книги / Технология и безопасность взрывных работ

В качестве стандартных условий принимают температуру 0 °С или 18 °С (иногда 25 °С) и давление 9,8·104 Па.

Теоретически теплота взрыва рассчитывается на основе закона Гесса, в соответствии с которым тепловой эффект химического превращения системы зависит только от начального и конечного состояний и не зависит от промежуточных (рис. 3.1):

Рис. 3.1. Схема химического превращения взрывчатого вещества

Теплоту взрыва можно рассчитывать при постоянном объеме или при постоянном давлении, зная реакцию разложения ВВ (исходные и конечные продукты взрыва) и удельную теплоту образованияначальныхиконечныхкомпонентоввзрыва(кДж/кг):

Q3 = Q1 + Q2,

где Q1 – теплота образования компонентов смесевого ВВ, кДж/кг; Q2 – теплота взрыва ВВ, кДж/кг; Q3 – теплота образования продуктов взрыва ВВ, кДж/кг.

Таким образом, теплота взрыва (кДж/кг) определяется из уравнения

Q2 = Q3 + Q1.

Теплота образования компонентов, входящих в состав ВВ и продуктов взрыва, определена в справочной литературе

(табл. 3.2).

Для определения теплоты взрыва 1 кг ВВ (кДж/кг) без учета расхода тепла на расширение газов используется формула

71

Q1 Q2 1000 ,

2 M

где М – молекулярная масса ВВ.

Таблица 3.2 Теплота образования взрывчатых веществ

Пример 6. Определить теплоту взрыва Q2 динитрогликоля

C2H4(ONO2)2.

Решение. Реакция разложения динитрогликоля: C2H4(ONO2)2 = 2CO2 + 2H2O + N2.

Теплота образования при постоянном объеме Q3 (из справочника): динитрогликоль – 233 кДж/г · моль; вода – 240 кДж/г · моль; углекислый газ – 395 кДж/г · моль;

Молекулярная масса М = 152.

72

Вычисляем теплоту взрывадинитрогликоля Q2:

Q2 = Q3 – Q1 = 2·395 + 2·240 – 233 =

= 1037 кДж/г · моль = 248,25 ккал/г·моль.

Много это или мало? 1 ккал нагревает 1 кг (литр) воды на 1 оС. 1 000 ккал нагревают 10 кг (литров) воды до 100 оС. Значит, удельной теплоты 1 кг динитрогликоля при его взрывании хватит на вскипячение 16 л воды.

Экспериментально теплота взрыва ВВ определяется по результатам взрыва в специальной калориметрической бомбе (вес заряда ВВ – 50–100 г, объем бомбы – 30–50 л).

3.5.2. Определение температуры взрыва

Температура взрыва – это максимальная температура, до которой нагреваются продукты взрыва.

Теоретически температуру взрыва обычно вычисляют, принимая процесс взрыва адиабатическим, хотя в реальности имеются потери тепла на нагревание окружающей среды и некоторое расширение газов. Вместе с тем время реакции промышленных ВВ настолько мало, что указанными факторами можно пренебречь.

Температура газов взрыва Т (оС) вычисляется по формуле

T Qвзр ,

Сv

где Qвзр – теплота взрыва ВВ, ккал/г·моль; Cv – средняя теплоемкость всех продуктов взрыва при постоянном объеме, кал/°С.

Значение теплоемкости Сv (кал/°С) в зависимости от температуры определяется из выражения

73

Сv = a + b·t,

где а и b – эмпирические температурные коэффициенты:

Подставляя значение теплоемкости Cv в формулу для определения температуры газов взрыва Т, находим:

T a a2 4 b Qвзр . 2 b

При определении теплоемкости смеси газов по приведенным формулам производится их почленное суммирование для определения суммарных величин эмпирических температурных коэффициентов a и b.

Пример7. ОпределитьтемпературувзрываТдинитрогликоля: Решение. Реакцияразложениядинитрогликоля:

C2H4(ONO2)2 = 2CO2 + 2H2O + N2.

Теплота взрыва Q2 = 248,25 ккал/г·моль (пример 1). Находим теплоемкости продуктов взрыва СV:

N2 → (4,8+4,3·10–4T); 2CO2 → 2·(9,0+5,8·10–4T);

2H2O → 2·(4,0+21,5·10–4T).

Вычисляем среднюю теплоемкость продуктов взрыва:

СVср = 30,8 + 58,9·10–4T.

Рассчитываем температуру взрыва Т динитрогликоля:

Т a a2 4bQвзр.

2b

30,8 30,82 4 58,9 10 4 248,25 1000 4384,2 °С. 2 58,9 10 4

74

3.5.3. Определение объема газов, выделяющихся при взрыве

Объем газов при взрыве определяется теоретически по ре-

акции взрывчатого разложения ВВ на основе закона Авогадро, согласно которому объем, занимаемый грамм-молекулой различных газов при температуре 0 °С и давлении 760 мм, равен

22,42 л.

Для определения объема газов VO при взрыве 1 кг ВВ используют формулу (л/кг)

V0 22,42 n1 n2 ... nn 1000 , m1 M1 m2 M 2 ... mn M n

где n1, n2, … nn – количество грамм-молекул газообразных продуктов взрыва; m1, m2, ... mn – количество грамм-молекул составных частей ВВ; M1, M2, … Mn – молекулярный вес составных частей ВВ;

Объем газов, образуемых какой-либо смесью компонентов, определяется как сумма объемов газов, образуемых отдельными компонентами смеси.

При постоянном давлении и любой температуре газов, объем газов взрыва V1 (м3/кг) определяют по формуле

V1 V0 1 TГ /273 ,

где ТГ – температура газов взрыва, °С.

При экспериментальном определении объема продуктов взрыва небольшое количество ВВ (до 50–100 г) взрывают в калометрической бомбе, затем образовавшиеся газы охлаждают до температуры 18 °С и измеряют при помощи газомера.

Пример 8. Определить объем газов V0 при взрыве динитрогликоля при парообразном состоянии воды:

75

Решение. Реакция разложения динитрогликоля: C2H4(ONO2)2 = 2CO2 + 2H2O + N2;

Объем газов V0 при взрыве динитрогликоля:

V0 = (22,42 · (2 + 2 + 1)·1000) / (1·152) = 737,5 л/кг.

3.5.4. Определение давления газов взрыва

Давление газов при взрыве p (Па), возникающее в зарядной камере, может быть теоретически определено на основе зако-

нов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака с поправкой Ван-дер- Ваальса:

где p0 – атмосферное давление газов при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт. ст. (p0 = 1,0333 кгс/см2); V0 – объем газов взрыва ВВ при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт. ст.; V – объем зарядной камеры, л; T – температура взрыва, считая от абсолютного нуля, К; α – собственный объем молекул (ково-

нитрогликоля при вв = 1,1 г/см3.

Решение. Результаты предыдущих примеров 1–3:

–объем газов при взрыве V0 = 737,5 л/кг;

–температура взрыва Т = 4 384,2 °С.

76

Давление газов p при взрыве:

p V T

p273 1 0,001 V0 вв

1,0333 737,5 4384,2 273 1,1 75 761 кгс . 273 1 0,001 737,5 1,1 см20 0 вв

3.5.5. Баланс энергии ВВ при взрыве

Работа взрыва может быть полезной, с целью которой производят взрыв, и бесполезной, представляющей собой потери энергии, а также оказывающей вредное воздействие на законтурную среду в виде сейсмических и воздушных ударных волн.

Формы работы взрыва в зависимости от условий взрыва

иего целей могут существенно меняться:

при ведении взрывных работ в скальных породах наибольшеезначениеимеетработадробленияиперемещенияпород;

при ведении взрывных работ в рыхлых породах наибольшее значение имеет работа по образованию полостей и выбросу на определенную высоту и расстояние.

Работа взрыва выполняется за счет потенциальной энергии расширяющимися газами взрыва. Работу расширения газов взрыва до атмосферного давления называют полной идеальной

работой взрыва АПИ.

Профессор А.Ф. Беляев [10] предлагает считать взрыв адиабатическим процессом, при котором происходит быстрое расширение газов без теплообмена с окружающей средой. Тогда полная идеальнаяработавзрываАПИ (ккал/кг) определитсяизвыражения:

где QV – потенциальная энергия ВВ, кДж; Р1 и Р2 – начальное и конечное давление газов, Па; k – показатель адиабаты:

77

k = Ср / Сv – отношение средних теплоемкостей газов взрыва при постоянном давлении Р и постоянном объеме V.

ным коэффициентом использования энергии ВВ. Для боль-

шинства промышленных ВВ значение ПИ находится в преде-

лах 0,72–0,87:

•гексоген – 0,866;

•аммонит № 6ЖВ – 0,837;

•тротил – 0,833;

•нитроглицерин – 0,797;

•динамит 62 % – 0,76;

•аммонал – 0,724.

Полную идеальную работу взрыва АПИ (ккал/кг) можно определить также, пользуясь перепадом температур газов взрыва или их объемов:

где T1, V1; T2, V2 – температура и объем газов соответственно в момент взрыва и конечные.

При взрывных работах коэффициент использования энергии ВВ значительно ниже, так как вследствие неполноты реакций имеются потери (рис. 3.2):

1) химические потери – связаны с поверхностным слоем взрывчатого вещества, который разлагается не полностью или даже частично разбрасывается. Толщина разбрасываемого слоя ВВ пропорциональна его критическому диаметру;

78

В зависимости от условий взрывания: при взрывах на выброс ф = 0,02…0,07; при взрывах на рыхление ф = 0,15…0,25.

Работа разрушения породы взрывом может проявляться

вразличных формах:

интенсивное смятие породы, непосредственно прилегающей к заряду;

возмущение в породе ударных волн;

сжатие, пластическая деформация и разрушение породы, не прилегающей непосредственно к заряду;

измельчение части породы у свободной поверхности и выброс ее за пределы воронки взрыва.

Все эти формы работы составляют в сумме полную полезную работу взрыва.

3.6.Детонация взрывчатых веществ

3.6.1.Основы теории детонации

Детонация взрывчатых веществ – процесс химического превращения ВВ, сопровождающийся освобождением энергии и распространяющийся по веществу в виде волны со скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе.

Импульсом для начала развития химической реакции является ударная волна (УВ), возбуждаемая взрывом капсюльдетонатора или электродетонатора. Скорость распространения ударной волны в среде всегда превышает скорость звука этой среды.

Комплекс из ударного фронта и зоны химической реакции называется детонационной волной.

Линейная зависимость скорости ударной волны D (м/с) от параметров среды:

D = C + λ U,

80