Использование взрывчатых веществ

где W_кр и W_ф - соответственно критическое и фактическое значение энергии, затраченной при виброобработке ВВ, отнесенной к его массе, кДж/кг;

m_e - масса дисбаланса вибратора (масса эксцентрикового вала, центр тяжести которого смещен от его горизонтальной оси вращения на величину эксцентриситета), кг;

w_кр , w_ф - соответственно критическое и фактическое значение угловой частоты колебаний, Гц;

А - амплитуда, м;

m ₁ - масса ВВ в испытательном приборе на виброустановке, кг;

m ₂ - масса ВВ в натурном виброаппарате, кг.

Учёт свойств и реакционной способности ВВ при определении значения К_б осуществляется путем введения коэффициента К_в , связанного с температурой вспышки Т_в , начальной Т ₀ и максимальной Т _iтемпературами вибрационной обработки:

. (4.11)

Таким же образом с помощью коэффициента К_т учитывается влияние перехода из твердого фазового состояния ВВ (или его компонентов) в жидкое или пластическое состояние, что может привести при вибрации к появлению кавитационного эффекта в жидкой среде, схлопыванию газовых полостей и к локальному резкому повышению температуры и давления с нежелательными последст-виями для данного производства:

, (4.12)

где Т_пл - температура плавления ВВ, К;

Т_ф - фактически достигаемая температура ВВ.

Коэффициент K_м оказывает влияние таких физико-механических показателей ВВ, как предел прочности при растяжении, сжатии, сдвиге, а также относительной неупругой деформации образца ВВ до момента разрушения:

, (4.13)

где s_пр - предел прочности при растяжении, Н/м² ;

s₀ - начальное напряжение, действующее на образец ВВ до вибрации, Н/м² ;

s_i - максимальное напряжение, действующее при виброобработке, Н/м² ;

e₀ , e_i - относительная деформация образца ВВ в начальный момент времени и в текущий момент виброобработки;

e_п - предельная относительная деформация ВВ перед разрушением.

При подстановке значений коэффициентов в уравнение (4.7) получен обобщенный коэффициент взрывоопасности для различных технологических операций с применением вибрации.

Экспериментально установлено, что при К_б >>1 технологическая безопасность обеспечивается полностью, с большим запасом, а при 1<К_б <10 ее недостаточно для обеспечения безаварийной работы с ВВ, и поэтому необходимо либо уменьшить параметры вибронагрузки и температуру, либо заменить технологическое оборудование более безопасным.

Результаты экспериментов и вычисленные значения К_б с учётом уравнений (4.7)_(4.13) приведены в таблице 4.7 для некоторых ВВ.

Таблица 4.7 - Параметры некоторых взрывчатых веществпри вибротранспортировании

Номер опыта	ВМ	w, Гц	А , мм	а , м/с2	РД , МПа	РСТ , МПа		t , c	m , г	Wi, %	а , %	Кб
1	Гексоген	110	1,5	18,2	23,6	12	1,90	30	0,1	10	3	0
2		80	0,8	5,1	6,7	12	0,56	30	0,5	0	0,72	15,2
3		50	0,8	2,0	2,6	12	0,22	60	0,5	0	0,42	58,5
4		30	1,5	1,8	2,3	12	0,19	60	0,5	0	0,12	76
5	ТНТ	150	1,5	33,7	43,8	24	1,80	30	0,1	0	1,2	1
6		110	0,8	9,7	12,6	12	1,05	30	0,5	0	0,28	12,4
7		80	1,0	6,4	8,3	12	0,69	30	0,5	0	0,24	19,7
8		50	2,0	5,0	6,5	8	0,81	30	0,5	0	0,20	25,8
9	Аммонит 6ЖВ	150	1,5	33,7	42,0	24	1,68	30	0,1	0	1,0	1
10		80	1,0	6,4	8,2	12	0,68	30	0,5	0	0,28	20
11	Гексоген	50	3,0	7,5	1,75	0,01	175	30	10	0	0,02	210
12	ТНТ	50	3,0	7,5	1,75	0,01	175	30	10	0	0,01	316

Критические параметры вибрационной нагрузки и тепловой энергии для гексогена, способные вызывать прогрессивное разложение с переходом его во взрыв, составляют:

w_кр =110 Гц, А =1,5 мм, m_е =0,23 НЧм, Т ₀ =323 К, К_б =15,2.

При данных параметрах вибропрессование является безопасным, но близким к границе предельных параметров нагружения. Поэтому для повышения коэффициента К_б желательно уменьшить частоту или амплитуду колебаний, либо то и другое вместе. Использование коэффициента К_б для оценки взрывобезопасности при вибротранспортировании ВВ (см. таблицу 4.7) показало, что при отсутствии больших динамических и статических нагрузок на ВВ и при сравнительно низких частотах и амплитудах колебаний вибротранспортирование может быть взрывобезопасным. Но в этом случае необходимо учитывать возможность электризации частиц ВВ и их пыления при периодическом отрыве слоя ВВ от грузонесущего элемента установки.

В связи с такими особенностями при определении безопасных условий, нужно предусмотреть меры по снятию зарядов статического электричества [29] и обеспечению необходимой влажности воздушной среды.

Таким образом, Н.П. Логиновым [28] впервые предложен новый критерий взрывобезопасности и способ расчета коэффициента взрывобезопасности переработки ВВ при использовании вибрационной технологии, основанной на сравнении экспериментально найденных критических параметров вибрационного воздействия на ВВ с учётом вероятности их взрывов и степени разложения с параметрами разрабатываемого или используемого вибрационного оборудования, что позволяет повысить уровень безопасности и оптимизировать технологию вибрационной обработки ВВ с учётом их физико-химических и механических свойств.

4.4 Чувствительность ВВ к разрядам статического электричества

Многие производственные процессы, особенно с применением диэлектрических материалов, сопровождаются образованием и накоплением электростатических зарядов. Статическая электризация чаще всего наблюдается при трении или скольжении поверхностей диэлектриков друг относительно друга или по поверхности металлов, при механическом разрушении диэлектриков, отрыве поверхностей одна от другой, распылении твердых и жидких аэрозолей, движении частиц в газовом потоке и пр. [29, 30, 31].

Пневматическое транспортирование промышленных ВВ и заряжание ими взрывных полостей сопровождаются электризацией. Уровень электризации в основном определяется состоянием контактирующих поверхностей и зависит от многочисленных факторов, в том числе от состава, дисперсности и влажности ВВ, скорости пневмотранспортирования, материала и электрического сопротивления трубопровода, влажности воздуха и т.п. Возникающие электростатические разряды при этом могут стать источниками воспламенения пылевоздушных смесей (ПВС), особенно при пневмозаряжании, когда образование пылевоздушных смесей возможно и вне трубопроводов. Наибольшей чувствительностью к искровым разрядам отличаются пылевоздушные смеси ВВ, они же отличаются и высокой электризуемостью, особенно пыли диэлектриков. Поэтому критерий чувствительности ВВ к электрической искре является основополагающим критерием с точки зрения электростатической безопасности, по которому можно оценить степень опасности воспламенения и разработать соответствующие меры.

Определение минимальной энергии зажигания пылевоздушных смесей проводится в основном по методу подачи заданной энергии искрового разряда в известный объём концентрации порошка. Один из вариантов установки определения чувствительности к искровому разряду представлен на рисунке 4.8.

Установка состоит из камеры 1, в которой распыляется и поджигается пылевоздушная смесь; киловольтметра 2; блока зарядки рабочего конденсатора 3; блока управления 4, с помощью которого автоматически синхронизируется работа распылителя 5 и искрообразующего устройства; счетного механизма 6, предназначенного для регистрации числа искровых разрядов. Дозатор (распылитель) 5 предназначен для создания и поддержания заданной концентрации ПВС исследуемого вещества до образования в ней искрового разряда. Искровой разряд образуется в момент выхода заслонки 7 из межэлектродного пространства под действием электромагнита 8. Искровой разряд формируется в межэлектродном промежутке (высоковольтный электрод 9 - заземленный электрод 10) с конденсатораС через индуктивность L от блока заданного напряжения 3.

Минимальная энергия воспламенения W_мин (Дж) рассчитывается из уравнения

, (4.14)

где С - ёмкость разрядной цепи, Ф;

U ₁ и U ₂ - напряжение на разрядной емкости соответственно до и после пробоя искрового промежутка, В.

Минимальная энергия зажигания пылевоздушных смесей может быть также рассчитана аналитически по формуле, полученной на основе обработки экспериментальных данных:

, (4.15)

где U (м/с)- скорость распространения пламени, определяемая как

, (4.16)

где S_уд - удельная поверхность дисперсной фазы, мм² /г;

К - параметр, определяемый теплофизическими свойствами горючей ПВС.

Зависимость (4.16) качественно подтверждается экспериментально.

Поскольку чувствительность ВВ к искровому разряду зависит от их физического состояния и может колебаться в широких пределах при изменении влажности, плотности, дисперсности порошков, то ее принято определять для наиболее опасной аэровзвеси. Значения минимальных энергий воспламенения аэровзвесей некоторых взрывчатых веществ в зависимости от дисперсности приведены в таблице 4.8 [32].

Таблица 4.8 - Значения минимальных энергий воспламенения аэровзвесей ВВ в зависимости от дисперсности

Вещество	Дисперсность, мкм	Минимальная энергия воспламенения, мДж
Гексоген	150	3
Тротил	100-300	2,8-3
Алюминиевая пудра	50-100	9,6-60
Аммонит 6ЖВ	125	1500
Гранулит АС-8	200-300	1600
Игданит	200-300	1900
Аммиачная селитра	100-300	2000

Из компонентов промышленных ВВ наибольшей чувствительностью характеризуется гексоген, тротил и алюминиевая пудра.

Для поиска минимальных пределов воспламенения от электростатических разрядов при разбавлении ПВС инертными газами или при разрежении среды используют установку, позволяющую проводить исследование зависимости чувствительности к искре в замкнутом пространстве (рисунок 4.9).

В этой установке, в отличие от установки, представленной на рисунке 4.8, где концентрация пылевоздушной смеси (ПВС) создается при свободном падении частиц, заданная концентрация достигается за счет взвешивания.

Рисунок 4.9 - Принципиальная схема установки определения чувствительности к электрическому разряду в зависимости от различных факторов

ПВС создается в известном объёме (4 см³ ) в диэлектрической сборке 1, которая установлена на якоре электромагнита 2, управляемого источником питания G ₂ . Электростатическая энергия от конденсатора С_к поступает в межэлектродное пространство с помощью вакуумного выключателя ВВ-20 от высоковольтного источника G ₁ через ограничительное сопротивление R . Полное смешивание газовой смеси с частицами достигается при помощи вентилятора 3 через крышку сборки из мелкоячеистого капронового сита. Сборка 1, электромагнит 2 и вентилятор 3 размещены в герметичной стальной испытательной камере 4, из которой воздух откачивается вакуумным насосом 5.

Результаты испытаний на данной установке порошкообразного циркония, используемого как один из компонентов для инициирующих составов, приведены на рисунках 4.10 и 4.11.

Нижним пределом содержания кислорода в среде азота является 10 % при оптимальной для воспламенения концентрации порошка в смеси 50 кг/м³ , при других концентрациях порошка такая смесь не воспламеняется (см. рисунок 4.10). При снижении остаточного давления в камере от значения атмосферного до 400 мм. рт. ст. (при содержании кислорода 21 %) минимальная энергия зажигания циркония увеличивается на несколько порядков, что снижает чувствительность циркония при использовании. Результаты испытаний порошкообразного циркония на данной установке позволили разработать рекомендации по безопасной технологии переработки порошка в производстве (см. рисунок 4.11).

Рисунок 4.10 - Чувствительность к искре ПВС циркония в зависимости от концентрации К (кг/м³ ) и остаточного давления Р (мм. рт. ст.)

Рисунок 4.11 - Возможность воспламенения циркония в зависимости от содержания кислорода в среде азота и массовой концентрации порошка в смеси газов

Для пастообразных взрывчатых веществ, например, гексопласта, или литых твердых образцов сборка для испытаний представляет несколько иную конструкцию, изображенную на рисунке 4.12. Устройство позволяет определить чувствительность к сканирующему разряду за счет вращения подложки 1 с образцом 2 относительно подвижного высоковольтного электрода 3. Кроме того, за счет смещения осевого центра заземленного электрода 4 относительно центра вращающейся подложки, одновременно можно выявить оптимальную величину разрядного промежутка l (мм) при воспламенении образцов.

1 - подложка; 2 - ВВ; 3 - высоковольтный электрод; 4 - заземленный электрод; 5 - генератор высоковольтного напряжения; 6 - блоксинхронизации

Рисунок 4.12 - Устройство определения чувствительности к сканирующему разряду

Для оценки электризуемости ВВ наиболее важными характеристиками являются их удельное объёмное (r_V , ОмЧм) и поверхностное (r_S , Ом) электрические сопротивления, которые определяются в соответствии с ГОСТ 6433.2-81 по схеме измерения (рисунок 4.13). В качестве измерительного прибора используется тераомметр типа ЕК6-7.

Удельные сопротивления веществ определяются по следующим формулам:

, , (4.17)

где R_V и R_S - соответственно измеренное объёмное и поверхностное сопротивление материала, Ом;

D ₀ - диаметр измерительного электрода, м;

h - толщина исследуемого образца, м;

d - зазор между измерительным и охранным электродами, м.

1 - охранный электрод; 2 - исследуемый материал;

3, 4 - измерительные электроды

Рисунок 4.13 - Схема измерения удельных электрических сопротивлений ВВ

Установлено, что материалы и продукты способны электризоваться в том случае, если удельное объёмное сопротивление их превышает 10⁶ ОмЧм. При оценке сравнительной электризации различных ВВ обычно используют установки [7], основанные на принципе образования электростатических зарядов при ударе частиц пылегазовоздушной струи о наклонную преграду, выполненную из различных конструкционных материалов.

Электризуемость выражают потенциалом (В) или удельным зарядом вещества (Кл/кг), находящегося в металлической емкости, после ссыпания в него контактируемых частиц порошка. Электрические характеристики и сравнительная способность к электризации некоторых ВВ приведены в таблице 4.9 [7].

Таблица 4.9 - Электростатические характеристики некоторых ВВ

Вещество	Влажность, j, %	Электрические характеристики	Электризуемость при ударе о пластину, В
		rV , ОмЧм	rS , Ом	латунь	алюминий
Гексоген	0,01	1015	1016	5000-7000	-
Тротил	0,01	2Ч1013	1011	4000	-
Аммонит 6ЖВ	0,04	5,7Ч1010	7,5Ч1010	650	1000
0,03	9,6Ч105	2,1Ч107	900	1500
Аммонал	0,16	1,2Ч106	108	900	1100
0,47	1,5Ч105	2Ч107	500	800
Аммонит скальный №1	0,05	1,7Ч107	1,5Ч107	2000	1900
Гранулит АС-8	0,33	3,5Ч108	2,7Ч108	50	50
0,77	2,8Ч107	1,6Ч107	0	0
Гранулит М	0,08	2,1Ч107	1,5Ч107	90	-
0,50	1,1Ч105	1,3Ч106	0	-

Наиболее высокую электризуемость имеют гексоген и тротил. Существенно меньше электризуется аммиачная селитра, особенно в гранулированном виде. Диэлектрические свойства и соответственно электризуемость промышленных ВВ, основным компонентом которых является гигроскопичная аммиачная селитра, как правило, снижаются при повышении их влажности и увеличении размеров частиц. На электризуемость ВВ влияют следующие факторы: относительная влажность воздуха, концентрация ВВ и скорость его перемещения в пневмопотоке, профиль пневмотранспортной линии (число поворотов и крутизна) и материал ее внутренней поверхности.

Интенсивность электризации в пневмотранспортных магистралях пропорциональна скорости потока в степени 1,8 и определяется как [29]:

J = жpDL mu^1,8 _,

где J - ток электризации, мкА;

ж - коэффициент электризации, мкКлЧс^0,8 /м^3,8 ;

m - массовая концентрация транспортируемого материала в потоке, кг/кг;

u - средняя по сечению скорость транспортируемого воздуха, м/с;

D и L - диаметр проходного сечения и длина трубы, м.

Большие электростатические заряды могут образовываться в потоке ВВ, поступающего из пневмопровода в приемный бункер или зарядную полость, а также в облаке пыли, выходящем с отработанным воздухом из устья шпура или скважины. Поэтому при оценке электростатической безопасности процессов транспортирования ВВ необходимо иметь данные по параметрам электризации, полученные на производственных установках или приближенных к ним.

4.5 Чувствительность ВВ к совместному воздействию

Кроме достаточно изученных и описанных выше воздействий на ВВ в процессе подготовки, переработки и эксплуатации, могут возникать сопутствующие воздействия, например, возникновение электростатического разряда с одновременным механическим воздействием при защемлении, ударе или других механических нагрузках на ВВ. Хотя такие факторы имеют малую вероятность появления, тем не менее, исключать их из оценки комплексной безопасности нельзя, поскольку в современных условиях разработка новых более эффективных и мощных ВВ (угленитов, граммонитов и др.) с использованием более чувствительных компонентов требует всестороннего подхода к условиям их безопасной переработки. На рисунке 4.14 представлена схема модельной установки определения чувствительности ВВ совместного воздействия факторов (электростатический разряд и скользящее трение).

Рисунок 4.14 - Схема установки определения чувствительности ВВк совместному воздействию

Конструктивно устройство представляет элемент фрезерного станка, на станине которого закреплена диэлектрическая подложка 1 с исследуемым веществом 2. На вещество воздействует стальной заземленный имитатор скольжения 3 с определенной скоростью движения и заданным давлением прижатия Р (кг/см² ). В подложку введен высоковольтный электрод 4, на который электростатический разряд синхронно поступает с генератора импульсов 5 при замыкании контактной группы SA, механически связанной с имитатором. В качестве исследуемого вещества был испытан состав ВВ на основе граммонита с различными флегматизирующими и горючими добавками. Чувствительность совместного воздействия (механическое трение и электрический разряд) оценивалась частостью ,%.

В таблице 4.10 приведены результаты экспериментов, из которых следует, что при определенных факторах механической нагрузки и электрического разряда (V= 1,8 м/с, W =162 мДж) при раздельном их воздействии, образец не воспламеняется (=0). При совместном же воздействии данных факторов (Р ,V , W ) существует пропорциональная зависимость вероятности воспламенения от энергии электрического разряда при варьировании электрической емкости и напряжения на конденсаторе Сгенератора 5.

Таблица 4.10 - Экспериментальные данные по чувствительности состава ВВ к совместному воздействию

Вид воздействия	V , м/с	C , пФ	U , кВ	W , мДж	, %
Механическое	0,8	-	-	-	0
Электрический разряд	-	20Ч103	7,5	112	0
Совместное	0,8	20Ч103	7,5	112	100
Механическое	1,8	-	-	-	0
Электрический разряд	-	20Ч103	9,0	162	0
Совместное	1,8	20Ч103	6,5	92	100
Совместное	1,8	10Ч103	5,0	47	14
Совместное	1,8	10Ч103	5,5	57	25
Совместное	1,8	10Ч103	6,5	68	40
Совместное	1,8	10Ч103	7,0	93	50
Совместное	1,8	4,7Ч103	5,0	33	9
Совместное	1,8	2,8Ч103	6,0	31	16
Совместное	1,8	7,8Ч102	9,0	27	50
Совместное	1,8	7,8Ч102	9,5	20	100

Учитывая, что значения W_мин определялись в окрестности пробивного напряжения, для качественного объяснения полученных результатов может быть применена модель электромеханического пробоя [33], согласно которой электрическая прочность материала пропорциональна механической прочности. В рамках этой модели и объясняется влияние сопутствующего механического воздействия имитатора на воспламеняемость от искровых разрядов. Сопутствующие механические воздействия совершают часть работы, необходимой для пробоя, понижают значение пробойного напряжения U_пр , а следовательно, и минимальную энергию зажиганияW_мин .



5. ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

взрывчатое вещество токсичность безопасность

Эксплуатационная безопасность заключается в совокупности всех мероприятий по обеспечению безопасности работ с ВВ на всех этапах, начиная со стадии изготовления опытных образцов в лабораторных условиях на ручных операциях и заканчивая уничтожением неиспользованных ВВ и их остатков после проведения взрывных работ. Перечень работ при обращении с ВВ, когда требуется обеспечение безопасности, можно охарактеризовать следующими образом:

· отработка опытных образцов, макетов и изделий на стадии проектирования;

· лабораторные испытания образцов на заданные характеристики;

· натурные испытания готовых изделий и полуфабрикатов на испытательных стендах и полигонах;

· собственно эксплуатация ВВ и изделий на их основе;

· сбор и уничтожение неиспользованных ВВ и их остатков.

При транспортировке, хранении, эксплуатации ВВ, человек непосредственно контактирует как с малыми навесками, так и с крупногабаритными изделиями, измеряемыми десятками тонн. На всех перечисленных этапах разработаны и действуют различные инструкции, правила, нормы, стандарты, наставления [34-37], которые регламентируют условия безопасного обращения с взрывчатыми материалами (ВМ). Практически все регламентирующие материалы разработаны на основе критериев безопасности, характеризующих чувствительность ВМ к тем или иным видам воздействий. Но, несмотря на обеспечение каждого рабочего места, участка, цеха инструкциями и наставлениями, проведение инструктажей и дополнительного обучения, аварии на объектах с использованием ВВ, приносящие разрушения и гибель людей, продолжают происходить.

Иногда человек нарушает требования безопасности, не понимая особенностей технологического процесса и результатов последствий таких нарушений. Анализ аварийных ситуаций показывает значимость человеческого фактора. Коэффициент травматизма и аварийности значительно снижается, когда человек, работая на опасных и особо опасных операциях, понимает сущность производственных операций и результаты последствий нарушений технологического процесса. Исходя из этого, ниже рассмотрены некоторые вопросы эксплуатационной безопасности, позволяющие более глубоко освоить существующие рекомендации по технике безопасности при обращении с ВВ.

5.1 Оценка разрушающей способности взрывов и безопасности человека от ударной волны

На основании значительных исследований на базе реальных повреждений типовых зданий и промышленных сооружений, вызванных ударными волнами при взрывах ВВ, широко используется в мировой практике формула, устанавливающая зависимость массы заряда взрывчатого вещества m(эквивалентна энергии взрыва Е ) от расстояния R , соответствующего расстоянию от места взрыва до объекта разрушения:

, (5.1)

где К - константа соответствующего уровня разрушения.

При массе m >5000 кг формула (5.1) принимает вид

или . (5.2)

Известные и найденные по характеру разрушений тротиловые эквиваленты позволяют определить энергию взрыва Е различных ВВ. Однако при этом следует учитывать и конкретные условия взрыва.

Известно, что первоначально вся энергия сосредоточена в источ-нике в форме потенциальной энергии. В момент взрыва она переходит как в тепловую и кинетическую энергию различных областей и фрагментов системы, так и в энергию излучения.

Энергия волны взрыва как движущейся части газовой среды складывается из тепловой энергии

(5.3)

и кинетической

, (5.4)

где r - плотность ВВ;

С - теплоёмкость;

q₀ , q - начальная и конечная температуры;

V - объём волны.

На поздней стадии развития процесса суммарная энергия волны Е=Е_Т +Е_К оказывается величиной постоянной и не изменяется во времени. Это постоянство на стадии слабого взрыва характерно для всех взрывных процессов. При взрывах конденсированных ВВ на образование воздушной ударной волны расходуется практически вся (более

90 %) энергия взрыва.

Ориентировочные значения энергетических показателей взрывоопасности Е , m , Q_В и R ₀определяют по зависимостям, приведенным в [34], или другими уточненными методами, исходя из конкретных условий. Из уравнения энергетического баланса ударной волны с учётом конкретных условий определяют реально возможный эквивалент ТНТ (тринитротолуола), а по закономерностям «кубического корня» (зависимость (5.2)) - реальные расстояния R соответствующих уровней разрушения, площади, описываемые этими радиусами, а также другие параметры воздействия ударной волны на объекты.

Выделяется пять зон опасности, соответствующих следующим значениям константы К (формула (5.1)):

1) К =3,8 - полное разрушение зданий;

2) К =5,6 - 50%-ное разрушение зданий;

3) К =9,6 - разрушение зданий без обрушения;

4) К =28 - умеренное разрушение зданий с разрушением дверей, оконных переплетов, кровли, внутренних перегородок;

5) К =56 - малые повреждения с разрушением »10 % остекления.

Более точно разрушающую способность взрывов можно характеризовать избыточным давлением, воздействующим на объект. В таблице 5.1 приводятся уровни разрушения некоторых зданий и соответствующие им избыточные давления, при которых достигается данная степень разрушения.

На рисунке 5.1 изображена соответствующая зависимость избыточного давления и приведенных расстояний [2]. Определение разрушающей способности по тротиловому эквиваленту и совмещению зависимостей радиуса разрушения и избыточного давления от приведенного расстояния является приемлемым и широко используемым для оценки взрывов.

Несмотря на некоторую неадекватность высвобождения энергии различными энергоносителями, метод совмещения энергетического эквивалента ТНТ и основных принципов «кубического корня» позволяет достаточно точно прогнозировать уровни возможного разрушения при взрывах на технологических объектах.

Таблица 5.1 - Уровни разрушения некоторых зданий при соответствующем избыточном давлении ударной волны

Категория повреждения	Характеристика повреждения здания	Избыточное давление, кПа	К
A	Полное разрушение здания	70	3,8-5,6
B	Тяжелые повреждения, здание подлежит сносу	33	5,6-9,6
C	Средние повреждения, возможно восстановление здания	25	9,6-28
D	Разбито 90 % остекления	4	28-56
E	Разбито 50 % остекления	0,2	>56
F	Разбито 5 % остекления	0,05	>56

Рисунок 5.1 - Зависимость давления Р на фронте ударной волны при взрыве ВВ от приведенного расстояния (R /m ^1/3 )

Для практических расчетов безопасности в конкретных условиях можно оценить максимальное избыточное давление, при котором объект (здание, сооружение) будет сохранять еще необходимую устойчивость. Непревышение этого давления может быть обеспечено соответствующим безопасным расстоянием R_В (от источника взрыва до объекта) или при известном расстоянии R_В уменьшением энергетического потенциала. При этом для больших значений массы m >4000 кг используется принцип Хопкинсона R_В =К m ^1/3 . Однако при малых значениях m показатель степени существенно изменяется в зависимости от массы m и находится в пределах от 1/3 до 2/3. Этим объясняется то, что в ряде стран (США, Англия, Франция) используют показатель степени 1/2 при определении безопасных расстоянийR_В .

При зарядах ВВ меньше нескольких тонн расстояния R_В будут несколько меньше расстояний, рассчитанных по кубической зависимости. Так, для m <100 кг расстояния R_В почти не имеют значения в целом. На рисунке 5.2 приведена зависимость значений безопасных расстояний R_В для зданий от массы m , которая может быть использована для выбора безопасных условий в случае конкретных технологических объектов.

Рисунок 5.2 - Зависимость безопасных расстояний R _В от массывзрывающихся зарядов m

Для оценки предполагаемого уровня разрушений широко применяют графический метод оценки разрушающей способности ударных волн с помощью диаграмм влияния давления взрыва Р (кПа) и импульса взрыва i (кПа·с), построенных с помощью уравнения (5.3). Примером такой диаграммы является диаграмма P- i (рисунок 5.3) для трех степеней разрушения кирпичных зданий: 1 - минимальные пов-реждения; 2 - значительные разрушения; 3 - частичные разрушения (от 50 до 75 % стен разрушено или находится на грани разрушения). Степень повреждения объекта увеличивается с ростом давления и импульса; при этом не обязательна конкретизация источника, от которого получена ударная волна. Диаграмма P- i применима для оценки возможного уровня разрушения кирпичных зданий, административных построек, легких промышленных сооружений каркасной конструкции с прочностными характеристиками, приближающимися к характеристикам кирпичных зданий. По диаграмме P- i можно установить степень повреждения конструкции при известных комбинациях значений P и i . Кривые на диаграмме представляют собой линии равной степени повреждения объектов и определяют комбинацию этих значений, необходимую для получения заданной деформации. Если на объект действуют нагрузки со значениями амплитуды и импульса, изображаемыми точкой, расположенной выше кривой, то данный объект будет поврежден, так как в этом случае деформация превысит критические значения. Для выбора безопасных условий точка, отражающая соответствующие значения давления Р и импульса i , должна лежать ниже кривой. Вертикальная часть кривой характеризует импульсный режим нагружения (А ), и для того, чтобы отклониться от линии равных степеней повреждения, необходимо изменить импульс i , поскольку изменение амплитуды нагружения не влияет на состояние объекта.

1 - граница минимальных повреждений; 2 - граница значительныхповреждений; 3 - частичное разрушение зданий(от 50 до 75 % стен разрушено)

Рисунок 5.3 - Диаграмма Р- i

В области низких давлений взрыва (Р <40 кПа) преобладает квазистатический режим нагружения объектов, и за основной критерий опасности их разрушения необходимо принимать избыточное давление ударной волны. В областях высоких давлений при i >0,6 кПаЧс, когда преобладает импульсный режим нагружения объектов, за основной критерий следует принимать импульс взрыва.

Для оценки разрушающей способности ударных волн и устойчивости объектов широко используют P- iдиаграммы в сочетании с кривыми зависимости параметров взрывных волн от тротилового эквивалентаd_т (энергетического потенциала Е ) и расстояния от энергоносителя до объекта R , нанесенными в виде сетки на диаграммы. Сетка кривых R- d_т , как показано на рисунке 5.4, позволяет определять различные комбинации энергии взрыва и расстояния от энергоносителя, соответствующие нагрузкам, при которых достигается заданный допустимый уровень повреждения зданий (конструкций). Кривая равной степени повреждения 1 на диаграмме P- i (см. рисунок 5.4) показывает, что к одинаковому разрушающему эффекту приводят энергоносители, эквивалентные 1/8, 1/7, 1/2, 1 и 2 кг ТНТ на расстояниях соответственно R =0,43; 0,85; 1,33; 2 и 3 м.

Такие диаграммы справедливы только для данной степени повреждения конструкции. В сложных объектах для каждого элемента конструкции, который имеет свой уровень устойчивости, на графике наносят несколько диаграмм P- i (рисунок 5.5) различных уровней повреждения (например, I и II). Это необходимо для того, чтобы учесть уровень всех возможных повреждений и предусмотреть меры, исключающие развитие аварий.

Рисунок 5.5 - Диаграмма Р- i для оценки устойчивости (уровней разрушений) сложных объектов с разнопрочными элементами (конструкциями)

Таким образом, безопасные расстояния по действию воздушной ударной волны от взрыва заряда ВВ на земной поверхности регламентируются Едиными правилами безопасности и могут быть вычислены по формулам (5.1), (5.2).

Радиус зоны безопасности по действию воздушной ударной волны на человека определяется как

, (5.5)

где m - масса заряда, кг.

При наличии блиндажа радиус r_min может быть уменьшен в 1,5 раза. Предельная величина заряда при ведении взрывных работ вблизи зданий и сооружений

, (5.6)

где r _ф - фактическое расстояние от места взрыва до охраняемого объекта, м.

При подземных массовых взрывах опасные расстояния по действию воздушной ударной волны могут быть определены в зависимости от величины давления в ней [38]:

, (5.7)

где m - масса заряда, кг;

h _у - коэффициент перехода энергии взрыва в воздушной ударной волне, значение h _у от 0,005 до 0,1;

R - длина выработки, м;

Ss - суммарная площадь сечения выработок, сообщающихся с выработкой, в которой размещен заряд, м² ;

b - коэффициент сопротивления выработки;

- приведенный диаметр выработки, м;

n - показатель действия взрыва.

Формула (5.7) справедлива для промышленных ВВ с удельной энергией взрыва около 4300 кДж/кг (аммонит 6ЖВ). Для других ВВ массу заряда следует умножить на отношение удельных энергий используемого ВВ и аммонита 6ЖВ. Если принять максимально допустимую для человека величину давления воздушной ударной волны равной 20 кПа, то из выражения (5.7) может быть также найдено минимальное безопасное расстояние по действию ее на человека.

Зоны, опасные для людей по разлету отдельных кусков взорванной породы, в зависимости от показателя взрыва n и линии наименьшего сопротивления (ЛНС) приведены в таблице 5.2.



Таблица 5.2 - Зоны, опасные для людей по разлету породы, в зависимости от показателя взрыва n и ЛНС

ЛНС	Радиус опасной зоны (м) при значении показателя действия взрыва n
	для людей	для механизмов и сооружений
	1,0	1,5	2,0	2,5	1,0	1,5	2,0	2,5-3,0
1,5	200	300	350	400	100	150	250	300
2	200	400	500	600	100	200	350	400
4	300	500	700	800	150	250	500	550
8	400	600	800	1000	200	300	600	700
12	500	700	900	1200	250	400	700	800
20	700	800	1200	1500	350	400	800	1000
30	800	1000	1700	2000	400	500	1000	1200

Безопасные расстояния при передаче детонации между зарядами ВВ при взрывных работах рассчитываются по формуле, предложенной И.И. Таммом и М.Л. Радовским:

, (5.8)

где К - коэффициент, зависящий от типов ВВ активного и пассивного зарядов (для тротила К =1,5, для аммонита 6ЖВ К =0,65);

m - масса активного заряда, кг;

D_э - эффективный размер пассивного заряда, принимаемый равным его ширине при удвоенной высоте, м.

5.2 Токсичность взрывчатых веществ и продуктов взрыва

Важной мерой промышленной санитарии при эксплуатации ВВ является защита людей от токсичного действия ВВ и продуктов их взрыва. Контакт с ВВ и их компонентами, как и со многими другими химическими соединениями, при отсутствии защитных мер оказывает вредное воздействие на организм человека. При кратковременном их воздействии симптомы отравления могут проявляться в головокружении, головных болях, тошноте; при длительном воздействии малых концентраций развиваются хронические заболевания печени, легких и других органов. В большинстве случаев вредные вещества попадают в организм в виде пыли или паров через дыхательные пути, реже - через пищеварительный тракт или кожные покровы.

Характер воздействия вредных веществ на организм и общие требования безопасности регламентируются ГОСТ 12.0.003-84, который подразделяет вещества:

· на токсичные, вызывающие отравление всего организма или поражающие отдельные системы (ЦНС, кроветворения), вызывающие патологические изменения печени, почек;

· раздражающие, вызывающие раздражение слизистых оболочек дыхательных путей, глаз, легких, кожных покровов;

· сенсибилизирующие, действующие как аллергены (формальдегиды, растворители, лаки на основе нитро- и нитрозосоединений);

· мутагенные, приводящие к нарушению генетического кода, изменению наследственной информации (свинец, марганец, радиоактивные изотопы);

· канцерогенные, вызывающие злокачественные новообразования (циклические амины, ароматические углеводороды, хром, никель, асбест).

О сравнительной токсичности различных ВВ судят по величине предельно допустимой концентрации (ПДК) их паров или пыли в воздухе. Все вредные вещества по степени воздействия на организм человека в соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 подразделяются на классы:

1 - чрезвычайно опасные, 2 - высокоопасные, 3 - умеренно опасные,

4 - малоопасные. Опасность устанавливается в зависимости от величины ПДК , средней смертельной дозы и зоны острого или хронического действия. Если в воздухе содержится вредное вещество, то его концентрация не должна превышать величины ПДК . При одновременном присутствии в воздушной среде нескольких вредных веществ, обладающих однонаправленным действием, должно соблюдаться условие:

, (5.9)

где С ₁ , С ₂ , С ₃ , .. ,.С _n - фактические концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны, мг/м³;

ПДК ₁ , ПДК ₂ , ПДК ₃ ,… , ПДК _n - предельно допустимые концентрации этих веществ в воздухе рабочей зоны, мг/м³ .

Значения ПДК некоторых вредных ВВ и их составляющих приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 - Значения ПДК некоторых взрывчатых веществ

Вещество	ПДК , мг/м3
Тротил	1
Нитроглицерин	2
Гексоген	1
Алюминий	2
Индустриальные масла (пары, туман)	10-300
Окислы азота	5
Окись углерода	20-30
Сероводород	10-15
Пары ртути	0,01
Пары свинца	0,01
Аммиачная селитра	10

Опасность отравления пылью и парами ВВ возрастает при выполнении операций с неснаряженными и непатронированными ВВ и особенно при механизированных способах их растаривания, транспор-тирования и заряжания.

Кроме пыли и паров ВВ вредное действие на человека оказывают некоторые продукты взрыва - окислы азота, окись углерода, сернистые соединения и другие. Первоначально образующаяся бесцветная окись азота NO, соединяясь с кислородом воздуха, переходит в двуокись NO₂ , окрашенную в бурый цвет, которая легко адсорбируется разрыхленной горной массой, а в процессе погрузочных работ выделяется из нее. Она медленно действует на организм (скрытый период от 4 до

6 ч), вызывая отек легких.

Окись углерода (угарный газ) - бесцветный газ, несколько легче воздуха, плохо растворимый в воде. Легко адсорбируется разрыхленной породой. При непродолжительном вдыхании вызывает головные боли, тошноту, сонливость. При длительном вдыхании или выдыхании большой дозы наступает потеря сознания, удушье. Первая помощь при отравлении угарным газом - вынос пострадавшего на свежий воздух и искусственное дыхание.

Ядовитые газы в больших или меньших количествах образуются при взрыве всех промышленных ВВ. Как показано в работах Б.Д. Росси [41] и других исследователей, количество вредных веществ зависит от химического состава ВВ, его детонационной способности и других факторов, определяющих полноту химических реакций при взрывчатом превращении.

Определенное влияние могут оказывать химические, физико-механические и теплофизические свойства взрываемых горных пород. Состав продуктов взрыва в сильной степени зависит от кислородного баланса ВВ. Промышленные ВВ с положительным кислородным балансом образуют при взрыве окислы азота, причем их количество возрастает с увеличением избытка кислорода в составе ВВ. При отрицательном балансе образуется токсичная окись углерода и тем в большем количестве, чем меньше кислородный баланс ВВ.

Опытные данные по составу продуктов взрыва смесей с различным кислородным балансом, определенные в лабораторных и производственных условиях, приведены соответственно в таблицах 5.4 и

5.5 [7].

Таблица 5.4 - Состав продуктов взрыва смесей аммиачной селитры

с тротилом

Состав смеси, %	Кислородный баланс, %	Содержание газов в ПВ, %
аммиачная селитра	тротил		CO2	CO	NO	H2	CH4	N2
95	5	+18	16,6	4,55	-	0,55	1,2	76,1
88	12	+8,7	27,9	4,9	3,2	0,5	1,6	61,9
83	17	+4	32,1	5,3	2,4	1,7	1,6	57
79	21	+0,3	32,3	5,7	2,7	1,9	1,8	55,6
70	30	-8,2	26,6	13,9	0,7	2,3	2,2	54,4

Таблица 5.5 - Состав продуктов взрыва смесей тротила, аммиачной селитры и калиевой селитры
Состав смесей, %	Кислородный баланс, %	Количество ядовитых газов, л/кг
тротил	аммиачная селитра	калиевая селитра		СО	окислы азота	сумма в пересчете на СО
37,6	62,4	-	-15,3	125	2,7	142,6
22	78	-	-0,7	30,4	5,5	66
17,6	82,4	-	+3,5	20	13,3	106,5
17,6	62,4	20	+7,4	16,6	5,3	51,1

При взрывании в лабораторных условиях в вакуумированном сосуде (бомбе Бихеля) [5] образуется бесцветная моноокись азота (NO), которая при контакте с воздухом переходит в окрашенные окислы: азотистый ангидрид, двуокись азота, четырехокись азота (N₂ O₃ , NO₂ , N₂ O₄ ). Например, в шахтных условиях образуются одновременно и примерно в равных количествах NO₂ и NO. Последняя в течение довольно долгого времени может сохраняться в разрыхленной породе и постепенно переходит в двуокись. Двуокись азота легко растворяется в воде, и поэтому ее концентрация в атмосфере влажных забоев шахт быстро падает. Окись углерода в воде растворяется плохо.

В связи с сильным влиянием кислородного баланса на образование ядовитых газов, при взрывах в подземных условиях применяют ВВ с кислородным балансом, близким к нулевому.

Исследования влияния горючей оболочки патронов на образование ядовитых газов показали, что степень такого взаимодействия зависит от кислородного баланса ВВ и температуры взрыва. С увеличением этих параметров доля сгоревшей оболочки возрастает и соответственно увеличивается образование окиси углерода. Для ВВ с нулевым кислородным балансом влияние оболочки патронов невелико. Так, увеличение массы парафинового покрытия на патронах аммонита 6ЖВ с 2,3 до 4,8 г на 100 г ВВ привело к увеличению содержания CO в продуктах взрыва от 30,1 до 34,1 л на 1 кг ВВ. Тем не менее нормативными документами на патронированные ВВ ограничивается масса бумаги до2 г и масса гидроизолирующего покрытия на патронах до 2,5 г на 100 г ВВ.

Таким образом, одной из причин образования токсичных газов - окиси углерода и окислов азота - является избыток или недостаток кислорода в составе ВВ. Однако и ВВ с близким к нулевому кислородным балансом образуют при взрыве некоторое количество ядовитых газов. Так, хорошо изготовленный аммонит 6ЖВ в патронах диаметром от 32 до 36 мм образует при взрыве около 30 л/кг окиси углерода и до 5 л/кг окислов азота. Наличие этих газов в продуктах взрыва ВВ с нулевым кислородным балансом является следствием того, что окислы азота, первоначально образовавшиеся при взрывном разложении селитры, и окись углерода, образовавшаяся при разложении тротила и других нитросоединений, при быстром охлаждении продуктов взрыва не успевают полностью прореагировать между собой с образованием нетоксичной двуокиси углерода. Часть их остается в первоначальном виде.

Описанный механизм образования ядовитых газов позволяет объяснить зависимость этого процесса от качества изготовления смесевого ВВ, диаметра патронов, величины инициирующего импульса, дисперсности ВВ и других факторов, влияющих на полноту химических реакций при взрыве, а также зависимость образования продуктов взрыва от свойств взрываемых горных пород. Так, по данным Б.Я. Светлова, в лабораторных условиях крупнодисперсный аммонит 6ЖВ (размер частиц от 0,2 до 0,5 мм) образовывал почти в пять раз больше окислов азота, чем тонкодисперсный (размер частиц менее 0,2 мм). Им же установлено, что некоторые вещества способны снижать образование ядовитых газов при взрыве ВВ, каталитически воздействуя на вторичные реакции в продуктах взрыва с участием окислов азота. К таким веществам, в частности, относятся соли или окислы щелочных металлов. Из таблицы 5.5 видно, что в составе, содержащем нитрат калия, несмотря на положительный кислородный баланс, образуется окислов азота значительно меньше, чем в составе без калиевой соли.

Свойства горных пород также могут влиять на конечный состав продуктов взрыва в результате химического воздействия вещества породы на продукты реакции, связывания или растворения их (грунтовыми водами), физического воздействия на процесс охлаждения газов, закалку и установление ложного равновесия в охлажденных газах.

В этой связи Б.Д. Росси предложил классифицировать горные породы по признаку их влияния на образование ядовитых газов при взрыве ВВ. К группе I отнесены апатиты, нефелины, калийные руды, молибденовые руды, некоторые медные и полиметаллические руды, при взрывании которых аммонитом 6ЖВ количество ядовитых газов в пересчете на условную окись углерода (для окислов азота переводной коэффициент равен 6,5) составляет мене 40 л на 1 кг ВВ. К группе II отнесены угли и вмещающие породы, свинцово-цинковые, мартитовые железные и золотоносные руды, в которых аммонит 6ЖВ образует при взрыве от 40 до 100 л/кг ядовитых газов. К группе III отнесены джеспилитовые железные руды, в которых образуется более 100 л/кг ядовитых газов.

Свойства некоторых пород могут оказывать большее влияние на образование ядовитых газов, чем свойства самого ВВ. Например, чем выше коэффициент крепости, тем больше образуется окиси углерода и в ряде случаев меньше окислов азота (таблица 5.6) [41].

Таблица 5.6 - Количество ядовитых газов в различных породах при их взрывании

Горная порода	Состояние породы	Коэффициент крепости	Количество ядовитых газов, л/кг
			CO	NO2	CO+6,5NO2
Мартитовая руда	Влажная	4	10,3	5,1	43,5
Гидрогематитовая	Сухая	4	7,0	5,4	42,1
Хлоритовые сланцы	Сухие	6	18,6	1,3	27,0
Гидрогематитовые мартитовые роговики	Сухие	8	29,8	1,2	37,6
Джеспилиты сильно трещиноватые	Сухие	12	20,4	4,5	49,7
Джеспилиты трещиноватые	Сухие	12	34,1	1,2	41,9
	Влажные	14	33,4	1,6	43,8

В связи с сильным влиянием свойств горных пород на образование ядовитых газов при взрывах нет единой нормы по этому показателю для различных ВВ, но соблюдается правило, что в одинаковых условиях взрывания каждое новое ВВ, предназначенное для работ в подземных условиях, должно выделять при взрыве ядовитых газов в расчете на один килограмм не больше, чем аммонит 6ЖВ, принятый за эталон.

Наиболее эффективной и необходимой мерой борьбы с образовавшимися ядовитыми газами в забое является достаточно хорошее проветривание его непосредственно после взрыва и во время уборки взорванной горной массы. На отдельных горных предприятиях для нейтрализации ядовитых газов используют водяные завесы, заслоны, а также комбинированные перемычки (воздушно-водяные перемычки). Например, на Шерегешской шахте (Кузнецкое рудоуправление) при проведении опытно-промышленных испытаний способов и средств гашения ударных воздушных волн и нейтрализации продуктов взрывания при массовых взрывах использовали водяные и комбинированные перемычки в горных выработках бурового и откаточного горизонтов [42].

Водяную перемычку (рисунок 5.6) возводили в выработке на определенном расстоянии от места взрывания. Она представляла собой деревянный каркас в виде емкости (внутри проложена полиэтиленовая пленка), наполненный водой. В нижней части каркаса располагали заряды ВВ (аммонит 6ЖВ), которые взрывали от общей коммутационной сети с зарядами массового взрыва при нулевом замедлении, что обеспечивало достаточно эффективное гашение ударной воздушной волны.

При установке воздушно-водяной перемычки (рисунок 5.7) отдельные полиэтиленовые мешки, определенной формы и объёма, наполняли водой и укладывали друг на друга от почвы до кровли выработки. Емкости с водой устанавливали вогнутой стороной перемычек навстречу УВВ. В нижней части емкости размещали заряды ВВ, соединяя их общей коммутационной сетью с зарядами, расположенными в воздушной перемычке, и зарядами массового взрыва. Воздушная перемычка устанавливалась непосредственно за водяной перемычкой, со стороны, противоположной направлению ударной волны, с использованием емкостей, заполненных сжатым воздухом через клапаны из шахтной сети до избыточного давления 0,03…0,05 МПа. Воздушная перемычка взрывалась в первую очередь для образования воздушной «пробки». При взрыве водяной перемычки во вторую очередь или одновременно с воздушной образовывалась воздушно-водяная смесь, которая устремлялась направленным потоком в сторону ведения взрывных работ для нейтрализации энергии ударной волны.

В емкостях с водой размещался химический поглотитель для нейтрализации продуктов взрыва, состоящий из окиси кальция и алюминия и гидроокиси натрия в соотношении 0,5:0,3:0,2. Состав и количество химического поглотителя, который применялся для нейтрализации токсичных веществ, образовавшихся при взрывных работах, были определены по химическому составу и количеству ВВ, использованных при взрыве. Токсичные вещества, выделившиеся в результате взрыва, соприкасались с частицами химического поглотителя, распределенными равномерно по всему потоку воздушно-водяной смеси, вступали с ними в химическую реакцию и нейтрализовывались.

1 - горная выработка; 2 - вода; 3 - заряды ВВ; 4 - емкость со сжатым воздухом; 5 - клапан; 6 - химические поглотители;7 - коммутационная сеть; 8 - емкости с водой

Рисунок 5.7 - Схема воздушно-водяной перемычки в горной выработке

В результате проведенных в Шерегешской шахте [42] опытно-промышленных испытаний способов защиты горных выработок и нейтрализации продуктов взрыва путем применения водяных и воздушно-водяных перемычек при массовых взрывах установлено: разрушения горных выработок отсутствовали; нарушений электроснабжения, воздушных и водяных коммуникаций не обнаружено; скважины в смежных блоках остались в рабочем состоянии; химические поглотители, размещенные в емкостях с водой, позволили нейтрализовать до 90 % токсичных веществ, выделившихся в результате взрыва, что дало возможность сократить время проветривания шахты с 72 до 19 часов.