Метательные ВВ (дымные пороха) применяются для отбойки штучного камня, когда надо отколоть блок от массива с минимальным дробящим эффектом.

По физическому состоянию различают следующие разновидности промышленных ВВ: порошкообразные, прессованные, литые, гранулированные (чешуйчатые), водосодержащие (льющиеся или текучие в холодном или горячем состоянии).

Компоненты гранулированных ВВ имеют размер гранул или чешуек 1-3 мм. Водосодержащие ВВ благодаря добавкам водного раствора селитры с загустителем имеют слаботекучую медообразную консистенцию, льющиеся ВВ имеют легкоподвижную консистенцию, допускающую их транспортирование по шлангам. Горячельющиеся ВВ в горячем состоянии имеют легкоподвижную консистенцию, но твердеют при нормальной температуре.

В горном деле применяют индивидуальные (однокомпонентные) и смесевые ВВ. Индивидуальные ВВ - химические соединения (нитроглицерин, тротил, тэн, гексоген и т.п.), содержащие в своем составе все элементы, необходимые для нормального протекания химической реакции взрыва.

Смесевые ВВ состоят из двух или нескольких компонентов, каждый из которых выполняет определенные задачи. В состав смесевых ВВ вводятся следующие компоненты.

0кислители - вещества, содержащие избыточный кислород, идущий при взрыве на окисление горючих элементов. В отдельных случаях роль окислителя может выполнять вещество, содержащее недостаточное количество кислорода для окисления собственных горючих. Так, в алюмотоле тротил выполняет роль окислителя для алюминия, а в аммонитах тротил выполняет роль горючей добавки и сенсибилизатора.

Горючие добавки - твердые или жидкие вещества, богатые углеродом и водородом, легкоокисляющиеся и выделяющие при этом большое количество тепла. Горючие добавки, вступая во взрывную реакцию с окислителем, обеспечивают выделение тепла и газообразных продуктов взрыва. Роль горючих добавок выполняют также взрывчатые компоненты, содержащие в своем составе недостаточное количество кислорода для полного окисления содержащихся в них горючих элементов. Часть углерода, выделяемого при взрыве таких ВВ в виде окиси, в свободном состоянии или в виде горючих соединений, реагирует с кислородом окислителя, повышая теплоту и общую энергию взрыва.

Сенсибилизаторы - вещества, вводимые в состав ВВ для повышения его чувствительности к начальному импульсу и передаче детонации. Это, как правило, мощные ВВ, которые в смеси с малочувствительными ВВ (аммиачная селитра и т.п.) и с невзрывчатыми веществами обеспечивают нормальную чувствительность такого смесевого ВВ к инициированию капсюлем-детонатором, электродетонатором или детонирующим шнуром и одновременно повышают энергетические характеристики этого смесевого ВВ. Роль сенсибилизатора в простейших ВВ (динамоны, игданиты, гранулиты) выполняют (при определенном процентном содержании) и невзрывчатые горючие добавки.

Стабилизаторы вводятся в состав ВВ для повышения их химической и физической стойкости. Некоторые стабилизаторы также выполняют роль горючих добавок.

Флегматизаторы - легкоплавкие вещества, масла, имеющие высокую теплоемкость и высокую температуру вспышки, обволакивающие частицы чувствительного ВВ и не вступающие с ним в реакцию. Введение флегматизаторов снижает чувствительность ВВ и обеспечивает более безопасные условия его применения. Так, перед добавкой гексогена при изготовлении скальных аммонитов его флегматизируют.

Пламегасители вводятся в состав только предохранительных ВВ для снижения температуры взрыва, благодаря чему уменьшается вероятность воспламенения метана и угольной пыли в шахтах. В качестве пламегасителей применяют хлористый натрий, хлористый калий, хлористый аммоний и т.д. Снижение температуры взрыва происходит за счет затрат тепла на нагревание и испарение содержащегося в нем пламегасителя. Кроме того, пламегаситель выполняет роль ингибитора (отрицательного катализатора), замедляя реакцию воспламенения метана горячими газами взрыва.

3.4 Кислородный баланс, ядовитые газы взрыва

Состав газов, выделяющихся при взрыве, зависит от химического состава ВВ, его кислородного баланса и условий взрывания.

Кислородный баланс характеризуется отношением избытка или недостатка кислорода в составе ВВ по сравнению с количеством, необходимым для полного окисления всех горючих элементов этого ВВ, к массе ВВ.

Различают нулевой, положительный и отрицательный кислородный баланс.

Кислородный баланс считается нулевым, если в составе ВВ содержится необходимое количество кислорода для полного окисления горючих элементов. Такое соотношение компонентов называют стехиометрическим. Если в составе ВВ кислорода не хватает для полного окисления горючих элементов, то такое ВВ имеет отрицательный, а при избытке кислорода - положительный кислородный баланс.

При взрыве ВВ с нулевым кислородным балансом образуются в основном пары воды, углекислота, свободный азот, окись алюминия и минимальное количество ядовитых газов, выделяется максимально возможное количество энергии. При взрыве ВВ с недостатком кислорода образуется ядовитая окись углерода СО. Образование этого соединения идет с меньшим выделением тепла, чем при образовании двуокиси углерода. При взрыве ВВ с избытком кислорода последний образует с азотом весьма ядовитые окислы. Реакции образования окислов азота идут с поглощением тепла. Для ВВ с отрицательным кислородным балансом в присутствии воды (заряжание ВВ в скважину, заполненную водой) могут идти реакции, снижающие количество ядовитой окиси углерода и повышающие энергию взрыва.

Таким образом, ВВ с отрицательным и положительным кислородным балансом отличаются меньшей теплотой взрыва от ВВ с нулевым кислородным балансом.

При использовании гранулированных ВВ на подземных работах, чтобы исключить значительное выделение ядовитых газов, плотность заряжания этих ВВ повышается с помощью пневмозарядчиков, а также путем повышения надежности их инициирования. Эти ВВ при высокой плотности заряжания имеют критический диаметр 20-30 мм, т.е. почти в 4 раза меньший, чем для открытого заряда. Повышение плотности заряжания порошкообразных ВВ снижает количество образующихся ядовитых газов, так же как и повышение тонкости их измельчения в процессе изготовления.

Состав газообразных продуктов взрыва зависит не только от химического состава ВВ, но и от оболочки патронов ВВ, условий взрывания заряда (степени ограничения пространства, в котором расположен заряд, влажности ВВ) и свойств породы, влияющих на протекание вторичных химических реакций взрыва. При плохой забойке зарядов, наличии воздушных промежутков между патронами увеличивается выделение ядовитых газов. При взрывании угля газ СО2 может переходить в СО, взрывы серосодержащих руд приводят к образованию сернистых газов и сероводородов. Калийные руды и апатито-нефелиновые связывают окислы азота, молибденовые и медные связывают окись углерода. Чем выше коэффициент крепости взрываемых пород, тем больше образуется окиси углерода и меньше окислов азота.

Было предложил разделять горные породы по степени их влияния на образование ядовитых газов при взрыве ВВ в подземных условиях на три группы. Первая группа пород (апатиты, нефелины, калийные соли, медные, молибденовые руды) обеспечивает выделение до 40 л ядовитых газов на 1 кг ВВ, вторая группа пород (угли и породы угольных шахт, свинцово-цинковые, золотоносные, железные мартитовые руды) 40-100 л и третья группа пород (джеспилитовые железные руды) - более 100 л ядовитых газов на 1 кг ВВ.

Бумажная парафинированная оболочка патронов участвует в реакции взрыва, понижая кислородный баланс. Поэтому установлено, что масса бумажной оболочки должна быть не более 2 г и парафина не более 2,5 г на 100 г ВВ.

Для подземных работ применяют ВВ с кислородным балансом, близким к нулевому (±3%). Для взрывания на земной поверхности можно применять ВВ как с положительным, так и с отрицательным кислородным балансом.

Окись углерода СО (угарный газ) образует при вдыхании прочные соединения с красными кровяными тельцами, являющимися переносчиками кислорода из легких к тканям, в связи с этим человеческий организм начинает испытывать кислородное голодание. При больших концентрациях СО (>1%) быстро наступает смерть. Предельно допустимая концентрация СО в атмосфере шахт 0,0016% (по объему).

Окислы азота NO, NО2, N2О3 при вдыхании в легкие образуют, вступая в реакцию с водой, азотную и азотистую кислоты, действие которых приводит к отеку легких. Окислы азота особенно опасны из-за того, что они способны накапливаться в организме в течение 4-6 ч. Поэтому по токсическому действию они считаются в 6,5 раз более ядовитыми, чем окись углерода, и предельно допустимая концентрация в атмосфере шахт составляет 0,0002 % по объему.

Кроме этих газов при взрыве могут образовываться сероводород H2S, сернистый ангидрид SО2, хлор, при вдыхании которых происходят острое раздражение дыхательных путей и отек легких. По токсичности эти газы считаются в 2,5 раза более ядовитыми, чем окись углерода. При взрыве детонаторов образуются пары и аэрогели ртути или свинца, входящих в состав инициирующих ВВ, а свинец, кроме того, входит в состав электровоспламенителей и замедляющих составов ЭД.

Кислородный баланс наиболее просто определяется выраженным в процентах отношением грамм-атомной массы избытка или недостатка кислорода к грамм-молекулярной массе ВВ.

Кислородный баланс смесевого ВВ определяется суммированием произведений доли каждого компонента на его кислородный баланс.

Истинные реакции взрывчатого превращения ВВ составить практически невозможно из-за многообразия факторов, влияющих на их протекание. Поэтому принят упрощенный прием составления реакций взрыва, согласно которому все ВВ делятся на три следующие группы.

1. ВВ с количеством кислорода, достаточным (или избыточным) для полного окисления всех горючих элементов. В этом случае весь водород превращается в воду, углерод - в углекислый газ.

2. ВВ с количеством кислорода, достаточным для полного газообразования. При этом принимается, что кислород сначала окисляет весь водород в воду, углерод - в окись углерода, а затем оставшийся кислород образует с частью окиси углерода углекислый газ. При взрыве алюмосодержащих ВВ с нулевым кислородным балансом образуется твердая окись алюминия Al2O3, а при отрицательном - она образуется в результате вторичных реакций алюминия с водой и углекислым газом. Протекание реакции сопровождается выделением повышенного количества окиси углерода, что следует учитывать при взрывании алюмосодержащими ВВ в подземных условиях.

3. ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного газообразования. В этом случае водород полностью окисляется в воду, оставшимся кислородом окисляется часть углерода в окись углерода и выделяется свободный углерод.

Таким образом, зная элементарный состав ВВ можно составить реакцию его взрывчатого разложения.

3.5 Детонация промышленных взрывчатых веществ

Для оценки особенностей процесса детонации ВВ сравним это явление с процессами горения различных химических соединений. Так, смесь водорода или метана с кислородом способна сгорать со скоростью 10-20 м/с. Воспламененная слабой искрой в стеклянной трубке, смесь этих газов горит, распространяясь с такой скоростью. Сильная искра или взрыв небольшого заряда вызывают совсем другое явление: пламя в трубке распространяется по газу со сверхзвуковой скоростью (около 2 км/с), т.е. происходит детонация (взрыв) газовой смеси.

Известно, что обычное пламя передается от одного участка газа к другому за счет процессов теплопроводности и диффузии. Скорость горения (распространения пламени) всегда меньше скорости звука.

Скорость детонации всегда больше скорости звука и в сто раз с лишним превышает скорость горения. Детонация - это сложное газодинамическое явление, детали которого в настоящее время еще недостаточно хорошо изучены, но в целом оно объясняется распространением по массе ВВ ударных волн. Ударная волна в массе ВВ возбуждается однократным начальным импульсом от внешнего источника, которым чаще всего является взрыв КД и ЭД.

Согласно гидродинамической теории детонации распространение взрыва по ВВ обусловлено распространением по нему ударной волны, создающей в очень узком слое скачкообразное изменение всех термодинамических параметров ВВ: давления, плотности, температуры.

При этом за фронтом волны происходит мгновенное разогревание частиц ВВ и пузырьков газа между ними, в результате чего возникает интенсивная экзотермическая химическая реакция, энергия которой поддерживает распространение ударной волны по ВВ и его детонацию.

Процессы формирования и распространения ударных волн по ВВ принято в теории описывать законами распространения волн в газах. Это обусловлено тем, что на фронте ударной волны в заряде ВВ возникают давления, на порядок и более превышающие прочность материала ВВ, что позволяет пренебречь силами сцепления между частицами и описать его состояние уравнениями газодинамики.

Совокупность ударной волны и прилегающей к ней зоны взрывчатого химического превращения ВВ называется детонационной волной.

Продукты взрыва детонатора производят резкий удар по прилегающему к нему слою ВВ и формируют ударную волну, распространяющуюся в виде однократного скачка уплотнения по массе заряда ВВ и имеющую следующие особенности.

1. Скорость ее распространения всегда выше скорости звука в данной среде (заряде ВВ).

2. На фронте волны происходит скачкообразное изменение давления, плотности и температуры.

3. Частицы среды (продукты взрыва) движутся вслед за фронтом ударной волны.

4. Скорость ударной волны зависит от величины давления (амплитуды) на фронте волны.

3.6 Особенности детонации промышленных взрывчатых веществ

Скорость детонации промышленных ВВ в несколько раз превышает скорость детонации газов.

В теоретических исследованиях принято, что плоский фронт детонационной волны, распространяясь по заряду, сжимает впереди лежащие слои ВВ, вызывая их химическое превращение. Такой механизм детонации, называемый гомогенным, может иметь место в однородных мощных ВВ. Однако промышленные ВВ являются физически и химически неоднородными системами, чем объясняются особенности их детонации.

В промышленных ВВ могут содержаться высокоактивные индивидуальные ВВ, реагирующие в детонационной волне с большой скоростью и менее активные, но с хорошо выраженными взрывчатыми свойствами. Вещества со слабо выраженными взрывчатыми свойствами (аммиачная селитра, динитронафталин) разлагаются при детонации со скоростью, в 3-5 раз меньшей, чем мощные ВВ, горючие материалы, не имеющие взрывчатых свойств (алюминий, древесная мука, парафин и др.). Наконец, совершенно инертные вещества не принимают участия в реакциях и претерпевают лишь переходы из твердого или жидкого состояния в газообразное (пламегасители, вода в водосодержащих ВВ). Поэтому химические реакции промышленных смесевых ВВ происходят в несколько стадий.

Типичной для промышленных ВВ схемой взрывчатого превращения является первоначальное разложение или газификация в детонационной волне исходных компонентов (первичные реакции) и последующее взаимодействие продуктов разложения между собой или с веществами, не претерпевшими на первой стадии химических или фазовых превращений (вторичные реакции).

На детонационную способность промышленных ВВ существенно влияет равномерность размещения компонентов в заряде, так как общее время и полнота завершения реакции зависят не только от скорости сгорания отдельных частиц (первичные реакции), но и от скорости вторичных реакций, проходящих в газовой фазе и определяемых условиями смешивания продуктов первичного распада. Чем мельче частицы разнородных компонентов и равномернее их распределение в объеме, тем быстрее завершается их сгорание, а также смешивание и взаимодействие продуктов сгорания. Химическая реакция в детонационной волне начинается и развивается в отдельных гранулах (частицах) ВВ и завершается подобием вспышки. Если ВВ представляет собой смесь нескольких компонентов, то на второй стадии продукты разложения гранул разнородных веществ взаимодействуют между собой. В производственных условиях при взрывании скальных пород скважинными зарядами диаметром 150-200 мм, применяемые гранулированные и водосодержащие ВВ детонируют со скоростью, приближающейся к максимальной. При шпуровом взрывании этими ВВ скорость не достигает максимума, т.е. детонация протекает не в оптимальном режиме.

Из приведенного механизма детонации грубодисперсных ВВ ясно, что степень ограничения заряда (плотность заряжания, наличие качественной забойки) оказывает основное влияние на развитие нормального режима детонации.

Приведенный механизм детонации грубодисперсных ВВ аналогичен механизму взрывного горения для порошкообразных ВВ, согласно которому при детонации происходит горение отдельных зерен, а их воспламенение происходит в результате адиабатического сжатия газовых включений в ВВ или в результате воздействия струй газов взрыва, проникающих между частицами ВВ (пробойно-струйчатый механизм детонации).

3.7 Факторы, влияющие на устойчивость детонации зарядов взрывчатых веществ

Скорость детонации заряда ВВ зависит от характеристики самого ВВ (тип ВВ, его дисперсность, плотность ВВ в заряде), диаметра заряда и условий взрывания (наружный или внутренний заряд в шнуре или скважине, наличие забойки).

Диаметр и оболочка заряда. Для каждого ВВ можно найти два нехарактерных диаметра заряда: критический диаметр, при дальнейшем уменьшении которого детонация заряда ВВ становится неустойчивой, т.е. может происходить затухание детонации. С увеличением диаметра заряда больше критического скорость детонации увеличивается до определенного значения диаметра, называемого предельным, при дальнейшем увеличении которого скорость детонации заряда ВВ не увеличивается.

Высокое давление на фронте волны детонации вызывает интенсивное расширение продуктов детонации в стороны. Возникающие при этом волны разрежения будут распространяться в зону химической реакции и снижать давление и температуру продуктов взрыва, а следовательно, снижать скорость детонации за счет снижения величины энергии подпитки фронта волны детонации. Характер протекания этого процесса зависит от соотношения ширины зоны химической реакции и диаметра заряда. Любое химическое соединение или смесь способна детонировать, если реакция их разложения экзотермична, а выделение энергии реакции во фронт детонационной волны достаточно для обеспечения распространения по веществу детонационной волны с постоянными параметрами.

Таким образом, у грубодисперсных ВВ с широкой зоной химической реакции критический диаметр больше, чем у порошкообразных.

Если заряд окружен оболочкой, затрудняющей разлет продуктов взрыва, критический диаметр заряда уменьшается в 1,5-2,5 раза и больше. Например, для аммиачной селитры (порошкообразной) при взрыве в стеклянной трубке критический диаметр значительно больше, чем в стальной трубе.

Оболочка не оказывает заметного влияния на скорость детонации зарядов из однокомпонентных ВВ большой плотности; и, наоборот, сильно влияет на скорость детонации зарядов средней плотности, а также смесевых ВВ. На скорость детонации влияют главным образом инерционные свойства оболочки и ее сжимаемость. При малых плотностях заряжания на устойчивость детонации оказывает влияние и прочность оболочки. Оболочка позволяет снизить величину критического диаметра, т.е. достигнуть устойчивой детонации при меньших диаметрах. При больших диаметрах (близких к предельным) скорости детонации открытых зарядов и зарядов в оболочках примерно одинаковы.

При применении ВВ в зарядах небольшого диаметра, необходимо обеспечивать тщательное заполнение шпура взрывчатым веществом, чтобы последний выполнял роль оболочки, а также выполнять качественную забойку заряда. При зарядах большого диаметра эти факторы мало влияют на устойчивость детонации.

Изменение скорости детонации в зависимости от диаметра заряда определяется механизмом взрывного превращения в детонационной волне. Различают два характерных режима взрывного превращения. Первый развивается в виде теплового взрыва за фронтом ударной волны. При этом время подготовки ВВ к реакции намного больше, чем время самой реакции. Этот механизм требует сильного сжатия и разогрева слоя ВВ за счет действия ударной волны большого давления. При таком механизме вследствие быстрого протекания химической реакции газы взрыва не успевают расшириться, а потому как только диаметр заряда становится больше критического, его скорость детонации будет близка к предельной. Такой режим характерен для однокомпонентных жидких ВВ или тех ВВ, плотность которых близка к предельной. Второй режим развивается в виде воспламенения частиц ВВ в «горячих» точках, получаемых за счет адиабатического сжатия и разогрева воздушных включений или схлопывания пор. Реакция в форме взрывного горения распространяется по поверхности, а затем в глубь частиц ВВ.

Для возникновения такого механизма превращения ВВ требуется давление во фронте волны на порядок меньшее, чем для первого механизма: (7-10)*108 Па по сравнению с (100-120)*105 Па. При взрывном горении зона химической реакции за фронтом ударной волны значительно шире, а скорость детонации зависит от диаметра заряда и степени его ограничения оболочкой.

Переходный (промежуточный) механизм характерен для литых и прессованных зарядов с малой пористостью и большой плотностью. Чем больше у таких ВВ отношение периода подготовки ВВ к периоду реакции, тем ближе режим его детонации к первой схеме.

Для промышленных ВВ критический диаметр от предельного может отличаться в 5-10 раз.

Изменение плотности ВВ. Для индивидуальных ВВ скорость детонации возрастает с увеличением плотности до максимальных значений. Смесевые ВВ имеют критическую плотность, при которой скорость детонации максимальна. При дальнейшем увеличении плотности детонация в заряде прекращается. Это происходит вследствие того, что при изменении плотности ВВ химическое превращение компонентов ВВ и химическое взаимодействие продуктов взрыва изменяются, в результате чего ухудшаются условия протекания химических реакций. Так, при сильном уплотнении аммиачная селитра в аммонитах ведет себя как инертное вещество, и, поглощая энергию, делает невозможным распространение детонации по заряду. При большом содержании мощного компонента в составе ВВ можно достичь такого уплотнения, что детонация будет распространяться в заряде только по этому компоненту, вследствие чего произойдет увеличение ее скорости. При большем диаметре заряда или размещении его в оболочке критическая плотность ВВ увеличивается.

Тип, дисперсность и состав ВВ. С увеличением теплоты взрыва скорость детонации ВВ увеличивается, а критический диаметр уменьшается.

Существенное влияние на величину критического диаметра оказывает дисперсность ВВ. Так, например, тротил с размером частиц 0,01 мм имеет критический диаметр значительно меньший, чем при частицах 0,5 мм. При простом смешивании селитры и тротила критический диаметр аммонита значительно выше, чем при обработке этой же смеси в шаровой мельнице. Влияние дисперсности ВВ на его детонационную способность при диаметрах заряда меньше предельных объясняется тем, что общее время и полнота завершения реакций зависят как от скорости первичных реакций взрывного горения, так и от скорости вторичных реакций, проходящих в газовой фазе. Чем меньше частицы ВВ, тем быстрее завершаются их сгорание, смешивание и вторичное взаимодействие газов взрывного горения. Грубодисперсные ВВ имеют больший критический диаметр, чем порошкообразные ВВ того же состава.

Критический диаметр для смесевых ВВ зависит и от процентного соотношения компонентов.

Влияние мощности (скорости детонации) инициирующего состава сказывается лишь на начальном участке развития детонации, где в зависимости от величины импульса может быть получена скорость детонации выше или ниже характерной для данного диаметра заряда, но в любом случае на участке одного-двух диаметров заряда скорость стабилизируется.

С этой точки зрения для инициирования любого заряда необходим достаточно мощный точечный источник, который вызовет начальную детонацию в критической массе инициируемого заряда и обеспечит самораспространение детонации по массе ВВ с характерной для него скоростью.

Способ инициирования зарядов может определенным образом влиять на характер и величину передачи энергии от продуктов взрыва заряда к породе. Кроме того, изменяя взаимное положение ДШ и шашки промежуточного детонатора, применяемых для взрыва низкочувствительных грубодисперсных ВВ, можно управлять разрушающим действием заряда на массив горных пород.

4. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ И КАЧЕСТВА ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

4.1 Общие положения о работе и балансе энергии при взрыве

Действие взрыва на массив пород проявляется в полезных формах, для которых выполняется взрыв, и бесполезных, представляющих собой потери. При взрывании в скальных массивах главным является дробление и перемещение пород, а в рыхлых - простреливание (образование полостей) или перемещение (взрывы на выброс или сброс).

Работу, выполненную взрывом по разрушению и перемещению породы, нагреванию воздуха и породы, генерированию воздушных и сейсмических волн называют полной работой взрыва. Полная работа составляет часть общей энергии (теплоты) взрыва.

Общий химический к.п.д. взрыва составляет 0,7-0,8, а полезный к.п.д. составляет всего несколько процентов и до настоящего времени точно не определен. При разных взрывах (в воздухе, на поверхности или в глубине массива) полная работа изменяется несущественно, однако затраты энергии на отдельные виды работы значительно изменяются. Так, при взрыве на поверхности массива по сравнению с взрывом в глубине его затраты энергии на разрушение породы и образование сейсмической волны уменьшаются, а на образование ударной воздушной волны - увеличиваются.

Максимальную работу, которую могут совершить газы взрыва при их адиабатическом расширении до атмосферного давления, т.е. при условии перехода всей внутренней энергии в механическую работу расширения, называют идеальной работой взрыва.



Рисунок 4.1. Схема баланса энергии при взрыве (по А. Ф. Беляеву)

Полную работу отнесенную к единице массы ВВ (удельную работу), называют полной работоспособностью.

На схеме баланса энергии при взрыве (рис.4.1) в качестве исходной взята общая химическая энергия ВВ. Фактическая теплота взрыва меньше общей энергии на величину химических потерь (неполнота реакций взрыва, частичный разброс ВВ). Полная работа взрыва будет меньше фактической работы на величину тепловых потерь в окружающую среду, которые имеют место при любых условиях взрывания. Полная работа взрыва реализуется в различные полезные и бесполезные формы работы взрыва. К полезным формам относятся дробление, перемещение (выброс или сброс), образование подземных полостей, к бесполезным - образование сейсмических и воздушных волн, повышенный разброс породы, переизмельчение породы на контакте с зарядом и т.д. Количественных величин различных затрат энергии пока не определено.

4.2 Классификации методов испытаний промышленных взрывчатых веществ

Промышленные ВВ подвергаются следующим испытаниям:

1. Для оценки взрывчатых свойств ВВ определяют скорость детонации, бризантность, работоспособность. Для новых сортов ВВ экспериментальным или расчетным путем определяются теплота и работа продуктов взрыва, объем, температура и давление газов взрыва.

2. Для проверки качества ВВ, пригодности их к применению определяют расстояние передачи детонации от патрона к патрону в сухом виде или после их выдержки в воде на определенной глубине, влажность ВВ, химическую и физическую стойкость.

Для ВВ 1 группы, содержащих нитроэфиры, определяется их эксудация (выделение жидких нитроэфиров на оболочке патронов).

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

4. Для определения технологичности применения ВВ оцениваются сыпучесть, дисперсность, увлажняемость, водоустойчивость, расслаиваемость, химическая стойкость.

4.3 Оценка свойств взрывчатых веществ

По характеру проявления действия взрыва ВВ на разрушаемую породу принято различать бризантное, или дробящее, и общее, или фугасное действие.

Бризантное действие взрыва характеризуется измельчением породы или других твердых тел на контакте с ВВ и в непосредственной близости от заряда.

Предложено характеризовать бризантность импульсом, действующим при взрыве на площадь контактирующей с зарядом среды.

Для оценки бризантного действия ВВ его заряд взрывают на свинцовом столбике (метод Гесса) или в породном образце.

К фугасным формам работы взрыва относятся разрушение породы на расстоянии от заряда, ее перемещение при взрыве. Это действие взрыва проявляется в объеме массива, в сотни и тысячи раз превышающем объем заряда.

Фугасная форма работы взрыва пропорциональна общей энергии ВВ, или его работоспособности. Фугасное действие взрыва оценивается по расширению взрывом заряда свинцовой бомбы (метод Трауцля), по отклонению взрывом баллистической мортиры или баллистического маятника, по объему воронки дробления или выброса при взрыве заряда в породе.

Определение бризантности ВВ по методу Гесса. На столбик из рафинированного свинца (рис.4.2) помещают стальную пластинку толщиной 10 мм и диаметром 41 мм, а на нее заряд массой 50 г в бумажном патроне диаметром 40 мм при плотности 1 г/см3. В заряд на глубину 15 мм вставляют капсюль-детонатор. Свинцовый столбик с зарядом устанавливают на массивной стальной подставке. При взрыве столбик деформируется, приобретая грибообразную форму. Бризантность оценивается разностью средних высот до и после взрыва в миллиметрах, измеренных в четырех диаметрально противоположных точках столбика. Для определения бризантности грубодисперсных и гранулированных ВВ, у которых критический диаметр открытого заряда больше 40 мм, их размещают на столбике в стальном кольце. Бризантность при таких испытаниях существенно больше, чем при взрыве открытых зарядов.



Рисунок 4.2. Схема испытания ВВ на бризантность: 1 - плита; 2 - свинцовый столбик; 3 - стальная прокладка; 4 - заряд ВВ; 5 - капсюль-детонатор; 6 - огнепроводный шнур; 7 - крепление; 8 - столбик после взрыва

Рисунок 4.3. Схема определения бризантности на баллистическом маятнике: 1 - подставка для заряда ВВ; 2 - ЭД; 3 - заряд ВВ; 4 - защитный экран; 5 - фиксатор отклонений; 6 - подвески; 7 - маятник

Рисунок 4.4. Схема определения работоспособности ВВ в свинцовой бомбе: а - до взрыва; б - после взрыва; 1 - свинцовый цилиндр; 2 - заряд ВВ; 3 - детонатор; 4 - забойка



Рисунок 4.5. Схема определения работоспособности: а - в баллистической мортире; б - с помощью баллистического маятника; 1 - мортира; 2 - снаряд; 3 - вкладыш; 4 - подвеска; 5 - опора

Определение бризантности импульса взрыва на баллистическом маятнике. Для испытания цилиндрический заряд ВВ заданного диаметра и массы укладывается на подставку так, чтобы его ось совпадала с осью груза маятника (рис.4.3). Между торцами заряда и маятника укладывается стальная прокладка. При взрыве измеряется отклонение маятника, по величине которого определяют удельный импульс взрыва заряда. Импульс можно определить также по величине горизонтального перемещения маятника.

Определение работоспособности ВВ в свинцовой бомбе и на породных образцах. Бомба Трауцля изготавливается из рафинированного свинца с углублением в центре диаметром 25 мм и глубиной 125 мм для помещения заряда ВВ массой 10 г с ЭД (рис.4.4). Свободная от заряда часть углубления заполняется песком. При взрыве в бомбе образуется грушевидное расширение, величина которого за вычетом объема углубления и расширения, производимого взрывом ЭД, и характеризует работоспособность ВВ.

Предложено испытание ВВ производить в зарядах массой 10 г, помещаемых в центре кубических блоков из горной породы или песчано-цементного раствора с размером ребра 200 мм. Дробящее действие ВВ характеризуется выходом мелких кусков (фракции <7 мм) на 1 кг массы блока. Экспериментами установлено достаточно хорошее совпадение относительного изменения работоспособности в бомбе Трауцля и в породных образцах при испытаниях различных ВВ, что свидетельствует о достоверности получаемых результатов при испытаниях ВВ любым методом.

Определение работоспособности на баллистической мортире. Баллистическая мортира представляет собой массивный цилиндр (рис.4.5,а), подвешенный на тягах в виде маятника. В корпусе имеются взрывная камера, в которой взрывают заряд (обычно 10 г), и расширительная камера, в которую помещают массивный поршень-снаряд. Работа взрыва проявляется в выталкивании поршня-снаряда и отклонении мортиры. Интервал времени между моментом взрыва и вылетом снаряда (5-10 мс) в 20-30 раз больше времени расширения продуктов взрыва при взрыве в воздухе.

Определение работоспособности на баллистическом маятнике. К маятнику большой массы вплотную подкатывается по рельсовому пути мортира (рис.4.5,б), в которой помещается испытуемый заряд ВВ. С помощью особых приспособлений мортиру устанавливают на оси, проходящей через плоскость качания маятника. При взрыве мортира откатывается, а маятник отклоняется на некоторый фиксируемый угол. При испытаниях обычно определяют заряд, который дает такое же отклонение, что и взрыв заряда эталонного ВВ (тротила) массой 200 г.

Условность применяемых оценок эффективности ВВ вызывает необходимость проведения промышленных испытаний ВВ в условиях горного предприятия. Без таких испытаний новые ВВ не допускаются к постоянному применению.

Определение скорости детонации. Стандартный метод определения скорости детонации основан на сравнении известной скорости детонации ДШ со скоростью детонации испытуемого заряда (метод Дотриша). При этом испытании (рис.4.6) заряд 1 помещают в металлическую трубу 5 с завинчивающимися с обеих сторон крышками 2. На боковой поверхности трубы по оси делают два отверстия на определенном расстоянии, в которые вставляют концы В, Г отрезков ДШ б и 7. Расстояние от капсюля-детонатора 3 до отверстия 60 мм.| 3аряд взрывают от промежуточной шашки 4. Свободные концы ДШ крепят на пластинке-фиксаторе со стальной подкладкой 9 так, чтобы риски К, Б совпали с концами ДШ. Пластинку помещают в стальную трубу 8, чтобы облегчить нахождение пластинки после взрыва.

Рисунок 4.6. Схема определения скорости детонации по Дотришу

При взрыве детонация будет распространяться по заряду и по обоим отрезкам ДШ, а в месте встречи детонационных волн на пластинке образуется углубление (точка А).

Скорость детонации определяется исходя из равенства времени распространения детонационных волн по заряду и по обоим отрезкам шнура до точки встречи.

В зависимости от цели испытаний заряд ВВ может быть в порошкообразном, гранулированном или прессованном виде.

Точные методы определения скорости детонации основаны на определении с помощью электронного осциллографа времени прохождения детонационной волной фиксированного расстояния по заряду или по дешифровке скоростной киносъемки свечения детонирующего заряда. Эти методы применяются только при выполнении исследовательских работ.

При создании новых ВВ для их предварительной оценки рассчитываются и экспериментально определяются теплота и работа продуктов взрыва, температура и объем газов взрыва.

Теплота взрыва является одной из основных оценок эффективности ВВ при разрушении пород. Зная затраты энергии на разрушение единицы объема породы и энергию, выделяемую при взрыве единицы массы ВВ, можно оценить эффективность его действия. Теплота взрыва характеризует количество тепловой энергии, выделяемой при взрыве 1 моля или 1 кг ВВ.

В последнее время используется понятие объемная концентрация энергии ВВ, характеризующее количество энергии в единице объема ВВ и определяемое произведением удельной теплоты взрыва на его плотность. Это понятие целесообразно использовать для сравнения ВВ, плотности которых существенно различаются, так как для размещения одинакового количества энергии в массиве для высокоплотного ВВ потребуется меньший объем зарядной полости, а действие его по направлению линии наименьшего сопротивления благодаря большему запасу энергии в единице объема будет эффективнее. Однако для пересчета удельных расходов ВВ надо пользоваться значениями теплоты взрыва или идеальной работы взрыва, так как исходя из энергетического принципа на единицу объема разрушаемого массива надо израсходовать определенное количество энергии ВВ.

В качестве стандартных условий принимают температуру 0°, 18°С (иногда 25°) и давление 105 Па.

Теплота взрыва определяется на основе закона Гесса, согласно которому тепловой эффект химического превращения системы зависит только от начального и конечного ее состояний и не зависит от промежуточных состояний. Экспериментально теплоту взрыва определяют в калориметрической бомбе.

4.4 Методы проверки качества взрывчатых веществ

Свойства ВВ могут изменяться в процессе транспортирования и хранения. Поэтому при поступлении на склад и в процессе хранения ВВ периодически испытываются для оценки их пригодности к дальнейшему хранению и применению. При поступлении ВВ на базисные склады выполняется весь комплекс испытаний. На расходных складах ВВ подвергаются только наружному осмотру.

Испытания ВВ регламентированы «Едиными правилами безопасности при взрывных работах», и производятся взрывниками или лаборантами под руководством заведующего складом в следующие сроки:

1) ВВ, не содержащие жидких нитроэфиров - в конце гарантийного срока и каждые три месяца после его истечения;

2) ВВ, содержащие жидкие нитроэфиры, испытываются в конце гарантийного срока и через каждый месяц после его истечения;

3) если возникает сомнение в доброкачественности ВВ, испытания проводятся независимо от сроков хранения.

Испытания проводятся на специально отведенных площадках на территории склада.

Если ВВ не выдержало испытаний, вся партия бракуется и составляется акт, который направляется заводу-изготовителю и в Госгортехнадзор.

Возможность дальнейшего использования забракованных партий ВВ на взрывных работах определяется специальной комиссией с участием представителей завода-изготовителя.

Наружному осмотру тары подвергаются все ВВ, поступающие на склад в упаковке. При этом устанавливается наличие внешних повреждений на ящиках или мешках, проверяются обвязка и пломбировка тары, отсутствие следов подмокания. Ящики с дефектами отбирают в отдельную партию, составляют акт, а затем проверяют внутреннюю упаковку. При целой внутренней упаковке испытания проводятся по обычной методике. При нарушенной упаковке испытанию подвергается каждый ящик.

Наружному осмотру патронов подвергают пять пачек из поступившей партии. Все патроны осматривают. На патронах должен стоять штамп с указанием типа ВВ, массы патрона, даты изготовления, номера патрона марки завода и номера ящика.

При осмотре патронов ВВ, содержащих жидкие нитроэфиры (детониты), проверяется эксудация. На патронах и на ящиках не должно быть следов жидких нитроэфиров. При разворачивании оболочки патрона допускается наличие блестящей полоски в месте стыка бумаги.

Наличие широкой блестящей полоски и капель жидкости свидетельствует о выделении жидких нитроэфиров. Для проверки каплю жидкости осторожно опускают в пробирку с водой. Если она тонет и не смешивается с водой, то это нитроэфиры. Участок блестящей полоски бумаги отрывают и ударяют по нему молотком на наковальне. Хлопок при ударе свидетельствует, что выделились нитроэфиры. Такие ВВ необходимо немедленно и с предосторожностями уничтожить.

Аммиачно-селитренные ВВ и тротил подвергают следующим испытаниям.

Испытание на полноту детонации. Патроны укладывают в один ряд торцами впритык. Полноту детонации определяют по углублениям в грунте на месте расположения патронов и отсутствию остатков бумаги и ВВ. Гранулированные ВВ помещают в бумажную гильзу заданного диаметра длиной более пяти диаметров заряда. Инициируют заряд КД или ЭД через промежуточный детонатор (патрон аммонита №6ЖВ или шашка). При взрыве возможно разбрасывание отдельных гранул и остатков бумажной оболочки. Партия ВВ считается выдержавшей испытания, если в трех опытах получена полная детонация. В случае отказа число опытов удваивается, и при повторном отказе партия ВВ бракуется. Гранулированные и водосодержащие ВВ устойчиво детонируют при размещении заряда в массиве горных пород (в шнуре или скважине) при диаметрах, в 4-5 раз меньших открытого заряда.

Испытания на передачу детонации. На плотном грунте укладывают на одной оси два патрона ВВ (рис.4.7) на расстоянии, указанном в ГОСТе для данного ВВ, и взрывают. О полноте взрыва судят по наличию углублений в грунте, отсутствию остатков бумаги и ВВ. ВВ считается выдержавшим испытания, если при двух взрывах отказов не произошло.

В случае отказа число опытов удваивают. Если при этом будет снова отказ, партию ВВ бракуют. Слежавшиеся патроны аммонита перед испытанием разминают. При испытании ВВ, поступивших на склад в мешках, изготавливают патроны диаметром 31±1 мм массой 200±10 г. Водоустойчивые ВВ испытывают после выдержки патронов в воде на глубине 1 м в вертикальном положении в течение 1 ч. При этом к нижнему концу активного заряда должен обращаться верхний конец пассивного за ряда. В характеристиках патронированных ВВ указывается расстояние, на которое передается детонация между патронами в сухом состоянии и после выдержки в воде. Эта величина является мерой чувствительности ВВ к внешнему импульсу. Чем больше допустимое расстояние, тем надежнее детонирует заряд.

Указанная проба несовершенна, так как при наличии напорной воды в шпурах или выделении газов после забойки шпуров в них может развиваться давление до 3*105 Па. При таком давлении оболочки патронов в течение нескольких минут пропускают воду, которая флегматизирует ВВ.

Этими испытаниями проверяется возможность устойчивой детонации всего заряда при наличии между торцами соседних патронов воздушных промежутков, оставшихся при заряжании шпуров. При взрыве такого рассредоточенного заряда детонационная волна на границе ВВ - воздух переходит в ударную и интенсивно затухает в воздухе. Если качество ВВ нормальное, то энергии в ударной волне, прошедшей через воздушный промежуток, будет достаточно для того чтобы возбудить детонацию в торце следующего патрона.

Рисунок 4.7. Схема испытаний на пере дачу детонации

Определение влажности ВВ. Из пяти патронов, взятых для осмотра из пяти пачек, берутся после смешивания две навески ВВ массой по 10 г, их помещают в термостаты и сушат при температуре 60-70°С до получения постоянной массы пробы. Содержание влаги должно соответствовать требованиям ГОСТа на данное ВВ.

Испытание порохов, которые иногда применяют при взрывах на выброс и сброс в грунтах или на карьерах, проводят по специальным методикам.

4.5 Оценка технологической стойкости взрывчатых веществ

Технологическая стойкость - способность ВВ сохранять свои первоначальные свойства и качество в процессе выполнения с ним технологических операций по подготовке, транспортированию и заряжанию.

Сыпучесть - способность ВВ свободно высыпаться из калиброванных отверстий, полностью заполнять определенные замкнутые объемы (скважины, камеры, бункера зарядных машин). Хорошую сыпучесть имеют гранулированные ВВ, плохую - порошкообразные. Последние теряют сыпучесть при увеличенном содержании влаги, а также при слеживании. Гранулированные ВВ теряют сыпучесть только при значительном увлажнении их. При заряжании восстающих скважин на рудниках необходимо уменьшить сыпучесть гранулированных ВВ добавлением воды, так как сухие ВВ высыпаются из скважины.

Расслаивание - свойство смесевых россыпных ВВ самопроизвольно или в процессе заряжания разделяться на составные компоненты. Это особенно проявляется, когда компоненты ВВ имеют разную плотность. Так, порошкообразные динамоны - смеси аммиачной селитры с древесной мукой - были запрещены для применения из-за расслаивания заряда в процессе заряжания вертикальных скважин на карьерах. При расслаивании образовывались участки чистой селитры и прослойки древесной муки, из-за чего детонация в таком заряде прекращалась. У игданита на обычной гранулированной селитре при его длительном нахождении в скважине наблюдается стекание жидкого компонента в нижнюю часть заряда, из-за чего может произойти затухание детонации заряда. У водосодержащих ВВ, если объем раствора больше, чем объем межгранульного пространства твердой фазы, наблюдается постепенное оседание твердых фракций заряда в нижнюю часть скважины, что также отрицательно сказывается на устойчивости детонации заряда.

Текучесть - способность водосодержащих ВВ вытекать из емкостей сквозь рукава и шланги под действием силы тяжести или избыточного давления воздуха. Это свойство определяет эффективность механизированного заряжания ВВ этих типов и зависит от их температуры, продолжительности хранения, начальной консистенции составов.

Увлажняемость - способность ВВ поглощать влагу из воздуха или при искусственном впрыскивании воды в его состав. Увлажнение аммиачно-селитренных ВВ в основном определяется гигроскопичными свойствами аммиачной селитры. Это свойство имеет особенно важное значение при бестарном хранении гранулированной селитры на складах, а также при бункерном и бестарном хранении гранулированных ВВ, так как увлажняемость, как правило, связана со слеживаемостью ВВ. В некоторых районах при хранении без влагозащитной упаковки ВВ увлажняются, что нарушает их физическую стабильность (увеличивает слеживаемость, ухудшает сыпучесть, способствует разрушению гранул) и ухудшает детонационную способность ВВ.

Водоустойчивость - способность ВВ противостоять проникновению воды в массу заряда и сохранять способность детонировать. Это свойство рассматривается отдельно для порошкообразных, гранулированных и водосодержащих ВВ. Для порошкообразных ВВ водоустойчивость оценивается по величине давления столба воды, необходимого для ее проникновения в заряд в течение определенного времени и для флегматизации заряда. При испытаниях на водоустойчивость патроны ВВ выдерживаются в воде на определенной глубине в течение определенного времени. Все порошкообразные ВВ (россыпные и патронированные) имеют слабую водоустойчивость, особенно при повышенном гидростатическом давлении. Для гранулированных ВВ водоустойчивость характеризуется способностью гранул не растворяться в воде и способностью заряда детонировать в смеси с водой. Для водосодержащих ВВ водоустойчивость определяется способностью к растворению или размыванию заряда. Большинство водосодержащих ВВ в некоторой степени водоустойчивы при нахождении заряда в непроточной воде. Однако при заряжании обводненных скважин сквозь слой воды водоустойчивость этих ВВ резко снижается, так как происходит интенсивное растворение селитры. Также невысока водоустойчивость этих ВВ при их нахождении в скважинах с проточной водой.

Пыление - способность россыпных ВВ при работе с ними измельчаться и выделять в атмосферу мелкодисперсные частицы. Наиболее пылящими являются порошкообразные ВВ, значительно меньше пылят гранулированные, особенно омасленные составы (игданит, гранулиты), а также гранулотол и алюмотол. Пыление бестротиловых ВВ в основном зависит от прочности гранул селитры. У металлизированных ВВ источником пыления также является алюминиевая пудра, а у граммонитов - мелкие фракции тротила.

Для борьбы с пылением в подземных условиях при механизированном пневматическом заряжании ВВ увлажняют, ограничивают скорость транспортирования по шлангам и трубам, соблюдают рациональные расстояния между срезом заряжающего шланга и зарядом ВВ в скважине.

Слеживаемость - способность ВВ терять при хранении сыпучесть и превращаться в прочную связанную массу. Слежавшиеся ВВ непригодны для заряжания и имеют резко сниженную детонационную способность. «Единые правила безопасности при взрывных работах» требуют обязательного измельчения ВВ перед употреблением. Наиболее склонны к слеживаемости порошкообразные аммониты, особенно при изменении влажности и температуры окружающего воздуха. Слеживанию способствуют внешнее давление на ВВ (при патронировании или нахождении его в штабелях), а также расфасовка на заводах-изготовителях недостаточно остывших смесей. Для уменьшения слеживания аммиачно-селитренных ВВ применяют опудривание частиц селитры гидрофобными добавками, добавление в состав поверхностно-активных веществ, гранулирование, омасливание жидкими нефтепродуктами с последующим опудриванием алюминиевой пудрой или органической мукой. Гранулированные ВВ слеживаются значительно меньше. Так, ВВ в мешке приобретает первоначальную структуру при сбрасывании его с высоты 1 м. Гранулированные ВВ, кроме слеживаемости, при высокой влажности и низких температурах могут смерзаться, что также нарушает нормальный процесс заряжания скважин.

Электризация ВВ - способность движущихся частиц ВВ, взвешенных в воздушном потоке, электризоваться (накапливать заряды статического электричества), что может приводить к взрывоподобным вспышкам смеси мелких фракций ВВ с воздухом. Чем выше электрическое сопротивление материала, тем он легче электризуется. Наиболее высокие диэлектрические свойства имеет тротил, который и склонен к электризации. В наименьшей степени электризуются бестротиловые простейшие ВВ. Смесевые ВВ особенно подвержены электризации, если в их составе содержатся тонкодисперсные компоненты с диэлектрическими свойствами (алюминиевая пудра, тротиловая мука). Опасность электризации таких составов увеличивается в связи с тем, что при их транспортировании по проводящим шлангам мелкие фракции диэлектриков покрывают тонким слоем внутреннюю поверхность шлангов и превращают их из проводников в диэлектрики, которые не обеспечивают стекания зарядов из смеси «ВВ - воздух». На электризацию ВВ влияют относительная влажность воздуха, влагосодержание ВВ, его дисперсность, радиус закругления магистралей, скорость транспортирования. При увлажнении транспортируемого ВВ до 6 % на внутренней поверхности шланга образуется токопроводящая пленка, которая обеспечивает стекание электрических зарядов. При скорости до 18 м/с электризация потока происходит незначительно, но с увеличением скорости свыше 20 м/с она становится интенсивной, что может привести к вспышкам. Для уменьшения электризации радиусы закруглений магистралей должны быть более 0,5 м, что одновременно и уменьшает дробление гранул на поворотах магистралей. С увеличением содержания в составе ВВ мелких гранул (<1 мм) и особенно порошкообразных фракций степень электризации при прочих одинаковых параметрах пневмотранспортирования увеличивается. Поэтому пневмотранспортирование порошкообразных и мелкодисперсных ВВ не допускается.