Учебное пособие: Использование взрывчатых веществ

При d _з >d _кр потери энергии в детонационной волне должны уменьшаться, а параметры волны соответственно возрастать, асимптотически приближаясь к своему максимуму. Диаметр заряда, при котором параметры детонации близки к максимальным (рисунок 3.3), называют предельным диаметром детонации d _пр . Детонацию, протекающую в заряде с d _кр < d _з < d _пр , называют детонацией в неидеальном режиме.

Критический диаметр зависит от многих физико-химических факторов и уменьшается с увеличением реакционной способности ВВ, которая зависит от природы вещества, его физического состояния - размеров частиц, пористости (плотности) заряда, для смесевых ВВ - от равномерности смешивания. На рисунке 3.4 приведена зависимость критического диаметра заряда тротила от плотности при различных размерах частиц.

Критические диаметры детонации в стеклянных трубках для некоторых веществ при их плотности около 1,0 г/см³ и размере частиц от 0,05 до 0,20 мм приведены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 - Критические диаметры детонации некоторых ВВв стеклянных трубах при плотности 1,0 г/см³ и размере частицот 0,05 до 0,20 мм

Для жидких и газообразных ВВ имеются другие объяснения критических условий распространения детонации. Они основываются на механизме срыва реакции на стенке. Соответственно значение d_кропределяется не временем собственно реакции в детонационной волне, а временем индукции этой реакции, развивающейся по законам теплового взрыва. При диаметре меньше критического теплового взрыва не происходит. Такой механизм [11] позволяет объяснить очень малый диапазон между значениями d_кр и d_пр для жидких ВВ.

Для твердых промышленных ВВ характерен большой разрыв между величинами d_кр и d_пр , их отношение может достигать 10. Так, например, значение d_кр тонкодисперсных аммонитов в открытых зарядах диаметром 40 мм составляет 150 мм, а максимальная скорость детонации фиксируется в зарядах диаметром более 200…300 мм (рисунок 3.5). В прочных оболочках этот разрыв сужается.

Определение скорости детонации

Сущность определения скорости детонации заключается в измерении времени прохождения детонационной волны между двумя заданными точками с помощью хронографа или сравнении определяемой скорости детонации с известной скоростью детонации. Например, сущность метода определения скорости детонации в конденсаторном хронографе (рисунок 3.6) заключается в том, что за время детонации заряда определенной длины происходит разряд конденсатора C через сопротивление R .

Зная ёмкость конденсатора C и его начальный и конечный заряды q ₀ и q _t , время разряда, т. е. время детонации t, вычисляется по фор-муле:

. (3.13)

1 - гранулит АС-4; 2 - граммонит 79/21; 3 - аммонит 6ЖВ;

4 - граммонит 30/70; 5 - гранулотол; 6 - акватол

Рисунок 3.5 - Зависимость скорости детонации гранулированных и водосодержащих ВВ от диаметра заряда

Рисунок 3.6 - Схема конденсаторного хронографа

Особенность данного метода, дающая возможность определять скорость детонации на малых участках (от 5 до 10 см), заключается в механизме размыкания тока. Для разрыва цепи тока в хронографе использованы два стальных стержня 3 и 4, соприкасающихся с испытуемым зарядом 2. На свободных концах к стержням пришлифованы металлические контакты 3а и 4а, которые только силой сцепления удерживаются на стержне. При прохождении детонационной волны стержень испытывает толчок, пришлифованная пластинка отскакивает и тем самым нарушает контакт. Действие устройства заключается в следующем. До детонации заряда конденсатор С заряжается от батареи Е . Начальный заряд q ₀ может быть определен, если переключатель Р установить на баллистический гальванометр Gи измерить количество электричества по гальванометру. В момент прохождения детонационной волны стержень 3 испытывает удар и контакт 3а разрушается, при этом батарея оказывается отключенной от цепи и конденсатор разряжается через сопротивление R . При достижении детонационной волной второго стержня нарушается контакт 4а и цепь С- R разрывается. После чего с помощью переключателяР измеряется остаточный заряд q _t .

Более простым и распространенным методом определения скорости детонации является метод Дотриша, заключающийся в сравнении определяемой скорости детонации с известной скоростью детонации детонирующего шнура [5].

Наиболее точным методом определения скорости детонации и параметров фронта детонации являются осциллографические и фоторегистрирующие методы, например, с помощью камер ждущей и скоростной фоторегистрации (ЖФР, СФР).

Формы работы взрыва

В общем случае коэффициент полезного действия взрыва зависит от многих факторов: характера работы взрыва, физико-механических свойств объектов разрушения, свойств ВВ и их взаимосвязи [12]. Схематически работу взрыва можно описать на примере типового случая дробления и выброса горной породы при взрыве углубленного заряда (рисунок 3.7).

Возникающая впереди фронта расширяющихся продуктов взрыва волна сжатия (ударная волна) сжимает массив горных пород и вызывает в нем тангенциальные напряжения, приводящие к образованию радиальных трещин. При отражении волны от свободной поверхности возникают растягивающие усилия, приводящие к образованию кольцевых трещин, вблизи от поверхности - откольные явления.

1 - зона вытеснения; 2 - зона раздавливания; 3 - зона трещин

Рисунок 3.7 - Схема действия взрыва (а) и образованиям радиальных трещин (б)

Таким образом, в результате ударно-волновой составляющей действия взрыва в массиве, в дополнение к естественным трещинам, образуется объёмная сетка трещин, которая намечает контуры отдельностей, т.е. форму и размеры кусков породы. Работу разрушения завершают расширяющиеся продукты взрыва, которые сдвигают горную массу с частично нарушенными связями. При этом трещины расширяются и окончательно формируются куски раздробленной породы. При последующем выбросе горной массы куски дополнительно дробятся в результате соударения.

Описанная схематически картина дробления, сдвига и выброса горной массы указывает на две основные формы работы, совершаемой продуктами взрыва: работу дробления и работу перемещения горной массы. Первую называют бризантным или дробящим действием взрыва, вторую - фугаснымили метательным действием.

Бризантное действие взрыва осуществляется за очень короткий интервал времени порядка 10^-6 …10^-5 с и пропорционально головной части импульса взрыва. Фугасное действие пропорционально полному импульсу взрыва I и совершается в течение миллисекунд.

, (3.14)

где p - давление продуктов взрыва, кг/см² ;

m - масса заряда, кг;

t _к - время достижения ПД давления окружающей среды, с;

Q_взр - теплота взрыва, ккал/кг.

Таким образом, бризантное действие обусловлено динамическим ударом продуктов детонации, находящихся под очень высоким давлением (от 20000 до 500000 кгс/см² ), и наблюдается лишь в непосредственной близости от заряда ВВ. На бризантном действии основано применение ВВ в осколочных снарядах, бомбах, гранатах и других боеприпасах; в промышленности для разрушения горных выработок и бетонных конструкций.

В последние годы значительное внимание учеными уделяется изучению бризантного действия ВВ на иерархическую структуру геофизической среды, в том числе и при взрывном дроблении горных пород и бетонных блоков. Так, например, в работе [13] приведены результаты исследования по определению влияния массы m (г) заряда ВВ на величину кусков взорванного материала.

Опыты проводили с искусственными средами - бетонными блоками в форме куба, что позволило исключить из экспериментов влияние таких трудноконтролируемых параметров структурных сред, как трещиноватость и неоднородность. Опыты проводились с различными типами зарядов ВВ и различными величиной и прочностью бетонных блоков. Полученный в результате взрыва кусковой материал разделялся ситовым анализом по фракциям, для них определялся средний размер куска и массовая доля каждой фракции в общей массе раздробленного материала.

На рисунке 3.8 на основе экспериментальных данных представлены гистограммы в полулогарифмических координатах распределения кусков бетона при разрушении внутренним взрывом.

Получены двухмодальные распределения Р (l) кусков по размерам. Полимодальность распределений свидетельствует о наличии в раздробленном материале кусков бетона с характерным размером массой Q , равным значению абсциссы максимумов. Такие куски встречаются чаще всего. По полученным данным построены зависимости характерных (m ) и средних размеров кусков l (m ) при разрушении блоков внутренним взрывом (рисунок 3.9).

Данные зависимости удовлетворительно описываются выражениями:

= 80,89m ^-0,936 ,

(3.15)

l = 70,39 m ^{- 1,382}

Рисунок 3.8 - Распределение кусков бетона по размерампри разрушении внутренним взрывом

Рисунок 3.9 - Зависимости (m ) и l (m ) от массы заряда при разрушении блоков внутренним взрывом

Аналогичные исследования выполнены при разрушении бетонных блоков накладными зарядами.

Таким образом, результаты разрушения бетонных блоков наружными и внутренними взрывами свидетельствуют о наличии характерных размеров кусков . Величина их монотонно снижается с увеличением массы зарядов ВВ и находится в корреляционной связи со средним размером кусков lраздробленного материала. Описанная работа [13] представляет научный интерес, так как результаты взрывного дробления бетонных блоков накладными и внутренними зарядами взрывчатого вещества (т.е. бризантное действие ВВ) рассмотрены с позиции иерархии размеров образовавшихся кусков и установлено, что характерный размер кусков нелинейно зависит от массы зарядов, причем существует связь между характерным и средним l размерами кусков раздробленного материала:

= 1,149 m ^0,446 l .

Оценка бризантности взрывчатых веществ

Наиболее простым и распространенным методом испытания на бризантность является проба на обжатие свинцовых столбиков, проба Гесса (рисунок 3.10). Для испытаний применяется свинцовый столбик 2 диаметром 40 мм и высотой 60 мм, который устанавливается на массивной стальной плите 1 в вертикальном положении.

Рисунок 3.10 - Схема прибора определения бризантности по пробе Гесса

На столбик 2 помещают стальную пластинку 3 толщиной 10 мм и диаметром 41 мм, на которой устанавливается заряд 4 испытываемого ВВ массой 50 г диаметром 40 мм в бумажной оболочке. При взрыве заряда ВВ свинцовый столбик деформируется. Мерой бризантности ВВ является величина обжатия, т.е. разность высот столбика до и после обжатия.

Более точно бризантность оценивают, как это показано в работах П.Ф. Похила и М.А. Садовского, величиной a:

a = Dh /( h ₀ - Dh ) = Dh / h_k , (3.16)

где a - коэффициент бризантности;

Dh - величина обжатия столбика (бризантность);

h ₀ - высота столбика до обжатия;

h_k - высота столбика после обжатия.

Функция a учитывает увеличение сопротивления столбика по мере обжатия. В таблице 3.8 приведены величины бризантности и показателя a для некоторых ВВ при плотности 1 г/см³ .

Таблица 3.8 - Величина бризантности Dh , мм и показатель a для некоторых ВВ

Методы определения работоспособности ВВ

Газообразные продукты реакции, образующиеся при горении или детонации ВВ, имеющие высокую температуру и находящиеся в сильно сжатом состоянии, способны производить определенную механическую работу, которая проявляется в виде фугасного действия бризантных веществ.

Количество механической работы, совершенной продуктами взрывчатого вещества, зависит от целого ряда условий, причем главными из них являются скорость процесса, удельный объём газообразных продуктов и предельные значения давления и температуры газов, до которых они снижаются при производстве работы. Очевидно, что чем ниже будут конечные значения температуры и давления, тем меньше энергии останется неиспользованной в процессе расширения газов взрыва.