысить эффективность использования простейших ВВ, изготовленных на основе гранулированной аммиачной селитры, использовать промышленные смесительно-зарядные машины типа МС-38.

2.4 Физико-химические основы взрывных превращений

При взрыве происходит быстрое физическое, химическое, ядерное или термоядерное превращение вещества, сопровождающееся столь же быстрым переходом возникшей при этом энергии взрыва в энергию сжатия и движения исходного вещества или продуктов его превращения и окружающей среды. Виды исходной энергии при этом могут быть различны: тепловая, электрическая, кинетическая, энергия упругого сжатия, ядерная, термоядерная и химическая.

Взрывы за счет химической энергии присущи особой группе веществ - взрывчатым веществам.

Взрывчатые вещества обладают относительной термодинамической неустойчивостью. Именно благодаря этому они способны под влиянием внешних воздействий к чрезвычайно быстрым химическим превращениям, которые сопровождаются выделением тепла и образованием газообразных продуктов. Большая скорость, с которой ВВ превращаются в газообразные продукты, является необходимым условием взрыва. Скорость взрывных превращений достигает от 9 до 10 км/с. При совершении механической работы по перемещению или разрушению требуется затратить эквивалентное количество тепловой энергии, выделяющейся при химическом превращении ВВ. Выделение тепла при химической реакции является вторым необходимым условием взрыва. Для современных ВВ теплота взрывного превращения составляет от 400 до 3000 ккал/кг. Для преобразования теплоты химической реакции в механическую работу необходимо рабочее тело. Таким рабочим телом являются газообразные продукты, количество которых при взрыве 1 кг ВВ достигает от 500 до1000 л.

Таким образом, сочетание трех факторов: большой скорости процесса, выделения большого количества тепла и газообразных продуктов - делает возможным химический взрыв.

Механизм возбуждения и распространения взрыва

Основные положения теории, объясняющей механизм возбуждения и распространения взрыва, разработаны в конце XIX века профессором Московской сельскохозяйственной академии В.А. Михельсоном. В трудах ученых Л.Д. Ландау, Я.Б. Зельдовича, К.П. Станюковича и других теория взрыва нашла свое дальнейшее развитие.

В настоящее время физическая сущность механизма возбуждения взрыва при различных воздействиях сводится к следующему [3]. В результате диссипации энергии от механических воздействий во ВВ возникают местные разогревы («горячие точки»), в которых начинается горение ВВ вначале с небольшой скоростью. Затем, в зависимости от природы ВВ и внешних условий, это горение ускоряется и переходит во взрыв или затухает. Факторами, способствующими развитию взрыва, являются повышенная склонность ВВ к воспламеняемости, резкая зависимость скорости горения от давления, высокая детонационная способность. Такая схема процесса возбуждения взрыва при механических воздействиях экспериментально подтверждена работами Ф. Боудена, Д. Иоффе [4] и других исследователей.

Сущность механизма возникновения местных разогревов состоит в следующем:

1) очаги возбуждения реакции («горячие точки») при ударе или другом механическом воздействии возникают в результате адиабатического сжатия газовых пузырьков, находящихся во взрывчатом веществе;

2) в результате воздействия происходит неравномерное течение ВВ, при котором возникают силы трения между отдельными слоями ВВ, между ВВ и соударяющимися поверхностями, между частицами ВВ и находящимися в нем твердыми инородными частицами. Это трение и является причиной появления местных разогревов;

3) очаги возбуждения возникают также за счет вязкостного разогрева ВВ в результате быстрого выдавливания его из зазора соударяющимися поверхностями.

Дальнейшее развитие процесса распространения взрыва заключается в следующем. При быстром и сильном сжатии ВВ нагреваются, в результате происходит химическая реакция, сопровождающаяся выделением большого количества энергии и образованием газообразных продуктов. Образующиеся газообразные продукты производят резкий удар по соседним слоям ВВ. Эти слои, в свою очередь, сжимаются, в них также образуется ударная волна и происходит интенсивная химическая реакция.

Ударная волна распространяется по всей массе ВВ со скоростью, равной нескольким километрам в секунду. Ударная волна имеет впереди резко очерченный фронт, на котором происходит сильное повышение давления и температуры. Непосредственно за фронтом волны происходит превращение ВВ в газообразные продукты и выделение энергии. Продукты взрыва не удаляются из зоны реакции, а движутся в направлении распространения процесса вслед за ударной волной.

Благодаря выделению энергии в процессе химической реакции и постоянному ее восполнению скорость распространения ударной волны во взрывчатом веществе может остаться постоянной. Такое распространение взрыва является детонацией ВВ. Скорость детонации определяется как скорость распространения ударной волны по заряду ВВ, т.е. детонация представляет собой наиболее совершенную форму взрыва, когда процесс протекает с постоянной и максимально возможной для данного ВВ скоростью.

Скорость детонации является одной из наиболее важных характеристик ВВ, которая определяется экспериментально разными методами (оптическим, осциллографическим, хронографическим). Наиболее простым методом определения скорости детонации является метод Дитриша, основанный на сравнении известной скорости детонации детонирующего шнура со скоростью детонации используемого заряда [5]. В таблице 2.3 приведены скорости детонации некоторых ВВ.

Таблица 2.3 - Скорость детонации некоторых ВВ

Взрывчатое вещество	Плотность, г/см3	Скорость детонации, м/с
Гремучая ртуть	3,30	4500
Азид свинца	4,00	5100
Тротил	1,61	7000
Тетрил	1,67	7420
ТЭН	1,60	8380
Гексоген	1,60	7900

С увеличением плотности заряда скорость детонации бризантных ВВ возрастает, достигая максимума при предельной для данного ВВ плотности. Зависимости скорости детонации от плотности заряда представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Скорость детонации ВВ от плотности заряда

Плотность, г/см3	1,3	1,4	1,5	1,6	1,6	1,7
Взрывчатое вещество	Скорости детонации, м/с
Тротил	6025	6320	6650	6980	7000	-
Тетрил	-	6780	7075	7400	-	7650
Гексоген	-	7380	7180	8200	-	8600
ТЭН	-	7280	7550	7880	-	8240

Взрывчатые вещества различны по своей способности детонировать. Для каждого из них имеется некоторое наименьшее количество ВВ, необходимое для того, чтобы произошла детонация. Как было установлено академиком Ю.Б. Харитоном, мерой способности ВВ к взрыву может служить критический диаметр заряда, т.е. такой предельный диаметр, при котором детонация может распространиться по заряду. Чем меньше критический диаметр, тем больше способность ВВ к детонации. Величина критического диаметра зависит от физического состояния взрывчатого вещества. Так, критический диаметр прессованного тротила около 10 мм, а литого - 32 мм. Поэтому в заряде из прессованного тротила возбудить детонацию легче, чем в заряде из литого тротила.

2.5 Горение взрывчатых веществ

Взрыв представляет собой одну из форм химического превращения взрывчатых веществ. Другой его формой является горение. Для горения также характерны большое количество выделяемого тепла, газообразных продуктов и большая скорость процесса. И тем не менее горение принципиально отлично от взрыва. Это отличие заключается в первую очередь в механизме распространения процесса.

Как было показано выше, распространение взрыва обусловлено прохождением по заряду ВВ ударной волны, возбуждающей в каждом последующем слое интенсивную химическую реакцию, сопровождающуюся выделением тепла. Распространение же процесса горения по взрывчатому веществу обусловлено передачей тепла от одного слоя к другому за счет теплопроводности, диффузии и излучения газообразных продуктов горения.

Принципиальное отличие в механизме распространения взрыва и горения предопределяет различные скорости этих процессов: скорость горения всегда меньше скорости распространения звука в данном веществе, скорость взрыва превосходит скорость звука в заряде ВВ. Отличием механизмов распространения взрыва и горения объясняется и различное их воздействие на внешнюю среду: продукты горения осуществляют метание тел в сторону наименьшего сопротивления, взрыв вызывает дробление преград, соприкасающихся с зарядом или находящихся на некотором расстоянии от места взрыва.

Процесс горения ВВ довольно сложен и изучен еще далеко не полностью. Большой вклад в изучение процесса горения внесли: академик Н.Н. Семенов, профессора К.К. Андреев, А.Ф. Беляев, Я.Б. Зельдович и другие [3]. Сущность процесса горения представляется следующим образом.

При нагревании ВВ происходит плавление и испарение тонкого слоя вещества. Образующиеся пары нагреваются до температуры, при которой начинается процесс самовоспламенения с последующей интенсивной химической реакцией, которая сопровождается выделением тепла и газообразных продуктов. Продукты горения нагревают следующий слой ВВ, в котором повторяются также физические процессы и химические реакции. За счет образования газообразных продуктов горения давление у горящей поверхности ВВ повышается. Газы расширяются и оттекают от поверхности вещества. Давление над поверхностью зависит от соотношения между скоростью газопритока и скоростью газооттока. Скорость газопритока зависит от скорости горения ВВ, которая для различных веществ разная и по-разному зависит от давления. Если с увеличением давления скорость горения растет быстрее, чем скорость газооттока, то давление будет возрастать и горение перейдет во взрыв.

Инициирующие ВВ имеют большую скорость горения, существенным образом возрастающую с увеличением давления. Поэтому их горение, как правило, является неустойчивым и переходит во взрыв.

Если же при повышении давления скорость горения растет медленнее скорости газооттока, то образующиеся газы успевают расшириться и горение будет носить устойчивый характер. Именно этим объясняется устойчивое горение тротила и других бризантных ВВ, у которых скорость горения мала и в малой степени зависит от давления.

Однако горение бризантных ВВ в некоторых случаях также может перейти во взрыв. Это случается, когда ВВ жидкие или имеют рыхлую пористую структуру. При горении пористого ВВ горячие газообразные продукты проникают через поры в глубь вещества и зажигают его. В результате возрастают поверхность горения и соответствующим образом увеличивается скорость газопритока. Давление растет, и горение переходит во взрыв.

Пироксилин, имеющий пористую структуру, не представлялось возможным использовать для метательных целей до тех пор, пока не нашли способ устранить его пористость. Получение пироксилиновых порохов в принципе и заключается в придании пироксилину плотной структуры.

Благодаря плотной структуре пороха горят устойчиво. Горение является наиболее характерным видом их взрывного превращения.

2.6 Возбуждение взрывных превращений и начальный импульс

Наличие взрывчатых свойств у того или иного вещества определяет его потенциальную способность к взрывным превращениям в форме горения или детонации. Чтобы вызвать взрывное превращение, необходимо на взрывчатое вещество оказать определенное внешнее воздействие. Это внешнее воздействие называют начальным или инициирующим импульсом. Возможность возникновения взрывного превращения под действием начального импульса зависит от количества энергии, сообщаемой при этом ВВ.

В зависимости от природы ВВ его взрывное превращение можно вызвать различными начальными импульсами: тепловым (нагревом, лучом огня), механическим (ударом, трением, прострелом пулей), взрывным (взрывом другого ВВ).

Вид начального импульса влияет на характер взрывного превращения, что учитывается для тех или иных условий применения ВВ.

В настоящее время достигнут определенный уровень исследований проблемы ударно-волнового инициирования ВВ. В работе [6] показаны механизм возникновения источников локальной генерации тепла при инициировании ВВ и сравнение эффективности элементарных процессов в веществе.

При инициировании жидких и твердых (литых, прессованных) ВВ существуют принципиальные отличия, которые являются следствием того, что жидкие ВВ гомогенны, а твердые, изготовленные каким-либо из известных технологических способов, гетерогенны. Поэтому критические параметры ударно-волнового инициирования для однородных бездефектных систем существенно выше, чем для структурно-неоднородных с пористостью от 1 до 3 %. Это связано с тем, что для гомогенных ВВ необходимо в течение определенного времени прогреть объём за фронтом инициирующей ударной волны.