книги / Технология и безопасность взрывных работ

В горном деле применяются:

1) индивидуальные ВВ – химические соединения (нитроглицерин, тротил, ТЕН, гексоген), которые содержат в своем составе все элементы, необходимые для нормального протекания химической реакции взрыва;

2) смесевые ВВ – состоят из нескольких компонентов, каждый из которых выполняет определенные задачи.

3.3. Взрывные реакции. Кислородный баланс

Выделяют следующие виды взрывчатого превращения ВВ:

1.Физический – выделяющаяся энергия является внутренней энергией сжатого или сжиженного газа. Сила взрыва зависит от внутреннего давления газа. Возникающие разрушения могут вызываться ударной волной от расширяющегося газа или осколками разорвавшегося резервуара (разрушение резервуаров со сжатым газом, паровых котлов, а также мощные электрические разряды).

2.Химический – взрыв, вызванный быстрой экзотермической химической реакцией, протекающей с образованием сильно сжатых газообразных или парообразных продуктов. Образовавшиеся газообразные продукты, нагретые за счет теплоты реакции до высокой температуры, обладают высоким давлением и, расширяясь, производят механическую работу.

В зависимости от типа взрывчатого вещества, условий инициирования процессы химического превращения могут протекать в различных формах с различными скоростями, отличающимися на порядок и более.

К основным формам химического превращения ВВ отно-

сятся:

1) Термическое разложение – протекает одновременно во всем объеме ВВ, находящегося при одинаковой температуре, которая равна температуре окружающей среды и ниже температуры вспышки. Если приход тепла при реакции преобладает над процессом его отвода в окружающую среду, то возможно про-

61

грессивное нагревание ВВ и в итоге – тепловой взрыв. Такая критическая точка называется температурой вспышки ВВ.

2)Горение – переменная по скорости самораспространяющаяся реакция окисления, протекающая при высокой температуре пламени и основанная на теплопередаче, при которой прогревается только поверхностный слой ВВ. В результате горения этого слоя образуются газы с высокой температурой, которые нагревают следующий слой ВВ, вызывая в нем химическую реакцию окисления. Этот процесс передается от слоя к слою до сгорания всего заряда. Скорость горения увеличивается с повышением давления. При быстром подъеме давления в замкнутом объеме или при горении большого количества ВВ горение может перейти в детонацию. При горении тепловая энергия предается за счет теплопроводности, а при детонации основную роль играет ударная волна.

3)Взрывное горение – промежуточный режим между горением и детонацией, которое отличается непостоянством скорости. Различные формы взрывчатого превращения могут переходить одна в другую: горение – в детонацию, а детонация –

вгорение.

4)Детонация – это процесс распространения реакции химического превращения, происходящей в массе ВВ со сверхзвуковой скоростью (до 8 км/с), обусловленный прохождением детонационной волны. В этом случае газы образуются очень быстро, давление возрастает мгновенно до очень больших величин, что обусловливает сильное разрушающее действие взрыва.

Для протекания взрыва в форме детонации необходимы 4 условия, которым должна удовлетворять химическая реакция превращения ВВ:

экзотермичность (выделение тепла);образование газообразных продуктов;большая скорость реакции;

высокая объемная концентрация энергии, обеспечиваю-

щая самораспространение реакции.

62

Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, то взрыв не произойдет. Взрыв промышленных ВВ всегда протека-

ет в форме детонации.

3.4. Ядовитые газы взрыва

Взрывные работы сопровождаются выделением большого количества газообразных продуктов, часть которых ядовиты:

1)Окись углерода СО – бесцветный газ, практически без запаха. Хорошо растворяется в воде, плотность равна плотности воздуха. В небольших количествах вызывает сильные головные боли, головокружение, тошноту. При больших концентрациях наступает отравление с потерей сознания, судорогами. Предельно допустимая концентрация при длительном пребывании людей не должна превышать 0,02 мг/л (0,0016 % объема воздуха).

2)Окислы азота NO, NO2, N2O4 – более опасны, чем окись углерода. Имеют резкий запах, желто-бурый цвет. При взрывах обычно образуется окись азота NО, которая в воздухе переходит

вNO2 или N2O4. В воздухе оксиды азота, соединяясь с парами воды, образуют азотную или азотистую кислоты, которые при вдыхании воздуха осаждаются на слизистых оболочках и в легких, вызывая отек. Предельно допустимая концентрация оки-

слов азота 0,005 мг/л (0,0001 %).

3)Сернистый ангидрид SO2 – бесцветный газ с кислым вкусом и сильным раздражающим запахом. В воздухе с парами воды образуется сернистая кислота. Предельно допустимая концентрация 0,0007 % объема.

4)Сероводород Н2S – бесцветный газ с запахом тухлых яиц. В смеси с воздухом взрывоопасен. Предельно допустимая концентрация 0,00066 %.

5)Пары ртути – не имеют запаха, цвета, вкуса. Образуются при огневом и электрическом способах взрывания. Поражают центральную нервную систему и почки. Предельно допустимая концентрация в атмосфере 0,00001 мг/л.

63

Правила безопасности при взрывных работах [1] предусматривают определение безопасного расстояния для людей при массовых взрывах на поверхности.

В подземных условиях расчет границ опасных зон по действию на людей ядовитых газов взрыва не производится. В сторону исходящей струи все выработки считаются загазованными от района взрыва до поверхности и находятся в опасной зоне.

Степень опасности ВВ с точки зрения образования при взрыве ядовитых газов характеризуется кислородным балансом (КБ) – соотношением между количеством кислорода и горючего (углерод и водород) в составе ВВ. Различают нулевой, положительный и отрицательный кислородные балансы.

При отрицательном КБ имеющегося кислорода не хватает для полного окисления горючего, в связи с чем мощность

иэффективность взрыва снижается. При этом вместо нейтраль-

ного углекислого газа СО2 образуется вредный угарный газ СО, однако он легче воздуха и легко удаляется с места взрыва. В силу малой вредности ВВ с отрицательным КБ допускаются как на открытых, так и в подземных условиях.

При положительном КБ кислорода в ВВ в избытке. Это увеличивает мощность ВВ, но избыточный кислород при высокой температуре взрыва вступает в реакцию с азотом воздуха

иобразует ядовитые окислы азота NO, NO2 иN2O4. При взрыве возможно также образование сероводорода H2S, сернистого ангидрита SO2 и хлора Cl, которые по токсичности в 2,5 раза более ядовиты, чем окись углерода СО.

Для удаления этих вредных газов требуется открытое пространство и длительная интенсивная вентиляция. Поэтому ВВ с положительным КБ допускаются к применению только на поверхности.

Взрывчатые вещества с нулевым КБ идеальны с точки зрения как максимума выделяемой при взрыве энергии, так и минимума выделения ядовитых газов взрыва. Допускается образо-

вание малоопасных для человека двуокиси углерода СО2, паров воды Н2О и нейтрального азота N2.

64

В однокомпонентных ВВ количество кислорода, как правило, не оптимально (за исключением нитроэфиров). От кислородного баланса ВВ зависит характер протекания реакций.

Химическая формула любого ВВ может быть записана в виде расчетной формулы

CaHbNcOd,

где a – число атомов углерода; b – число атомов водорода; с – число атомов азота; d – число атомов кислорода (16).

Кислородный баланс КБ вычисляется по следующей формуле:

Мвв = 12а + b + 14c + 16d,

где Мвв – молекулярный вес ВВ.

Пример 1. Определить КБ аммиачной селитры NH4NO3:

Решение. Химическую формулу ВВ преобразуем в расчетную:

CaHbNcOd = СoH4N2O3.

Определяем молекулярный вес:

Мвв = 12а + b + 14c + 16d = 12·0 + + 1·4 + 14·2 +16·3 = 80.

Находим кислородный баланс:

Пример 2. Определить КБ тротила С6H2(NO2)3СН3. Решение. Химическую формулу ВВ преобразуем в расчет-

ную:

CaHbNcOd = C7H5N3О6.

65

Определяем молекулярный вес:

Мвв = 12а + b + 14c + 16d = 12·7 + + 1·5 + 14·3 + 16·6 = 227.

Находим кислородный баланс:

Кислородный баланс смесевых ВВ (механических смесей) можно определить по известным КБ и долям компонентов, входящих в его состав:

КБо = КБ1· Р1 + КБ2· Р2 + КБ3· Р3 + … + КБn· Рn %,

где КБ1…КБn – кислородные балансы взрывчатых и невзрывчатых компонентов в смесевых ВВ, %; Р1… Рn – содержание каждого из компонентов, в долях единицы.

Пример 3. Определить КБ аммонита № 6 ЖВ, состоящего 21 % (0,21 доли) тротила и 79 % (0,79 доли) аммиачной селитры.

Решение.

КБо = КБ1· Р1 + КБ2· Р2 = (–74 %) · 0,21 + + (+20 %) 0,79 = + 0,26 %.

Пример 4. Определить КБ граммонала А-45, содержащего 45 % (0,45 доли) тротила, 40 % (0,4 доли) аммиачной селитры и 15 % (0,15 доли) алюминиевогопорошка. КБалюминия= – 89 %.

Решение.

КБо = КБ1· Р1 + КБ2· Р2 + КБ3· Р3 = = (–74 %) · 0,45 + (+20 %)· 0,4 + (–89 %) · 0,15 = –38,65 %.

Расчет КБ 1 кг смесевого ВВ можно произвести при неизвестных КБ входящих компонентов, но известных их содержаниях (в долях от единицы или в %) в смесевом ВВ.

66

Для этого вычисляют массу каждого компонента в 1 кг ВВ и выражают ее в грамм-молях, затем составляют условную элементную химическую формулу для 1 кг смесевого ВВ, аналогичную по виду химической формуле для индивидуального ВВ.

Если в смесевом ВВ содержится алюминий, то формула расчета КБ 1 кг смесевого ВВ имеет следующий вид:

где e – количество грамм-атомов алюминия в условной элементной химической формуле ВВ.

Условная элементная химическая формула смесевого ВВ:

где M1' , M 2' , M3' , ..., M n' – содержание каждого компонента в 1 кг

смесевого ВВ, выраженное в граммах (например, 15 % = 150 г, 45 % = 450 г.); М1, М2, М3, ..., Мn – грамм-молекулярная масса, соответственно, каждого компонента. Моль вещества – это коли-

чество вещества, содержащее 6,02·1023 (число Авогадро) атомов или молекул этого вещества. Количественно масса 1 моля вещества – масса вещества в граммах, численно равная его атомной или молекулярной массе. Например, молекулярная масса воды H2O равна 18 (атомная масса водорода – 1, кислорода – 16, итого 1 + 1 + 16 = 18), т.е. один моль воды равен по массе 18 грам-

67

мов, и эта масса воды содержит 6,02·1023 молекул воды); а1…аn; b1…bn; с1…сn; d1…dn – количество атомов соответственно углерода, водорода, азота и кислорода в химической формуле каждого

компонента смесевого ВВ; M'Al – содержание алюминия в 1 кг смесевого ВВ, г; MAl = 27 – грамм-атомная масса алюминия.

Пример 5. Определить КБ граммонала А-45, содержащего 45 % (0,45 доли) тротила, 40 % (0,4 доли) аммиачной селитры и 15 % (0,15 доли) алюминиевого порошка. КБ алюминия = –89 %.

Решение. Вычисляем элементный состав 1 кг смесевого ВВ по условной химической формуле:

Вычисляем КБ граммонала А-45:

где a = 13,88 – число атомов углерода С; b = 29,91 – число атомов водорода Н; с = 15,95 – число атомов азота N; d = 26,89 – число атомовкислородаO; e = 5,56 – число атомовалюминияAl.

Отметим, что в обоих примерах (4 и 5) получен одинаковый результат КБ смесевого ВВ (в нашем случае граммонала А-45). Следовательно, приведенные формулы равноправны и ими можно пользоваться по выбору в зависимости от полноты данных о компонентах, входящих в смесевое ВВ.

68

КислородныйбаланспромышленныхВВприведенвтабл. 3.1.

3.5. Определение энергетических характеристик взрывчатых веществ и взрыва

Важное значение для расчета энергетических характеристик ВВ имеет состав продуктов взрыва, которые выделяются в результате химических реакций взрывчатого превращения ВВ.

Поэтому показателю всеВВусловноделятсянатригруппы:

69

1. ВВ с кислородом, достаточным для окисления горючих элементов до высших оксидов (КБ ≥ 0). При составлении реакции сначала окисляется водород, затем углерод, азот выделяется в виде молекулярного газа(например, реакциянитроглицерина).

4С3Н5(ОNО2)3 → 10Н2О + 12СО2 + О2 + 6N2 + Q

2. ВВ с кислородом, достаточным для полного газообразования. При составлении реакции сначала окисляется водород в воду, углерод окисляется в окись углерода. Оставшийся кислород с частью окиси углерода образует углекислый газ (например, реакции ТЭНа и гексогена).

С5Н8N4О12 → 4Н2О + 3СО2 + 2СО + 2N2 + Q C3Н6N6О6 → 3Н2О + 3СО + 3N2 + Q

3. ВВ с количеством кислорода, недостаточным для образования газообразных продуктов. Для составления реакций этого типа сначала окисляют водород в воду. Оставшимся кислородом окисляется углерод до окиси углерода и выделяется свободный углерод (например, реакция тротила).

2С7Н5N3O6 = 5H2O + 7CO + 7C + 3N2 + Q

Данные реакции возможны только при идеальных условиях и дают приближенную характеристику ВВ. В реальных условиях состав продуктов более разнообразен и зависит от конкретных условий применения ВВ.

Определение энергетических характеристик взрывчатых веществ и взрыва в примерах и задачах подробно рассмотрено в учебных пособиях для студентов горных специальностей и методических рекомендациях [16–21].

3.5.1. Определение теплоты взрыва

Теплота (удельная энергия) взрыва – количество тепла,

которое выделяется при взрыве 1 кг ВВ, кДж/кг.

Если теплоту взрыва умножить на плотность ВВ в заряде, то получим объемную концентрацию энергии (кДж/м3).

Теплота взрыва определяется теоретически или экспериментально.

70