Основы теории предохранительных ВВ

До середины XIX века в шахтах и рудниках черный порох использовался до тех пор, пока не появились основные компоненты современных промышленных ВВ. Когда в угольных шахтах стали применять динамиты (динамит изобретен А. Нобелем в 1867 г.), то с самого начала стало ясно, что динамиты по сравнению с черным порохом являются более безопасными ВВ. Однако последующий опыт использования динамита показывал, что и это ВВ может воспламенять пыле- и метано-воздушные смеси. Было установлено, что для воспламенения метано-воздушной смеси (МВС) в ней достаточно взорвать 1 г. черного пороха или несколько грамм динамита.

В связи с ростом аварий в угольных шахтах, вызванных воспламенением

и взрывом МВС и пылевоздушных смесей (ПВС) при использовании ВВ, в некоторых странах были созданы специальные комиссии, с целью изучения причин воспламенения шахтного воздуха и разработки мер и способов борьбы с этим явлением.

Качественные представления о механизме теплового ускорения химических реакций в условиях возникновения взрыва были созданы Вант-Гоффом в 1884 г. Примерно в эти же годы Малляр и Ле-Шателье изучали процесс воспламенения смесей некоторых горючих газов с воздухом. При проведении исследований ими было открыто явление задержки воспламенения, наиболее характерное для МВС. Благодаря этому открытию удалось научно обосновать возможность применения ВВ в шахтах, опасных по взрыву газа или пыли. Малляр и Ле-Шателье предположили, что действие взрыва заряда ВВ на МВС прежде всего зависит от температуры продуктов взрыва. В соответствии с их гипотезой МВС будет воспламеняться всегда, если температура продуктов взрыва (ПВ) превысит 2200°С, и не будет воспламеняться, если температура ПВ будет меньше температуры вспышки – 650°С. При температурах ПВ, соответствующих значениям величин, лежащих в диапазоне от 2200 до 650°С, воспламенение может произойти или не произойти в зависимости от того, успеют ли ПВ охладиться ниже температуры вспышки за время, меньшее, чем время задержки вспышки, соответствующее данной температуре. Изложенные соображения явились основой первой антигризутной (термической) гипотезы.

Французская антигризутная комиссия на основании результатов работ Малляра и Ле-Шателье приняла решение, что ВВ, используемые при взрывных работах по породе, должны иметь температуру взрыва не более 1900°С, а при взрывных работах в угольных забоях – не более 1500°С. На практике, однако, взрывы МВС происходили, если температура ПВ превышала минимальную температуру воспламенения МВС – 650°С. Оказалось, что взрывы МВС могут быть вызваны в случае увеличения массы ВВ (с увеличением массы заряда медленнее охлаждаются ПВ, увеличивается время воздействия высокой температуры на газовую смесь). Появилось понятие предельного заряда, превышение массы которого вызывает воспламенение газовой смеси. Поскольку расчетные методы предельной массы заряда ВВ не существовали, во многих странах было решено проводить оценки в опытных штреках, воспроизводя наиболее опасные условия, которые могут иметь место при взрывных работах в угольных шахтах.

Накопленный экспериментальный материал, разработанная академиком Н.Н. Семеновым теория теплового самовоспламенения, представления о цепных реакциях и опыт ведения взрывных работ в целом, стали основанием для разработки нового механизма воспламенения МВС. В частности, предполагалось, что основными источниками воспламенения МВС могут быть ударная волна, горящие или нагретые до высокой температуры частицы, высокотемпературные газообразные продукты взрыва.

Французский исследователь Е. Одибер, проводя эксперименты по воспламенению МВС, установил, что при свободном падении частиц песка, нагретых до 900–1100°С, в МВС наблюдалось воспламенение. В связи с полученными результатами, Е. Одибер предположил, что воспламенение вызывается твердыми нагретыми частицами. Эта гипотеза была развита К. Бейлингом, который проводил исследования и в опытной шахте. Он предложил рассматривать четыре фактора: ударную волну, волну сжатия, газообразные продукты взрыва и твердые частицы. Неубедительность приведенных им доказательств в пользу механизма воспламенения горящими частицами, вероятно, явилась причиной, из-за которой представления Бейлинга не только не получили широкой поддержки, но и вызывают до сих пор ряд серьезных сомнений.

Вклад в развитие представлений о механизме воспламенения МВС сделал Е. Одибер, предположив, что воспламенение зависит от общей энергии ПВ, либо от удельной энергии, приходящейся на один моль газообразных продуктов взрыва. Механизм процесса воспламенения МВС следующий. При взрыве заряда ВВ продукты взрыва, имеющие высокую температуру, смешиваются с МВС (поэтому механизм иногда называют "механизмом воспламенения путем смешения"). Если в процессе разбавления ПВ метано-воздушной смесью будет достигнута температура вспышки, то произойдет воспламенение МВС. Одибер показал также, что ВВ с положительным или отрицательным кислородным балансом являются опасными в отношении воспламенения метана. Наименьшую опасность представляют ВВ с нулевым кислородным балансом. По мере накопления опыта все больше возникало оснований для возражения против "механизма смешения".

Ф.М. Галаджий и Б.И. Вайнштейн утверждали, что воспламенение взрывчатой газовой смеси при сжатии ее в ударной волне более вероятно, чем смешение МВС с быстро остывающими ПВ. Это утверждение основано на экспериментальных результатах. Известно, что смесь метана СН₄ с воздухом дает наиболее сильный взрыв при содержании в ней метана 9,46% и воздуха 90,54% по объему. Взрывная реакция идет без изменения объема газов. Теплота взрыва (Q_Р), приходящаяся на 1 кмоль МВС составляет 75,8 МДж, а на 1 м³ – 3377,14 кДж (как и при взрыве 1 кг аммонита ПЖВ-20). При большем содержании метана или кислорода взрыв будет слабее, поскольку избыточный компонент, не участвуя в химической реакции взрыва, поглощает часть теплоты взрыва на собственное нагревание. Пределы содержания метана, за которыми смесь его с воздухом перестает гореть и взрываться, зависят от давления – чем оно больше, тем шире эти пределы, табл.10.

 

Таблица 10