Тема 2. Промышленные взрывчатые вещества

2.1. Взрыв и его элементы

Взрыв – процесс освобождения большого количества энергии в ограниченном объёме за короткий промежуток времени. Взрыв в твёрдой среде сопровождается её разрушением и дроблением.

Взрывы могут быть физического или химического характера. При физическом взрыве изменяется только физическое состояние вещества (взрывы паровых котлов, баллонов сжатого или сжиженного газа и др.). При химическом взрыве происходит быстрое химическое превращение вещества, при котором энергия межмолекулярных связей выделяется в виде теплоты и когда образуются газообразные продукты.

Взрывание – процесс инициирования зарядов в заданный момент и в определённой последовательности.

Детонация – процесс взрывчатого превращения (распространения взрыва), обусловленный прохождением по веществу ударной волны, распространяющейся с постоянной для данного физического состояния вещества со сверхзвуковой скоростью. В отличие от горения детонация мало зависит от внешнего давления и температуры. Разогрев, необходимый для возбуждения и протекания химической реакции при детонации, достигается за счёт адиабатического сжатия вещества в ударной волне.

Согласно гидродинамической теории, передача детонации обусловлена распространением по ВВ ударной волны. Если амплитуда изменения давления на фронте волны больше некоторой величины, то волна при распространении способна за своим фронтом возбуждать интенсивную реакцию, за счёт энергии которой поддерживается постоянство параметров волны и стационарный характер детонационного процесса в целом.

Ударная волна (зона сжатия) и прилегающая к ней зона реакции взрывчатого превращения

2.2. Характеристики вв Общие положения о работе и балансе энергии при взрыве. Энергетические характеристики взрыва

Работа взрыва представляет собой процесс чрезвычайно быстрого расширения раскалённых газообразных продуктов взрыва с почти мгновенным превращением тепловой энергии в механическую.

Работа взрыва проявляется в полезных формах по выполнению функций, возложенных на взрыв, и бесполезных, связанных с неизбеж­ными потерями и вредным воздействием на окружающую среду. Формы работы взрыва существенно меняются в зависимости от условий проведения и целей его применения. Применительно к взрывным работам общего назначения в скальных породах наибольшее значение имеет работа дробления и перемещения пород, в рыхлых — простреливание (образование полостей), уплотнение и выброс. При проведении специальных видов взрывных работ определяющей может являться работа по образованию направленных трещин или щелей, отверстий, сейсмической волны и т. д.

Работа взрыва совершается за счёт теплоты, выделившейся при взрыве. В наиболее общем виде распределение энергии взрыва может быть оценено диаграммой А. Ф. Беляева (рис. 2.10). В качестве исход­ной взята потенциальная химическая энергия ВВ. Поскольку реализация потенциальной энергии ВВ в условиях охлаждения неограниченно расширяющихся продуктов взрыва до абсолютного нуля лишена прак­тического значения, ВВ сравнивают между собой по максимальной работе, которую могут совершить продукты взрыва при адиабатическом расширении до атмосферного давления и охлаждении до температуры 650° С. Эта работа называется полной идеальной работой взрыва А_П, которая, исходя из основных законов термодинамики, составляет

(2.11)

где Р₀ – атмосферное давление, Па; V₀ – объём продуктов взрыва, образующихся при взрыве 1 кг ВВ в нормальных условиях, м³; Т₁ – температура продуктов взрыва в момент его совершения, °С; Т_{2 –} температура продуктов взрыва после их расширения и охлаждения до нормальных условий, °С; k – отношение теплоёмкостей при постоянных давлении и объёме.

Рис.2.10. Баланс энергии при взрыве: А – потенциальная энергия ВВ; Б – полная фактическая тепловая энергия взрыва; В – полная фактическая работа взрыва; I – химические потери; II – идеальные тепловые потери; III – потери тепла на нагревание окружающей среды; IV и V – соответственно бесполезные и полезные формы механической работы

Полная идеальная работа взрыва может быть также определена из следующего выражения:

(2.12)

где Р₁ — начальное давление газов взрыва. Па; Р₂ = 1,01_*10⁵ Па – атмосферное давление; Q_в – полная теплота взрыва, Дж/кг.

При взрыве в сплошной среде с сопротивлением сжатия Р_а = Р₂ пол­ная работа уменьшается, а потеря тепла увеличивается. Максимальную работу, которую могут совершить газы взрыва при условии перехода всей внутренней энергии в механическую работу, называют потенци­алом ВВ. Из-за возможности частичного разброса непрореагировав­шего ВВ, недостаточной полноты взрывчатого превращения или других процессов фактическая теплота взрыва будет меньше на величину потерь. Относительный процент химических потерь увеличивается с уменьшением диаметра заряда. Использование прочных оболочек зарядов уменьшает эти потери. Химические потери максимальны при взрыве наружных зарядов, а также слежавшихся, увлажнённых, переуплотненных и грубодисперсных ВВ.

Полная фактическая тепловая энергия взрыва не полностью превра­щается в механическую работу. Определённая доля тепловой энергии взрыва расходуется на идеальные тепловые потери, обусловленные по­глощением тепла твёрдыми частицами в продуктах взрыва и повышен­ной теплоёмкостью многоатомных газов. Пылевые частицы пород, смешиваясь с продуктами взрыва в процессе их расширения, отнимают значительное количество тепловой энергии. В зависимости от условий взрывания суммарные тепловые потери могут составлять 40–60% общей энергии заряда ВВ.

Если из полной потенциальной энергии ВВ вычесть химические и тепловые потери, то оставшаяся часть потенциальной энергии будет характеризовать величину полной фактической работы взрыва, которая представляет собой сумму всех видов механической работы: полезных, вредных и бесполезных, совершаемых взрывом по разрушению и сжатию твёрдой среды, перемещению взорванной массы, разбросу кусков породы, образованию трещин и заколов.

Таким образом, полная фактическая работа взрыва будет равна

(2.13)

где Q_п – суммарные тепловые потери, Дж/кг.

При взрыве скважинного заряда энергия взрыва бесполезно тратится на переизмельчение пород, образование заколов, разброс кусков породы, сейсмическое колебание массива, образование воздушной волны в пылегазовом облаке, когда продукты взрыва, имея значительную температуру, двигаясь по поверхности, не совершают полезной работы. Если взрыв произведён на поверхности массива, то полная работа взрыва остаётся прежней, работа на разрушение среды уменьшится, а затраты энергии на образование воздушной волны увели­чатся.

Таким образом, если величина полного к.п.д. взрыва равна 0,7–0,8, то полезный к.п.д. взрыва составляет всего 10—20% при взрывании на рыхление и 3–6% при взрывании на выброс (А_п.ф – полезная механическая работа). Поскольку точная теоретичес­кая и экспериментальная оценки полезных форм работы взрыва пока невозможны, различные ВВ между собой сравнивают несколькими практическими способами. Эти способы будут рассмотрены ниже.

Основными характеристиками ВВ, определяющими его потенци­альную энергию, потенциальную и фактическую работу взрыва, яв­ляются теплота и температура взрыва, объём и давление взрывных газов. Эти величины характеризуют параметры идеализированного процесса взрыва и не учитывают коэффициент полезного использования энергии. Вместе с тем они дают вполне объективную характеристику энергетического эффекта взрыва и могут быть использованы на практике.

Теплотой взрыва называют количество тепла, выделяющегося при взрывном превращении 1 моля или 1 кг ВВ. Теплоту взрыва можно определить расчётным путём через теплоту образования веществ. Вычисления основываются на термохимическом законе Гесса, согласно которому тепловой эффект реакции зависит не от пути реакции, а только от начального и конечного состояния системы. В соответствии с этим конечный тепловой эффект реакции, т. е. теплота превращения ВВ в продукты взрыва (теплота взрыва, Дж/моль), Q_в равен разности теплоты образования продуктов взрыва Q_п.в и исходных ВВ или их компонентов Q_вв, т. е.

(2.13)

Теплота взрыва 1 кг ВВ(Дж/кг) определяется по формуле

(2.14)

где МВВ – молекулярная масса ВВ.

Для 1 кг Взрывчатой смеси теплота взрыва определяется по формуле

(2.15)

где q1,q2,…– теплота образования продуктов взрыва; n1,n2 – число образовавшихся молей продуктов взрыва; Q_н1 и Q_н2,... – теплота образования компонентов взрывчатой смеси; N₁ и N₂. – число их киломолей в 1 кг смеси; М₁, M₂,... – молекулярная масса компонентов.

Теплота образования некоторых ВВ, составных частей взрывчатых смесей и продуктов взрыва приведена в табл. 2.4.

Теплота взрыва ВВ, имеющих отрицательный кислородный баланс, зависит от плотности заряда. С увеличением плотности теплота взрыва возрастает, причём в тем большей степени, чем более отрицательный кислородный баланс. Это объясняется тем, что с увеличением плотности растёт давление продуктов взрыва и соответственно смещается вправо равновесие реакции генераторного газа в продуктах взрыва, сопровождающееся выделением тепла:

(2.16)

В целом теплота взрыва большинства ВВ находится в пределах 3200–6600 кДж/кг. Сравнивая с теплотой сгорания 1 кг, например, угля или бензина (соответственно 33 600 и 42 000 кДж), видно, что при взры­ве энергий выделяется в 5–12 раз меньше. Если рассчитать теплоту горения 1 кг смеси топлива с кислородом, то разница становится меньше, но ещё достаточно большая – в полтора – три раза. Поэтому очевидно, что огромное разрушающее действие взрыва обусловлено только громадной его мощностью, которая, например, при взрыве всего 200 г аммонита №6ЖВ превышает 1,1 ГВт за счёт скорости высвобождения энергии.

Для расчёта теплоты взрыва необходимо знать уравнение взрывчатого превращения ВВ.

Например, требуется определить теплоту взрыва нитроглицерина, взрывчатое превращение которого протекает следующим образом:

С₃Н₅(ОNО₂)₃ ЗСО₂ + 2,5Н₂О + 1,5N₂ + 0,25О₂.

Теплота образования нитроглицерина Q_1-2 = 351 кДж/моль.

Теплота образования продуктов взрыва

Q_1-3 = Qсо₂ + Qн₂о = 3qсо₂ + 2,5qн₂о =3_*396 + 2,5_*241 = 1790 кДж /моль.

Теплота взрыва при постоянном давлении

Q_2-3 = Q_1-3 - Q_1-2 = 1790 - 351 = 1439 кДж/моль.

Теплота взрыва при постоянном объёме Q_v связана с Q_р следующи­ми выражениями:

• если охлаждение продуктов взрыва идёт до 15°С (288 К),

то Q_v = Q_р + 0,572 n;

• если до 25°С (298 К), то Q_v = Q_р + 0,592 п (где п – число молей газообразных продуктов взрыва).

Следовательно, если принять температуру среды за 15° С, то

Q_v = 1439 + 0,572(3 + 2,5 + 1,5 + 0,25) = 1439 +-4,2 = 1443,2 кДж/моль.

В расчёте на 1 кг ВВ выделившаяся теплота составит

Q₁ = Q_{v *} 1000/M_вв = 1443_*1000/227 = 6357кДж/кг.

Температура взрыва – максимальная температура, до которой нагреваются продукты взрыва. Из-за сложности опытного определения по спектру светового излучения температуру взрыва обычно вычисляют, принимая процесс взрыва адиабатическим. В действительности имеются потери тепла на нагревание окружающей среды и некоторое расширение газов. Время реакции промышленных ВВ настолько мало, что этими факторами можно пренебречь.

Таблица 2.4

Теплота образования некоторых ВВ, составных частей взрывчатых смесей продуктов взрыва

Вещество	Химическая формула	Относи-тельная молекулярная масса	Теплота образования при посто-янном объёме, кДж/моль
Вода (жидкая Вода (газ) Углекислота (газ) Оксид углерода (газ) Метан (газ) Оксид азота (газ) Аммиак (газ) Хлористый водород (газ) Оксид алюминия Оксид кальция Углекислый калий Аммиачная селитра Азотнокислый калий Перхлорат аммония Тротил Динитронафталин Тетрил Гексоге Тэн Нитроглицерин Нитрогликоль Коллоидный хлопок (12,5%) Гремучая ртуть Стеарат кальция Бумага (целлюлоза) Древесная мука Уголь Парафин Сернокислый калий	H2O H2O CO2 CO CH4 NO NH3 HCl Al2O3 CaO K2CO3 NH4NO3 KNO3 NH4ClO3 C7H5N3O6 C10H6O4N2C C7H5O8N5 C3H6O6N6 C5H8O12N4 C3H5 (ONO2)3 C2H4(ONO2)2 C22,5H28,8O36N8,7 Hg(CNO)2 C36H70O4Ca C10H6O5 C15H22O10 C C24H5O K2SO4	18 18 44 28 16 30 17 36,5 102 56 138 80 101 117,5 227 218 287 222 316 227 152 1000 284,5 607 162 362 12 338,5 -	283 241 396 113 74 - 90,5 43,5 91,7 1668 631,8 1146 355 490 282 56,5 -35,2 -41,8 - 87,4 512,9 350,7 233,6 2722,2 273,6 2686 - - -266,7 - 1442,2

Температура взрыва вычисляется по формуле

(2.17)

где Q_В – теплота взрыва ВВ, кДж/моль; С_v = а + bТ — теплоёмкость отдельных продуктов взрыва при постоянном объёме, зависящая от температуры, Дж/(моль_*°С); а и b — эмпирические коэффициенты.

Подставив значение С_v и решив уравнение относительно T, полу­чим

(2.18)

Продукты взрыва состоят из газов, теплоёмкость которых различна, поэтому величина па означает суммарную мольную теплоемкость всех газов взрыва при температуре 0° С, т. е. па = п₁а₁ + п₂а₂ + … .

Точно так же величина па означает суммарное приращение мольной теплоёмкости газов при повышении их температуры на 1°С,

(2.19)

Теплоёмкость некоторых газов в зависимости от температуры, Дж/(моль_*°С)

Для газов:

двухатомных 4,8 + 4,5_*10^-4 Т

трёхатомных 7,2 + 4,5_*10^-4 T,

четырёхатомных 10 + 4,5_*10^-4 T,

Углекислота 9,8 + 5,8_*10^-4 Т,

Пары воды 4 + 21,5_*10^-4 Т.

Зная температуру взрыва, можно правильно выбрать тип ВВ при взрывании в шахтах, опасных по скоплению газа и пыли. Температура взрыва колеблется от 1800 °С для предохранительных ВВ до 4500°С для гексогена и тэна. При этом максимальная температура, до которой могут нагреваться продукты взрыва, зависит от состава, влажности ВВ и вида образуемых продуктов взрыва. Температура увеличивается при добавке алюминиевой пудры и уменьшается при введении в состав ВВ инертных солей.

Объём газов взрыва согласно закону Авогадро равен объёму, который занимает 1 моль различных газов при 0°С и давлении 1,01_*10⁵ Па, и составляет 22,42_*10^-3 м³. Объём газов (м³), образующихся при взрыве 1 кг ВВ

(2.20)

где п – число молей газообразных продуктов взрыва; m – число молей составных частей ВВ; М – относительная молекулярная масса составных частей ВВ.

При постоянном давлении и любой температуре объём (м³) газов при взрыве 1 кг ВВ определяют по формуле

(2.21)

где Т_Г – температура газов взрыва, ° С.

Объём газов, образуемых какой-либо смесью компонентов (химических соединений или элементов), определяется как сумма объёмов газов, образуемых отдельными компонентами смеси.

При взрыве заряда выделяются газы, оказывающие огромное давление на окружающую среду. Оно зависит от удельного объёма газов, температуры взрыва, плотности заряда и других факторов.

Давление газов взрыва в зарядной камере определяется исходя из объединенных законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака по уравнению Клайперона:

(2.22)

где р_о = 1,01_*10⁵ Па – атмосферное давление при температуре 0°С; V_о – объём газов взрыва ВВ (м³) при 0°С и давлении 1,01_*10⁵ Па; Т –температура взрыва, считая от абсолютного нуля, К; V – объём зарядной камеры, м³.

Для идеальных газов

(2.23)

где Т_с – температура газов взрыва, ° С.

При очень высоком давлении, которое в момент взрыва возникает в зарядной камере (шпуре), плотность газов взрыва близка к плотности жидкости. При определении давления газов взрыва нельзя пренебрегать объёмом молекул этих газов. Поэтому давление газов взрыва рас­считывают по упрощенному уравнению Ван-дер-Ваальса (расчёт «ста­тического давления газов при мгновенном взрыве»)

(2.24)

где α – коволюм газов взрыва, определяемый объёмом, занятым молекулами.

При плотности заряжания ВВ, равной 0,5...1,0 г/см³, α = 0,001 V_о. Для твёрдых продуктов взрыва коволюм определяют по выражению

(2.25)

где n_т — количество атомов выделившегося твёрдого продукта (углерода); А — атомная масса твёрдого продукта; γ_т – удельная масса твёрдого продукта; M_вв — молекулярная масса ВВ.

Объём зарядной камеры заменим на плотность заряжания ВВ (Δ = М/V). Тогда при М = 1 (единичная масса) получим уравнение для расчёта давления газов взрыва:

(2.26)

Например, требуется определить давление газов при взрыве заряда тротила, имеющего плотность заряжания 0,9 кг/дм³, температуру взрыва 2950°С и удельный объём газов взрыва 750 л/кг. Для этого находим температуру взрыва:

Т = Т_с + 273 = 2950 + 273 = 3223°С.

Затем определяем расчётное давление газов при взрыве 1 кг заряда тротила

Эти расчёты дают достаточное представление о качественном влиянии отдельных факторов, и в особенности плотности заряда (заряжания), на эффект взрыва.

Удельная энергия ВВ F, т. е. энергия, отнесённая к единице массы, равна

(2.27)

Давления, развивающиеся при взрывах различных ВВ, могут достигать от 0,3 до 20 МПа и выше. Возможны они благодаря огромным скоростям протекания самоускоряющихся реакций.

Контрольные вопросы

1. В каких формах проявляется работа взрыва?

2. Дайте характеристику распределению энергии взрыва. Каковы значения полного и полезного к.п.д. взрыва?

3. Назовите основные характеристики ВВ, определяющие его потенциальную энергию, потенциальную и фактическую работу.

4. Что называется теплотой взрыва?

5. По какой формуле вычисляется температура газов?

6. Напишите выражение для определения объёма газов взрыва.