, м/с

где к - показатель политропы (графическая зависимость давления от удельного объема), к=1,6-4,4; Q_B - теплота взрыва при постоянном объеме, ккал/кг.

По скорости детонации ВВ делятся на высокобризантные (D>4,5 км/с), бризантные (D=3,5-4,5 км/c), низкобризантные (D=2,5-8,5 км/c) и метательные (D<2,5 км/c). Скорость детонации не зависит от мощности инициатора, если он достаточен для возбуждения реакции. Мощность инициатора лишь определяет длину участка, на котором достигается скорость детонации, характерная для конкретного ВВ. Чем выше скорость детонации, тем сильнее разрушительное действие взрыва. Для детонации с малой скоростью характерно метательное действие и более крупное дробление.

В зависимости от сочетания ряда факторов детонация может быть устойчивой (с максимально возможной постоянной скорость) и неустойчивой. Устойчивость детонации имеет большое практическое значение, так как в противном случае детонация затухает, что приводит к отказу. Кроме того, при неустойчивой детонации взрывчатое превращение переходит в дефлаграцию (взрывное горение ВВ), что в шахтах, опасных по газу и пыли, может явиться причиной воспламенения рудничной атмосферы.

Устойчивость детонации зависит от природы ВВ, диаметра заряда и наличия примесей. Из приведенной выше зависимости следует, что чем выше теплота взрыва, тем выше скорость детонации. Например, для тэна Q_в=1400 ккал/кг, D=8,4 км/с; для тротила Q=1000 ккал/кг, D=7.0 км/c. Исключением являются алюмосодержащие ВВ. Содержание алюминия в них увеличивает выделение тепла при детонации, но реакция взаимодействия металла с газами протекает медленно, частично за плоскостью Чепмена-Жуге, и не влияет на скорость детонации.

Каждое ВВ принято характеризовать двумя диаметрами заряда: критическим d_кр и предельным d_пр. Если диаметр заряда меньше d_кр, то детонация невозможна. Если диаметр равен или больше d_пр, то его дальнейшее увеличение не приводит к увеличению скорости детонации.

Для однородных ВВ критическая скорость D_min=2-3 км/с, предельная скорость D_max=6-8 км/с, для смесевых ВВ типа аммонитов соответственно 1-2 и 3-6 км/c.

Влияние диаметра заряда на скорость детонации объяснил Ю.Б. Харитон. Зона реакции имеет конечные размеры. В момент завершения реакции образующиеся ПВ стремятся к расширению в радиальном направлении. В результате в зону реакции входит волна разрежения и охватывает некоторую часть реагирующего вещества. Как поставщик энергия в ударную волну волна разрежения теряется, и детонация затухает. Глубина протекания волны разряжения обратно пропорциональна радиусу заряда, поэтому относительные потери ВВ уменьшаются с увеличением радиуса заряда.

Диаметры заряда зависят от природы ВВ, плотности, степени измельчения и наличия оболочки.

С увеличением плотности однородных ВВ критический диаметр уменьшается, так как увеличивающееся давление в детонационной волне приводит к ускорению реакции, уменьшению времени ее протекания и ширины зоны.

У смесевых ВВ с увеличением плотности критический диаметр и скорость детонации возрастают. Однако при достижении критической плотности детонация становится неустойчивой или вообще не происходит. Это объясняется тем, что при уплотнении уменьшаются или вообще исчезают воздушные включения между частицами ВВ, являющиеся центрами развития реакции.

Чем выше дисперсность смесевого ВВ, тем меньше критический диаметр. Например, у аммонита №6 d_кр=12 мм, у граммонита 79/21 d_кр=30-40 мм.

Оболочка заряда также снижает критический диаметр. Так, у гранулотола насыпного d_кр=60-80 мм, у гранулотола в оболочке d_кр=5-10 мм. Скорость детонации соответственно возрастает с 4,5-6 до 5,5-6,0 км/с.

Примеси, как правило, снижают скорость детонации. Чистый нитроглицерин имеет скорость детонации 7,4 км/с. при смешении его с 25 % кизельгура она снижается до 6,6 км/с.

При изучении механизма детонации она возбуждалась инициатором, размещенным в массе ВВ. Однако практическое значение имеют также условия возбуждения взрыва, когда инициатор (активный заряд) отделен от массы ВВ (пассивного заряда) инертной средой - слоем буровой мелочи, воды или воздуха, стенками здания и т.д. В подобных случаях возбуждение взрыва называется детонацией через влияние, детонацией на расстоянии или передачей детонации.

8. Бризантное и фугасное действие взрыва

В зависимости от условий взрывания механическая работа взрыва реализуется в различных формах: интенсивное дробление среды вблизи заряда и на некотором расстоянии от него, перемещение разрушенной среду и образование воронки, возбуждение сейсмических и ударных волн. В зависимости от конечной цели взрывных работ одни формы являются полезными, другие бесполезными и даже вредными. Так, при проведении горно-разведочных выработок полезной формой работы является дробление породы, а ее разброс, образование сейсмических и ударных волн - вредные последствия взрыва. При проведении геофизических исследований полезной основной формой работы является возбуждение сейсмических волн в породах и т.д.

Формы механической работа взрыва в среде принято разделять на бризантное и фугасное действия.

Бризантность - это способность ВВ производить сильное местное разрушение в результате удара ПВ по среде, примыкающей к заряду. Величина бризантности пропорциональна скорости детонации и детонационному давлению.

Работоспособность - это способность ВВ производить работу в процессе расширения ПВ. В твердой среде работоспособность ВВ определяет разрушающее действие на значительном расстоянии от заряда (фугасное действие). Величина работоспособности пропорциональна теплоте взрыва.

Оцениваются бризантность и работоспособность ВВ соответственно путем обжатия свинцового столбика (проба Гесса) и раздутия канала свинцовой бомбы (проба Трауцля).

9. Начальный импульс и чувствительность ВВ

Выше указывалось, что для возбуждения взрывчатого превращения ВВ необходимо подвергнуть внешнему воздействию. Внешнее воздействие (некоторое количество энергии), которое необходимо сообщать ВВ дня возбуждения взрывчатого превращения, называется начальным импульсом.

Способность ВВ к взрывчатому превращению под влиянием начального импульса называется чувствительностью ВВ. Мерой чувствительности является минимальное количество энергии, достаточное для возбуждения взрыва.

Непременными условиями практического применения ВВ является безопасность в обращении и безотказность срабатывания зарядов. Это означает, что ВВ не должны самопроизвольно взрываться от ударов, трения, нагревания, электрического импульса в процессе производства, перевозки, хранения и использования. Взрыв должны надежно обеспечивать специальные устройства, исключающие неконтролируемое возбуждение реакции взрывчатого превращения.

Природа чувствительности ВВ объясняется следующим образом. Для возбуждения химической реакции необходимо обеспечить столкновение активных молекул, т.е. обладающих определенным запасом энергии. В обычных условиях энергия активных молекул рассеивается вследствие столкновения с неактивными молекулами, и реакция не возбуждается. Для возбуждения реакции необходимо сообщить молекулам некоторое избыточное количество энергии (энергии активации). У типичных ВВ энергия активации составляет около 60 ккал/моль. Практически энергию активных молекул увеличивают нагреванием (тепловое воздействие), ударом или трением (механическое воздействие) и взрывом заряда-инициатора.

Возбуждение реакции тепловым импульсом идет следующим образом. При местном нагреве часть ВВ разлагается с выделением тепла. Если скорость выделения тепла (теплоприход) превысит скорость отвода тепла (теплоотвод) из зоны реакции в окружающую среду, то температура массы ВВ повысится и возникнет вспышка. Минимальная температура, при которой теплоприход превысит теплоотвод и наступит самоускоряющаяся реакция, называется температурой вспышки, а время от начала нагрева до момента вспышки - периодом задержки. Период задержки тем меньше, чем выше чувствительность к нагреву и меньше масса навески ВВ.

Чувствительность ВВ к тепловому импульсу характеризуется температурой вспышки - минимальной температурой, при которой вспышка происходит через 5 мин после помещения в пробирке навески ВВ массой 0,05 г в нагретый сплав Вуда (температура вспышки гремучей ртути 170-180°С, гексогена 215-230°С, аммонита №6 280-320°С, тротила 295-300°С).

Способность ВВ сохранять физические, химические и взрывчатые свойства неизменными в условиях повышенных температур характеризует их термостойкость. Термостойкость оценивается максимальной температурой (порогом термостойкости), которую может выдержать заряд ВВ определенных размеров и формы в течений заданного времени без изменения свойств. При прострелочно-взрывных работах в скважинах это время равно 6 ч (ВВ не должно заметно менять свои характерно тики) и 24 ч (ВВ не должно самопроизвольно детонировать).

Механизм возбуждения реакции взрыва механическим импульсом может быть описан следующим образом. При ударе кинетическая энергия превращается в тепловую, ВВ разогревается, и возбуждается химическая реакция. Но реакция начинается в так называемых горячих точках, которые приурочены к неоднородностям в массе ВВ (газовые полости, различная форма и размеры кристаллов, примеси высокоплавких веществ). В результате появления горячих точек слои ВВ, примыкающие к ним, нагреваются и воспламеняются. Принято считать, что причиной возникновения горячих точек являются адиабатное сжатие газовых включений и трение твердых частиц.

Чувствительность ВВ к удару определяют на копре Каста. Для испытания навеска ВВ (масса 0,05 г) помещается в штемпельный приборчик. После оборки приборчик устанавливают в копре и на него с высоты 25 см сбрасывают груз массой F=10 кг. Испытание повторяют 25 раз. Чувствительность ВВ к удару определяют частостью взрывов, выражаемой в процентах (у тротила 4-8%, гекосгена 70-80 %, тэна 100%, аммонитов 4-28% и аммоналов 12-32%). Чем выше частость взрывов, тем выше чувствительность ВВ.

Чувствительность ВВ к трению определяют на копре Боудена-Каста. Навеска ВВ (масса 0,05 г) помещается в штемпельный приборчик, ролики которого предварительно сжимают с определенным усилием Р. При ударе по подвижному ролику он смещается, и навеска подвергается действию трущего сдвига F. ВВ нагревается, и возбуждается химическая реакция. Чувствительность ВВ к трению характеризуется максимальным усилием прижатия, при котором взрывчатое превращение не возникает в 10 испытаниях (для азида свинца 35 кгс/см², тэна 310 кгс/см², гексогена 490 кгс/см², тротила 1900 кгс/см², аммонитов 1200-2500 кгс/см², аммиачной селитры 3000 кгс/см²).

Чувствительность ВВ к действию взрыва заряда другого ВВ принято называть чувствительностью к детонации. Последняя характеризуется предельном инициирующим зарядом, т.е. минимальным зарядом, обеспечивающим полную и устойчивую детонацию некоторого количества ВВ. Инициированием называют возбуждение взрывчатого превращения, а соответствующий заряд - инициатором.

Для определения чувствительности к детонации в медную гильзу запрессовывает I г ВВ, сверху подпрессовывают некоторое количество инициирующего ВВ. Затем гильзу устанавливают на свинцовой пластинке толщиной 5 мм и подрывают. Если диаметр образующегося в пластине отверстия больше или равен диаметру гильзы, детонация считаются полной. В противном случае навеску инициатора увеличивают и испытание повторяют.

Чувствительность ВВ к детонации имеет практическое значение при решении вопросов, связанных с выбором инициатора для конкретных условий взрывания.

Чувствительность ВВ зависит от ряда факторов. С повышением плотности чувствительность ВВ к удару и трению уменьшается. Это объясняется тем, что с повышением плотности структура вещества меняется от пористой к сплошной. При этом уменьшается возможность смещения частиц (кристаллов) вещества, изменяется количество и величина газовых включений - возможных очагов разогрева, затрудняется распространение горячих продуктов взрыва между частицами.

С увеличением прочности строения молекул однородных ВВ их чувствительность понижается, так как при большей прочности внутримолекулярных связей для их разрушения необходима большая энергия начального импульса.

В механических смесях чувствительность определяет наиболее чувствительный компонент (тротил в аммонитах, нитроэфир в динамитах и т.д.).

Чувствительность в значительной степени зависит от теплоты образования ВВ или входящих в его состав компонентов. Чем меньше теплота образования, тем выше чувствительность.

Наличие примесей также влияет на чувствительность ВВ. Примеси с твердостью, превышающей твердость частиц ВВ, увеличивают чувствительность к механическим воздействиям. Такие вещества называются сенсибилизаторами (песок, металлические порошки, толченое стекло и др.). Повышение чувствительности объясняется тем, что при ударе на твердых частицах и их острых гранях происходит концентрация энергия, что способствует возникновению горячих точек.

Вещества, понижающие чувствительность ВВ, называются флегматизаторами. К ним относятся вещества с низкой температурой плавления или твердостью, меньшей твердости частиц ВВ. Уменьшение чувствительности объясняется тем, что значительная часть энергия удара расходуется на разогрев и плавление легкоплавких добавок. Флегматизатор обволакивает частицы ВВ тонкой пленкой, которая смягчает удар в дает возможность частицам ВВ перемещаться без разрушения кристаллической решетки.

10. Взрывчатые вещества

Классификации ВВ

По химическому составу ВВ разделяют на химические соединения (тротил, гексоген, гремучая ртуть) и смеси (аммонита, аммоналы, нитроглицериновые ВВ).

По агрегатному состоянию различают: твердые (тротил), жидкие (нитроглицерин), газообразные (метан+воздух), смеси твердых и жидких (динамита) и другие ВВ.

По условиям применения различают: ВВ для открытых работ, ВВ для подземных работ в выработках, не опасных по газу и пыли, и предохранительные ВВ (для условий, опасных по газу и пыли).

По составу ВВ разделяются на пороха, нитросоединения, аммиачно-селитренные и нитроглицериновые.

По способности устойчиво детонировать от начального импульса различают первичные (инициирующие) и вторичные ВВ. Инициирующие ВВ (азид свинца, тенерес, гремучая ртуть) детонируют в малых количествах от импульса любой формы. Детонация вторичных ВВ вызывается взрывом инициирующих. Вторичными являются все промышленные ВВ.

К промышленным ВВ предъявляются следующие требования: достаточная чувствительность к начальному импульсу от штатных средств взрывания; безопасность в обращении, включая механизированное заряжание; минимальное количество образующих при взрыве ядовитых газов; водоустойчивость; наличие предохранительных свойств, низкая стоимость. ВВ, используемые при проходке горных выработок должны иметь критический диаметр менее 50 мм.

Пороха. Взрывчатое превращение порохов протекает в форме устойчивого горения. Выпускаются нитроцеллюлозные (бездымные) и смесевые (дымные) пороха.

Бездымные разделяются на пироксилиновые (основа: пироксилин - нитроцеллюлоза с высоким содержанием азота), нитроглицериновые баллиститы (основа: коллоксилин - нитроцеллюлоза с низким содержанием азота) и нитроглицеиновые кордиты (основа: пироксилин на нитроглицерине с ацетоном). Бездымные пороха химически малостойки, при повышении температуры и влажности в местах хранения они разлагаются. Признаки разложения: запах окислов азота и появление вздутий на поверхности зерен. У нитроглицериновых порохов наблюдается экссудация (выделение нитроэфиров). Трение зерен пороха может вызвать электризацию с последующим воспламенением. Для устранения возможности электризации порох графитуют.

Бездымные пороха детонируют при простреле пулей со скоростью до 1 км/с, при инициировании от шатки ТНТ со скоростью 3-7,5 км/с.

Дымные пороха - это механические смеси калиевой селитры (75 %), древесного угля (15 %) и серы (10 %). Селитра является окислителем, уголь - горючим, сера - горючим и цементатором.

Дымный порох гигроскопичен (по техническим условиям содержание воды не должно превышать 1%). Влага влияет на способность его к воспламенению: сухой порох легко воспламеняется от искры, при 2%-ной влажности воспламеняется с трудом, при 15%-ной влажности не воспламеняется. Дымный порох чувствителен к удару. В больших количествах взрывается. Химически стоек. Скорость горения пороха 0,4 км/с. При инициировании с помощью детонирующего шнура он детонирует со скоростью до 1 км/с.

Пороха используются следующим образом: нитроглицериновые баллиститы - для изготовления зарядов к стреляющим перфораторам и пороховым генераторам давления; пироксилиновые - при сейсморазведочных работах в скважинах с водой (инициирование производится с помощью промежуточного детонатора); дымный порох - для снаряжения огнепроводного шнура, взрывных пакеров и воспламенителей; термостойкие пороха марок Г-80, 0-75 и П-65 - для снаряжения торпедных и пулевых перфораторов, стреляющих грунтоносов в скважинах с температурой выше 100°С.

Нитросоединения: тротил (ТНТ), гексоген, тетрил, тэн и др. Из перечисленных ВВ наиболее широко используются тротил (как в чистом виде, так и в составе аммиачно-селитренных ВВ или сплавов) и гексоген, остальные имеют ограниченное применение (в основном для снаряжения средств взрывания).

Тротил - кристаллическое вещество желтого цвета с горьким вкусом. Не гигроскопичен, не растворяется в воде, химически стойкий. Взаимодействует со щелочами, образуя опасные соединения - тротилаты. К механическим воздействиям малочувствителен, но чувствительность тротила резко возрастает при наличии примесей песка.

Выпускается трогал в виде порошка, гранул сферической формы диаметром 3-5 мм (гранулотол) и прессованных или литых шашек.

Гранулотол используется при взрывных работах на поверхности (наиболее эффективно применение в обводненных скважинах) или как составная часть в ВВ типа граммонит. Порошкообразный тротил используется для изготовления ВВ типа аммонитов. Шашки из прессованного и литого ТНТ широко используют в сейсморазведке.

Порошкообразный и прессованный тротил детонирует от детонатора, литой и гранулотол от боевика.

Скорость детонации сухого гранулотола 4,5-5,0 км/с, водонаполненного около 5,5-6,5 км/с; теплота взрыва соответственно 800 и 1000 ккал/кг.

Гранулированный сплав тротила с 15% алюминиевого порошка называется алюмотолом; сплав тротила с тэном-пентолитом.

Гексоген - кристаллический порошок белого цвета без вкуса и запаха. Не гигроскопичен, не растворяется в воде, химически стойкий, токсичен. Теплота взрыва 1300 ккал/кг, скорость детонации 7-8,6 км/с. Плотность прессованного гексогена 1,6-1,7 г/см³.

Гексоген весьма чувствителен к механическим воздействиям. Для флегматизации используют воск, церезин и др. Флегматизированный гексоген окрашивают в розовый цвет (составы А-1Х-1, А-1Х-2, ГФГ-2). Используют его в кумулятивных перфораторах.

Нефлегматизированный гексоген применяют при изготовлении средств взрывания, скального аммонита №1 и др.

Гексоген в любом виде детонирует от детонатора. Выпускаются сплавы гексогена с тротилом (ТГ-50/50), с тротилом и алюминием (ТГА). Во всех сплавах тротил является флегматизатором. Из сплавов изготавливают шашки.

Перспективен аналог гексогена - октоген. Он обладает плотностью до 1,9 г/см³ и высокой температурой плавления (270°С против 203,5°С у гексогена). Используют октоген для изготовления кумулятивных зарядов.

Аммиачно-селитренные ВВ (АСВВ) - его механические смеси различных компонентов, которые в определенных композициях обеспечивают различным видам ВВ необходимые взрывчатые и физико-химические свойства. В составе смесевых ВВ принято различать окислители, горючие, стабилизаторы и пламегасители.

В качестве окислителей используют вещества, в избытке содержащие кислород: аммиачную селитру, реже калиевую или натриевую. Широкое применение аммиачная селитра получила благодаря доступности сырья (воздух), простоте и безопасности технологии получения и использования. При изготовлении ВВ используют кристаллическую, чешуированную и гранулированную селитры.

Аммиачная селитра - это кристаллическое вещество белого цвета. Хорошо растворяется в воде с поглощением тепла. Гигроскопична. При увлажнении и перепадах температуры меняется плотность селитры (за счет изменения модификации кристаллов), что приводит к слеживаемости. Гигроскопичность и слеживаемостъ являются недостатками аммиачной селитры, которые передаются смесевым ВВ.

Для повышения водоустойчивости аммиачную селитру обрабатывают смесью парафина с железными солями жирных кислот (0,3-0,4%), в результате чего она приобретает желтоватый цвет. Индекс ЖВ в обозначениях марок ВВ означает, что ВВ изготовлено на основе железненной водоустойчивой селитры.

Слеживаемость ВВ уменьшается пря использования селитры в виде гранул и чешуек или при введении в состав ВВ стабилизаторов, например, древесной муки.

Аммиачная селитра - слабое ВВ. Скорость детонации 1,5-2,5 км/с (в зависимости от мощности инициатора). Теплота взрыва 335 ккал/кг. Критический диаметр 100 мм. Незначительные примеси органических добавок резко повышают чувствительность селитры к внешним воздействиям. Эта особенность используется при изготовлении некоторых видов ВВ и должна учитываться при обращении с аммиачной селитрой.

Горючие компонента смесевых ВВ - вещества, богатые углеродом и водородом. Различают невзрывчатые горючие добавки (древесная мука, соляровое масло, порошок алюминия и др.) и взрывчатые (тротил, гексоген и др.). В составе ВВ горючие помимо основной выполняют роль сенсибилизаторов.

Стабилизаторы (древесная мука, сода и др.) обеспечивают химическую и физическую стойкость ВВ.

В качестве пламегасителей используют вещества, снижающие теплоту взрыва (например, хлористый натрий). Пламегасители обязательны при изготовлении предохранительных ВВ.

Аммиачно-селитренные ВВ применяются главным образом при проведении горно-разведочных выработок. К ним относятся аммониты, аммоналы, простейшие ВВ и зерногранулиты.

Аммониты - АСВВ, содержащие нитросоединения (тротил, гексоген).

Аммоналы - АСВВ, в состав которых для повышения мощности (теплоты взрыва) вводится порошкообразный алюминий.

Простейшие ВВ - это смеси аммиачной селитры с невзрывчатыми добавками. Различают смеси селитры с твердыми горючими добавками (древесной мукой, алюминиевой пудрой и др.) - динамоны - и смеси гранулированной или чешуированной аммиачной селитры с дизельным топливом - игданиты. Общим недостатком простейших является их неводоустойчивость.

Граммониты - это грубодисперсные аммонита, представляющие собой смеси гранулированной или чешуированной аммиачной селитры с гранулотолом. Предназначаются они для взрывных работ на поверхности.

Нитроглицериновые ВВ содержат нитроэфиры, в зависимости от содержания которых разделяются на динамиты (более 15%) и низкопроцентные нитроглицериновые (до 15%).

Раннее выпускается 62%-ный динамит, представляющий собой смесь нитроэфиров (нитроглицерин о нитрогликолем или динитрогликолем), селитры, древесной муки и стабилизаторов (мел, сода). Основные достоинства динамита - высокая плотность (1,5 г/см³) и водоустойчивость. Недостатками являются чрезвычайно высокая чувствительность, токсичность, эксудация, старение (уплотнение ВВ в процессе хранения, что ухудшает его детонационные свойства и приводит к отказам), высокая стоимость (в патронах диаметром 32-45 мм 850 руб. за 1 т). Серьезные недостатки привали к сокращению выпуска динамитов, хотя использование их эффективно, при проведении выработок в весьма крепких породах.

Из нитроглицериновых БВ в настоящее время используют только порошкообразные ВВ с содержанием нитроэфиров до 15%: непредохранительные (детониты) и предохранительные (победиты, селектиты и др.).

Детонит М состоит из труднозамерзающей (-19,5°С) смеси нитроэфиров (10%), аммиачной селитры (78%), алюминиевой пудры (10,7%), стеарата кальция или цинка (1%), коллоидного хлопка (0,3 %) и соды (0,2-0,3%). Скорость детонации 3,9-5,0 км/с. Теплота взрыва 1382 ккал/кг. Бризантность 18-22 мм, работоспособность 460-500 см³. Выпускается в патронах диаметром 24-36 мм стоимостью 545-578 руб. за 1 т.

Детониты являются мощными ВВ, не боятся переуплотнения, водоустойчивы, не подвержена эксудации, имеют малый критический диаметр. Предназначаются для трудновзрываемых и весьма крепких пород в обводненных забоях горных выработок.

Недостатком детонитов является повышенная токсичность. Поэтому вое операции с ними следует проводить в резиновых перчатках о соблюдением мер предосторожности.

Предохранительные ВВ. При проведении горных выработок и добыче полезных ископаемых выделяются горючие газы и пыль. Смешиваясь с кислородом воздуха, они образуют опасные взрывчатые смеси, воспламенение которых нередко вызывало гибель большого количества горнорабочих. Так, в 1906 г. на шахте Курьер (Франция) погибло 1212 человек; в 1942 г. на руднике Ханкейко (Манчжурия) - 1549 человек

Для угольных шахт наиболее опасны метан и угольная пыль. В других условиях не менее опасны водород, бутан, пропан, серная, колчеданная и другие пыли. В ряде случаев в атмосфере выработок газ и горючая пыль содержатся одновременно.

Исследование механизма воспламенения горючих смесей газов и пыли при взрыве ВВ, выявление связи свойств ВВ и их воспламеняющей способности составляют основной предмет теории антигризутности. ВВ, используемые для ведения взрывных работ в шахтах и рудниках, опасных по газу и пыли, называются антигризутными или предохранительными (ПВВ).

Наиболее изучено воспламенение газовоздушных смесей (ГВС). Установлено, что взрыв ГВС может произойти под действием огня, искры, раскаленных ПВ, осколков детонаторов и ударных воздушных полн. Кроме того, причиной воспламенения может быть выгорание ВВ в шпурах, происходящее вследствие переуплотнения ВВ или дефектов заряжания, например, пересыпки патронов буровой мелочью.

Вероятность воспламенения взрывоопасной смеси минимальна, если применяемые ВВ имеют ограниченную теплоту взрыва (менее 900 ккал/кг). Для ограничения теплоты взрыва при создании предохранительных ВВ используют несколько способов.

1. В состав ВВ вводят пламегасители (ингибиторы) - хлористый натрий, хлористый калий и др. Снижение теплоты взрыва при добавке солей объясняется расходом тепла на нагревание, плавление и испарение пламегасителей. Сами же соли способствуют торможению реакции окисления метана.

Примером может служить аммонит ПЖВ-20. Порошкообразное ВВ. Состав: аммиачная селитра - 64%. ТНТ - 16%, хлористый натрий (калий) - 20%. Скорость детонации 3,5-4,0 км/с. Теплота взрыва 813 ккал/кг. Бризантность 13-16 мм, работоспособность 265-280 см³. Выпускается в набивных патронах.

2. Смесь ВВ составляют из различных по химической активности компонентов. Предохранительные свойства таких ВВ определяются условиями протекания химической реакции. В замкнутом объеме (зарядной камере) все компоненты реагируют с полным выделением тепла; при обнажении заряда (нарушение замкнутости объема) реагирует только активнее компоненты, остальные (инертные вещества) разбрасываются. Такие ВВ называется селективно-детонирующими, Примером является селектит. Гранулированное ВВ. Состав: аммиачная селитра - 66,5%, нитроэфиры (активный компонент) - 10%, древесная мука - 8,5%, хлористый натрий (калий) - 15%. Скорость детонации 1,8-2,0 км/с. Теплота взрыва 810 ккал/кг. Бризантность 6-10 мм, работоспособность 220-240 см³. Выпускается в патронах.

3. Предохранительное ВВ заключают в пламегасящие оболочки. Оболочки могут быть двух видов:

а) водонаполненные полиэтиленовые, в которые поменяется 125 г аммонита ПЖВ-20 (патроны ПВП-IУ) или угленита Э-6 (патроны СП-1); оболочка двухслойная, пространство между слоями заполняется растворов аммиачной селитры; стоимость патронов 300 руб. за 1000 штук;

б) прессованные хлоркалиевые или резито - солевые (патроны МГПП-50); резит (продукт конденсации резольной смолы) обладает высокими пламегасящими свойствами; толщина оболочки 5 мм, ядро МГПП-50 состоит из 50 г аммонита ПЖВ-20.

Применение ПВВ не дает полной гарантии невоспламенения взрывоопасной среды. Поэтому в шахтах, опасных по газу и пыли, осуществляют дополнительные инженерные мероприятия; пылевые завесы (50 кг инертной пыли на 1 м² площади сечения выработки), водяные завесы (5 л воды на 1 м²), заполнение выработки на протяжении 10-15 м воздушно-механической пеной и др.

Предохранительные свойства ПВВ оцениваются по результатам их испытаний в метановом штреке. Заряды ПВВ взрывают во взрывоопасной метано- или углевоздушной среде. Заключение о предохранительных свойствах ВВ делают на основании воспламенений или невоспламенения среды при взрывании серии зарядов.

В последние годы в связи с совершенствованием методов сейсморазведочных работ на акваториях возникла необходимость в таких источниках сигнала, которые бы позволили осуществлять непрерывное воздействие на грунт (через 5-10 с), что возможно только при автоматизации взрывных работ. Проблема оказалась сложной, возникай трудности подачи зарядов в заданном темпе, их инициирования и, кроме того, защиты ихтиофауны.

Специальные исследования показали, что для сохранения ихтиофауны необходимо резко снизить параметры ударной волны, образующейся в воде при взрыве заряда. Достигнуть этого можно различными способами:

-- снижением массы заряда конденсированного ВВ с 10-15 кг до 50 г за счет специальной технологии взрывных работ (французская система «флексотир»);

-- использованием ВВ с пониженными скоростями детонации;

-- снижением плотности энергии в очаге возбуждения сейсмического сигнала на 2-4 порядка по сравнение с конденсированными ВВ.

Перспективными источниками сейсмического сигнала являются жидкие и газовые взрывчатые смеси.

Жидкие взрывчатые смеси (ЖВС) могут быть созданы с использованием окислителей (четырехокиси азота, безводной азотной кислоты и др.) и горючих (нитробензола, толуола и др.). В отдельности окислитель и горючее представляют собой невзрывчатые жидкости, но в смеси образуют весьма чувствительное и мощное ВВ. Применять их можно, используя стеклянные ампулы, состоящие из двух секций (для окислителя и горючего), разделенных хрупкой перегородкой. При разрушении перегородки компоненты смешиваются и образующееся ВВ детонирует при ударе ампулы о преграду.

Достоинствами ЖВС являются простота технологии изготовления, низкая стоимость, возможность автоматизации работ.

Газовые взрывчатые смеси (ГВС) состоят из кислорода и горючих газов (метана, пропана, водорода и др.). Скорость детонации стехиометрической смеси пропан - кислород около 2,6 км/с, смеси водород - кислород 2,8 км/с, теплота взрыва соответственно 3,6 и 2 ккал/л. Давление в ударной волне по сравнению с конденсированными ВВ уменьшается на 3 порядка.

Раннее созданы установки для возбуждения сигнала с использованием ГВС. Испытания показали, что ГВС с успехом заменяют ВВ. обеспечивая большую безопасность ихтиофауны. Особенности перспективно применение смеси водорода с кислородом, получают путем электролиза воды на месте производства работ.

История использования энергии взрывчатых веществ (ВВ) для добычи полезных ископаемых насчитывает около 400 лет. Преимущество взрывной технологии дробления горной массы в процессе ее отделения от массива оказалось настолько очевидным, что она широко применяется во всех горнодобывающих странах мира, непрерывно растет и область применения энергии взрыва для получения полезной работы в других отраслях промышленности, науки и техники. Это стимулирует развитие фундаментальных и прикладных исследований по изучению свойств самих ВВ, механизму и полноте их взрывчатого превращения, механизму действия взрыва на различные среды и оптимизацию полезных форм работы взрыва с учетом свойств среды и технологии ведения взрывных работ.

В принципе в развитии ассортимента современных ВВ можно выделить четыре этапа:

1 этап. Примерно в 1864 году Альфред Нобель начал в Швеции производить взрывчатое масло на основе жидкого нитроглицерина. Здесь необходимо заметить, что, несмотря на принятый во всем мире приоритет Альфреда Нобеля в изобретении динамита, русские ученые, офицеры Н.Н. Зимин и З.В. Петрушевский еще в 1853 году проводили опыты с нитроглицерином. В это время Альфред Нобель был в Петербурге и видел эти опыты. Новое ВВ распространилось по всему миру с необычайной для того времени быстротой. «Взрывчатое масло» вскоре стали изготовлять на заводах во всем мире. Об этом периоде напоминает тот факт, что в заводские марки многих компаний изготовителей ВВ до сих пор включается слово «Нобель», хотя эти компании совершенно самостоятельные. Несколько лет спустя Альфред Нобель нашел целесообразным пропитывать глицерином пористые вещества, что позволило изготовлять ВВ в форме патронов. Недостатком «взрывчатого масла» являлась его способность проникать в трещины и щели в породе, что делало опасным проведение последующих работ в этом месте. «Взрывчатое масло» было также чувствительно к удару и быстро затвердевало при низкой температуре. Первое патронированное нитроглицериновое ВВ изготовлялось из пропитанного нитроглицерином кизельгура (известного также под названием диатомит и являющегося кремниевым отложением). Замена кизельгура нитроцеллюлозой позволила затем получить пластичное ВВ, известное под названием динамит. В последнем постепенно часть нитроглицерина была заменена аммиачной селитрой и другими взрывчатыми соединениями. Динамит использовался при проведении туннеля сквозь Альпы в 1872-1880 гг. сорта динамита, изготовлявшегося в различных странах, со временем изменялись. В настоящее время содержание аммиачной селитры или других подобных веществ в динамите обычно превышает содержание нитроглицерина.

2 этап. Применение аммиачной селитры в производстве ВВ - это начало прошлого столетия. Толчком к использованию нитрата аммония как основной составляющей промышленного ВВ послужил ряд катастроф, связанных с хранением и перевозкой . В СССР с начала 30-х годов динамиты быстро вытеснились более экономичными и менее опасными ВВ на основе АС - аммонитами. С середины 30-х годов начали применять простейшие смеси аммиачной селитры с углеродистыми веществами - динамоны, а с середины 50-х годов игданиты и гранулиты.

М.А. Кук выделяет 4 стадии развития производства смесей АС-ДТ:

разработка АС в начале 40-х годов для применения в сельском хозяйстве. АС для ВВ была непористой и поэтому неэффективной в смесях АС-ДТ;

катастрофические взрывы кораблей с АС для удобрений в 1947 году в Техас-Сити и Бресте (Франция) навели на мысль, что АС является дешевым и мощным ВВ;

горные инженеры попытались в середине 50-х годов применить АС в скважинах большого диаметра на железнорудных месторождениях Мичигана и Северной Миннесоты. Попытка была не совсем удачной, так как АС была в десенсибилизированном виде. Убедившись в необходимости сенсибилизации АС горючими добавками, позже на каждый мешок селитры добавляли 3.785 литра нефтяного масла;

в октябре 1956 года в университете штата Минессота состоялся симпозиум, на котором были выполнены и оформлены работы по стандартизации и изготовлению смесей АС-ДТ.

АС, сенсибилизированная добавкой приблизительно 6% парафина или нефтяного масла, в настоящее время является самым дешевым источником энергии взрыва. Данная смесь является уравновешенной по кислородному балансу (94% гранул АС + 6% жидкого дизельного топлива).

Содержание 6% ДТ увеличивает удельную энергию взрыва с , соответствующую АС, до для АС-Дт с «О» кислородным балансом.

Поскольку взрывные характеристики АС-Дт очень чувствительны к изменению соотношения компонентов, а смесь АС-Дт склонна к довольно быстрому расслаиванию, первостепенное значение придается физической стабильности смесей. Поэтому качеству гранулированной селитры в США было делено много внимания. В короткий срок было налажено производство пористой селитры, внедрен целый комплекс мероприятий по изменению режима грануляции, применена сушка гранул до низкой влажности и т.д.

Химические фирмы США (Дюпон, Монсарто, Спенер и т.д.) разработали для приготовления ВВ специальные сорта пористой гранулированной АС не слеживающиеся и сохраняющие хорошую сыпучесть при хранении.

На внутреннем рынке США АС производят в основном в качестве сельскохозяйственного удобрения с плотностью гранул , для взрывных работ - . Пористая селитра имеет открытую пористость около и закрытую в два раза большего. Величина открытой пористости обеспечивает удержание именно такого количества жидкого горючего, которое необходимо для получения наилучших энергетических характеристик смеси АС-Дт, а величина закрытой пористости обеспечивает плотность смеси, необходимую для эффективной детонации при надежном инициировании.

На эффективность применения ПВС влияют следующие факторы:

плотность

содержание дизельного топлива

диаметр скважин и шпуров

условия заряжания

условия инициирования

обводненность

свойства пород

наличие и качество забойки.

По мере увеличения диаметра скважины растет скорость детонации. Предельная гидродинамическая скорость детонации АС-ДТ равна и достигается при диаметре 355мм.

Устойчивую скорость детонации смеси АС-ДТ при ее нормальном инициировании обычно устанавливают на удалении от инициатора, выражаемом 2 или 3 диаметрами заряда.

Прочностные характеристики горных пород влияют на скорость детонации и на способность АС-ДТ поддерживать детонацию в шпурах малых диаметров. Например, при взрывании без забойки АС-ДТ не детонирует при диаметрах меньше 100мм. Применение забойки позволяет осуществить детонации при диаметре 25 мм.

Количество жидкого топлива или твердого горючего влияет на теплоту взрыва, скорость детонации, чувствительность и на количество выделяемых ядовитых газов при взрыве смесей АС-ДТ.

Насыпная плотность смесей АС-Дт изготовляемая на местах потребления, составляет , а их энергетические и детонационные характеристики предназначены для заряжания сухих скважин в слабых и средней крепости породах.

Для повышения энергии взрыва в смеси АС-ДТ оставляют АС-го порошка. Увеличение содержания Al на 1% в смеси АС-ДТ при нулевом кислородном балансе увеличивает выделяемую энергию на 4,5%.

Преимущества:

1. самые дешевые ВВ,

2. намного безопаснее по сравнению с динамитами и др.,

3. высокая механизация зарядки,

4. полностью заполняют весь объем скважин.

Недостатки:

1. легко теряют детонационную способность под воздействием воды,

2. низкое давление при детонации, т.е. слабые взрывчатки для крепких горных пород.

3 этап. Развитие водосодержащих ВВ. Это примерно середина-конец 50-х годов прошлого столетия. Изобретатель - Кук. К изобретению этих ВВ, которые впоследствии были названы «Сларри» подтолкнули отрицательные, в плане применения, свойства аммиачной селитры, а именно их гигроскопичность.

Водосодержащие взрывчатые составы (ВВС) начались разрабатываться во второй половине 50-х годов.

В США взрывчатые водосодержащие составы получили общее собирательное название «Сларри». По определению Кука и Фэрмана «Сларри» представляют собой смесь твердого и жидкого компонентов, в котором каждая из твердых частиц контактирует с соседней и только промежутки между ними заполнены жидкостью.

По принятой классификации водосодержащие взрывчатые смеси называют водосодержащими взрывчатыми веществами (ВВВ), если они сенсибилизированы взрывчатыми соединениями (тротил, бездымный порох и др.), и простейшими взрывчатыми водосодержащими смесями (ПВВС), если они не чувствительны к капсюлю-детонатору, и горючий компонент не является взрывчатым, например, Al, S, твердые растворимые и нерастворимые в воде углеводороды. Различают 2 разновидности ПВВС - суспензии и водные гели.

Водным гелем называют сплошную (жидкую) фазу, которая обычно составляет менее половины взрывчатого состава. До тех пор, пока видимые твердые частицы взвешены в сплошной жидкой фазе, такую смесь называют суспензией.

Сларри состоит из двух фаз - жидкой и твердой. Жидкой фазой является водный раствор окислителя, который с целью предотвращения разбавления в скважине водой загущают введением специальных добавок. Полученную жидкую фазу смешивают с дополнительным количеством твердого окислителя и горючими добавками. Для придания большей водоустойчивости, особенно в проточной воде, водосодержащие ВС структурируют добавлением структурообразователей. В качестве окислителя в основном используют АС. Из твердых горючих-сенсибилизаторов применяют тротил и алюминиевые порошки. В качестве загустителя гуаргая - США, КМЦ - СССР. Жидкую фазу структурируют солями хрома, железа и др.

Кроме горючих-сенсибилизаторов в составы ПВВС вводят дополнительно горючие добавки, например, порошок угля, серу, нерастворимые в воде нефтепродукты.

На крупных карьерах водосодержащие взрывчатые смеси изготавливают либо на стационарных пунктах, либо непосредственно в процессе заряжания скважин совмещением заранее приготовленных на стационарных пунктах жидкой фазы и твердых компонентов с помощью смесительно-зарядных машин.

Схема механизации взрывных работ с водосодержащими ВВ.

В состав комплекса входят стационарный механизированный пункт приготовления горячего раствора окислителя, машина Акватол IV для доставки готового раствора окислителя в карьер и добавки там из машины МЗ-ЗА тротила.

Смесительно-зарядные машины позволяют заряжать скважины в зависимости от горно-геологических условий двумя и более водосодержащими составами с различными энергетическими характеристиками. Эти машины, как правило, оборудованы системами принудительной подачи ВВ в скважину по шлангам, обеспечивающих закатку ПВВС под столб воды.

Присутствие воды в водосодержащих смесях обеспечивает высокую степень безопасности, которая выше, чем у смесей АС-ДТ. Вода является наполнителей и повышает плотность заряда. С целью повышения детонационной способности ПВВС, сенсибилизированных невзрывными добавками, и обеспечения их чувствительности к К.Д. в их состав вводят газовые пузырьки (с помощью газирования, полых сфер или пористых материалов) или образуют их в составе химическим путем, вводя специальные добавки.

Взрывчатые водосодержащие смеси выпускают для различных условий, поэтому их основные характеристики варьируются в широких пределах. Например, ВВС «Иреджел» серии 300 имеют плотность , скорость детонации , теплоту взрыва и объемную концентрацию энергии . Минимальный диаметр скважины и максимальная глубина составляет соответственно 150мм и 38м. Минимальная масса промежуточного детонатора из мощного ВВ - 50г. Срок хранения в сухих скважинах - 60 суток.

На пункте приготовления раствора окислителя контейнеры с АС выгружают на автотранспортную площадку. Контейнер ставят на тележку и подают в здание пункта, где мешки с АС выгружают на растариватель-рыхлитель с просеивателем. Разрыхленная АС камерным пневмонасосом подается в бак для приготовления водного раствора, оборудованный механической мешалкой и змеевиками с горячим паром.

Готовый раствор АС подают в бак-накопитель, а оттуда в Акватол IV.

Машина Акватол IV предназначена для приготовления, доставки, заряжания водосодержащих взрывных веществ. Объем 10 тонн ВВП.

Машина на базе КрАЗ-256Б: имеет бункер-смеситель, смеситель дозатор с насосом и барабан извлекатель зарядного шланга.

Эти смеси может производить смесительно-зарядная машина компании «Иреко». Зарядная машина с программным управлением позволяет изготавливать комбинированные заряды с регулируемыми по глубине скважины характеристиками взрывчатых смесей требуемой плотности и энергии.

4 этап. Последний на данный момент времени этап развития ВВ - создание эмульсионных ВВ - примерно конец 60-х - начало 70-х годов.

Эмульсионные ВВ были запатентованы в США и начали выпускаться с 1964 года. В их состав входят: раствор АС, дополнительные жидкости с различными окислителями, энергоносителями, повысителями и понизителями чувствительности и другими компонентами для создания нужной консистенции и взрывных свойств.

Эмульсионные ВВ состоят в основном из водяного раствора неорганического окислителя, который в виде мелких капелек представляет дисперсную фазу и жидкого горючего, являющегося непрерывной фазой. Соотношение окислителя и горючего в эмульсионной смеси составляет приблизительно 10:1.

В качестве окислителя применяют нитриты, перхлораты аммония, щелочных металлов и т.д. Наиболее часто используют АС отдельно ли в смеси с другими селитрами. Оптимальное содержание окислителя в смеси составляет 60-85%, а воды - 8-16%.

Жидкими горючими обычно являются органические виды топлива (минеральные масла, дизельное топливо и т.д.). оптимальным является содержание жидкого горючего 3-7%. Для повышения энергетических характеристик в составы эмульсионных ВВ иногда добавляют твердое горючее: серу, алюминиевый порошок. Для распределения мелких капелек раствора окислителя, имеющих размеры от десятых долей до 1-10 мкм. В непрерывной фазе жидкого горючего применяют эмульгаторы. Наиболее эффективными эмульгаторами являются: эфиры глицерина и жирных кислот (стеариновой).

Эмульсии имеют повышенную взрывчатую способность, поскольку обе фазы жидкие, а дисперсные капельки раствора нитрата на несколько порядков меньше, чем размеры частиц других ВВ.

В отличие от водосодержащих смесей эмульсии не загущаются и не желатинизируются. Так как эмульсии не имеют химических сенсибилизаторов, их чувствительность и взрывчатые характеристики. А также плотность целиком зависят от содержания в смеси газовых пузырьков.

Компоненты эмульсии смешивают при температуре С. Из-за отсутствия структурирующих добавок эмульсионные смеси перед употреблением должны остыть до температуры 30-50С, прежде чем горючая фаза перейдет в полутвердое состояние.

Производят три вида эмульсионных ВВ: патрон большого диаметра (>100мм); текучие, предназначенные для закачки из автоцистерны; патроны малого диаметра, инициируемые детонатором.

Эмульсионные ВВ имеют очень высокую физическую стабильность, благодаря чему их детонационные характеристики остаются неизменными при хранении до года.

Водоустойчивость эмульсионных ВВ выше чем суспензионных и водно-гелевых из-за того, что каждая капелька раствора АС покрыта тонкой пленкой жидкого горючего, предохраняющей от контакта и разбавления внешней водой в обводненных скважинах.

Благодаря отсутствию дорогостоящих и дефицитных загустителей и структурообразователей, эмульсионное ВВ значительно дешевле других типов водосодержащих ВВ.

Высокая стабильность, водоустойчивость, возможность в широких пределах изменять рецептуру и характеристики, безопасность - все это говорит о перспективности этих ВВ. кроме того, при ведении взрывных работ с применением эмульсионных ВВ возможна полная механизация и автоматизация производственных процессов подготовки и заряжания взрывных выработок.

Эмульсионные ВВ производят различные фирмы: «Дюпон», «Иреко Кемиклз», «Атлас Паудер» и другие.

^.

^/

Одним из последних достижений следует считать появление концентрированных «Сларри» - взрывчатых смелей из эмульсионного ВВ и АС-ДТ, смешанных таким образом, чтобы эмульсия заполняла межгранульное пространство. Идея предложена компанией «Эксплозивс энерджи корп.» В результате были получены взрывчатые составы, обладающие по сравнению со смесями АС-ДТ большей объемной концентрацией энергии и более высокой водоустойчивостью, а по сравнению с эмульсионными меньшей стоимостью.

Соотношения компонентов в смеси «Эмульсия - АС-ДТ» легко изменяется непосредственно на месте производства взрывных работ, поскольку оба компонента можно смешивать в любой пропорции. В специальных емкостях смесительно-зарядных машин непосредственно перед загрузкой смеси во взрывные скважины, концентрированные ВС позволяют регулировать линейную плотность энергии по высоте скважинного заряда и производить индивидуальное заряжание каждой скважины с требуемыми по условиям производства уровнями энергии. Такое индивидуальное заряжание скважин производят путем простого измерения содержания в смеси эмульсии и АС-ДТ, осуществляемого смесительно-зарядной машиной.

Наибольшей популярностью в США пользуются универсальные смесительно-зарядные машины на базе большегрузных автомобилей, приспособленных для приготовления и заряжания любого из трех видов ВВ - АС-ДТ, эмульсии или смеси эмульсии и АС-ДТ.

В таких машинах имеются емкость для гранулированной АС, цистерна для эмульсионного наполнителя, два насоса и баллоны для газирующего вещества. Для приготовления концентрированной смеси эмульсии с АС-ДТ используют трубопровод, который ведет из цистерны наполнителя через шланг в подающий верхний шнек, где наполнитель смешивают с АС-ДТ.

Смесительно-зарядная машина имеет две самостоятельные системы подачи ВВ в скважину. Насосную систему обычно располагают позади кабины и используют для закачки эмульсии на дно скважины под столб воды. Верхнюю шнековую систему используют для подачи как обычного АС-ДТ, так и смеси эмульсии с АС-ДТ.

Объем выпуска эмульсионных ПВВ в настоящее время превысил выпуск тротилосодержащих ПВВ и неуклонно будет возрастать.



Литература

Основная

1. Кутузов Б.Н. Разрушение горных пород взрывом. МГГУ, М., 2007

2. Единые правила безопасности при взрывных работах (ПБ-13-407-01), Госгортехнадзор, Россия, 2012

Дополнительная:

1. Кутузов Б.Н. Разрушение горных пород взрывом. Взрывные технологии в промышленности. М., МГГУ, 1994.

2. Безопасность взрывных работ в промышленности. Под ред. Кутузова Б.Н., Недра, М., 1992.

3. Макарьев В.П., Михайлов В.А. Проектирование взрывных работ в горной промышленности и строительстве. Л., ЛГИ, 1985.

Размещено на Allbest.ru

...