Волков Б.А. 2 страница

или торфяную муку.

Пламягасители – являются составной частью предохранительных ВВ, предназначенных для взрывных работ в шахтах опасных по газу и (или) пыли

Пламягасители – вещества, вводимые в состав ВВ для снижения температуры и теплоты взрыва с целью уменьшения вероятности взрыва метано-воздушной смеси. В качестве пламягасителей используют хлористый калий, хлористый натрий, хлористый аммоний и т.д.

Пламягасители не участвуют в реакции при взрыве, а только нагреваются и испаряются, снижая тем самым температуру газов взрыва. Кроме того, они являются отрицательными катализаторами (ингибиторами), задерживающими реакцию воспламенения метана горячими газами взрыва.

К механическим взрывчатым смесям относятся по существу наиболее часто применяемые в промышленности ВВ, такие как аммониты, детониты, граммониты, гренулиты, динамоны, водосодержащие ВВ и ранее применяемые динамиты. Из числа смесевых ВВ наибольшее распространение имеют аммиачно-селитренные ВВ, основным кислородсодержащим компонентом которого является аммиачная селитра.

Из химических соединений известны тротил, тетрил, гексоген, тэн, гремучая ртуть, азид свинца, тенерес (тринитрорезорцинат свинца), нитроглицерин и др. Из перечисленных химических соединений в качестве промышленных ВВ применяется самостоятельно или в смеси с другими компонентами только тротил.

Компоненты ВВ могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Для использования в промышленности наибольший интерес представляют смеси твердых соединений и смеси твердых и жидких соединений. В промышленности ВВ применяется в следующем виде: сыпучие или россыпные – порошкообразные и гранулированные; патронированные – порошкообразные в различных оболочках, а также прессованные и шнековые заряды; шашки – прессованные или литые заряды; пластичные ВВ и смеси твердых компонентов с жидкой желатинизированной массой, сохраняющие приданную им форму длительной время; льющиеся, характеризующиеся хорошей текучестью.

3.3. Физико-технические характеристики ВВ

ВВ характеризуются следующими физико-техническими характеристиками: плотностью, пластичностью, слеживаемостью, гигроскопичностью, химической стойкостью, нитроглицериновые ВВ еще экссудацией и старением.

Плотность ВВ – одна из основных характеристик. Повышение плотности ВВ позволяет сосредоточить в единице объема взрывной камеры большее количество энергии и увеличить эффективность дробления горных пород. Различают следующие понятия плотности в практике взрывных работ: плотность ВВ – отношение массы ВВ к его объему; плотность патронов ВВ – отношение массы патронов к их объему; плотность заряжания – отношение массы заряда ВВ к объему всей зарядной камеры, включая все пустоты камеры, не заполненные ВВ.

Сыпучесть ВВ имеет большое значение при их механическом заряжании. Чем более сыпучее ВВ, тем свободнее оно высыпается из бункеров зарядных машин. Сыпучесть характеризуется углом естественного откоса при свободном высыпании ВВ на горизонтальную поверхность: оно тем лучше, чем меньше этот угол. Хорошей сыпучестью характеризуются гранулированные ВВ. Так как гранулированные ВВ мало пылят и не образуют взрывоопасных смесей и имеют пониженную чувствительность, то их разрешается заряжать механизированным способом. Пониженной сыпучестью обладают порошкообразные ВВ.

Слеживаемость характерна для некоторых ВВ, которые при хранении теряют сыпучесть и превращаются в сплошную прочную массу. В большей степени слеживаются порошкообразные, в меньшей – гранулированные ВВ.

Пластичность, вязкость т текучесть ВВ. Если ВВ легко деформируется и способно сохранять приданную ему форму, не течет, как жидкость и на рассыпается, то такие ВВ называют пластичными. В пластичных ВВ имеются твердые частицы ВВ или окислителя, жидкая фаза в виде жидких ВВ или инертных наполнителей и загуститель, придающий вязкость жидкой фазе. В качестве загустителей применяют коллоидный хлопок (в нитроглицериновых ВВ), крахмал, натровую соль карбоксилметилцеллюлозы гуар-гуар, гуаргам и т.п. вещества. Подбором определенного количества и увеличением жидкой фазы взрывчатым веществам можно придать свойство текучести. Этим свойством располагают водосодержащиеся ВВ.

Гигроскопичность – способность ВВ поглощать влагу из атмосферы. Увлажненные ВВ могут частично или полностью терять способность к взрыву.

Водоустойчивость ВВ – способность сохранять постоянство химического состава и противодействовать растворению компонентов при воздействии воды. Водоустойчивые ВВ не теряют своих свойств при помещении их в воду. Повышение водоустойчивости аммонитов достигается покрытием частиц гидрофобной несмачивающейся добавкой, а также применением водоустойчивой аммиачной селитры.

Расслаиваемость – способность ВВ под влиянием внешних причин или самопроизвольно разделяться на составные части или отдельные компоненты из-за неодинаковой плотности, формы, размеров, различной смачиваемости и удерживающей способности твердых компонентов. Наиболее заметен этот эффект в глубоких скважинах или больших емкостях. Так, в гаммонитах возможно выпадение тротила на дно скважины, в игданитах и гранулитах – стекании дизельного масла с гранул.

Экссудация нитроэфирсодержащих ВВ проявляется в выделении из состава ВВ жидких компонентов. Эксудирующие ВВ очень опасны в обращении, их категорически запрещается использовать и они подлежат уничтожению.

Старение нитроэфирсодержащих ВВ проявляется в снижении восприимчивости к инициированию и детонационной способности.

3.4. Газообразные продукты взрыва

Основными ядовитыми газами, образующимися при взрыве ВВ являются:

Оксид углерода – бесцветный газ со слабым запахом. При небольших концентрациях вызывает головные боли, при больших – острое отравление. Предельная концентрация СО в рудничной атмосфере не должна превышать 0,0017% по объему. Содержание СО 0,13% опасно, а при содержании 0,42 – смертельно.

Оксиды азота – ядовитые газы с резким запахом, желто-бурого цвета. Содержание NО в забое, согласно ЕПБ, не должно превышать 0,00026%. Концентрация NО 0,02% смертельно даже при кратковременном вдыхании.

Сернистый ангидрит – бесцветный газ с острым раздражающим запахом. Содержание в рудничной атмосфере 0,03% опасно для жизни. Предельно допустимая концентрация сернистого ангидрита в рудничной атмосфере не должно превышать 0,00038 % по объему.

Сероводород – очень ядовит, при концентрации 0,05% опасен для жизни. Предельно допустимая концентрация в рудничной атмосфере составляет 0,00071% по объему. При содержании в атмосфере от 4,3 до 46% образует взрывчатую смесь.

Пары ртути – без цвета, запаха и вкуса. Предельно допустимая концентрация в рудничной атмосфере составляет 0,01%.

3.5. Физическая сущность процесса детонации зарядов ВВ

Детонация – процесс взрывчатого превращения, вызываемый прохождением по веществу ударной волны и распространяющийся с постоянной для данного физического состояния вещества сверхзвуковой скоростью (1,5 – 9 км/сек).

Детонационная способность является важнейшей характеристикой ВВ. Согласно гидродинамической теории детонации, взрыв возбуждается и распространяется ударной волной, проходящей по заряду ВВ.

При прохождении ударной волны по инертному веществу происходит быстрое ее затухание, так как удельная энергия на фронте волны уменьшается пропорционально кубу расстояния от очага возбуждения. Если ударная волна проходит по ВВ, то (при определенных ее параметрах) на фронте волны в условиях адиабатического сжатия и местного разогрева вещества начинается экзотермическая реакция окисления горючих компонентов ВВ. Выделяющаяся при этом энергия компенсирует потери энергии на фронте ударной волны и процесс распространения ударной волны становится самоподдерживающимся.

Ударная волна, распространяющаяся по ВВ со сверхзвуковой скоростью и сопровождающаяся экзотермической химической реакцией превращения ВВ, называется детонационной волной. На переднем фронте детонационной волны (зона ударной волны) давление p₁ (рис 3.1) в два раза выше давления p₂ в конце зоны химической реакции, т.е. на заднем крае фронта детонационной волны. В свою очередь давление p₂ в два раза больше давления, с которым газообразные продукты взрыва воздействуют на стенки зарядной камеры.

Скорость детонации и ее устойчивость зависят от характеристики ВВ (типа ВВ, дисперсности, плотности), диаметра заряда, наличия и характеристики оболочки; все это учитывается при ведении взрывных работ. В однородном ВВ детонация распространяется с постоянной скоростью и может быть определена по формуле:

D = 64,6 [ 2(n² – 1) Q_v ]^1/2

где n – показатель политропы, n ~ 3; Q_v – теплота взрыва при постоянном объеме, ккал/кг.

Экспериментально скорость детонации определяется с помощьью детонирующего шнура (метод Дотриша), а также методами фоторегистрации или осциллографирования.

Рис. 3.1 График детонационной волны 1 – зона ударной волны; 2 – зона реакций химического превращения ВВ (p₁ – давление на фронте ударной волны, p₂ – давление в конце зоны химического превращения ВВ).

3.6 Влияние различных факторов на устойчивость

и скорость детонации зарядов ВВ

Скорость детонационной волны и устойчивость процесса детонации зависят от химического состава ВВ, диаметра заряда, плотности ВВ, условий взрыва и других факторов.

Для каждого состояния любого ВВ существует минимальный диаметр заряда, ниже которого ВВ сгорает без образования детонационной волны. Такой диаметр называется критическим диаметром детонации d_кр. С увеличением диаметра от d_кр до определенного значения скорость детонации

V_д возрастает от V_min до V_max. Диаметр при котором V_д = V_max называется предельным d_пр. При дальнейшем увеличении диаметра заряда скорость детонации на меняется. Таким образом, при d_з,< d_кр детонация отсутствует, при d_з = d_кр детонация неустойчива и скорость распространения детонационной волны минимальна, при d_кр< d_з < d_пр детонация неустойчива и

V_min< V_д < V_max, а при d_з > d_пр детонация устойчива и процесс протекает с максимальной скоростью. Критические диаметры детонации различныхВВ неодинаковы: так для азида свинца d_кр = 0,5. 10^-3 мм, для гранулированного тротила d_кр = 10 мм, а для простейших смесевых ВВ – несколько десятков миллиметров.

Большое влияние на скорость детонации оказывает плотность ВВ. Для однокомпонентных ВВ (тротил, гексоген и др.) с увеличением плотности ВВ скорость детонации, как правило, монотонно возрастает. Это объясняется тем, что с увеличением плотности уменьшается зона химической реакции и более интенсивным становится приток энергии к фронту детонационной волны.

Для смесевых ВВ существует оптимальной значение плотности, выше которого скорость детонации вновь начинает снижаться. Это происходит из -за того, что с увеличением плотности расстояния между частицами компонентов смеси уменьшаются, что сначала приводит к улучшению условий диффузии газов, а затем - к ухудшению этих условий.

На устойчивость детонации и величину критического диаметра оказывает влияние материал оболочки заряда ВВ. Оболочка затрудняет разброс частиц ВВ при прохождении ударной волны и поэтому критический диаметр уменьшается. Например, аммиачная селитра при плотности 0,8 г/см³ в бумажной гильзе детонирует при диаметре заряда от 80 мм и выше, а в массивной свинцовой оболочке – при d_з = 7 мм.

Критический диаметр детонации уменьшается с уменьшением размера частиц ВВ (как однокомпонентных, так и смесевых). Это объясняется повышением скорости химических реакций взрывчатого превращения при уменьшении частиц реагирующих компонентов.

3.7. Кислородный баланс ВВ

Кислородный баланс – это соотношение окислителя и горючих компонентов в составе ВВ, определяющее полное или неполное окисление горючих элементов. Такое соотношение называется кислородным балансом ВВ (КБ).

Недостаток кислорода в ВВ приводит к неполному окислению горючих элементов. В этом случае ВВ имеет отрицательный КБ. Если в ВВ хватает окислителя для полного окисления горючих элементов, то ВВ имеет нулевой КБ. Если в ВВ имеется избыток кислорода, то ВВ имеет положительный КБ.

Количественно КБ (%) определяется как отношение избытка или недостатка кислорода в грамм-атомах, необходимого для полного окисления горючих элементов ВВ, к массе ВВ в грамм-молекулах.

100 (N_и – N_н)×А

КБ = ¾¾¾¾¾¾¾

М_вв

где N_и – количество имеющихся атомов кислорода в ВВ; N_н - количество необходимого кислорода для полного окисления ВВ; М_вв- молекулярная масса ВВ; А - атомная масса кислорода.

При полном окислении ВВ углерод переходит в СО₂, водород в Н₂О, алюминий в Аl₂О₃. При отрицательном КБ углерод превращается в ядовитый угарный газ СО, или сажу С. При положительном КБ образуются различные окислы азота, являющимися весьма ядовитыми газами. Кроме того, образование окислов азота сопровождается поглощением тепла.

3.8. Баланс энергии взрыва

Работа взрыва совершается за счет теплоты, выделившейся при взрыве. Поэтому общая энергия взрыва

Е = q_т × Q

где q_т – удельная теплота взрыва, кДж/кг; Q – масса заряда ВВ, кг.

Работу, произведенную взрывом по разрушению и перемещению массива породы, называют полезной работой взрыва. Полезная работа составляет только часть полной энергии взрыва.

На рис.3.2. Показана схема баланса энергии при взрыве. В качестве исходной взята потенциальная химическая энергия ВВ. Из-за возможности разброса непрореагировавшего ВВ, недостаточной теплоты взрывчатого превращения фактическая теплота взрыва меньше на величину химических потерь. Фактическая теплота взрыва не может быть превращена в работу даже при идеальном процессе разрушения, так как происходит нагревание разрушаемой среды продуктами взрыва. Разность между фактической теплотой и полной называют тепловыми потерями.

Потенциальная энергия ВВ

Полная фактическая

тепловая энергия Химические

взрыва потери

Идеальные тепловые

потери

Полная факти-

ческая работа

взрыва Потери тепла на нагре-

вание окружающей среды

Бесполезные формы

механической

работы

Полезные

формы

механической

работы

Рис.3.3. Схема баланса энергии взрыва (по А.Ф. Беляеву)

Большая часть полной работы взрыва проявляется в виде общего (фугасного) действия, бризантное составляет лишь малую долю.

3.9. Влияние различных факторов на устойчивость

и скорость детонации зарядов ВВ

Ударная волна характеризуется резким скачкообразным изменением параметров вещества – давления, плотности, температуры и скорости. После достижения максимального давления во фронте ударной волны оно начинает падать и становится меньше начального, область сжатия сменяется областью разрежения и распространяется волна разрежения. По мере распространения по среде происходит рассеивание энергии, распространяющийся максимум давления уменьшается, убывает скорость и ударная волна переходит в звуковую.

Детонационная волна от ударной отличается тем, что за фронтом ударной волны сразу идет зона химической реакции, где выделяется энергия взрывчатого превращения, часть которой используется на поддержание устойчивого распространения детонации.

Из всех параметров ВВ наиболее важным является скорость детонации.

На устойчивость и скорость детонации оказывают влияние следующие факторы: диаметр заряда ВВ, плотность ВВ, дисперсность ВВ, состав ВВ.

Диаметр заряда ВВ. Начиная с некоторого начального диаметра, скорость детонации для данных условий остается постоянной, а ниже критического становится неустойчивой и затухает. Этот экспериментально установленный факт объясняется тем, что устойчивость детонации ВВ зависит от соотношения времени химической реакции в детонационной волне и времени разброса и определяется критическим диаметром заряда. Критический диаметр – это значение диаметра, ниже которого детонация невозможна. Чем меньше критический диаметр, тем выше детонационная способность ВВ.

Если заряд поместить в оболочку, то разлет продуктов взрыва будет затруднен. В этом случае заряд будет устойчиво детонировать и при меньших диаметрах. Чем массивнее оболочка, тем меньше критический диаметр заряда.

Плотность ВВ существенно влияет на устойчивость и скорость детонации. У индивидуальных ВВ (химические соединения) увеличение плотности сопровождается ростом скорости детонации до определенного предела и далее не изменяется. У механических смесей с увеличением плотности скорость детонации возрастает до максимального значения, соответствующего максимального значения, соотвествующего критической плотности, а далее детонация затухает. Следовательно, критическая плотность смесевых ВВ – это значение плотности, выше которой детонация становится неустойчивой и затухает. Это явление характерно для большинства промышленных ВВ, например, аммонитов. С вводом в состав ВВ сильных сенсибилизаторов (гексогена и др.) значение критической плотности увеличивается.

Дисперсность ВВ оказывает влияние на детонационную способность ВВ. Уменьшение размеров частиц обусловливает уменьшение критического диаметра зарядов. Грубодисперсные и гранулированные ВВ имеют большие значения критического диаметра в сравнении с с тонкоизмельченными порошкообразными ВВ того же состава.

Состав ВВ также влияет на устойчивость и детонационную способность ВВ. Уменьшение содержания тротила, замена его горючими невзрывчатыми добавками увеличивает критический диаметр ВВ.

4. Методы оценки эффективности и качества

промышленных ВВ

4.1. Методы испытаний ВВ

Промышленные ВВ подвергаются следующим испытаниям:

1. Для оценки взрывчатых свойств, характеризующих эффективность,

производят экспериментальное определение скорости детонации, бризантности, работоспособности. Кроме того, экспериментальным или расчетным путем для новых ВВ определяют теплоту и работу продуктов взрыва, объем, температуру и давление газов взрыва.

2. Для проверки качества ВВ, их соответствии ГОСТу и пригодности к применению определяют полноту детонации, способность к передаче детонации от патрона к патрону, влажность ВВ, химическую и физическую стойкость.

Для ВВ содержащих нитроэфиры более 15%, определяют экссудацию – выделение жидких нитроэфиров на оболочке патронов.

3. Для оценки чувствительности и опасности ВВ в обращении определяется чувствительность к тепловому импульсу, к удару и трению, к инициированию, склонность к пылению, электризации.

4. Для характеристики технологичности применения ВВ определяют

расслаиваемость, смешиваемость.

4.2. Оценка взрывчатых свойств ВВ

Определение скорости детонации основано на сравнении известной скорости детонации детонирующего шнура (ДШ) со скоростью испытуемого заряда (метод Дотриша). На боковой поверхности по оси заряда, заключенного в металлическую трубу с внутренним диаметром 30 или 40 мм, толщиной стенок 3-4мм и длиной 450мм с завинчивающимися с обоих сторон крышками делают два отверстия на расстоянии а, равном 200 или 350мм. В эти отверстия вставляют концы отрезков ДШ длиной 1,5 и 1м. Расстояние от отверстия до копсюля-детонатора 60мм. Свободные концы ДШ крепят на пластинке-фиксаторе со стальной прокладкой так, чтобы риски на пластинке точно совпали с концами ДШ (рис.) Испытываемый заряд инициируют промежуточным детонатором в виде прессованной шашки огневым или электроогневым способом. При взрыве детонация распространяется по заряду и по обеим ветвям ДШ длиной L₁ и L₂. В месте встречи детонационных волн на пластинке образуется углубление. Расчет скорости детонации производят, исходя из равенства времени прохождении детонационных волн по обеим ветвям шнура до места встречи, т.е.

(L₁ – L₄) / V_дш = а /V_вв + (L₂ - L₃)/ V_дш;

Рис. 4.1. Схема к определению скорости детонации (по Дотришу)

1- труба; 2 – пластинка-детонатор; 3 – отрезки ДШ; 4- КД; 5- промежуточ-

ный детонатор; 6 – заряд ВВ; 7 – оболочка.

Приняв L₁ – L₂ = L₁¹ и L₂ - L₃ = L₂¹ , найдем

L₁¹ / V_дш = а / V_вв + L₂¹/ V_дш

откуда

V_вв = V_дш а / (L₁¹ – L₂¹ )

где V_вв и V_дш - скорости детонации испытуемого ВВ и детонирующего шнура, м/сек.

По характеру действия взрыва ВВ на массив принято различать бризантное (дробящее) и фугасное (общее) действие ВВ.

К бризантным формам работы взрыва относится измельчение породы на контакте и в непосредственной близости от заряда. Эта работа пропорциональна плотности ВВ и квадрату скорости детонации.

Для оценки бризантного действия ВВ применяется проба на бризантность на свинцовых цилиндрах (метод Гесса) или проба на дробящее действие взрыва на породных образцах.

К фугасным формам работы взрыва относятся разрушение породы на большом расстоянии от заряда (за пределами бризантного действия), движение породы при взрыве. Это действие взрыва проявляется в объеме, в сотни раз превышающем объем заряда. Величина фугасной формы работы взрыва пропорциональна общей энергии ВВ или его работоспособности.

Для оценки фугасной работы взрыва применяется определение работоспособности в свинцовой бомбе (метод Трауцля).

4.3. Оценка технологической стойкости и чувствительности ВВ

к внешним тепловым и механическим воздействиям

(удар, трение, тепловой и инициирующий импульс)

Чувствительность ВВ – степень восприимчивости к определенному внешнему импульсу, вызывающему детонацию заряда. Она зависит от свойств ВВ, его состояния (порошкообразное, литое, гранулированное и т.д.), температуры, влажности, степени ограничения заряда и т.д.

Для оценки чувствительности проводят испытания: на удар, трение, нагревание (в том числе действие открытого пламени), воздействие ударной воздушной волны, передачу детонации на расстояние, на воздействие детонатора.

Чувствительность ВВ к инициированию оценивают минимальным зарядом, который необходим для возбуждения детонации.

Чувствительность ВВ к удару определяют на специальных копрах. При испытаниях на навеску ВВ, заключенную между двумя металлическим поверхностями, сбрасывают груз определенной массы.

Испытания на чувствительность ВВ к трению проводят на маятнике трения или растиранием навески в фарфоровой ступке. Испытание на трение (скользящий удар) производят путем сдвига навески ВВ боковым ударом ролика, прижатого с определенной силой к поверхности ВВ.

Чувствительность ВВ к тепловому воздействию определяют по температуре вспышки ВВ с точностью до 5^оС. Ниже температуры вспышки ВВ не должно вспыхивать при ее выдержке в термостате в течении 5 мин.

5. Промышленные взрывчатые вещества

5.1. Классификация промышленных ВВ

Для производства взрывных работ могут использоваться только такие ВВ, которые прошли определенный комплекс лабораторных, полигонных и промышленных испытаний, на которые имеются ГОСТы или утвержденные технические условия и разрешение Госгортехнадзора на допуск их к применению. Такие ВВ называются промышленными.

Все промышленные ВВ должны удовлетворять следующим основным требованиям: не оказывать вредного влияния на организм человека, иметь относительно низкую стоимость и высокую сохраняемость при транспортировании, хранении и использовании. Вместе с тем промышленные ВВ должны безотказно детонировать от стандартных средств инициирования зарядов и обладать достаточной мощностью.

Промышленные ВВ подразделяются на предохранительные и непредохранительные и представляют собой следующие классы:

1-й класс – непредохранительные ВВ для взрывания только на земной поверхности (цвет упаковки или оболочки патронов – белый): гранулотол, алюмотол, гранитол марок 1 и 7А, гранулит С-6М.

2-й класс – непредохранительные ВВ для взрывания на земной поверхности и в забоях подземных выработок, не опасных по скоплениям горючих газов или пыли (цвет упаковки – красный): гранулит марок 79/12, АС-4, АС-4В, игданит, аммонит скальный №3, аммонит 6ЖВ, детонит М.

3-й класс – предохранительные ВВ для взрывания только по породе в забое выработок, в которых выделяется метан, но отсутствует взрывчатая пыль (цвет упаковки – синий): аммонит – 5ЖВ.

4-й класс – предохранительные ВВ для взрывания по углю и породе в забое выработок, опасных по взрыву пыли или для сотрясательного взрывания (цвет упаковки – желтый): аммонит марок Т-19, ПЖВ-20.

5-й класс – предохранительные ВВ повышенной предохранительности для взрывания по углю и породе в особо опасных по метану забоях подземных выработок, но в отсутствии контакта заряда с метановоздушной смесью (цвет упаковки – желтый): угленит Э-6.

6-й класс – высокопредохранительные ВВ для взрывания по углю и породе в особо опасных по метану забоях подземных выработок, когда возможен контакт заряда с метановоздушной смесью (цвет упаковки – желтый): угленит марок 12ЦБ, П-12ЦБ-2, патроны СП-1.

7-й класс – предохранительные ВВ для ведения специальных взрывных

работ в забоях выработок, опасных опасных по метану и угольной пыли (цвет упаковки желтый): ионит, ЗПН-1.

В шахтах опасных по взрыву метана и пыли применяются предохранительные ВВ 3-7 классов в виде патронов диаметром 36-38 мм.

Наиболее распространенные непредохранительные ВВ: