Возбуждение детонации в эмульсионных взрывчатых веществах, сенсибилизированных газовыми порами, скользящей детонационной волной

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 662.217

Украинский государственный химико-технологический университет

Возбуждение детонации в эмульсионных взрывчатых веществах, сенсибилизированных газовыми порами, скользящей детонационной волной

С.А. Горинов

В.П. Куприн

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Практика ведения взрывных работ на карьерах с использованием наливных ЭВВ, сенсибилизированных газовыми порами, выявляет тенденцию к применению все более мощных промежуточных детонаторов (ПД). Это объясняется стремлением избежать возникновения режимов низкоскоростного взрывчатого разложения ЭВВ, при которых снижается эффективность и безопасность взрывных работ, повышается выброс ядовитых газов в атмосферу [1-3].

Для снижения массы ПД при инициировании наливных ЭВВ, сенсибилизированных газовыми порами, предлагается использовать удлиненные ПД (УДП) [2,4,5].

Методика определения основных геометрических параметров УДП изложена в работе [5]. Однако данная методика не учитывает влияние структуры и химического состава ЭВВ на характер развития детонационных процессов в рассматриваемых ВВ, отмеченные в [6-9], а также не способна объяснить возникновение детонации в безоболочечном заряде ЭВВ, сенсибилизированных газовыми порами, при инициирование его мощным линейным ПД.

В настоящей работе осуществлена оценка условий возбуждения нормальной детонации в эмульсионных взрывчатых веществах (ЭВВ), сенсибилизированных газовыми порами, под действием скользящей детонационной волны, вызываемой взрывом линейного промежуточного детонатора, с учетом структуры, химического состава ЭВВ и кинетики детонационного процесса.

Учет отмеченных параметров позволяет более обоснованно подходить к вопросам проектирования УДП, что делает настоящую работу полезной для горной практики.

МАТЕРИАЛ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Рассмотрим линейный промежуточный детонатор радиусом , помещенный соосно в цилиндрический заряд ЭВВ радиусом .

ВВ боевика характеризуем следующими параметрами: , , _ плотность, скорость детонации и коэффициент политропы ВВ ПД соответственно.

Возбуждаемое ЭВВ характеризуется: - плотностью, - радиусом поры, - размером частицы эмульсии и ударной адиабатой , где , - параметры ударной адиабаты инициируемого ВВ. Здесь - скорость ударной волны, _ массовая скорость.

Введем линейную систему координат «Oy» с осью y линейного ПД. Начало данной системы координат совместим точкой инициирования ПД.

Так как сжимаемость продуктов детонации ПД ниже, чем сжимаемость пористого вещества ЭВВ, то происходит истечение продуктов детонации ПД в ЭВВ. Начальная скорость смещения границы «продукты взрыва ПД-ЭВВ» в направлении перпендикулярном оси ПД можно найти на основании решений [10] для скользящей детонационной волны:

.

В соответствии с [11], детонационная волна в ЭВВ имеет двухслойную структуру: 1. зона сжатия, представленная конденсированным веществом, в расширяющихся из-за горения порах которого происходит разложение ВВ; 2. газовая зона, представленная сильно уплотненным газовым телом, в котором происходит догорание ВВ. Поэтому возбуждение процесса детонации в ЭВВ не является мгновенным. Для осуществления данного процесса вещество ЭВВ необходимо сжать, обеспечить его возгорание и прогорание между «горячими» точками [10]. Данный процесс происходит за определенное время , которое определяется особенностями инициируемого ЭВВ. За данное время граница раздела «продукты детонации - ЭВВ» смещается в радиальном направлении на расстояние , а вглубь продуктов детонации в радиальном направлении проникает возникающая в них волна разряжения на глубину.

Согласно [11] ,

где - время прогорания ЭВВ между сенсибилизирующими порами.

,

где - скорость прогорания межпорового пространства эмульсии.

Величина определяется на основании теории горения Зельдовича-Беляева [12, 13]. Принимая порядок реакции горения ЭВВ равным двум [11], имеем:

,

где - плотность ЭВВ в зоне сжатия в момент прогорания; _ энергия активации аммиачной селитры; - число Авогадро; _ средний молекулярный вес продуктов детонации ЭВВ; _ коэффициент теплопроводности первичных продуктов детонации ЭВВ (определяется для температуры с учетом поправок Сезерланда); , где - плотность ЭВВ в момент начала термического разложения [6,7], - теплота разложения ЭВВ до первичных продуктов (распад по схеме Баума [10] на , , , ); - предэкспоненциальный множитель [12].

Оценим величину давления в продуктах детонации ПД и скорость смещения в радиальном направлении границы «продукты детонации ПД-ЭВВ» в момент в сечении «». Принимаем, что время прихода детонационной волны, распространяющейся в ПД, в сечение «» соответствует моменту времени . На основании [10] можно показать, что начальные распределения плотности и давления в продуктах взрыва ПД в момент в области, неохваченной радиальной волной разряжения, будут описываться следующими учитывающими действие аксиальной волны разряжения уравнениями:

,

,

- давление в т.Чепмена-Жуге в продуктах взрыва ПД.

Величина проникновения радиальной волны разряжения вглубь продуктов детонации ПД равна:

,

где - скорость звука в продуктах детонации ПД в области, неохваченной радиальной волной разряжения, в сечении «». Уравнение (7) справедливо при

,

где . - корень уравнения .

При выполнении (8) величина определяется из (7) и равна

.

В случае радиальная волна разряжения доходит до оси ПД, поэтому в этом случае принимаем, .

Величину смещения границы «продукты детонации ПД-ЭВВ» определим из уравнений:

и ,

где - радиальная компонента скорости смещения границы «продукты детонации ПД-ЭВВ» в момент времени .

Оценим величину из закона сохранения энергии. Рассмотрим объем вещества ПД и ЭВВ, ограниченный сечениями и . Тогда:

,

где -изменение тепловой энергии продуктов взрыва ПД в области за промежуток времени с учетом не только радиального расширения, но и потерь энергии вследствие аксиального движения продуктов детонации ПД; - кинетическая энергия радиального движения продуктов взрыва ПД в области в момент времени ; - кинетическая энергия радиального движения вещества ЭВВ, находящегося в области в момент ; - работа на ударное сжатие вещества ЭВВ, находящегося в области к моменту .

При оценке величины из уравнения (11) полагаем:

1. - т.к. вещество ЭВВ подвергается ударному сжатию - [10];

2. Радиальная скорость движения материала ЭВВ в зоне сжатия изменяется по закону - [14];

3. Радиальная скорость разлетающихся взрывных газов ПД изменяется линейно с изменением текущего радиуса, а плотность продуктов взрыва ПД внутри области, охваченной радиальной волной разряжения и границей «продукты детонации ПД-ЭВВ», постоянна - [15].

Решение задачи распадается на два случая: а). - к моменту распада зоны сжатия в ЭВВ радиальная волна разгрузки доходит до оси ПД; б). - к моменту распада зоны сжатия в ЭВВ радиальная волна разгрузки охватывает только часть сечения ПД.

Ввиду громоздкости получающихся выражений приведем уравнение, полученное из (11), для определения скорости в случае . Тогда получаем:

На основании (6), (10) определяем статическую составляющую давления в продуктах детонации ПД в момент :

.

 Кинетическая составляющая давления продуктов взрыва ПД в момент найдется из уравнения:

.

При распаде зоны сжатия , где - давление в зоне сжатия.

Следовательно, при распаде зоны сжатия в ЭВВ возникнет торможение продуктов детонации ПД. Это приводит к возрастанию в них давления до величины . Данная величина определяется из условия: скорости движения продуктов взрыва ПД и продуктов разложения ЭВВ на границе их раздела совпадают. На основании указанного условия получаем уравнение для определения, достигаемого при заданном воздействии, величины детонационного давления в ЭВВ (принимаем, что ):

,

где - коэффициент политропы ЭВВ; -плотность продуктов взрыва ПД в момент :

Система уравнений (4)-(16) позволяет оценить возбуждение ЭВВ скользящей детонационной волной для безоболочечного или неограниченного зарядов. В случае наличия в ЭВВ твердых включений или твердой оболочки инициирующий эффект скользящей детонационной волны усиливается из-за отражения от них ударных (детонационных) волн. В частности, при массовая скорость во фронте ударной волны будет превосходить массовую скорость в детонационной волне с давлением в области зоны химической реакции. Поэтому основное возбуждение ЭВВ в этом случае будет происходить при взаимодействии опережающей зону реакции ударной волны с преградой.

При значительных давлениях на фронте ударной волны (порядка Па), падающей на жесткую поверхность, определяющее влияние на давления в отраженной волне играют сжимаемости вещества ЭВВ и преграды [10,16].

Положим, что сжимаемость матричной эмульсии ЭВВ описывается уравнением (закон Тэта) , где - плотность матричной эмульсии; - скорость звука в матричной эмульсии (); n - показатель, характеризующий сжимаемость матричной эмульсии. В предположении, что изменение энтропии в зоне сжатия незначительны, удается получить выражение для определения коэффициента отражения kотр. ударной волны от жесткой стенки при нормальном падении (, где и - давление в отраженной и падающей волнах, соответственно):

Расчеты kотр. на основании (17) показывают, что в диапазоне значений n , имеющий наибольший практический интерес , колебаниях параметров и в пределах (0,6<<0,95; 1,5<<2), величина kотр. зависит преимущественно только от отношения . Величину kотр. точностью до 2-3% можно определять по следующей аппроксимационной зависимости:

.

Обсуждение результатов исследования

На основании выполненных исследований, осуществлена оценка эффективности инициирования двух типов ЭВВ скользящей детонационной волной. Рассматривались следующие типы ЭВВ по химическому составу:

- Тип 1 : - 46,4 %, _30 %, - 16 %, топливная фаза - 7,6 %. Плотность матричной эмульсии - 1,488 г/см3;

- Тип 2 : - 78,5 %, _15,5 %, топливная фаза - 6 %. Плотность матричной эмульсии - 1,33 г/см3.

На основании решений, изложенных в работе [7,11], были найдены представленные ниже аппроксимационные зависимости для определения параметров , для нормальной детонации (коэффициент пересжатия равен 1 [3]) с учетом структурных особенностей ЭВВ.

Введем обозначения: , - радиус поры и размер частицы эмульсии, мкм; - время химической реакции, мкс; - начальная плотность ЭВВ, г/см3. Тогда аппроксимационные зависимости можно записать в следующем виде:

- Тип 1:

.

Тип 2:

.

Выражения (19), (20) позволяют с точностью до 3% определять значения и с точностью до 1,5% значения при следующих характерных для практики диапазонах изменения , и : , и 0,6<<0,95. детонация эмульсионный взрывчатый газовый

На рис.1, 2 представлены зависимости от начальной пористости обоих типов ЭВВ. Анализ графиков, представленных на данных рисунках, показывает, что химическая реакция в ЭВВ первого типа проходит значительно быстрее, чем в ЭВВ второго типа.

Рис.1. Зависимость времени химической реакции от пористости ЭВВ (тип 1).

Рис.2. Зависимость времени химической реакции от пористости ЭВВ (тип 2).

На рис.3 представлены зависимости массы удлиненных эмульсионных промежуточных детонаторов, имеющих следующие характеристики: =1м; =5200 м/с; =1150 кг/м3; =2,8, от структурных особенностей ЭВВ (на рис.3,4 - ). Рассматривалось возбуждение нормальной детонации только от бокового удара ПД в ЭВВ первого типа, имеющего начальную плотность 1,33 г/см3. Полагали, что ЭВВ размещено в скважинах радиуса =0,125м, пробуренных в железистых кварцитах. Железистый кварцит является средой с высокой акустической жесткостью [17], поэтому принимали коэффициент снижения давления в отраженной волне по сравнению с отражением от абсолютно жесткой равным 0,8 [18]. Тогда на основании (18), получали: .

Значение параметров ударных адиабат принимались по данным проф. Шведова К.К. [19]: А=2390 м/с, В=1,63 для ЭВВ типа 1; А=1920 м/с, В=1,98 для ЭВВ типа 2.

Значение величины «» в расчетах принималось равным величине , где - длина капсюля-детонатора, при которой в сечении «» не будет наблюдаться влияние «краевого эффекта» конца ПД, а продолжительность активного «набегания» ударной волны на стенку скважины в сечении «» будет не менее ( длина ПД назначается так, чтобы выполнялось условие , во избежание прихода в сечение «» аксиальной стационарной волны разряжения до момента).

Рис.3. Зависимость массы эмульсионного ПД, от структурных особенностей ЭВВ (тип. 1)

Анализ зависимостей, представленных на рис.3 показывает, что возбуждение детонации в ЭВВ первого типа в указанных выше условиях только от бокового удара эмульсионных ПД имеет смысл только, если размеры частиц эмульсии не более 3 мкм, а сенсибилизирующих газовых пор - 15-20мкм, т.е. в случае, если ЭВВ весьма высококачественно.

На рис.4 представлены зависимости массы удлиненных ПД имеющих следующие характеристики: =0,4м; =7000 м/с; =1600 кг/м3; =3,4 (материал ПД - конверсионное ВВ), от структурных особенностей ЭВВ. Рассматривалось возбуждение нормальной детонации только от бокового удара ПД в ЭВВ первого и второго типов, имеющих начальную плотность 1,33 г/см3 и 1,26 г/см3, соответственно. Размер частиц эмульсии для обоих типов ЭВВ принимали равным - 4 мкм. Полагали, что ЭВВ размещено в скважинах радиуса =0,125м, пробуренных в железистых кварцитах.

Рис.4. Зависимость массы ПД из конверсионного ВВ, от структурных особенностей ЭВВ различного типа.

Анализ зависимостей, представленных на рис.4 показывает, что ЭВВ первого типа более легко возбуждаемо, чем ЭВВ второго типа. Вместе с тем, масса ПД для возбуждения «боковым ударом» ЭВВ первого типа весьма чувствительна к качеству газификации этого ВВ.

В заключении необходимо отметить, что выполненные при построении представленных на рис.3, 4 зависимостей расчеты показали, что при назначенных значениях параметров, характеризующих процесс (длина ПД, радиус скважины, плотности ЭВВ и др.):

- при взрыве ПД в ЭВВ первого типа в нем сразу возбуждается недосжатая радиальная детонация, переходящая в нормальную детонацию при отражении от стенки скважины;

- при взрыве ПД в ЭВВ второго типа разложение этого ВВ под действием возникшей в нем ударной волны происходит медленно. Фронт ударной волны удаляется от зоны распада ЭВВ. Нормальная детонация в ЭВВ возникает лишь при отражении этой волны от стенки скважины.

При применении ПД из конверсионного ВВ в случае значительных и в ЭВВ обоих типов сразу возникает нормальная радиальная детонация.

ВЫВОДЫ. В работе осуществлена оценка условий возбуждения детонации в эмульсионных взрывчатых веществах (ЭВВ), сенсибилизированных газовыми порами, под действием скользящей детонационной волны, вызываемой взрывом линейного промежуточного детонатора. Полученные результаты представляют интерес, как при проектировании ЭВВ и ПД, так и при их применении.

Литература

1. Добрынин И.А. Обоснование параметров промежуточных детонаторов в скважинных зарядах для повышения эффективности дробления горных пород: автореф. дисс. на соиск. науч. степени канд. техн. наук: спец. 25.00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород и горная теплофизика» - М., 2010.- 20 с.

2. Перспективные взрывчатые материалы для горной промышленности/ Щукин Ю.Г., Чернышов С.Н., Коломинов И.А. и др./ В кн.: Развитие ресурсосберегающих технологий во взрывном деле. - Екатеринбург, 2009, с.108-118.

3. Горинов С.А. Гофрировочная неустойчивость детонационных волн в эмульсионном взрывчатом веществе, сенсибилизированном газовыми порами/ В кн.: Технология и безопасность взрывных работ - Екатеринбург, 2012, с.163-171.

4. Улучшение качества взрывной подготовки горной массы за счет применения промежуточных детонаторов с оптимальными габаритными размерами при инициировании скважинных зарядов эмульсионных ВВ / Маслов И.Ю. Пупков В.В. и др. // Информационный бюллетень Национальной организации инженеров-взрывников, №2(5)/2003, МГГУ, Москва.

5. Фокин В.А. Обоснование геометрических параметров удлиненной шашки-детонатора для обратного инициирования скважинных зарядов газифицированных эмульсионных взрывчатых веществ // Изв. ВУЗов. Горный журнал, 2008, №3, с.49-54.

6. Горинов С.А., Куприн В.П., Коваленко И.Л., Собина Е.П. Влияние химической природы окислителя на детонационные характеристики ЭВВ. // В кн.: Развитие ресурсосберегающих технологий во взрывном деле. III Уральский горно-промышленный форум. Екатеринбург, 2010. C.191-201.

7. Горинов С.А. Теоретическая оценка детонационных параметров гранэмитов. // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2010, №8, С.121-130.

8. Колганов Е.В., Соснин В.А. Эмульсионные промышленные взрывчатые вещества. (Составы и свойства). Дзержинск Нижегородской области, изд. ГосНИИ «Кристалл», 2009. 592с.

9. Ксюгуанг В. Эмульсионные взрывчатые вещества. М.-Красноармейск, 2002.- 380 с.

10. Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва.- М.:Физматгиз, 1959. 800с.

11. Кутузов Б.Н., Горинов С.А. Инициирование эмульсионных ВВ и гранэмитов промежуточными детонаторами // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2011, №7.- Препринт, С.5-19.

12. Беляев А.Ф. О горении нитрогликоля // В кн.: Теория горения порохов и взрывчатых веществ. М.: Наука, 1982. с.10-34.

13. Зельдович Я.Б. Теория горения порохов и взрывчатых веществ. // В кн.: Теория горения порохов и взрывчатых веществ. М.: Наука, 1982. с.49-86.

14. Медведева Н.С., Шемякин Е.И. Волны нагрузки при подземном взрыве в горных породах // Журнал прикладной механики и технической физики, 1961, №6, с.78-87.

15. Корявов В.П., Виленская Г.Г. Расчет движения в ближней зоне взрыва в твердой среде // Журнал прикладной механики и технической физики, 1968, №6, с.76-85.

16. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966. 688 с.

17. Распределение и корреляция показателей физических свойств горных пород: Справочное пособие/ М.М. Протодьяконов, Р.И. Тедер, Е.И. Ильницкая и др. М., Недра, 1981. 192 с.

18. Орленко Л.П. Физика взрыва и удара. М.: Физматлит, 2008. 304 с.

19. Отчет по теме: «Изучение разложения эмульсии под действием ударных волн» (заключительный) / Рук. К.К. Шведов, Институт проблем химической физики, Черноголовка, 2004. 17 с.

Аннотация

В работе осуществлена оценка условий возбуждения детонации в эмульсионных взрывчатых веществах (ЭВВ), сенсибилизированных газовыми порами, под действием скользящей детонационной волны, вызываемой взрывом линейного промежуточного детонатора.

Ключевые слова: промежуточный детонатор, эмульсионные ВВ.

The work conducted an appraisal of the excitation conditions detonation of emulsion explosives (EE) sensitized gas pores under the influence of the sliding detonation caused by the explosion of a linear intermediate detonator.

Keywords: intermediate detonator, emulsion explosives.

Размещено на Allbest.ru