Учебное пособие: Использование взрывчатых веществ

Все бездымные пороха относятся к категории ВВ, стойкость которых обязательно проверяется в течение хранения их на складах. Это определяется тем, что в состав порохов входят пироксилин и нитроглицерин, т.е. вещества, имеющие в составе молекул эфирную группу.

2.2 Средства воспламенения и инициирования

При производстве различных испытаний ВВ в качестве средств воспламенения и инициирования применяется огнепроводный (бикфордов) шнур, детонирующий шнур, капсуль_детонатор и электродетонатор.

Огнепроводный шнур состоит из внешней оплетки и сердцевины, представляющей собой плотно спрессованный дымный порох. Обычно оболочкой шнура является трехслойная оплетка из льняной или джутовой нити. Огнепроводный шнур применяется для передачи луча огня капсулю-детонатору или пороховому заряду в заданный промежуток времени. Скорость горения шнура порядка 1 см/с.

Детонирующий шнур в отличие от огнепроводного шнура, имеет сердцевину из взрывчатого вещества, способного детонировать при малых диаметрах. Для изготовления детонирующего шнура применяются смеси горючей ртути с тетрилом (гремучертутнотетриловый шнур) или чистые ВВ, например ТЭН (тэновый шнур). Детонирующий шнур предназначен для передачи детонации от одного заряда к другому и для одновременного возбуждения детонации ряда зарядов.

Внешний вид детонирующего шнура отличается от внешнего вида огнепроводного цветом наружной оплетки (оплетка детонирующего шнура красная или оранжевая). Скорость детонации шнура от 7000 до 7700 м/с.

Капсуль-детонатор №8 представляет собой металлическую гильзу диаметром 7 мм и длиной 47±1 мм, снаряженную инициирующим или инициирующим и бризантным веществом (комбинированный капсуль_детонатор). Основное назначение капсулей-детонаторов - возбуждение детонации различных зарядов бризантных ВВ. На рисун-

ке 2.1 приведен схематический разрез капсуля_детонатора №8.

Как видно на фигуре, поверх инициирующего ВВ запрессовывается чашечка с отверстием, назначение которой - обеспечить стойкость заряда при механических воздействиях.

Электродетонатор мгновенного действия состоит из капсуля_детонатора, в гильзу которого вмонтирован электровоспламенитель (рисунок 2.2). В практике наиболее распространенным является твердокапельный электрозапал, состоящий из двух проводников, к концам которых припаян константановый мостик. Концы проводов и мостик путем обмакивания в воспламенительный состав покрываются каплей этой массы. При пропускании тока через электрозапал мостик накаливается и воспламеняет воспламенительный состав капли, в результате чего возникает мощный луч огня. Комбинацию электрозапала и капсуля_детонатора называют электродетонатором мгновенного действия.

1 - гильза; 2 - тетрил; 3 - азид свинца; 4 - тенерес; 5 - гашечка

Рисунок 2.1 - Схема

2.3 Смесевые взрывчатые вещества

Смеси на основе жидких нитропарафинов и солей гидразина (астралиты)

Жидкие ВВ давно привлекали внимание исследователей в связи с повышенной плотностью, малым критическим диаметром, способностью целиком заполнять зарядный объём и тем самым обеспечивать высокую концентрацию энергии и эффективность взрывания. Жидкие ВВ не растворяются в воде, не смешиваются с ней и являются водоустойчивыми. Обладают хорошей текучестью даже при минусовых температурах, что облегчает механизацию зарядных работ. Наибольший интерес представляют жидкие нитропарафины и ВВ на их основе. Особое внимание в этом классе соединений уделяется нитрометану, который имеет явно выраженные взрывчатые свойства. Нитрометан предназначен для взрывных работ в нефтедобывающей и горной промышленности для внутрипластового взрывания.

Так как нитрометан тяжелее воды и не смешивается с ней, им можно заряжать обводненные скважины через столб воды, которая в данном случае будет выполнять роль забойки. Недостатком нитрометана является его высокая летучесть.

Взрывчатые свойства нитрометана следующие: бризантность

15 мм при инициировании от шашки тетрила массой 5 г и 22 мм от шашки 10 г; работоспособность по баллистической мортире 134 % по отношению к тротилу; скорость детонации в металлической трубе 6…6,5 км/с.

При введении в нитрометан алюминия массовая энергия взрыва повышается в 1,4-1,5 раза, а объёмная в 1,6-2,0 раза. По приближенным оценкам в благоприятных условиях взрывания во взрывчатом превращении может участвовать до 25 % алюминия. Объёмная энергия таких бинарных систем от 8400 до 9660 кДж/л, что превосходит объёмную энергию алюмотола, граммонала и акватола на 28…45 %.

На основе загущенного нитрометана и измельченной селитры готовятся пластичные высокоплотные и высоководоустойчивые ВВ, не уступающие по мощности динамитам и в то же время отличающиеся от них малой токсичностью, высокой морозостойкостью, низкими чувствительностью к механическим воздействиям и стоимостью. Взрывчатые свойства пластичных нитрометановых ВВ следующие: теплота взрыва от 6300 до 7560 кДж/л, бризантность от 14 до 19 мм, работоспособность от 380 до 490 мл, скорость детонации от 4,7 до 5,8 км/с.

Смеси на основе гидрата гидразина (NH₂ NH₂ H₂ O), за рубежом называемые астралитами, характеризуются высокими расчетными энергетическими показателями. Кроме простейшей смеси гидразина с аммиачной селитрой, запатентованы многокомпонентные жидкие составы. Взрывчатой основой в таких системах служат нитрат и перхлорат гидразина. К достоинствам жидких гидразинсодержащих ВВ можно отнести широкий температурный диапазон эксплуатации (от минус 30 до плюс 45 ^о С), высокие плотность (1,3…1,4 г/см³ ) и скорость детонации (7,5…8 км/с), безопасность в обращении. Благодаря высокой плотности объёмная энергия заряда в скважине может достигать

5650 кДж/л. Объём продуктов взрыва достигает 1000 л/кг. Недостатком астралитов является их низкая физическая стойкость из-за испарения гидразина. Астралиты можно готовить на месте применения смешиванием нитратов и перхлоратов гидразина с жидким аммиаком или растворами аммиачной селитры.

Смесевые эмульсионные ВВ

Несмотря на достигнутый в настоящее время уровень использования в промышленности широкого класса разработанных ВВ, работы по поиску повышения эффективности взрыва путем применения новых составов ВВ и конструкций зарядов продолжаются.

В высокоразвитых горнодобывающих странах на предприятиях, ведущих взрывные работы открытым способом, и в военном деле достаточно широко применяются смеси в виде эмульсии, сенсибилизированной ( от лат. sensibilis - чувствительный, повышение чувствительности ) ее аэрацией с алюминиевым порошком АСД, получившие название «тяжелые АНФО». При этом содержание АСД в такой смеси обычно составляет от 70 до 80 % по массе. Этот тип смесевых эмульсионных ВВ используют для заряжания механизированным способом сухих или слабообводненных взрывных скважин с поверхности. Эти ВВ имеют меньшую стоимость и улучшенные детонационные характеристики, обусловленные, главным образом, применением в гранулированной фазе пористой аммиачной селитры высочайшего качества. Скорость детонации подобного смесевого ВВ на основе плотной гранулированной аммиачной селитры (гранулит НП) при плотности зарядов 1,2 г/см³ в стальной оболочке (Ж75…100 мм) составляет всего от 2,86 до 3,26 км/с, что свидетельствует о флегматизирующем влиянии большого содержания АСД на детонационные параметры таких смесей.

Для повышения эффективности взрыва такой смеси и поднятия КПД взрыва её основной составляющей (гранулита) была предложена конструкция заряда коаксиальной формы: по оси заряда гранулита размещается линейный инициатор из сенсибилизированной эмульсии, скорость детонации которой существенно превышает стационарную скорость детонации гранулита. В роли линейного инициатора по детонационным параметрам использованы эмульсионные ВВ сибирит-1000 или сибирит-1200, которые характеризуются высокой скоростью детонации [8].

Оценка относительной работоспособности зарядов различной формы (рисунок 2.3) проводилась по методу воронки выброса.

1 - электродетонатор №8; 2 - прессованная шашка ТГ - 10 г;

3 - прессованная шашка из тротила - 80 г; 4,6 - гранулированное ВВ;

5 - эмульсионное ВВ

Рисунок 2.3 - Конструкция сплошного (а) и комбинированного (б) коаксиального зарядов, использованных при экспериментах [8]

Критерий относительной работоспособности f - отношение масс зарядов из эталонного (m _Э ) и испытываемого (m _ВВ ) взрывчатых веществ, образующих при взрыве воронки одинакового объёма:

. (2.1)

При проведении эксперимента в качестве эталонного ВВ использовалась смесь гранулированного и чешуйчатого ТНТ в соотношении 50/50 по массе.

К параметрам, определяющим в первом приближении эффективность взрыва заряда ВВ в горной породе, относятся объёмная энергия Е и скорость детонации D . При этом коэффициент мощности взрывчатых веществ K= E Ч D является комплексным показателем, учитывающим как количество выделяемой при взрыве заряда энергии, так и скорость ее высвобождения. В относительном виде коэффициент K позволяет сравнить взрывную эффективность двух зарядов ВВ одинакового объёма, соответственно испытываемого (индекс 2) и эталонного (индекс 1).

, (2.2)

где - плотность ВВ, кг/м³ ;

Q - теплота взрыва, кДж/кг;

D - скорость детонации, км/с.

Для оценки относительной эффективности взрыва комбинированного заряда коаксиального типа, сформированного из эмульсионного ВВ сибирита-1200 и гранулита НП (рисунок 2.3 б), по сравнению с обычным зарядом гранулита НП вышеприведенная формула (2.2) примет вид:

, (2.3)

где - доля соответственно сибирита-1200 и гранулита НП в единице объёма комбинированного заряда;

, - соответственно плотность сибирита-1200 и гранулита НП;

D_С , D_НП , D_Р.НП - соответственно скорость детонации сибири-

Аналогичным образом оценивается относительное удешевление комбинированного заряда коаксиального типа в сравнении с обычным зарядом гранулита НП:

, (2.4)

где С_С , С_НП - цена одной тонны соответственно сибирита-1200 и гранулита НП, руб.

Результаты экспериментальных испытаний (таблица 2.2) смесевых эмульсионных ВВ показали, что применение комбинированных зарядов коаксиальной формы с осевым зарядом из эмульсионного ВВ приводит к более полному выделению энергии при взрыве гранулита НП, изготовленного с использованием плотной гранулированной аммиачной селитры.

Таблица 2.2 - Результаты экспериментальных испытаний ВВ

Разработанное смесевое эмульсионное ВВ сибирит 2500 Р3 допущено Госгортехнадзором России к постоянному применению, изготовляется в процессе механизированного заряжания скважин и применяется на ряде разрезов Кузбасса.

Предложенный способ формирования комбинированного заряда коаксиальной формы из эмульсионного ВВ и ВВ типа АСД позволяет повысить эффективность использования простейших ВВ, изготовленных на основе гранулированной аммиачной селитры, использовать промышленные смесительно-зарядные машины типа МС-38.

2.4 Физико-химические основы взрывных превращений

При взрыве происходит быстрое физическое, химическое, ядерное или термоядерное превращение вещества, сопровождающееся столь же быстрым переходом возникшей при этом энергии взрыва в энергию сжатия и движения исходного вещества или продуктов его превращения и окружающей среды. Виды исходной энергии при этом могут быть различны: тепловая, электрическая, кинетическая, энергия упругого сжатия, ядерная, термоядерная и химическая.

Взрывы за счет химической энергии присущи особой группе веществ - взрывчатым веществам.

Взрывчатые вещества обладают относительной термодинамической неустойчивостью. Именно благодаря этому они способны под влиянием внешних воздействий к чрезвычайно быстрым химическим превращениям, которые сопровождаются выделением тепла и образованием газообразных продуктов. Большая скорость, с которой ВВ превращаются в газообразные продукты, является необходимым условием взрыва. Скорость взрывных превращений достигает от 9 до 10 км/с. При совершении механической работы по перемещению или разрушению требуется затратить эквивалентное количество тепловой энергии, выделяющейся при химическом превращении ВВ. Выделение тепла при химической реакции является вторым необходимым условием взрыва. Для современных ВВ теплота взрывного превращения составляет от 400 до 3000 ккал/кг. Для преобразования теплоты химической реакции в механическую работу необходимо рабочее тело. Таким рабочим телом являются газообразные продукты, количество которых при взрыве 1 кг ВВ достигает от 500 до1000 л.