Тема 5. Детонація ВВ і фактори, що впливають на її стійкість
5.1. Поняття про хімічному перетворенні, вибуху і детонації ВВ
Вибух - процес швидкого фізико-хімічного перетворення речовин, при якому виділяється велика кількість енергії в обмеженому об'ємі за вельми короткий проміжок часу і відбувається робота.
Ударна хвиля - є характерною ознакою вибуху і являє собою різке підвищення тиску, що супроводжується стисненням, нагріванням і зміною швидкості руху речовини.
Вибухи поділяють на фізичні. при яких змінюється тільки фізичний стан речовини (балони зі стисненим газом, парові котли, блискавки і т. п.) і хімічні. при яких змінюється хімічний склад речовини з виділенням тепла і утворенням газоподібних продуктів.
- теплові (гомогенні), які відбуваються при поступовому і рівномірному нагріванні всього обсягу ВВ;
- самораспространяющемуся. які протікають при порушенні хімічної реакції спочатку в невеликій частині обсягу ВВ, звідки вона з високою швидкістю мимовільно поширюється на весь обсяг ВВ. У промисловості застосовують самораспространяющемуся вибухи.
Вибухове перетворення являє собою сукупність реакцій окислення горючих елементів, що входять до складу ВВ (С, Н), за рахунок кисню, що також входить до складу ВВ, тому вибух відбувається в будь-яких умовах замкнутого простору без доступу кисню ззовні.
Для збудження вибуху речовини необхідно повідомити початковий імпульс достатньої інтенсивності, що викликає швидку хімічну реакцію в ВВ, що супроводжується виникненням в ньому незгасаючої ударної хвилі.
Залежно від інтенсивності зовнішнього впливу процес хімічного перетворення ВВ може протікати в трьох формах:
1 - термічний розклад - порівняно повільний процес розпаду речовини при його нагріванні нижче температури спалаху, що відбувається в усьому обсязі ВВ. Швидкість розпаду зростає зі збільшенням температури нагріву ВВ. У разі переважання теплового виділення в результаті екзотермічної реакції розпаду ВВ над відведенням тепла в навколишнє середовище, процес термічного розкладання може перейти в горіння.
2 - горіння - самораспространяющемуся процес хімічного перетворення ВВ, що відбувається в порівняно вузькій зоні (підставі полум'я), яка переміщується по ВВ в результаті прогрівання впереділежащіх -по поверхневих шарів ВВ до температури спалаху. Розрізняють стаціонарне горіння. розповсюджується з постійною швидкістю (від міліметрів до декількох метрів в секунду), і нестаціонарне (вибуховий) - розповсюджується з непостійною наростаючою швидкістю (до сотень м / с). при різкому
наростанні швидкості горіння, що супроводжується утворенням хвиль стиснення попереду полум'я, можливий перехід горіння в детонацію.
3 - детонація - процес переміщення по заряду ВВ з дуже високою швидкістю (від 3-5 до 7 км / с) зони хімічної реакції із стрибкоподібним підвищенням тиску на крутому фронті хвилі.
Детонационная хвиля - це переміщається по ВВ ударна хвиля, яка адиабатически стискає і розігріває ВВ, викликаючи в ньому хімічну реакцію вибухового перетворення. При цьому нагріті до десятків тисяч градусів газоподібні продукти вибуху (ПВ), що займають спочатку обсяг вихідної речовини, розвивають тиск кілька десятків тисяч МПа.
5.2. Основи теорії детонації ВВ
Під дією ударної хвилі відбувається руйнування молекул ВВ, і, звільнившись від зв'язків, нагріті до високої температури горючі елементи і кисень вступають в зоні 7 за фронтом ударної хвилі 2 в хімічну реакцію з виділенням тепла і перетворенням ВВ в газоподібні ПВ (рис. 5.1).
Мал. 5.1. Схема детонації заряду ВР:
1 - детонаційна хвиля; 2 - ударна хвиля; 3 - фронт розширення ПВ; 4 - фронт хвилі розрідження; 5 зона не розширилися газів; 6 - площину Чепмена - Жуге; 7 - зона хімічної реакції;
D - швидкість поширення хвилі детонації по заряду ВВ.
Комплекс з ударної хвилі 2 і зони хімічної реакціі7 є детонационную хвилю 1. Від зони хімічної реакції розповсюджується фронт розширення ПВ 3, а з периферії до центру заряду по похилій до осі площині поширюється фронт хвилі розрідження 4. У центрі заряду у вигляді конуса формується зона не розширені газів 5. Зона хімічної реакції 7 обмежується площиною Чепмена - Жуге 6. тиск ПД в якій приблизно в 2 рази нижче, ніж у фронті детонаційної хвилі стиснення.
(Д. Чепмен з Англії, Е. Жуге з Франції - створили в кінці XIX століття перші математичні моделі детонаційної хвилі).
На профілі детонаційної хвилі, побудованому в координатах тиск (Р) - відстань (Х), адіабатичному стиску ВВ відповідає пряма
Мал. 5.2. Профіль детонаційної хвилі
Зоні хімічної реакції відповідає ділянка ВС на кривій падіння тиску, ділянку кривої CF характеризує спад тиску в розширюються ПД.
Головну частину хвилі хімічної реакції прийнято називати хімічним піком (див. Рис. 5.2, ділянка ВС). У зоні хімічного піку швидкість поширення виділилася теплоти вище швидкості детонаційної хвилі, завдяки чому відбувається "підживлення" хвилі детонації, за рахунок виділилася в хімічному піку енергії, що забезпечує її стійкість і самораспространения.
Основною умовою стійкості детонації заряду ВР є пре-
володіння кількості енергії, що виділилася в зоні хімічного піку, над втратами енергії в цій зоні внаслідок розширення ПД, і навпаки.
5.3. Фактори, що впливають на стійкість детонації ВВ
Всі фактори, що впливають на швидкість і стійкість детонації ВВ в заряді, умовно поділяють на 2 групи:
1 - залежні від стану ВВ
1.1. Дисперсність ВВ.
Детонационная здатність особливо сумішевих ВР залежить рівномірності перемішування і розмірів частинок складових компонентів. Чим менше частки, тим швидше завершуються їх розкладання, змішування елементів і вторинне взаємодія газів первинного перетворення.
1.2. Чутливість ВВ до початкового імпульсу.
Порушення детонації в заряді ВВ забезпечується будь-яким зовнішнім впливом достатньої інтенсивності, що викликає завдяки розвитку високого тиску розрив внутрішньо молекулярних зв'язків речовини і швидку хімічну реакцію, що супроводжується виникненням незгасаючої ударної хвилі.
В якості зовнішнього впливу для ініціювання вибухів в зарядах
ВВ застосовують вибухи малих зарядів ВВ, що ініціюють, які повинні забезпечувати необхідний тиск в хвилі стиснення.
Показником чутливості до початкового імпульсу вважають мінімальну масу ініціюючого заряду вибухової речовини, який забезпечує збудження детонації в випробувальному ВВ, і називають мінімальним ініціював імпульсом. вимірюваним в грамах гримучої ртуті.
Залежно від інтенсивності ініціюючого імпульсу початкова швидкість детонації в заряді ВВ може бути вище або нижче швидкості детонації цього ВВ (рис. 5.3).
Мал. 5.3. Залежність швидкості детонації заряду ВР від інтенсивності початкового імпульсу:
D min. D max - мінімальна і максимальна швидкості детонації ініціюючого ВВ, що викликає детонацію заряду;
D ст - швидкість детонації заряду, промислового ВВ; l з-довжина заряду
Вплив інтенсивності ініціюючого імпульсу на швидкість детонації заряду ВР позначається лише на початковій ділянці I розвитку (розгону, уповільнення) детонації, а на ділянці II. рівному (від 1 до 2) діаметрів заряду d з. швидкість детонації стабілізується.
Для безвідмовного ініціювання зарядів промислових ВР необхідно повідомити досить потужний точковий імпульс, який викличе початкову детонацію в деякій критичній масі заряду, заряду, здатної забезпечити самораспространения детонації по всій масі ВВ з характерною для нього швидкістю.
Для ВВ зі зниженою чутливістю до початкового імпульсу застосовують додатковий ініціатор у вигляді тротиловому шашки або патронабоевіка з іншим більш чутливим ВВ.
2 - залежні від умов підривання ВР:
2.1. Діаметр заряду
2.1.1. Критичний d кр - такий діаметр зарядаd з. при подальшому зменшенні якого детонація заряду вибухової речовини стає нестійкою, швидкість детонації D кр найменша, т. е. відбувається її загасання (рис. 5.4.).
2.1.2. Граничний d пр - такий діаметр заряду вибухової речовини, при якому забезпечується максимальна (ідеальна) швидкість детонації ВВD і. і при подальшому збільшенні якого швидкість детонації ВР не збільшується.
Мал. 5.4. Залежність швидкості детонації D від діаметра заряду d з:
D і. D кр - відповідно ідеальна і критична швидкість детонації ВР; d кр. d пр - критичний і граничний діаметр заряду вибухової речовини.
2.2. Щільність ВВ в заряді.
Зі збільшенням щільності p індивідуальних ВВ швидкість детонації D зростає до максимального значення (крива 1. рис. 5.5).
Для сумішевих ВВ розрізняють щільність ВВ в заряді:
1. Насипна p н - щільність ВВ в розпушеному природному состоя-
2. Оптимальна p опт - щільність сумішевих ВР, при якій швидкість детонації максимальна (точка А на кривій 2, рис. 5.5.), Так як зі зменшенням відстані між частками компонентів, складових ВВ, поліпшуються умови передачі теплоти від частки до частки, а також умови для взаємодії хімічних елементів, які утворилися в процесі первинної хімічної реакції.
3. Критична p кр - щільність сумішевого ВВ, при якій швидкість детонації зменшується до її повного загасання, так як з подальшим зменшенням відстані між частинками, зменшується їх вільна поверхня, що ускладнює сприйняття ними теплоти, їх підпалювання і поширення хімічної реакції на їх поверхні.
Таким чином, при переущільнення сумішевих ВР в зарядах відбуваються загасання детонації і відмови вибухів. (Так, аміачна селітра, що входить до складу переущільнення ВВ, поводиться як інертна речовина, що поглинає тепло і не підтримує хімічну реакцію горіння).
Мал. 5.5. Залежність швидкості детонації D
від щільності ВВ p. 1 - для індивідуальних ВВ; 2 - для сумішевих ВР.
Мал. 5.6. Залежність швидкості детонації D
від діаметра заряду d з сумішевих ВР: 1 - без оболонки; 2 - з оболонкою
5.4. Причини відмов і вигоряння зарядів ВВ
На стійкість детонації, відмови і вигоряння зарядів ВВ впливають: щільність ВВ, діаметр заряду, потужність початкового імпульсу, тип, дисперсність, склад і стан ВВ.
До причин відмов і вигоряння зарядів ВВ в процесі ведення вибухових робіт відносяться:
1. ущільнення зарядів і зменшення їх діаметра внаслідок:
- канального ефекту, коли між стінками шпуру і патроном ВВ є значний зазор
- відкольних явищ на контурі шпуру в результаті впливу хвиль напружень, що виникають від вибуху зарядів попередніх серій підривання;
- прориву газоподібних ПД від сусіднього заряду до ще не детонувати шпуровим заряду;
- уплотняющее дію сейсмічних динамічних навантажень від попередніх серій вибухів при груповому підриванні;
- застосування великих зусиль в процесі досилання патронів в шпур
2. Товста папір на торцях патронів ВР, а також поглиблення в них, що перевищують 7 мм, пересипання породної дрібницею між патронами при заряджанні.
3. Нещільна досилання патронів ВР у шпури при заряджанні.
4. Недостатня розпушення злежалих ВВ в патронах перед -до посиланням їх в шпури.
5. Перезволоження ВВ в обводнених шпурах.
5.5. Методи оцінки та засоби забезпечення стійкості детонації
Опірність ВВ канального ефекту визначають шляхом по-
ня 5 патронів досліджуваного ВВ в паперовій оболонці дліной250 мм і діаметром 20 мм в сталеву трубу з внутрішнім діаметром36 мм і довжиною 1,25 м. У перший патрон вставляють ЕД миттєвої дії і підривають заряд. Мірою опірності канального ефекту є довжина ділянки здетонували заряду до місця загасання детонації (для амоніту ПЖВ-20 ця довжина 76-79 см, для вугленіту Е-6 - 35 см).
Засобом підвищення стійкості детонації є дотримання технології БПР, ЕПБ:
- Дотримання мінімально допустимих відстаней між зарядами в масиві порід для запобігання відкольних ефекту, прориву газоподібних ПД.
- Очищення шпурів і свердловин від бурової дрібниці перед заряджанням.
- Застосування водостійких ВВ.
- Використання набійки зарядів.
- Застосування проміжних ініціаторів для малочутливих
- Застосування патронів ВР з діаметром, відповідним діаметру
- Розпушувати злежалі ВВ.
- Дотримання технології заряджання.