VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

1. Краткие сведения по теории взрывчатых веществ

Взрывом называют процесс крайне быстрого физического или химического превращения вещества, сопровождающийся переходом его потенциальной энергии в механическую работу. Существенным признаком взрыва является резкий скачок давления, что служит причиной возникновения в окружающей среде ударной волны, переходящей в волну напряжений. Взрывы могут быть физическими и химическими. При физических взрывах изменяется лишь физическое состояние вещества. Примерами таких взрывов могут быть взрывы баллонов со сжатыми газами, паровых котлов, взрывы закрытых емкостей с водой при ее замерзании и т. п. К физическим взрывам можно также отнести взрыв патрона кардокс в результате расширения и быстрого испарения жидкой углекислоты.

В практике производства взрывных работ в основном используют химические взрывы, при которых изменяется химический состав вещества с выделением тепла и образованием газообразных продуктов. Химическим взрывом называют крайне быстрое самораспространяющееся превращение некоторых химических веществ или смесей с выделением тепла и образованием газообразных продуктов. Вещества или смеси, способные при взаимодействии на них начального импульса к самораспространяющимся химическим превращениям в форме взрыва, называют взрывчатыми веществами.

Экзотермичность взрывчатого превращения обеспечивает высокую температуру взрывных газов или паров, образующихся в результате взрывчатого химического превращения. Необходимым условием для самораспространения реакции взрывчатого превращения является наличие в продуктах сильно нагретых и сжатых газов, при расширении которых потенциальная химическая энергия превращается в тепловую и механическую работу. Наиболее существенным признаком взрыва является скачкообразное повышение давления до весьма высоких значений. Большая скорость превращения BB в конечные газообразные продукты реакции способствует чрезвычайно быстрому росту давления взрывных газов и огромного разрушающего действия взрыва. Поэтому выделение большого количества тепла и появление большого объема газов при малой скорости взрывчатого превращения не может рассматриваться в качестве самораспространяющегося взрыва. В данном случае медленный процесс превращения вещества не обеспечивает условий для разрушающего действия.

В условиях практического применения BB реакцию взрывчатого превращения возбуждают в какой-либо небольшой части заряда, после чего она самопроизвольно распространяется с максимальной для данного BB скоростью по всему заряду. При отсутствии способности химического превращения к такому самораспространению или при утрате ее BB не может применяться для взрывных работ. Например, при введении в состав BB слишком большого количества инертных веществ, при сильном уплотнении аммонита или уменьшении диаметра заряда менее критического способность реакции к самораспространению резко снижается или полностью исчезает.^[4]

2. Общие физико-химические характеристики компонентов составных компонентов ВВ.

1) Аммиачная селитра (азотнокислый аммоний) – химическая формула . Является компонентом большинства промышленных ВВ. Один грамм АС при разложении выделяет 0,2 г кислорода, который при взрыве используется для окисления водорода, углерода, алюминия, содержащихся в других компонентах смесевого ВВ. Дешевизна и простота ее получения, неограни­ченность сырьевой базы (воздух + вода), полный переход в газообразные продукты при взрыве обусловили широкое ее применение для промышленных ВВ.

Аммиачная селитра — белый кристаллический порошок с плотностью в зависимости от формы кристаллов 1,56—1,74 г/см3. Насыпная плотность аммиачной селитры 0,95 г/см3. Получается селитра реакцией соединения аммиака с азотной кислотой по уравнению:

Выпускается в виде порошка, гранул, чешуек и кристаллов.

Обычная кристаллическая аммиачная селитра обладает высокой гигроскопичностью. При изменении влажности воздуха она слеживается, превращаясь в камнеобразную массу. Поэтому сейчас изготовляют менее слеживающуюся кристаллическую и гранулированную селитру марки ЖВ с добавками железных солей жирных кислот, покрывающих кристаллы селитры мономолекулярной пленкой и снижающих тем самым ее гигроскопичность, слеживаемость и повышающих водоустойчивость.

Теплота взрыва селитры всего 1400 кДж/кг по сравнению с 3400—5000 кДж/кг для аммонитов. Кислородный баланс равен 20%.

Критический диаметр обычной (товарной) селитры 200—250 мм. Толщина слоя селитры, по которому может устойчиво распространяться детонация, составляет 30—50 мм, а слоя из пыли селитры - всего 15—20 мм. При наличии прочной (неразрушаемой) оболочки возможна детонация сухой чистой тонкоизмельченной селитры от обычного детонатора в заряде диаметром 7 мм. Скорость детонации обычной селитры в металлической трубе диаметром 40 мм 1,95 км/с, водоустойчивой селитры — 2,6 км/с, а ее пыли — 3,4 км/с.^[2]

2) Тринитротолуол (тротил или тол) – химическая формула . Является одним из самых распространенных однокомпонентных ВВ. Тро­тил получают путем нитрации толуола смесями азотной и сер­ной кислот по реакции:

Чистый тротил состоит из кристаллов светло- или темно-желтого цвета с температурой плавления 80 °С. В порошкообразном виде тротил имеет насыпную плотность 0,97 г/см³. Литой тротил имеет плотность 1,54—1,59 г/см³. Плотность гранул или чешуек 1,5 г/см меньше плотности литого тротила.

Тротил практически не растворим в воде, имеет высокую химическую стойкость. Переход горения в детонацию наблюдается только при горении тротила в замкнутом пространстве или в очень больших количествах.

Применяется тротил в порошкообразном, прессованном, чешуйчатом, гранулированном виде, а иногда в виде кусков и литых шашек. Тротил входит в состав аммиачно-селитренных ВВ как сенсибилизатор и как активная горючая добавка, т.к. имеет много лишних молекул горючих (углерода). Содержание тротила в смесевых ВВ изменяется от 6 до 70 %. Для патронированных ВВ применяется порошкообразный тротил, для грубодисперсных — гранулированный и чешуйчатый. При попадании в тротил песка или других твердых примесей резко возрастает его чувствительность к механическим воздействиям, что необходимо учитывать при заряжании скважин. Наиболее восприимчив к инициированию порошкообразный тротил, наименее — литой. Критический диаметр сухого порошкообразного тротила — 8—10 мм.

Тротил имеет большой отрицательный кислородный баланс (74 %), из-за чего при его взрыве выделяется мало газообразных и значительное количество твердых продуктов (сажа).

Порошкообразный и прессованный тротил взрывается от штатного детонатора или нескольких витков ДШ (детонирующего шнура). Литой тротил требует более мощного промежуточного детонатора из прессо­ванных тротиловых шашек или патронов аммонита.^[2]

3)Алюминий(Al)

Создавая взрывчатое вещество, мы, естественно, заинтересо­ваны в том, чтобы при его взрыве выделялось больше энергии и образовывались сжатые газы, способные реализовать энергию нужным образом. Так, энергию взрывчатого разложения можно увеличить за счет подбора соответствующих горючих, в частности введения в состав ВВ металлов, например Al (теплота образова­ния А1₂O₃— 1670 кДж/моль). Продукты окисления алюминия — твердые вещества. Добавка (до определенного предела) алюми­ния в состав некоторых взрывчатых смесей способна повышать работоспособность последних. Существуют взрывчатые вещества с повышенной теплотой взрыва, содержащие в своем составе металлы. Насыпная плотность 2 г/см³.^[5]

3. Определение кислородного баланса для заданной смеси.

Кислородным балансом называется выраженное в процентах отношение массы свободного кислорода, остающегося после окисления всего углерода, содержащегося в ВВ, в углекислый газ СO₂, всего водорода в Н₂O, всех металлов в высшие оксиды к массе взятого ВВ. Азот при этом должен оставаться свободным в виде N₂.

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. 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. 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_aHbO_cNd, то его кислородный баланс вычисляется по формуле:

где число атомов кислорода в СO₂, число атомов кислорода Н₂O, а знаменатель - это молярная масса 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.

4. Уравнения реакции взрывчатых превращений.

1) Рассчитываем теплоту взрыва исходного состава ВВ.

Аммиачная селитра 80%, Тротил 5%, Алюминий 15%.

Расчет для одного килограмма ВВ.

Формула	Содержание, %	Грамм	Молярная масса, г/моль	Количество моль
	80	800	80	10
	5	50	227	0,22
	15	150	27	5,56

Находим коэффициенты :

Находим кислородный баланс по формуле:

слабо-отрицательный КБ.

Теплоты образования:	кДж/моль
	354,5
	73,3
	1670
	241
	396
	116

Реакция химического превращения при взрыве:

КБ0:

.

Расчет параметров детонации ВВ

1. Определение скорости детонации

Для максимальной теплоты взрыва:

2. Определение плотности ВВ.

Для исходной смеси:

3. Определение плотности потока продуктов взрыва:

Для исходной смеси:

4. Определение давления в ударной волне.

Для исходной смеси:

3) Снижение горючего на 2%

Аммиачная селитра 84%, Тротил 5%, Алюминий 11%.

Расчет для одного килограмма ВВ.

Формула	Содержание, %	Грамм	Молярная масса, г/моль	Количество моль
	84	840	80	10,5
	5	50	227	0,22
	11	110	27	4,07

Находим коэффициенты :

Находим кислородный баланс по формуле:

положительный КБ.

Реакция химического превращения при взрыве:

КБ>0:

.

Расчет параметров детонации ВВ

1. Определение скорости детонации

Для максимальной теплоты взрыва:

2. Определение плотности ВВ.

Для исходной смеси:

3. Определение плотности потока продуктов взрыва:

Для исходной смеси:

4. Определение давления в ударной волне.

Для исходной смеси:

4) Снижение горючего на 2%

Аммиачная селитра 86%, Тротил 5%, Алюминий 9%.

Расчет для одного килограмма ВВ.

Формула	Содержание, %	Грамм	Молярная масса, г/моль	Количество моль
	86	860	80	10,75
	5	50	227	0,22
	9	90	27	3,33

Находим коэффициенты :

Находим кислородный баланс по формуле:

положительный КБ.

Реакция химического превращения при взрыве:

КБ>0:

.

Расчет параметров детонации ВВ

1. Определение скорости детонации

Для максимальной теплоты взрыва:

2. Определение плотности ВВ.

Для исходной смеси:

3. Определение плотности потока продуктов взрыва:

Для исходной смеси:

4. Определение давления в ударной волне.

Для исходной смеси:

5) Снижение горючего на 2%

Аммиачная селитра 88%, Тротил 5%, Алюминий 7%.

Расчет для одного килограмма ВВ.

Формула	Содержание, %	Грамм	Молярная масса, г/моль	Количество моль
	88	880	80	11
	5	50	227	0,22
	7	70	27	2,59

Находим коэффициенты :

Находим кислородный баланс по формуле:

положительный КБ.

Реакция химического превращения при взрыве:

КБ>0:

.

Расчет параметров детонации ВВ

1. Определение скорости детонации

Для максимальной теплоты взрыва:

2. Определение плотности ВВ.

Для исходной смеси:

3. Определение плотности потока продуктов взрыва:

Для исходной смеси:

4. Определение давления в ударной волне.

Для исходной смеси:

8. Построение графиков зависимости термохимических и детонационных параметров.

График зависимости теплоты взрыва от давления в ударной волне

Давление в ударной волне,	Теплота взрыва Q, кДж/кг
7,3	6548,7
6,3	6049,5
5,3	5463,5
4,4	4877,4
3,6	4291,4

График зависимости кислородного баланса от теплоты взрыва

Теплота взрыва Q, кДж/кг	КБ, %
6548,7	-1,04
6049,5	1,16
5463,5	3,34
4877,4	5,51
4291,4	7,69

Библиографический список

1. Дубнов Л.В. Промышленные взрывчатые вещества./ Л.В. Дубнов, Н.С. Бахаревич, А.И.Романов. М.: Недра, 1988.

2. Кутузов Б.Н. Разрушение горных пород взрывом. М.: МГИ, 1992.

3. Парамонов Г.П. Теория детонации промышленных взрывчатых веществ. СПб.: СПГГИ (ТУ), 2004.

4. Магойченков М.А., Галаджий Ф.M., Росинский Н.Л. Мастер-взрывник. M., «Недра», 1975

5. Геологический портал GeoKniga. URL: http://www.geokniga.org/books/4911 – Взрывные работы в сейсморазведке.

Код для цитирования: Скопировать