4. Общие сведения о взрывчатых веществах (вв)

ВВ как высококонцентрированный и экономичный источник энергии широко применяют в различных отраслях народного хозяйства и военных целях.

Около 90% всего объема руд черных и цветных металлов в России добывается взрывным способом. Массовые взрывы широко используются при вскрытии рудничных тел и угольных пластов, месторождений других полезных ископаемых, в строительстве при сооружении плотин и насыпей, прокладке автомобильных и ж/д магистралей, водных каналов, нефте- и газопроводов и т.д. (тоннелей), особенно в труднодоступных местах.

ВВ также широко применяются при взрывных способах обработки металлов в машиностроении и металлургии, штамповке, сварке, упрочнении деталей машин, резке металлов, при сейсморазведке, перфорации нефтяных скважин, при тушении лесных пожаров и для других технических нужд.

4.1. Основные понятия

Взрывчатые вещества (ВВ) – химические соединения или смеси веществ, способные к быстрому, самораспространяющемуся превращению, с выделением большого количества тепла и образованием газообразных продуктов. Быстрое образование газов, нагретых до высокой температуры за счет теплоты реакции, приводит к сильному повышению давления. При последующем расширении сжатых газообразных продуктов реакции их внутренняя энергия переходит в механическую работу раскалывания, дробления и отброса элементов окружающей среды – происходит взрыв.

Количество энергии, выделяющейся при взрыве ВВ. относительно невелико. Даже при взрыве самого мощного ВВ (помимо атомных и термоядерных взрывов) выделяется в 5–6 раз меньше тепла, чем при сгорании на воздухе равного количества нефти. Однако, в отличие от обычных топлив, ВВ для превращения в газообразные продукты не требуют участия кислорода воздуха. Именно поэтому объемная концентрация энергии во взрывчатом веществе очень велика. В сочетании с очень большой скоростью химического превращения это делает ВВ концентрированным источником огромных мощностей. Так, при взрыве 1 кг тротила выделяется тепловой энергии примерно в 10 раз меньше, чем при сгорании 1 кг бензина. Но…! Сгорание 1 кг бензина в двигателей внутреннего сгорания происходит за 5–6 мин, в то время как взрыв 1 кг тротила происходит за 0,00001 – 0,00002 доли сек., то есть энергия при взрыве выделяется в десятки миллионов раз быстрее, чем при обычном горении.

Формы взрывчатого превращения

Характерными для ВВ являются два основных вида реакции: горение и детонация, объединяемые общим названием – «взрывчатое превращение». Начальная стадия такого превращения, как правило, представляет собой мономолекулярную реакцию. Когда отвод тепла реакции затруднен, возникает саморазогрев ВВ и медленное превращение самоускорения переходит в горение и детонацию. Такому переходу благоприятствует также накопление в ВВ конечных или промежуточных продуктов его распада, которые в большинстве случаев ускоряют реакции разложения. Характерной чертой самораспространяющегося взрывчатого превращения является его макрогетерогенность: в каждый момент реакция быстро идет лишь в узкой зоне, отделяющей ее продукты от исходного вещества. За счет передачи энергии соседним непрореагировавшим слоям ВВ в них возбуждается интенсивное химическое превращение. Таким образом, зона реакции распространяется по массе ВВ. Расстояние, на которое перемещается фронт реакции в единицу времени, называют скоростью взрывчатого превращения.

Два основных режима взрывчатого превращения – горение и детонация – отличаются прежде всего по механизму передачи энергии реакции от слоя к слою. В случае детонации существенную роль в передаче энергии реакции играет распространение по ВВ резкого скачка давления – ударной волны; скорость распространения (скорость детонации) составляет несколько километров в секунду и практически не зависит от внешних условий. Благодаря огромной скорости превращения, образующиеся газы не успевают существенно расшириться за время реакции и в зоне реакции, независимо от наличия прочной оболочки, возникают очень высокие давления (десятки и сотни тысяч кг/см²); по окружающей среде производится сильнейший удар, способный вблизи от заряда разрушить самые прочные материалы. Скорость детонации меняется в некоторых пределах с изменением размеров заряда и плотности ВВ. Если наименьший размер заряда (например, диаметр удлиненного цилиндра) меньше критического значения, то ВВ, сжатое во фронте ударной волны, разбрасывается раньше, чем завершится химическая реакция (принцип Ю.Б. Харитона) и устойчивое распространение детонации невозможно. Критический диаметр, величина которого позволяет оценить скорость реакции при детонации, составляет для разных ВВ от долей мм до десятков см. С увеличением диаметра заряда выше критического скорость детонации растет до некоторого предела.

Переходу горения в детонацию благоприятствуют рост давления и температуры ВВ, увеличение поверхности горения за счет проникновения продуктов горения вглубь порошкообразного вещества или турбулизации фронта горения жидкости. Легче переходит в детонацию горение таких ВВ, для которых велико ускорение горения при возрастании давления.

Использование энергии ВВ сугубо специфично, поэтому они применяются только в тех случаях, когда необходимо очень кратковременное воздействие чрезвычайно большой мощности. Таким образом, ВВ применяют только в необходимых случаях. Они не заменяют других источников энергии. ВВ позволяют лишь концентрировать энергию во времени и пространстве в такой степени, в какой это недостижимо другими путями.