Государственный комитет рф по рыболовству

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РФ ПО РЫБОЛОВСТВУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт дистанционного обучения

 

 

Технология и безопасность взрывных работ

Электронный конспект лекций по дисциплине

«Технология и безопасность взрывных работ» для специальностей

направления «Горное дело»

Мурманск

УДК 536.7

ББК 22.317

Д 25

Составитель – кандидат технических наук Девяткин Павел Николаевич, доцент Мурманского государственного технического университета.

Рассмотрены основные теоретические и практические вопросы по курсу «Технология и безопасность взрывных работ». Учебное пособие предназначено для студентов четвертого курса заочной формы обучения специальностей направления «Горное дело» ИДО МГТУ. Некоторые разделы могут быть также использованы студентами, изучающими дисциплины «Физика» и «Химия».

Настоящее учебное пособие рассмотрено и одобрено на заседании кафедры ЕН и ОПД МФ МГТУ (протокол № 13 от 16 ноября 2007 г.).

Рецензенты:

- кафедра естественнонаучных и общепрофессиональных дисциплин Мончегорского филиала Мурманского государственного технического университета;

- заведующий кафедрой естественнонаучных и общепрофессиональных дисциплин Мончегорского филиала Мурманского государственного технического университета, доцент, кандидат технических наук Бошняков Евгений Анатольевич.

Оригинал мак издаётся в авторской редакции

Электронная вёрстка Е.И. Бабушкиной

 

 

1. Технология и безопасность взрывных работ

1.1 Введение

Взрывные работы в инженерной практике горного дела - это важнейший способ разрушения горных пород, являющийся главным технологическим процессом при строительстве шахт, добыче полезных ископаемых и проведении горных выработок (объём взрывных работ в технологическом цикле горного производства достигает 90% и более).

Оптимальное использование энергии взрыва в промышленных целях возможно только на основе правильной оценки важнейших характеристик взрывчатых веществ и реакций их взрывчатого превращения (величина кислородного баланса, а также величина теплового эффекта реакции взрыва, химический состав, масса и плотность заряда, геометрия его закладки и т.д.).

 

Основы теории взрывчатых веществ

Введение

Взрывом называют чрезвычайно быстрое химическое или физическое превращение вещества (или системы), сопровождающееся таким же быстрым переходом потенциальной энергии в механическую работу. Характерным признаком взрыва является образование ударной волны (УВ) в среде, примыкающей к месту взрыва. Причиной возникновения УВ является быстрое расширение (со сверхзвуковой скоростью в данной среде) газов или паров, содержащихся до взрыва или возникших в системе в момент взрыва. Взрывы делят на физические и химические.

При физических взрывах, вызванных, например, взрывом парового котла, баллонов с газом и т.п., изменяется только физическое состояние вещества с сохранением постоянства его химического состава. В горном деле примерами таких взрывов являются отбойка угля при помощи металлических патронов "кардокс", содержащих жидкую углекислоту, или металлических патронов "эрдокс", содержащих сжатый воздух.

Химическое превращение вещества является обязательным условием химического взрыва. Взрывчатое химическое превращение вещества обуславливается наличием трех факторов: высокой скоростью, образованием газов или паров, выделением теплоты.

Общими чертами физических и химических взрывов является то, что выделяющаяся энергия при взрыве переходит в механическую работу, которую совершают сжатые газы, имевшиеся до взрыва (физический взрыв) или образовавшиеся в момент взрыва (химический взрыв). Высокая скорость выделения энергии как следствие высоких скоростей изменения состояния вещества и весьма высокое давление (от десятков до сотен тысяч атмосфер) сжатых газов предопределяет особый быстропротекающий разрушительный характер механического действия взрыва.

 

Ударные волны

Быстро расширяющиеся сжатые газы вызывают в окружающей среде (газовой, жидкой, твердой) скачок давления или волну возмущений, которую называют ударной волной. Скорость распространения ударной волны в среде всегда превышает скорость звука этой среды. Линейная зависимость скорости ударной волны от параметров среды записывается следующим образом:

(1.1)

где D – скорость ударной волны; С – скорость звука в среде; l – коэффициент (находят в таблицах или определяют экспериментально); U – массовая скорость частицу за фронтом ударной волны.

При взрыве одного и того же взрывчатого вещества (ВВ) одинаковой

массы в воздухе, воде и в горной породе скорости соответствующих ударных волн и давления будут подчиняться неравенствам:

D_горн.п.>D_вод.>D_воздух; Р_горн.п.>Р_вод.>Р_{воздух.} (1.2)

Фронт ударной волны можно представить как линию, разделяющую два принципиально различных физических состояния в одной среде. Состояния, возникшего в результате прохождения ударной волны, и невозмущенной среды, по которой УВ еще не прошла. Таким образом, фронт УВ, распространяющийся со сверхзвуковой скоростью в среде, представляет скачкообразное изменение давления, температуры и плотности. На некотором расстоянии от заряда ВВ по среде распространяется ударная волна, которая с расстоянием постепенно вырождается в звуковую, т.е. D стремится к С при U > 0.

Ударная волна отличается от упругой тем, что создает поток вещества, следующий за ее фронтом. Расстояние, на котором ударная волна ослабляется до звуковой, в газе намного больше, чем в твердом веществе. При заданном диаметре заряда это расстояние в воздухе составляет несколько десятков и даже сотен диаметров заряда, в воде – около 2–3 диаметров, в твердом теле – меньше одного диаметра.

Условия на фронте ударной волны (часто говорят "на ударном скачке") особенно удобно записывать в следующем виде:

(здесь индексом "0" и "1" обозначены соответственно параметры невозмущенной среды и величины, характеризующие состояние вещества, сжатого

ударной волной)

 

закон сохранения массы: , (1.3)

 

 

закон сохранения количества движения:

 

, (1.4)

 

закон сохранения энергии:

 

. (1.5)

Обычно считается, что невозмущенная среда находится в состоянии покоя. Но при выводе уравнений сохранения массы (1.3), импульса (1.4) и энергии (1.5) предполагалось, что имеется начальная скорость U₀. Этот более общий характер решения в некоторых случаях оказывается полезным.

Если считать, что невозмущенная среда покоится и U₀=0, пренебрегая начальным давлением Р₀, уравнения (1.3) - (1.5) можно переписать в более удобном для расчетов виде:

 

; (1.6)

 

; (1.7)

 

, (1.8)

где V₀ и V₁ соответственно начальный и конечный объем; Е₁ – внутренняя энергия; Р₁ – давление в среде;

Ширина фронта ударной волны в воздухе на уровне моря составляет 0,025 мкм (для сравнения: длина волны в инфракрасной области примерно равна 1 мкм). При распространении ударной волны в любой среде давление, плотность и температура в возмущенной области увеличиваются во много раз. Поэтому люди и животные, попавшие в зону действия ударной волны, гибнут, а сооружения разрушаются. Кроме этого, поток воздуха, возникающий за фронтом ударной волны, также наносит большой ущерб живым организмам и сооружениям. На рис.1 показан профиль ударной волны в координатах давление - расстояние.

Если профиль давления ударной волны в среде рассмотреть во времени, то окажется, что Р_max (максимальное давление) падает быстро - обратно пропорционально расстоянию (1/R). На рис.2 представлена схема, изображающая взрыв заряда ВВ в моменты времени t₁, t₂ и t₃. Образовавшийся при взрыве газ "толкает" взрывную волну с крутым фронтом, давление в которой падает с увеличением расстояния.

Рис.1 Профиль давления при взрыве:

– зона разрежения (Р < Р₀); в этой зоне поток вещества будет направлен в сторону, противоположную движению фронта ударной волны, т.е. к источнику взрыва; R – расстояние. Стрелками показано направление движения фронта ударной волны и частиц окружающей среды

Газ, образовавшийся при взрыве, расширяется до конечного колеблющегося объема, в то время как объем воздуха, охватываемый и нагреваемый ударной волной, растет с увеличением расстояния – ударная волна расходует свою энергию и затухает.

Избыточное давление (в Па) на фронте ударной волны в воздухе при

взрыве наземного заряда ВВ массой q рассчитывают по формуле Г.И. Покровского:

(1.9)

где R – расстояние от заряда до измеряемой точки.

Если заряд ВВ взрывается над поверхностью земли, то давление можно найти из следующего выражения:

(1.10).

Избыточное давление на преграде при отражении ударной волны Р_отр легко рассчитать, используя известную формулу:

(1.11)

 

где Р_в - давление ударной волны в воздухе; Р₀ - атмосферное давление или начальное давление в среде.

Важным параметром воздушных ударных волн является время действия фазы сжатия (с) t_ф.сж.:

(1.12).

Рис.2 Схематическое изображение взрывов цилиндрического или сферического заряда ВВ.

 

 

Принцип Ю.Б. Харитона

При выводе основных соотношений в детонационной волне рассматривалась одномерная задача для плоской волны. В этом случае вся потенциальная химическая энергия реализуется в детонационной волне и определяет параметры детонации – ее скорость, давление и т.д. В случае неодномерного течения за ударным фронтом параметры детонации в определенных границах становятся зависимыми от поперечных размеров заряда. Впервые это показано Ю.Б. Харитоном.

Поскольку зона химического превращения в детонационной волне имеет конечные размеры, то за время химической реакции, протекающей на участке ВС, рис.5, образующиеся сжатые газообразные продукты стремятся к расширению в радиальном направлении. В результате этого в зону реакции с боковой поверхности заряда ВВ входит волна разрежения, рис.9, а охваченная ею масса вещества теряется как поставщик энергии относительно ударного фронта.

Поскольку глубина проникновения волны разрежения обратно пропорциональна радиусу заряда, то относительные потери энергии в детонационной волне должны уменьшаться с увеличением радиуса заряда.

Принцип Харитона утверждает следующее: детонация может устойчиво распространяться по заряду, если продолжительность реакции в волне () меньше времени разброса вещества в радиальном направлении (). Исходя из этого, можно найти такой минимальный диаметр заряда, при котором еще возможно устойчивое распространение детонации, т.е. найти критический диаметр заряда ВВ. Условия устойчивости определяют следующим образом. Продолжительность химической реакции в детонационной волне будет равна

или, учитывая, что U=D/4

будем иметь

Время разброса вещества в радиальном направлении составит

следовательно,

Рис.7 Зона химической реакции в детонационной волне:

d₃ – диаметр заряда ВВ; – волна разрежения; =0,5·D_ВВ; b – глубина проникания волны разрежения; – ширина зоны реакции; D – скорость детонации ВВ.

 

С учетом выражения (1.20) и того, что , формулу (1.21) можно переписать следующим образом

 

(1.22)

т.е. критический диаметр близок по величине к ширине зоны химической реакции. При d₃>d_кр потери энергии в детонационной волне должны уменьшаться, а параметры волны соответственно возрастать, асимптотически приближаясь к максимуму.

Детонацию с максимальными параметрами для данного ВВ и данной

плотности называют идеальной детонацией или детонацией в идеальном режиме. Диаметр заряда, при котором параметры детонации близки к максимальным (рис.8), т.е. к D_И, называют предельным диаметром (d_пр).

Рис.8 Зависимость скорости детонации ВВ от диаметра заряда.

 

Детонацию, протекающую в зарядах с d_кр<d₃<d_пр, называют неидеальной,или детонацией в неидеальном режиме. Связь между скоростью идеальной детонации, шириной зоны реакции и диаметром заряда выражается формулой, предложенной А. Дубновым:

Величина критического диаметра зависит от плотности ВВ, наличия оболочки и ее материала, внешнего давления, температуры и других параметров.

 

Метод Дотриша

Для контроля качества ВВ на полигонах наиболее простым и доступным способом определения скорости детонации является хорошо испытанный метод Дотриша, рис.12. С боковой стороны заряда испытываемого ВВ длиной 300 мм (или другой длины) вводят отрезки детонирующего шнура (ДШ) длиной от 1,5 до 3-х метров. Расстояние между точками А и Б в зависимости от длины патрона должно быть 200 – 300 мм. Расстояние между точками и длину детонирующего шнура тщательно измеряют, при этом скорость детонации ДШ должна быть известна до проведения опыта. Свободный отрезок ДШ укладывают на металлическую пластину толщиной не менее 2–4 мм и длиной 300–400 мм. На середине пластины отмечают участок (точка О) между равными отрезками: АО=АБ+БО.

Электродетонатор устанавливают как показано на схеме рис.12. Во время взрыва заряда ВВ детонационная волна, дойдя до точки А, возбуждает детонационную волну в отрезке АО детонирующего шнура, которая пойдет по ДШ в сторону точки О. Продолжая движение по заряду ВВ, детонационная волна дойдет до точки Б и возбудит детонацию в отрезке БО детонирующего шнура. Таким образом, детонационные волны в отрезках АО и БО будут двигаться навстречу друг другу и в какой-то момент встретятся, например, в точке В. Если скорость детонации заряда ВВ будет меньше скорости детонации ДШ, то столкновение двух волн произойдет справа от точки О. Если же скорость детонации заряда ВВ окажется больше, чем детонирующего шнура, то столкновение двух волн произойдет слева от точки О. Результатом "лобового" столкновения детонационных волн, идущих по отрезкам ДШ, будет скачкообразное повышение давления и образование двух симметричных газовых струй, направленных перпендикулярно к оси ДШ. Высокое давление газов создаст характерное углубление на поверхности металлической пластины.

Время, в течение которого фронт детонации пройдет от точки А к точке В, будет равно

Время, затраченное фронтом детонации в заряде ВВ на прохождение участка от точки А к точке Б (расстояние b), определяем из выражения

,

а время прохождения ДВ по шнуру от точки Б к точке В легко находят из выражения

Поскольку детонационные волны, распространяющиеся в отрезках (АО + а) и (БВ – а) детонирующего шнура, встречаются в точке В, то очевидно, что t₁=t₂+t₃:

или

Рис.12 Схема определения скорости детонации по Дотришу:

1 – электродетонатор (или капсюль-детонатор); 2 – заряд ВВ; 3 – ДШ; 4 – металлическая пластина; DДШ – скорость детонации ДШ; DВВ – скорость фронта детонационной волны в заряде ВВ. Стрелками указано направление движения фронта детонационной волны в заряде ВВ и в детонирующем шнуре.

 

Используя начальное условие, при котором АО=b+БО, произведем замену в последнем уравнении и получим:

Окончательно будем иметь

(1.23).

Ошибка в измерениях, как показала многолетняя практика, не превышает 3-5%.

 

Примеры расчета тепловых эффектов реакций

Взрывчатых превращений

Пример 1. Рассчитать тепловой эффект реакции взрывчатого превращения 320 г дымного пороха следующего состава: 75% KNO₃, 15% С и 10% S.

Решение. Реакция горения дымного пороха, состоящего из указанных компонентов, имеет вид:

2,38KNO_3(s)+4C_(s)+S_(s)=1,19K₂O_(s)+SO_2(g)+3,95CO_(g)+0,05C_(s)+1,19N_2(g), где 2,38= ; 4= ;

1= (М – мольные массы, г/моль; m – массы в соответствии с процентным содержанием, г; 320 г – общая масса ВВ).

Дальнейший расчет удобнее производить при помощи таблицы.

 

Вещество	KNO3(s)	C(s)	S(s)	K2O(s)	SO2(g)	CO(g)	C(s)	N2(g)
DfН^0298, кДж/моль	-492,5			-361,5	-296,9	-110,5
	Исходные вещества	Конечные вещества (продукты)
n	2,38			1,19		3,95	0,05	1,19

Примечание: индексы (s) и (g) у веществ обозначают их агрегатное состояние (твердое и газообразное). Следует учитывать, что величины D_fН⁰₂₉₈ для простых веществ равны нулю (например, для С, S и N₂ в данном примере).

 

Найдём по закону Гесса тепловой эффект реакции для 1 моль ВВ:

D_rH⁰₂₉₈=ån_кон(D_fH⁰₂₉₈)_кон-ån_исх(D_fH⁰₂₉₈)_исх=[-361,5·1,19+(-296,9·1)+

+(-110,5·3,95)+0·0,05+0·1,19]-[(-492,5·2,38)+0·4+0·1]=8,59 кДж/моль.

Для расчета теплового эффекта рассматриваемой реакции горения 320г дымного пороха необходимо определить количество моль вещества, содержащееся в указанной массе. Для этого выведем брутто-формулу (или условную формулу) данного ВВ (2,38KNO_3(s)+4C_(s)+S_(s)):

Брутто-формула имеет следующий вид: C_aS_bN_cO_dК_е, где а, b, c, d и е – количества углерода (С), серы (S), азота (N), кислорода (О) и калия (К), соответственно.

а=4·1=4; b=2,38·1=2,38; c=2,38·1=2,38; d=2,38·3=7,14 и е=2,38·1=2,38. Таким образом, получим: C₄S_2,38N_2,38O_7,14К_2,38. Следовательно, в 320 г ВВ состава C₄S_2,38N_2,38O_7,14К_2,38 содержится следующее количество моль вещества

n= , где М_ВВ=12·4+32·2,38+14·2,38+

+16·7,14+39·2,38=365 г/моль – мольная масса указанного ВВ; m_ВВ=320 г – масса данного ВВ (см. условие).

Тогда Q= - ·n= -8,59 кДж/моль·0,877 моль= -7,53 кДж.

Пример 2. Рассчитать тепловой эффект реакции взрывчатого превращения 1 кг нитроглицерина:

С₃Н₅(ONO₂)_3(l)®3CO₂+2,5H₂O+1,5N₂+0,25O₂.

Решение. Расчет произведём при помощи таблицы:

 

Вещество	С3Н5(ONO2)3( l )	CO2	H2O	N2	O2
DfН^0298, кДж/моль	-364,8	-393,5	-241,8
	Исходные вещества	Конечные вещества (продукты)
n			2,5	1,5	0,25

Примечание: индекс (l) у вещества обозначает агрегатное состояние (жидкое).

 

Согласно закону Гесса найдём тепловой эффект реакции для 1 моль ВВ:

D_rH⁰₂₉₈=ån_кон(D_fH⁰₂₉₈)_кон-ån_исх(D_fH⁰₂₉₈)_исх=[-393,5·3+(-241,8·2,5)+

+0·1,5+0·0,25]-[(-364,8·1)]=-1420,2 кДж/моль.

 

В 1 кг ВВ состава С₃Н₅(ONO₂)₃ содержится следующее количество моль вещества

n= , где М_ВВ=227 г/моль – мольная масса указанного ВВ; m_ВВ=10³ г – масса данного ВВ (см. условие).

Тогда Q= - ·n=1420,2 кДж/моль·4,41моль=6263,1 кДж.

Пример 3. Рассчитать стандартную энтальпию образования ацетиленида серебра D_fH⁰₂₉₈(Ag₂C₂) по реакции Ag₂C₂=2Ag+2C, если тепловой эффект данной реакции составляет Q=364,53 кДж/моль.

Решение. Обозначим стандартную энтальпию образования ацетиленида серебра через х (искомая величина). Расчет произведём при помощи таблицы:

 

Вещество	Ag2C2	Ag	C
DfН^0298, кДж/моль	х
	Исходные вещества	Конечные вещества (продукты)
n

 

Тогда можно составить уравнение:

D_rH⁰₂₉₈=ån_кон(D_fH⁰₂₉₈)_кон-ån_исх(D_fH⁰₂₉₈)_исх=(0·2+0·2)-(х·1)

По условию задано, что Q=364,53 кДж/моль, т.е. D_rH⁰₂₉₈=-Q=-364,53 кДж/моль и уравнение примет вид:

(0·2+0·2)-(х·1)=-364.53, откуда х=D_fH⁰₂₉₈(Ag₂C₂)=364,53 кДж/моль.

 

Кислородный баланс ВВ

С химической точки зрения взрыв – это необратимая химическая реакция превращения исходного ВВ в газообразные продукты. Направление реакции и состав конечных продуктов определяют основные параметры взрыва: теплоту, температуру, давление и др. Входящие в состав продуктов взрыва (ПВ) окислы азота и окись углерода, как известно, обладают высокой токсичностью. Они становятся особенно опасными в подземных выработках, когда их количество превышает допустимые пределы. Борьба с ядовитыми газами в горных выработках ведется в течение многих десятков лет, а в настоящее время в связи с расширением ассортимента применяемых ВВ и развитием горных работ становится весьма важной и актуальной. Неизбежные ограничения, например, по условиям вентиляции в подземных выработках обязывают вводить определенные нормы для ВВ в отношении количества образуемых при взрыве ядовитых газов.

Идеальными компонентами взрывчатого превращения являются наиболее термодинамически устойчивые соединения. Однако в случаях промышленного использования ВВ наблюдаются отклонения от идеального состава ПВ по нескольким причинам. Например, на состав ПВ с отрицательным кислородным балансом сильное влияние оказывает плотность заряда ВВ, скорость закалки ПВ (скорость теплообмена с окружающей средой), условия разлета ПВ, т.е. время протекания реакции в зоне химического пика и особенности характера взаимодействия между компонентами ПВ, а также химический состав и концентрация добавок. Кроме этого, свойства горных пород при ведении взрывных работ оказывают весьма заметное влияние на образование, состав и концентрацию ядовитых газов. Причиной отклонения от идеального состава ПВ является каталитическое действие горных пород – при взрыве одного ВВ в различных горных породах, были обнаружены значительные отклонения количественного состава ядовитых газов. Другими словами, горные породы вступают в химическое взаимодействие с ПВ, оказывая каталитическое действие на сценарии вторичных реакций в самих ПВ.

Эксперименты исследования современного периода свидетельствуют о том, что влияние породы, окружающей заряд ВВ, значительно сильнее, чем влияние состава ВВ на количество ядовитых газов в ПВ. Колебания суммарного количества ядовитых газов при взрыве различных ВВ в одной горной породе достигали 200%, а при взрыве одного ВВ в различных породах – до 1000%.

При взрывании зарядов ВВ в горном массиве возникают радиальные и тангенциальные трещины, механизм образования которых подробно описан в литературе. ПВ под действием высокого давления проникают не только в свежеобразованные трещины, но и в трещины естественного происхождения, вызывая их развитие. Процесс разрушения, при котором происходит образование трещин, сопровождается разделением разноименных электрических зарядов на свежеобразованных поверхностях, при этом, в области разрыва возникают электрические поля высокой напряженности, что приводит к резко неравновесному состоянию поверхности, высокой поверхностной проводимости и химической активности. На стойкость молекул и ход химических реакций в целом оказывает решающее влияние плотность поверхностных зарядов. Под действием давления газов вероятность соударения молекул ПВ с поверхностными зарядами трещины резко возрастает, т. е. существует большая вероятность их сближения на расстояния, сравнимые с межъядерными расстояниями в молекуле. В результате этого возможна диссоциация исходных молекул и образование новых, в том числе и таких токсичных, как окислы азота, углерода и др.

Для оценки энергетических параметров ВВ необходимо находить соотношение между горючими компонентами и окислителем в молекуле. Это соотношение характеризуется величиной кислородного баланса – КБ, выраженного в процентах.

Кислородным балансом называется выраженное в процентах отношение массы свободного кислорода, остающегося после окисления всего углерода, содержащегося в ВВ, в углекислый газ СО₂, всего водорода в H₂O, всех металлов в высшие оксиды к массе взятого ВВ. Азот при этом должен оставаться свободным в виде N₂.

Таким образом, из определения следует, что КБ может быть положительным, отрицательным и нулевым.

Положительный КБ - наличие кислорода в составе ВВ превышает количество, необходимое для окисления горючих элементов (при взрывчатом превращении ВВ образуются ядовитые окислы азота, вследствие чего такие ВВ не допускаются для взрывных работ над землей). Вещества с положительным КБ (селитра, нитроглицерин), т.е. окислители, для увеличения мощности ВВ необходимо смешивать с соединениями, имеющими отрицательный кислородный баланс, или с горючими, в которых не содержится кислорода.

Нулевой КБ – в составе ВВ кислород содержится в количестве, необходимом для полного окисления всех горючих элементов.

Отрицательный КБ – наличие кислорода недостаточно для окисления всех горючих элементов и компонентов в продуктах взрывчатого превращения.

При отрицательном кислородном балансе в результате взрыва могут образоваться ядовитые газы (СО), сажа (С), а при положительном - ядовитые оксиды азота. Поэтому в промышленности стремятся использовать ВВ такого состава, чтобы их кислородный баланс приближался к нулю. Кислород ВВ в этом случае расходуется таким образом, что в первую очередь он идёт на окисление металлов, водорода, серы в диоксид, углерода первостепенно в оксид, далее в диоксид.

По составу ВВ делятся на индивидуальные химические вещества и механические смеси компонентов, которые вступают между собой в реакцию.

Кислородный баланс индивидуальных взрывчатых веществ можно вычислить по их химическим формулам. Если индивидуальное ВВ содержит атомы кислорода, водорода и азота и его химический состав описывается формулой C_aH_bN_cO_d, то его кислородный баланс вычисляется по формуле:

,

где 2a - число атомов кислорода в СО₂, b/2 - число атомов кислорода в H₂O, а знаменатель - это масса моля ВВ, г/моль.

Для смесевых ВВ вычисление КБ производится, исходя из процентного содержания компонентов смеси и по ее условной химической формуле, или по величине кислородного баланса каждого компонента, приводимого в справочниках.

В том случае, если помимо атомов водорода, кислорода, углерода и азота в состав ВВ входит алюминий и его химический состав выражается условной формулой C_aH_bN_cO_dAl_l, кислородный баланс ВВ вычисляют по формуле:

,

в которой 3/2 l - число атомов кислорода в Al₂O₃.

Кислородный баланс смесевых ВВ на практике чаще вычисляют, относя к одному килограмму смеси. В этом случае расчетная формула имеет вид:

.

 

В инженерной практике применяют также следующие расчетные формулы при определении КБ. Так для индивидуальных ВВ можно использовать следующее выражение:

где А _Г– грамм-атомный вес излишка или недостатка кислорода в составе ВВ; М – грамм-молекулярный вес данного ВВ; 16 – грамм-атомный вес кислорода; К_Г – необходимое число атомов кислорода для полного окисления атомов углерода в СО₂ и атомов водорода в воду; K_B – число атомов кислорода в составе взрывчатого вещества; А_Г=(К_В–К_Г)·16.

K_Г =2·С_n+0,5·H_m.

 

Нулевому КБ соответствует кислородный коэффициент a_К, равный 1:

a_К=d/(2a+0,5b)=1.

Относительно 1 кг смеси ВВ расчет КБ можно производить по формуле:

Если в смеси ВВ содержится алюминий, то уравнения для КБ и a_К будут иметь следующий вид:

где е – количество грамм-атомов алюминия.

В таблице П-4 приложения приведены значения КБ некоторых ВВ и их компонентов.

 

2.7.1 Примеры определения КБ ВВ

 

Пример 1. Вычислить кислородный баланс нитроглицерина C₃H₅(ONO₂)₃.

Решение. В молекуле нитроглицерина число атомов: кислорода d = 9, углерода a = 3, азота c = 3 и водорода b = 5. Подставляя эти данные, получим:

= .

Нитроглицерин имеет слегка положительный кислородный баланс.

Пример 2. Вычислить кислородный баланс тринитротолуола (тротила) C₇H₅(NO₂)₃.

Решение. В молекуле тринитротолуола число атомов: кислорода d = 6, углерода a = 7, азота c = 3 и водорода b = 5. Подставляя эти данные, получим:

= .

Как следует из этого расчета, тринитротолуол имеет резко отрицательный кислородный баланс.

Пример 3. Вычислить кислородный баланс нитрата аммония (аммиачной селитры) NH₄NO₃.

Решение. В молекуле NH₄NO₃ число атомов: кислорода d = 3, углерода a = 0, азота c = 2 и водорода b = 4. В итоге получим:

= .

Положительный КБ.

Пример 4. Вычислить кислородный баланс аммонала, смесевого ВВ, состоящего из аммиачной селитры (80% по массе), тротила C₇H₅(NO₂)₃ (15%) и алюминия (5%). Расчет выполнить, исходя из массы ВВ, равной 1 кг.

Решение. Первый способ – по условной химической формуле смеси.

В 1000 г ВВ заданного состава содержится 800 г NH₄NO₃ (масса одного моля М = 80), 150 г тротила (М = 227) и 50 г алюминия. Число молей этих компонентов в 1 кг их смеси заданного состава составляет: n_NH4NO3 = , n_C7H5(NO2)3 = , n_Al = = 1,85 или в ней содержится 10NH₄NO₃ + 0,66 C₇H₅(NO₂)₃ + 1,85Al. Для вывода условной химической формулы, которая должна иметь общий вид C_aH_bN_cO_dAl_l, вычисляем число молей: атомов углерода a = 0,66×7 = 4,62; атомов водорода b = 10×4 + 0,66×5 = 43,3; атомов азота с = 10×2 + 0,66×3 = 21,98; атомов кислорода d = 10×3 + 0,66×6 = 33,96; атомов алюминия l = 1,85. Условная химическая формула ВВ, таким образом, имеет вид:

C_4,62 H_43,3N_21,28O_33,96Al_1,85,

а кислородный баланс ВВ равен

= = = + 0,47%.

Второй способ решения этой задачи – по величине кислородного баланса (приложение) и доле по массе (w_i) каждого компонента смесевого ВВ. Формула для расчета кислородного баланса в этом случае имеет вид:

КБ = S(КБ_i × w_I)

Кислородный баланс NH₄NO₃ равен +20% (см. пример 3), для тротила КБ = – 74% (пример 2), для алюминия КБ = - =-88,9%. Для смеси заданного состава КБ = 0,8×20 + 0,15×(-74) + 0,05×(-88,9) = + 0,46%.

Пример 5. Какое количество тротила (КБ = -74%) следует добавить к 1 кг нитрата аммония (КБ = +20%), чтобы кислородный баланс этой смеси был равен нулю?

Решение. Обозначив искомую массу тротила за x, получим

КБ = S(КБ_i × w_I) = , откуда x = = 270,3 г.

 

Таблица 1

Минимальный инициирующий заряд штатных ИВВ для некоторых БВВ (вторичных инициирующих ВВ)

Бризантное взрывчатое вещество	МИЗ инициирующих ВВ, г
азид свинца	гремучая ртуть
Тротил	0,1	0,36
Тетрил	0,023	0,3
Гексоген	0,02	0,19
ТЭН	0,01	0,17

Работоспособность ВВ

Для определения относительной работоспособности ВВ наиболее широко применяется метод свинцовой бомбы (проба Трауцля), принятый на Втором Международном конгрессе прикладной химии. Бомба Трауцля представляет собой свинцовый цилиндр диаметром и высотой 200 мм, в которой имеется цилиндрическое несквозное отверстие диаметром 25 мм и глубиной 125 мм, (см. рис.15). Бомбу отливают из рафинированного свинца при температуре 390–400°С. На дно отверстия помещают заряд ВВ весом 10 г в бумажной гильзе. На заряд ВВ устанавливают электродетонатор ЭД-8-Э, а свободную часть канала бомбы засыпают сухим кварцевым песком. Испытания проводят при температуре +10 °С. При изменении температуры производят соответствующие поправки: при 0 °С полученную величину расширения увеличивают на 5%, при +30 °С – уменьшают на 6%. В бомбе в районе размещения заряда при взрыве образуется полость (см. рис.15, в). Расширение канала бомбы происходит за счет действия давления продуктов