Определение критических параметров ударных волн при взрыве заряда взрывчатых веществ, вызывающих воспламенение метановоздушной смеси

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Украина

Определение критических параметров ударных волн при взрыве заряда взрывчатых веществ, вызывающих воспламенение метановоздушной смеси

Калякин С. А.

Аннотация

Калякин С. А. Определение критических параметров ударных волн при взрыве заряда ВВ, вызывающих воспламенение метановоздушной смеси /С.А. Калякин // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Сер. «Гірничо-геологічна» / ДВНЗ «ДонНТУ». - 2011. - Вип. (). - С.

В работе определены критические параметры ударных волн, вызывающие воспламенение МВС при детонации в ней зарядов ВВ. Установлено, что ВВ, содержащие в составе соли-ингибиторы метана, воспламеняют МВС ударными волнами, имеющими более высокие параметры во фронте ударной волны, чем у непредохранительных ВВ.

1. Предохранительные взрывчатые вещества

взрывчатый метановоздушный воспламенение детонация

Предохранительные взрывчатые вещества (ПВВ) применяются в опасных по газу и взрывам угольной пыли условиях угольных шахт. Они отличаются от непредохранительных ВВ наличием в составе специальных солей-ингибиторов реакции окисления метана кислородом воздуха, способных при взрыве заряда ингибировать большие объемы метановоздушной смеси (МВС). Однако до настоящего времени не исследовано влияние солей-ингибиторов на параметры ударных волн, вызывающих воспламенение МВС при взрыве в ней открытого заряда ПВВ.

Анализ предыдущих исследований. В ранее проведенных работах предложен механизм воспламенения МВС ударной волной на основе сопоставления необходимых условий для воспламенения взрывоопасной смеси с параметрами ударных волн, образованных в ней детонирующим зарядом ПВВ. Эти исследования выдвинули ударную волну на место наиболее вероятного источника воспламенения МВС при взрыве в ней заряда ПВВ. Однако известно, что при определенной концентрации ингибитора в МВС происходит прекращение ее горения и детонации и воспламенение метана ударными волнами при взрыве заряда ПВВ не произойдет. Таким образом, определение параметров ударных волн вызывающих при взрыве ПВВ воспламенение МВС с учетом ее ингибирования солями, входящими в состав ВВ является очень важным для решения проблемы безопасности взрывных работ в шахтах.

Целью работы является исследование критических параметров ударных волн, вызывающих воспламенение МВС при взрыве в ней заряда ПВВ, продукты детонации которого содержат соли-ингибиторы реакции окисления метана.

Материалы и результаты исследований. Определение начальных параметров ударных волн (УВ) в газообразной среде при детонации в ней заряда ВВ представляет собой достаточно сложную задачу. В работах [1,2] Л.Д. Ландау, К.П. Станюковича и Ф.А. Баума дается решение, которое позволяет определять параметры ударной волны вблизи поверхности заряда ВВ, в зависимости от давления детонации ВВ - РН, скорости его детонации - D и скорости истечения продуктов детонации в воздух WD. Тогда отношение давления во фронте ударной волны - Рх к давлению детонации ВВ на границе раздела «ВВ - газообразная среда» можно определить по формуле:

, (1)

где св, сВВ - плотность воздуха и ВВ соответственно;

n - показатель политропы продуктов детонации ВВ;

га - показатель адиабаты воздуха с учетом его ионизации, га ? 1,2.

В работе [2] римановское решение доводится до конца, рассматривая отдельно обе части уравнения, описывающего расширение продуктов детонации и взрыва ВВ, и связывая решения в точке их сопряжения. Таким образом, имеем решение, позволяющее оценить в характерном для этого случая интервале расширения скорость истечения продуктов детонации ВВ в газообразную среду:

, (2)

где СК - скорость звука в точке сопряжения продуктов взрыва и продуктов

детонации (ПД) ВВ;

k - показатель адиабаты продуктов взрыва ВВ.

Уравнение (2) позволяет приближенно определить значение скорости истечения продуктов детонации ВВ в этом интервале. Тогда среднее значение скорости истечения можно найти из уравнения:

, м/с. (3)

В соответствии с работой [2], значение скорости звука в продуктах взрыва ВВ равно:

, (4)

где РК - давление продуктов взрыва ВВ в точке сопряжения ударных адиабат.

Метод расчета давления продуктов взрыва ВВ в точке сопряжения дан в работе [3]. Известным методом (метод «аквариума») были определены параметры детонации зарядов промышленных ВВ II…VII классов. Это позволяет по уравнениям (1)…(4) рассчитать начальные параметры ударных волн в воздухе при взрыве зарядов промышленных ВВ. Результаты расчета приведены в табл. 1. Он сделан с учетом того, что продукты взрыва ПВВ содержат 20..40% соли-ингибитора. Поэтому показатель адиабаты продуктов взрыва (k) у ПВВ может быть меньше, чем у непредохранительных ВВ, имеющих состав продуктов взрыва, не содержащий конденсированных частиц ингибитора.

Расчеты показывают, что начальные значения параметров воздушных

Таблица 1 Начальные параметры ударных волн в воздухе при взрыве ВВ

ударных волн ПВВ II…VII классов тем больше, чем больше их скорость детонации и энергия взрыва. Для ПВВ II…IV классов, имеющих высокую скорость детонации, начальные параметры ударных волн в воздухе или весьма близкой к нему 9,0%-ной МВС имеют очень большие значения, например, в 50…60 раз выше, чем давление во фронте детонационной волны МВС. Высокопредохранительные ВВ V…VII классов образуют при взрыве менее интенсивные ударные волны, однако и их параметры превышают параметры детонации МВС в 17,0…29,5 раз. Эти результаты показывают, что, если бы основным источником воспламенения МВС являлись бы ударные волны, то воспламенение метана происходило бы при взрыве любых ВВ. Вместе с тем, мы наблюдаем, что одни ВВ легко воспламеняют МВС и имеют малый предельный заряд, а другие, наоборот, с трудом ее воспламеняют и имеют большой предельный заряд. Так, если сравнить аммонит Т-19 и ионит, то получается, что давление в образованных этими ВВ ударных волнах отличается в 2,84 раза, тогда как масса предельных свободноподвешенных зарядов при взрыве в МВС отличается в 60 раз. Это указывает на то, что начальные параметры ударных волн, образованных при взрыве зарядов ПВВ в МВС, не всегда следует рассматривать как критерий их антигризутности. Для уточнения механизма воспламенения МВС открытым детонирующим зарядом ПВВ были проведены исследования, которые базируются на результатах, полученных в работах [4,5].

В работе [4] В.В. Адушкин получил эмпирические уравнения, которые позволяют определить избыточное давление - во фронте воздушной ударной волны, скорость разлета продуктов детонации ВВ (ПД) - Wп и радиус сферы продуктов взрыва, начиная с момента выхода детонационной волны на поверхность сферического заряда до момента достижения радиуса

R = (10…15)rз, где rз - радиус заряда ВВ. В своей работе [5] автор получил значение коэффициента ау, который определяет часть потенциальной энергии взрыва, передаваемую при детонации открытого заряда ПВВ ударной волне. Этот коэффициент зависит от содержания ингибитора в составе ВВ и его скорости детонации. Для зарядов ПВВ с низкой скоростью детонации коэффициент ау= 0,45..0,55, а с высокой ау= 0,89..0,95. Воспользуемся этими результатами для преобразования эмпирических зависимостей, полученных для зарядов из тэна в работе [4]. При определении избыточного давления во фронте ударной волны и скорости разлета продуктов детонации открытых зарядов ПВВ вводим в эти уравнения коэффициент, учитывающий энергетическое подобие между ВВ, и коэффициент ау. В результате преобразования уравнений, полученных в работах [4,5], имеем:

, Па, (5)

, м/с, (6)

где Ен - потенциальная расчетная удельная энергия взрыва ВВ, кДж/кг;

- относительное удельное содержание в 1 кг ВВ конденсированной

фазы в виде соли-ингибитора, кг/кг.

Критические размеры безопасной воздушной оболочки вокруг заряда, через которую не передается детонация от ВВ к МВС, были установлены экспериментально, путем взрывания зарядов ПВВ в опытном штреке с взрывчатой МВС (9…10% СН4). В штреке подвешивали заряды ВВ разной массы, которые были отделены от взрывной камеры, заполненной МВС, воздушной оболочкой с известными размерами. В отдельных случаях штрек заполнялся МВС до устья, а заряды ВВ взрывали в воздухе. Согласно методике экспериментальной работы, предложенной проф. Шевцовым Н.Р., были установлены размеры воздушной оболочки, при которой взрываемый заряд в 10 опытах не вызывал воспламенение МВС, и размер оболочки, при которой происходили воспламенения. Средний размер воздушной оболочки в этих опытах рассматривали как критический и использовали его в уравнениях (5) и (6) для расчета критических параметров ударных волн. Экспериментальные и расчетные данные этих опытов приведены в табл. 2. В расчетах учитывали тот факт, что часть энергии взрыва ПВВ расходуется на нагрев и разгон частиц соли-ингибитора до скорости расширяющихся газообразных продуктов взрыва. Для того чтобы это учесть в уравнение (6) был введен коэффициент (1-) степень при котором подобрали исходя из предположения, что соль-ингибитор и газообразные продукты взрыва находятся в термодинамическом равновесии и имеют максимальную скорость расширения при взрыве. Известно, что скорость расширения продуктов взрыва ПВВ зависит в большей степени от его энергии взрыва чем от скорости детонации, так как предохранительные ВВ имеют неидеальный режим детонации. Скорость неидеального режима детонации ПВВ зависит от содержанием в составе ВВ сенсибилизатора и его детонационной способности.

Таблица 2 Критические параметры воздушных оболочек вокруг зарядов ВВ и ударных волн в них при воспламенении МВС

Скорость ударной волны, входящей в МВС из воздушной оболочки, окружающей заряд ВВ, определяли по уравнению, полученному в результате обработки табличных данных работы [1]:

, м/с, (7)

где Ра - атмосферное давление воздуха, Па.

Температуру МВС во фронте ударной волны определяли по формуле, полученной в работе [6]:

,

Ту =

волны, 0К; То - начальная температура МВС, 0К;

Ср(Т) - молярная теплоемкость МВС при постоянном давлении в диапазоне температур (То…Ту);

k - отношение теплоемкостей Ср(Т)/Сv(Т).

На рис. 1 показана зависимость температуры МВС в ударном фронте от скорости волны.

Рис. 1 График зависимости температуры МВС во фронте ударной волны от ее скорости

Анализ экспериментальных и расчетных данных, приведенных в табл. 2, показал следующее. Имеется хорошее совпадение результатов расчета начального давления во фронте ударной волны на границе раздела «заряд-воздух» и скорости истечения продуктов детонации ВВ в воздух с экспериментальными данными и расчетом по эмпирическим зависимостям, полученным в работах [4,5]. Это позволяет утверждать, что критические параметры ударных волн для МВС, полученные для каждого типа ВВ, являются достоверными и сравнимыми между собой, что поможет установить интересующую нас зависимость критических параметров УВ, воспламеняющих МВС, от типа взрываемых в ней ВВ (непредохранительные и ПВВ).

Непредохранительные ВВ II класса являются сбалансированными по кислороду взрывчатыми смесями. Продукты взрыва этих ВВ, как правило, состоят из высших окислов горючих элементов. В эксперименте аммонит № 6ЖВ, детонит 10А и аммонал скальный № 1 (прессованный) имели при взрыве практически одинаковые критические параметры ударных волн, необходимые для воспламенения МВС: ДРф = (0,9…1,1)•106 Па. Совсем другая картина наблюдалась при взрыве зарядов тротила, имеющего резко отрицательный кислородный баланс. Продукты взрыва этого ВВ состоят, в большей части, из продуктов неполного окисления горючих элементов. Поэтому при взрыве они дают в смеси с воздухом вторичное пламя, которое, как видно из эксперимента, сильно снизило критические параметры ударных волн, необходимые для воспламенения МВС: ДРф = 5,3•105 Па, что примерно в два раза меньше, чем у ВВ ІІ класса. Противоположным действию тротила на МВС в экспериментах было действие ПВВ, которые, как известно, сбалансированы по кислороду и содержат в своем составе соль-ингибитор реакции окисления метана. Для зарядов ПВВ ІІІ…V классов было установлено, что чем больше в их составе ингибитора, тем выше критические параметры ударных волн, необходимые для воспламенения МВС. На рис. 2 показан график зависимости критического давления во фронте ударной волны, воспламеняющей МВС, от содержания ингибитора в продуктах взрыва ПВВ. Данная зависимость описывается эмпирическим уравнением:

, Па. (8)

Анализ экспериментальных результатов показал, что увеличение концентрации соли-ингибитора в продуктах взрыва ПВВ повышает критические параметры УВ, необходимые для воспламенения МВС. Так, например, для непредохранительного аммонита № 6ЖВ, не имеющего ингибитора в составе, то есть е = 0, критические параметры УВ составили: ДРф = 1,12•106 Па, Ду = 1111,0 м/с, для предохранительного угленита Э-6 они имели следующие значения: ДРф = 3,65•106 Па, Ду = 1877,4 м/с. Температуру ударного сжатия МВС во фронте УВ рассчитывали по уравнению:

Тф = 275,94 + 3,43566•10-2 + 4,4974•10-4- 6,8772•10-8, 0К.

Рис. 2 График зависимости давления Рф во фронте ударной волны, воспламеняющей МВС от содержания в продуктах взрыва ПВВ ингибитора

Другой интересный факт заключается в том, что температура ударно-сжатой МВС во фронте волны для критических условий инициирования взрывной реакции при взрыве аммонита составила Тф = 775,3 0К, а при взрыве угленита 1470,5 0К. Таким образом, исследования показали, что наличие в продуктах взрыва ВВ соли-ингибитора реакции окисления метана оказывает существенное влияние на параметры ударных волн, инициирующих взрыв МВС. Наличие ингибитора в составе ПВВ может существенно затруднить воспламенение МВС при взрыве в ней заряда. Механизм ингибирования ударно-сжатой МВС солью основан на рекомбинации ингибитором активных центров в зоне реакции и эффективном ее торможении вплоть до полного прекращения. Высокая скорость полета наночастиц ингибитора и малое миделевое сечение частиц позволяет им двигаться вслед за ударной волной на большее расстояние, чем радиус расширения газообразных продуктов взрыва заряда. По мере расширения продуктов взрыва и движения УВ происходит возрастание периода индукции МВС за ударной волной вследствие уменьшения ее параметров, а быстро летящие наночастицы ингибитора за этот период времени достигают зоны ударно-сжатой МВС. Это приводит к ингибированию реакции окисления метана в смеси, ее прекращению и подавлению воспламенения МВС.

Вывод

Установлено, что ввод в состав ВВ соли-ингибитора реакции окисления метана существенно влияет на параметры УВ, вызывающие воспламенение и детонацию МВС. В результате на определенном расстоянии от заряда происходит подавление реакции окисления метана ингибитором при воспламенении МВС. Поэтому применение ПВВ, содержащих соли-ингибиторы реакции окисления метана обеспечивает безопасность взрывных работ в угольных шахтах.

Библиографический список

1. Физика взрыва [монография] / Ф. А. Баум, Л. П. Орленко, К. П. Станюкович, В. П. Челышев, Б. И. Шехтер. - М.: Наука, 1975. - 705 с.

2. Ландау Л. Д. Определение скорости истечения продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ: Собр. тр. Л. Д. Ландау. Т. 1 / Л. Д. Ландау, К. П. Станюкович - М.: Наука, 1969. - С. 499-503.

3. Зельдович Я. Б. Теория детонации / Я. Б. Зельдович, А. С. Компанеец - М.: Гостехиздат, 1955. - 268 с.

4. Адушкин В. В. О формировании ударной волны и разлете продуктов взрыва в воздухе / В. В. Адушкин - ПМТФ. - № 5, 1963. - С. 107-115.

5. Калякин С. А. О влиянии энергии, передаваемой при взрыве ВВ в ударную волну, на предохранительность // Научные труды ДонНТУ: Серия «Горно-геологическая». Вып. 86 / С. А. Калякин - Донецк: ДонНТУ, 2005. - С. 37-44.

6. Розловский А. И. Научные основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами / А. И. Розловский - М.: Химия, 1972. - 364 с.

Размещено на Allbest.ru