Химические соединения, которые при определенных воздействиях (Удар, электрический ток, поток света, внедрение химического реагента или катализатора) резко высвобождают большой неконтролируемый объём энергии в виде жара, огня или импульса называются — Взрывчаткой, или Взрывчатым веществом.
Первым открытым в истории Взрывчатым веществом является Чёрный порох (Китай 6в н.э.) использовавшийся сперва в развлекательных целях, но позже дошедшая до военного ремесла и вытеснившая старые способы введения войн. Но это уже другая история.
Спустя некоторое время были открыты новые, более опасные взрывчатые смеси, имевшие больший потенциал чем предыдущие ВВ. Сейчас ВВ используются в различных отраслях человеческой промышленности. Начиная от горного дела, космических технологий, строительства и заканчивая банальным военным искусством.
На сей раз мы будем разбираться в влиянии ВВ в Горном деле.
Краткая история ВВ.
Первым взрывчатым веществом, которое было придумано человечеством, стал черный порох. Считается, что он был изобретен в Китае еще в VII веке нашей эры. Однако надежных подтверждений этому факту до сих пор так и не обнаружено. Вообще вокруг пороха и первых попыток его применения создано огромное количество мифов и разных явно фантастических историй.
Существуют древнекитайские тексты, в которых дается описание смесей, похожих по составу на черный дымный порох. Их использовали в качестве лекарств, а также для пиротехнических шоу. Также есть многочисленные источники, которые утверждают, что в следующих столетиях китайцы активно использовали порох для производства ракет, мин, гранат и даже огнеметов. Правда, иллюстрации некоторых видов этого древнего огнестрельного оружия заставляют усомниться в возможности его практического применения.
Еще до пороха в Европе стали применять «греческий огонь» — горючее взрывчатое вещество, рецепт которого, к сожалению, не дошел до наших дней. «Греческий огонь» представлял собой легковоспламеняющуюся смесь, которая не только не тушилась водой, но даже становилась от контакта с ней еще более огнеопасной. Этот ВВ был придуман византийцами, они активно использовали «греческий огонь» как на суше, так и в морских баталиях, и хранили его рецептуру в строжайшем секрете. Современные эксперты считают, в его состав входила нефть, смола, сера и негашёная известь.
Порох впервые появился в Европе примерно в середине XIII века и до сих пор неизвестно, как именно он попал на континент. Среди европейских изобретателей пороха часто упоминают имена монаха Бертольда Шварца и английского ученого Роджера Бэкона, хотя единого мнения у историков нет. По одной из версий порох, изобретенный в Китае, через Индию и Ближний Восток попал в Европу. Так или иначе, уже в XIII столетии европейцы знали о порохе и даже пытались использовать это кристаллическое взрывчатое вещество для мин и примитивного огнестрельного оружия.
Способы утилизации взрывчатых веществ
... Взрывчатые вещества являются концентрированными источниками энергии, их широко применяют в военном деле и различных отраслях техники. В настоящее время ВВ широко используют ... 2. ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ УТИЛИЗАЦИИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ 2.1 Взрыво- и пожароопастность утилизации взрывчатых веществ Боеприпасы после их изготовления на предприятиях промышленности и проведения различных испытаний ...
Долгие столетия порох был единственным видом ВВ, которое знал и применял человек. Только на рубеже XVIII-XIX веков, благодаря развитию химии и других естественных наук, развитие взрывчатых веществ сдвинулось в мертвой точки.
В конце XVIII века благодаря французским химикам Лавуазье и Бертолле появился так называемые хлоратный порох. В это же время было изобретено «гремучее серебро», а также пикриновая кислота, которая в будущем стала использоваться для снаряжения артиллерийских снарядов.
В 1799 году английским химиком Говардом была найдена «гремучая ртуть», которая до сих пор используется в капсюлях в качестве инициирующего взрывчатого вещества. В начале XIX века был получен пироксилин — взрывчатое вещество, которым можно было не только снаряжать снаряды, но и изготавливать из него бездымный порох.
В 1847 году был впервые синтезирован нитроглицерин, однако эта взрывчатка оказалась слишком нестабильной и опасной для производства и хранения. Чуть позже эту проблему частично удалось решить знаменитому Альфреду Нобелю, который предложил смешивать нитроглецирин с глиной. Так получился динамит. Это мощное взрывчатое вещество, однако оно также отличается повышенной чувствительностью. Во время Первой мировой войны динамитом пытались снаряжать снаряды, но от этой идеи довольно быстро отказались. Динамит еще долго использовали во время горных работ, но в наши дни эта взрывчатка давно не производится.
В 1863 году немцами был открыт тротил, а в 1891 году в Германии началось промышленное производство этого ВВ. В 1897 году немецкий химик Ленце синтезировал гексоген — одно из самых мощных и распространенных взрывчатых веществ в наши дни.
Разработка новых взрывчатых веществ и взрывных устройств продолжалась все прошлое столетие, исследования в э том направлении идут и сегодня.
В 1942 году американский химик Бахманн получил новую взрывчатку, похожую на гексоген, но гораздо мощнее его. Новое ВВ получило название октоген, по своей мощности один килограмм этого взрывчатого вещества равен четырем килограммам тротила.
В 60-е годы американская компания EXCOA предложила Пентагону новую взрывчатку на основе гидразина, которая, якобы, была в 20 раз мощнее тротила. Однако был у этого ВВ и один ощутимый минус — абсолютно мерзкий запах заброшенного привокзального туалета. Проверка показала, что по мощности новое вещество превосходит тротил всего лишь в 2-3 раза и от использования решили отказаться. После этого EXCOA предложила другой способ применения взрывчатого вещества: делать с его помощью окопы.
Вещество тонкой струйкой поливалось на землю, а затем подрывалось. Так в считаные секунды можно было получить окоп полного профиля без всяких физических усилий. Несколько комплектов взрывчатки отправили во Вьетнам для испытания в боевых условиях. Конец этой истории был смешным и печальным одновременно: окопы, полученные с помощью взрыва, имели такой отвратительный запах, что солдаты отказывались находиться в них.
Техногенные аварии. Промышленные взрывы
... взрывчатые вещества в большинстве случаев относятся к классу конденсированных взрывчатых веществ (ВВ). При иницииро-вании взрыва в этих веществах ... может достигать 26 кПа. 1.2. Пожары на промышленных объектах Под пожаром понимают неконтролируемый процесс горения, ... х Е1/3 . Энергетический эквивалент взрыва тротила W = Е/4520 кг, где Е -- полная энергия взрыва. По этим показателям технологические ...
1. Промышленные взрывчатые вещества
Промышленные ВВ — это взрывчатые вещества, характеризующиеся пониженной чувствительностью к внешним воздействиям и относительно невысокой стоимостью. Они должны безотказно детонировать от средств инициирования (СИ), не оказывать вредного воздействия на организм человека при изготовлении и обращении с ними.
Все промышленные ВВ, то есть ВВ, применяемые в народном хозяйстве и в промышленности, являются взрывчатыми механическими смесями двух или нескольких взрывчатых веществ, или же механическими смесями взрывчатых и невзрывчатых веществ. Например, аммонит 6ЖВ представляет собой механическую смесь аммиачной селитры (79%) и тротила (21%); аммонит Т-19 — механическая смесь двух ВВ — аммиачной селитры (61%) и тротила (19%) и невзрывчатого вещества — поваренной соли (20%); аммонал скальный №1 прессованный — аммиачной селитры (66%), тротила (5%), гексогена (24%) и невзрывчатого вещества — алюминиевой пудры (5%).
По физическому состоянию промышленные ВВ могут быть: порошкообразные, гранулированные, прессованные, полу-пластичные, пластичные, жидкие, литые и текучие (льющиеся).
Наибольшее распространение в промышленности получили первые из перечисленных четыре вида.
По характеру действия продуктов взрыва на среду промышленные ВВ подразделяются на дробящие и метательные.
Физико-химические характеристики промышленных ВВ: плотность, технологическая и химическая стойкость и сыпучесть.
плотности
Истинную — отношение массы ВВ к его собственному объёму без учёта объёма каких-либо воздушных промежутков. Понятие применимо к веществу, находящемуся в жидком или расплавленном состоянии;
- Гравиметрическую — отношение массы ВВ к объёму, занимаемому веществом вместе с воздушными промежутками, имеющимися между частицами;
- Патронирования — отношение массы патрона к его объёму (с оболочкой);
- Заряжания — отношение массы заряда ВВ к объёму зарядной камеры, предназначенной для размещения заряда ВВ.
Технологическая стойкость ВВ — способность ВВ сохранять свои первоначальные свойства и качества при перевозке, подготовке и заряжании.
Химическая стойкость ВВ — способность ВВ сохранять неизменными свои химические свойства при хранении, перевозке и нахождении в шпуре (скважине).
Сыпучесть — способность ВВ свободно высыпаться через калиброванные отверстия и заполнять замкнутые объёмы (бункера, шпуры, скважины, камеры).
Хорошую сыпучесть имеют гранулированные ВВ, плохую — порошкообразные.
2. Основные компоненты взрывчатых механических смесей
Как известно, взрывчатое превращение промышленных ВВ базируется на окислении горючих элементов кислородом. Поэтому все без исключение взрывчатые механические смеси должны состоять не менее чем из двух (взрывчатых или невзрывчатых) компонентов, а именно: горючего (горючей добавки) и окислителя.
Окислители, Горючие добавки
простейшими
Примером таких ВВ являются динамоны, широко применявшиеся в годы Великой Отечественной войны (в качестве горючих компонентов использовали торф, древесную муку и др.).
Современные простейшие ВВ (гранулиты) в качестве горючей добавки содержат дизельное топливо, минеральное масло, алюминиевую пудру и др.
Преимущество простейших ВВ — в возможности изготовления непосредственно на рабочем месте, а также их дешевизна. К недостаткам следует отнести невысокую мощность, низкую чувствительность к инициирующему импульсу (для их взрыва необходимо применять дополнительные детонаторы) и отсутствие передачи детонации на расстояние.
Сенсибилизаторы
Кроме этих основных компонентов, смесевые ВВ могут содержать и другие специальные добавки, улучшающие физико-химические свойства и снижающие чувствительность к механическим воздействиям: загустители (желатинизаторы); стабилизаторы; флегматизаторы; пламегасители.
Загустители, Стабилизаторы
На втором месте (после древесной муки) по повышению стойкости и водоустойчивости ВВ находится тальк.
Введение нитрогликоля в состав ВВ, содержащих нитроглицерин, позволяет создать труднозамерзающие ВВ (если нитроглицерин замерзает при температуре +13,2°С, то такая смесь нитроэфиров — при 20°С).
Наряду с этим нитрогликоль выполняет функции сенсибилизатора.
Флегматизаторы
В подземных выработках при разработке некоторых полезных ископаемых встречаются горючие газы и пыль, которые, смешиваясь с воздухом, образуют газовые и пылевоздушные взрывчатые смеси. Так, в калийных шахтах выделяются метан и водород, в озокеритовых — пары бензина и сероводород, в медноколчедановых и серных рудниках — взрывчатая серная пыль, в угольных шахтах — метан и образуется взрывчатая угольная пыль.
Повышенная опасность взрывных работ в шахтах обусловлена факторами: внезапным (в течение нескольких секунд после начала взрывания шпуровых зарядов ВВ) выделением значительного количества метана (до 150 м3и более) и образованием тонкодисперсной угольной пыли (до 150 кг и более).
Взрывчатость газопылевоздушных смесей приведена в табл. 4.1.
Параметры воспламенения смесей
|
Смеси |
Минимальная энергия воспламенения, Дж |
Критическая температура воспламенения Тк, К |
|
|
Метановоздушная (МВС) |
0,28·10-3 |
923 |
|
|
Пылевоздушная (ПВС) |
15 |
1123 |
|
На чувствительность метановоздушной смеси к нагреванию, характеризующуюся температурой вспышки, влияют примеси некоторых газов и распылённых твёрдых веществ. Одни из этих веществ повышают чувствительность к нагреванию, другие, наоборот, снижают. Оксид углерода (СО), диоксид азота (NO2) и кислород (О2) повышают чувствительность метановоздушной смесей к нагреванию, а азот и углекислота уменьшают. Аналогично воздействуют на метановоздушную смесь хлористые натрий и калий, некоторые другие вещества, являющиеся ингибиторами или отрицательными катализаторами.
стехиометрическому*
Взрыв метановоздушной смеси описывается уравнением
CH4 + 2O2+ 7,52N2=CO2+ 2H2O+ 7,52N2+ 801000 кДж/моль.
областью воспламенения
Метановоздушная смесь с содержанием метана до 5% горит при наличии постоянного источника воспламенения. Смесь, содержащая свыше 15% метана, может гореть спокойным пламенем вблизи источника воспламенения при притоке кислорода в зону пламени, горения, например путём диффузии из окружающего пламя воздуха.
Наибольшее влияние на изменение концентрационных пределов воспламенения оказывают: примесь инертных компонентов (понижают ВПВ); содержание кислорода (ВПВ метанокислородной смеси равен 61%); начальное давление (при адиабатическом сжатии, как показывают опыты, может взрываться метановоздушная смесь, содержащая от 2 до 75% метана, такое сжатие иногда возможно в призабойном пространстве выработки от сильной ударной волны при взрывных работах); начальная температура (при повышении температуры на каждые 100°С НПВ снижается на 10%, а ВПВ повышается на 15%), примесь высших гомологов метана (снижает НПВ).
Как указывалось, помимо метана, опасна и угольная пыль. Взрывоопасна мелкая (менее 1000 мкм) бархатистая угольная пыль, образующаяся при разработке пластов, содержащих свыше 6% летучих веществ. Очень опасной считается пыль с выходом летучих веществ 27…35% и размером частиц 75…100 мкм. Для самой опасной угольной пыли нижний концентрационный предел взрываемости равен 10 г/м3, верхний — 2500 г/м3. Наиболее разрушительный взрыв пылевоздушной смеси, с 300 г пыли в 1 м3воздуха.
предохранительными
По условиям применения промышленные ВВ делятся на две группы и восемь классов.
Таблица
|
Класс ВВ |
Условия применения |
Цвет оболочки патрона (полосы) |
|
|
Непредохранительные ВВ |
|||
|
I |
Для взрывания только на земной поверхности |
Белый |
|
|
II |
Для взрывания на земной поверхности и в подземных выработках, в которых отсутствуют выделение горючих газов и образование взрывчатой угольной пыли |
Красный |
|
|
Предохранительные ВВ |
|||
|
III |
Для взрывания только по породе в подземных выработках, в которых выделяется метан, но отсутствует взрывчатая угольная пыль |
Синий |
|
|
IV |
Для взрывания по углю и породе в подземных выработках, проводимых по пласту, опасному по взрыву пыли, в которых есть выделение метана, кроме выработок с повышенным выделением горючих газов; для сотрясательного взрывания в забоях подземных выработок угольных шахт |
Жёлтый |
|
|
V |
Для взрывания по углю и породе в подземных выработках с повышенным выделением горючих газов, проводимых по пласту, опасному по взрыву пыли (особо опасных) |
— // — |
|
|
VI |
Для взрывания по углю и породе в выработках с повышенным выделением горючих газов, проводимых в условиях, когда возможен контакт боковой поверхности шпурового заряда с газовоздушной смесью, находящейся в пересекающих шпур трещинах горного массива либо в выработке; для взрывания в угольных и смешанных забоях восстающих (с углом более 10°) выработок, в которых выделяется горючий газ, при длине выработок более 20 м и проведении без предварительно пробуренных скважин, обеспечивающих проветривание за счёт общешахтной депрессии |
— // — |
|
|
VII |
Для ведения специальных взрывных работ: взрывного перебивания деревянных стоек при посадке кровли, при ликвидации зависаний горной массы в углеспускных выработках, для дробления негабаритов в забоях подземных выработок и др. |
— // — |
|
|
Специальный (С) |
Для взрывных работ в шахтах опасных по взрыву серной пыли, водорода и тяжёлых углеводородов |
Зелёный |
|
Чем больше номер класса, тем выше уровень предохранительности ВВ, т. е. ВВ более безопасно в отношении воспламенения газопылевоздушной смеси (чтобы упростить различие классов ВВ, патроны ВВ помещают в оболочки разного цвета или наносят полосу установленного цвета).
Конкретная область применения ВВ различных классов приведена в ЕПБ. Однако ВВ более предохранительное допускается применять в условиях, оговоренных для менее предохранительных, т. е. допускается согласно табл. 4.2, перемещение ВВ снизу вверх (перемещение ВВ по области применения в обратном порядке строго запрещено).
3. Основы теории предохранительных взрывчатых веществ
Непосредственными причинами, вызывающими воспламенение метановоздушной смеси при взрывных работах, могут быть воздушная ударная волна, раскалённые или горящие твёрдые частицы и высокотемпературные газообразные продукты взрыва. Две последние наиболее вероятные.
При взрыве в забое зарядов в призабойную атмосферу приходит прежде всего ударная волна, вызывающая сжатие воздушной среды и повышение температуры. Затем газообразные продукты взрыва, имеющие высокую температуру, расширяются, сжимают близлежащие слои атмосферы и повышают их температуру. Кроме того, смешиваясь с рудничной атмосферой, они увеличивают её температуру путём прямого теплообмена.
Газами взрыва иногда выбрасываются раскалённые частицы угля, бумажная оболочка патронов и горящие частицы самого ВВ, не успевшие прореагировать в шпуре при взрыве. Всё это вместе с нагретыми газообразными продуктами взрыва — наиболее вероятный источник воспламенения метановоздушной смеси. Воспламенение её может также произойти от вторичного пламени, образующегося при смешении с воздухом газов взрыва, содержащих оксид углерода. Таким образом, при взрыве зарядов возникают сложные комбинации возбудителей взрыва метано- и пылевоздушной смесей. Это затрудняет теоретическое объяснение совокупности действия всех показателей взрыва.
временем (периодом) индукции
Таблица
|
Инертные добавки |
Период индукции, с при температуре, К источника воспламенения |
|||
|
923 |
1023 |
1073 |
||
|
Смесь без добавок |
10 |
1,8 |
0,5 |
|
|
Хлористый натрий |
— |
3,2 |
0,6 |
|
|
Хлористый калий |
— |
— |
5,6 |
|
Диоксид азота, содержащийся в продуктах взрыва, является положительным катализатором. Он сокращает период индукции воспламенения и уменьшает температуру воспламенения МВС на 423…523 К.
Из этой теории следует, что воспламенение не произойдёт при любой температуре, если время контакта источника воспламенения с взрывчатой смесью будет меньше времени индукции (например, прострел раскалённой пулей взрывчатой МВС не приводит к её воспламенению).
Поэтому в случае применения ВВ с небольшой температурой взрыва и достаточной скоростью детонации метановоздушная смесь, вследствие замедления её воспламенения и быстрого охлаждения газов взрыва в свободном пространстве забоя, может не взорваться. На основании этого Малляр и Ле-Шателье предложили применять в шахтах, опасных по газу, взрывчатые вещества с температурой взрыва не более 1900°С при взрывании по породе и не более 1500°С — при взрывании по углю.
Термическая гипотеза Малляра и Ле-Шателье позднее была развита Одибером, который доказал, что при взрыве имеет место следующая схема воспламенения метановоздушной смеси. Продукты взрыва, входя в призабойный участок, смешиваются с метаном и воздухом и повышают их температуру. Таким образом получается смесь, имеющая усреднённую температуру, зависящую от теплоты продуктов взрыва. Согласно этой гипотезе основной параметр, определяющий вероятность воспламенения — удельная теплота взрыва: чем она меньше, тем безопаснее ВВ.
Опытным путём Одибер установил, что к группе предохранительных можно относить ВВ: с нулевым кислородным балансом, теплота взрыва которых, приходящаяся на 1 кмоль газообразных продуктов взрыва, будет менее 899000 кДж; с положительным кислородным балансом, теплота взрыва которых, приходящаяся на 1 кмоль газообразных продуктов взрыва, удовлетворит
q <,
где n к — число киломолей свободного кислорода в продуктах взрыва;
n -общее число киломолей продуктов взрыва.
Данная формула учитывает взаимодействие кислорода с углём.
Отечественными исследователями установлено, что третий энергетический параметр, определяющий предохранительные свойства ВВ, — скорость детонации (тепловая мощность взрыва): чем она меньше, тем безопаснее промышленное ВВ.
Академиком Н.Н. Семёновым и его последователями было доказано, что в угольных шахтах возможен цепной механизм воспламенения взрывоопасных смесей, т. е. без повышения начальной температуры реагирующей среды (так называемое “холодное” воспламенение).
В соответствии с этой гипотезой, реакция горения носит характер разветвляющейся цепи. Промежуточными продуктами цепной реакции окисления являются не целые молекулы, а свободные радикалы и атомы, называемые “активными центрами” (ОН, Н, О, НО2, Н2О2и др.).
Критерий уровня предохранительности ВВ при цепном механизме воспламенения — наличие в продуктах взрыва отрицательных катализаторов (ингибиторов).
Их действие сводится к разрушению “активных центров” (в основном на поверхности частиц) вплоть до полного прекращения реакции окисления метана, т. е. к обрыву цепи.
4. Принципы построения предохранительных вв
Установленные закономерности процесса воспламенения горючих газов и аэрозолей взрывом позволили сформулировать основные принципы построения предохранительных ВВ и создать на их основе современные рецептуры устойчиво детонирующих ВВ различных классов.
Первый принцип, Второй принцип
пламегасителей
Использование эффекта отрицательных катализаторов по отношению к реакции окисления метана и других горючих шахтных газов или продуктов газификации угольной пыли повышает допустимый уровень энергетических характеристик ВВ (при заданном уровне предохранительности).
Наиболее подходящими для такой роли оказались хлориды в первую очередь щелочных металлов (NaCl, KСl).
Они снижают температуру взрыва вследствие поглощения теплоты на своё нагревание, плавление и испарение (каждый процент добавки понижает температуру взрыва примерно на 1,5%).
Кроме того, эти вещества, перемешиваясь с МВС, тормозят вспышку метана, выполняя роль ингибитора. Тонкое измельчение пламегасителей повышает предохранительные свойства ВВ, но снижает детонационную способность. Крупное измельчение даёт противоположные результаты. Поэтому пламегаситель вводят в состав ВВ в виде гранул крупностью 0,5…2,0 мм из тонкодисперсных частиц.
Третий принцип
Именно на этих трёх принципах созданы предохранительные ВВ классов III и IV. Разработки в данном направлении показали, что, соблюдая эти принципы, можно придать взрывчатому веществу любой уровень предохранительности. Однако введение значительного количества пламегасителя в состав ВВ существенно снижает его работоспособность.
Например, ВВ: VI класса угленит №2 (нитроэфиры-10%, NH4NO3- 24%, NaCl — 64%) имел работоспособность 70 см3; VII класса угленит №5 (нитроэфиры — 10%, NH4NO3- 14%, древесная мука-1%, NaCl -75%) имел работоспособность 40 см3.
Чтобы предупредить создание высоко предохранительных ВВ низкой эффективности, введены нормативные требования к работоспособности ВВ разных классов, а именно: III класса должны иметь работоспособность не менее 320 см3, IV — не менее 265 см3, V — не менее 1,03, а VI класса — не менее 0,80 от работоспособности угленита Э-6, принятого за эталон.
Четвёртым принципом, Пятый принцип
Такой состав ВВ приводит к тому, что в наиболее опасных условиях взрывания (при торцевом или боковом обнажении заряда) взрывается только нитроглицерин. Остальная часть ВВ играет роль пламегасителя. В результате выделяется мало теплоты (примерно 50% расчётной) и газы взрыва оказываются нагретыми недостаточно для воспламенения метана.
При взрыве в замкнутых условиях выделяется вся потенциальная энергия за счёт вступления в реакцию компонентов с меньшей реакционной способностью, т. е. ионообменной пары солей.
При построении селективно-детонирующих ВВ автоматически реализуется четвёртый принцип:
NH4Cl + NaNO3 (KNO3) NaCl (KCl) + NH4NO3.
Так, при взрыве 1 кг угленита Э-6 образуется 317 г хлорида натрия (калия).
На принципе селективной детонации построены промышленные ВВ V…VII классов.
Определение предохранительных свойств ВВ.
Уровень предохранительности ВВ устанавливают только экспериментально путём воспламенения метано- и пылевоздушной смесей зарядами ВВ при различных наиболее опасных условиях их взрывания. Поэтому взрывчатые вещества, предназначенные для шахт, опасных по газу или пыли, следует подвергать, кроме общих, специальным испытаниям на безопасность воспламенения МВС и ПВС. В процессе испытаний искусственно воспроизводятся наиболее опасные ситуации, возможные при взрывных работах в угольных шахтах. При этом чем выше класс предохранительности, тем жёстче условия испытаний и выше нормативы уровня предохранительности.
канальной мортирой
взрывной камерой
Равномерная концентрация метана в смеси обеспечивается лопастной мешалкой, установленной во взрывной камере, или, как показано на рис. 4.1, наружным замкнутым вентиляционным устройством. Кроме того, штрек снабжён системой принудительного проветривания после взрывания.
Для создания взрывоопасной смеси газа с воздухом используется природный газ с содержанием метана не менее 90%, этана, бутана, пропана и других высших углеводородов не более 8%, углекислого газа не более 1% и при полном отсутствии водорода. Концентрацию газа во взрывной камере измеряют дистанционным электрическим газоанализатором ГЭУК-21 или ГМТ-3, другими современными средствами.
Для создания в опытном штреке пылевоздушной смеси на расстоянии 8…11 м от днища (в зависимости от диаметра штрека) под углом 20° к горизонту устанавливают пылераспылительную мортиру, на дне которой помещают заряд предохранительного ВВ массой 50 г с ЭДКЗ-0П и поверх него насыпают 6 кг угольной пыли. Распыление производят за 6…8 с до взрыва испытуемого заряда. Угольная пыль, используемая при испытаниях, должна содержать: 29 … 35% летучих; не более 9% золы и не более 2% влаги. Этим требованиям в Донбассе удовлетворяет пыль пласта m 3Макеевский. Пыль просеивают через сито с отверстиями 0,50,5 мм. На сите должно остаться не более 10% навески. Затем пыль просеивают через него с количеством отверстий 6400 на 1 см2. Через него должно пройти не менее 50% пыли.
Количественной характеристикой (критерием) уровня предохранительности ВВ служат:
Предельная масса ВВ ( m пр), при взрывании которой в заданных условиях испытания отсутствует воспламенение МВС в двадцати последовательных опытах (при испытаниях ВВ классов V…VII по газу) или воспламенение ПВС в пяти последовательных опытах (при испытаниях ВВ всех классов по пыли);
Масса заряда ВВ, при взрыве которой наблюдается 50% воспламенений — в двадцати последовательных опытах m (50)(при испытаниях ВВ III и IV классов по газу).
Приняты две схемы испытания ВВ на предохранительность. По первой схеме взрывание зарядов ВВ производится в канальной мортире без забойки-моделируется торцевое обнажение заряда (рис. 4.2).
Различают такие варианты пространственного размещения испытуемого заряда в канале мортиры: если испытываются ВВ классов III и IV заряд досылается до дна канала; при испытании ВВ классов V и VI заряд размещают на расстоянии 50 мм от устья канала.
Это основной вид испытания, которому подвергаются ВВ классов III…VI. При взрывании в канале мортиры (заряд ВВ без забойки) энергия взрыва будет в основном направлена на выброс (через устье канала) раскалённых продуктов взрыва (смесь газов, частиц ВВ, ЭД и пламегасителя).
Выброшенные продукты взрыва расширяются во взрывной камере и смешиваются со взрывчатой метано- или пылевоздушной смесью. Часть их, способная к окислению, догорает в воздухе и создаёт новое, более сильное пламя, чем то, которое при детонации вырвалось из канала мортиры.
Порядок испытаний.
При второй схеме испытания заряды ВВ взрывают в уголковой мортире со стальной отражательной стенкой, установленной на расстоянии 0,6 м от задней поверхности заряда, — моделируется боковое обнажение шпурового заряда (рис. 4.3).
Уголковая мортира представляет собой стальной цилиндр с продольными прямоугольными пазами, помещается во взрывной камере опытного штрека, заполненной стехиометрической МВС или ПВС, параллельно его оси. Патроны ВВ помещают в паз угловой мортиры и взрывают.
Аналогично с предыдущим методом испытаний по методу артиллерийской пристрелки устанавливают m пр для испытываемого ВВ или подтверждают её для серийных образцов. ВВ считается предохранительным, если при выполнении опытов не произойдёт воспламенение метано- и пылевоздушной смесей от взрыва заряда ВВ, масса которого не ниже нормативного значения m пр.
Нормативы по предохранительности, которым должен удовлетворять каждый класс ВВ (при прямом инициировании), приведены в табл. 4.4.
В зависимости от вида испытаний на предохранительность, которые выдержало данное ВВ, а также от полученных значений показателей относят вновь разработанное ВВ к тому или иному классу (III…VI).
При испытаниях серийно выпускаемых ВВ оценивается качество конкретной партии. Если ВВ не выдержало положенный вид испытаний, то партия бракуется, а фактические значения m пр или m (50) при этом не устанавливают. Наряду со стандартными проводятся испытания по специальным методикам, моделирующим условия применения ВВ VII класса (в отдельных случаях V и VI класса) на практике.
Например, испытывают заряды, предназначенные для создания предохранительной среды — путём взрывания в МВС в свободно подвешенном состоянии; для перебивания стоек — одновременным взрыванием 20 зарядов, рассредоточенных во взрывной камере; для разбучивания углеспускных печей — в уголковой мортире с расположением отражательной стенки на расстоянии 200 мм в виде связки (пучка) из нескольких патронов и т.д. Норматив: выдерживать установленные нормативными документами условия испытаний, имитирующих условия их специального применения.
Таким образом, предохранительность — это относительное понятие. Предохранительные ВВ не воспламеняют газопылевоздушную смесь только при взрывании в строго определённых условиях, характерных для класса. Поэтому взрывчатые вещества, выдержавшие испытания в опытном штреке, будут безопасны при применении их в шахтах, опасных по газу или пыли, лишь при соблюдении таких условий: каждый шпуровой заряд должен быть достаточным для выполнения назначенной ему работы, но не преувеличенной; в незаряженной части шпура должна быть размещена забойка; содержание метана в атмосфере забоя и на протяжении до 20 м должно быть менее 1%; забой, кровля, стенки и почва выработки на протяжении до 20 м от забоя должны быть обильно смочены водой с добавкой смачивателей; в призабойном пространстве выработки должна быть создана водораспылительная завеса, если это регламентируется нормативными документами.
Нормативы по уровню предохранительности ВВ III…VI классов
|
Класс ВВ |
Испытания в опасных условиях по |
Норматив, г |
||
|
m(50) |
mпр |
|||
|
При взрывании в канальной мортире |
||||
|
III |
Газу |
175 |
— |
|
|
III |
Пыли |
Не испытывается |
||
|
IV |
Газу |
300 |
— |
|
|
IV |
Пыли |
— |
700 |
|
|
V |
Газу |
— |
1000 |
|
|
V |
Пыли |
— |
600 |
|
|
VI |
Газу |
— |
1000 |
|
|
VI |
Пыли |
— |
1000 |
|
|
При взрывании в уголковой мортире |
||||
|
III |
Не испытывается |
|||
|
IV |
Не испытывается |
|||
|
V |
Газу |
— |
100 |
|
|
V |
Пыли |
— |
400 |
|
|
VI |
Газу |
— |
600 |
|
|
VI |
Пыли |
— |
1000 |
|
По основному компоненту в составе ВВ промышленные взрывчатые вещества подразделяются на аммиачно-селитренные ВВ и ВВ, содержащие нитроэфиры, то есть нитроглицериновые (нитроэфирные).
Аммиачно-селитренные ВВ., Аммонитами
Аммоналы представляют собой механические смеси на основе аммиачной селитры, тротила и алюминиевой пудры. Наиболее эффективный представитель промышленных ВВ этой группы (табл. 4.5) — аммонал скальный №1 прессованный, который состоит из аммиачной селитры (66%), тротила (5%), гексогена (24%), пудры алюминиевой (5%).
Водоустойчив, не слеживается при хранении, надёжно детонирует. Предназначен для проходческих работ по скальным породам (f< 20).
Работоспособность 450.. 480 см3, бризантность 22…28 мм.
Таблица 4.5.
|
Взрывчатые вещества |
Компоненты, % |
Работо-способ-ность, см3 |
Бризант-ность, мм |
Класс |
Цвет оболочки патрона |
||||||||
|
аммиачная селитра |
тротил |
поваренная соль |
гексоген |
фосфогипс |
алюминиевая пудра |
Кремний |
графит |
||||||
|
Аммониты: ПЖВ-20 |
64 |
16 |
20 |
— |
— |
— |
— |
— |
265 |
13 |
IV |
Жёлтый |
|
|
Т-19 |
61 |
19 |
20 |
— |
— |
— |
— |
— |
270 |
14 |
IV |
— // — |
|
|
Ф-5 |
61 |
19 |
15 |
— |
5 |
— |
— |
— |
265 |
14 |
IV |
— // — |
|
|
Т-19 ”Г” |
61 |
19 |
20 |
— |
— |
— |
— |
0,25 (сверх 100%) |
265 |
14 |
IV |
— // — |
|
|
АП-5ЖВ |
70 |
18 |
12 |
— |
— |
— |
— |
— |
320 |
14 |
III |
Синий |
|
|
6ЖВ |
79 |
21 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
360 |
14 |
II |
Красный |
|
|
ВК-1 |
79 |
16 |
— |
— |
— |
— |
5 |
— |
360 |
14 |
II |
— // — |
|
|
Аммонал скальный №1 прессованный |
66 |
5 |
— |
24 |
— |
5 |
— |
— |
450 |
28 |
II |
— // — |
|
Аммониты отличаются сравнительно невысокой стоимостью, безопасностью в обращении. Они малочувствительны к огню, трению и удару (чувствительность к удару около 100 см).
Скорость их детонации зависит не только от состава, но и от способа изготовления и колеблется в пределах 2,4…5,1 км/с. Объём газообразных продуктов взрыва колеблется в пределах 600…1000 дм3/кг, теплота взрыва — 2515…5450 кДж/кг. Температура взрыва: аммонита серного №1 равна 1570, аммонита ПЖВ-20 — 2220, аммонита Т-19 — 2230, аммонита АП-5ЖВ — 2520, аммонита 6ЖВ — 2960 и аммонала скального №1 — 3520°С.
Аммониты и аммоналы разделяются на непредохранительные (аммонит 6ЖВ, аммонал скальный №1 прессованный и др.) и предохранительные (аммониты АП-5ЖВ, Т-19*, ПЖВ-20 и др.).
В состав последних вводят пламегасители: поваренную соль или хлористый калий. Эти инертные вещества не принимают участия в реакции взрыва, но, поглощая часть теплоты, снижают его температуру, чем предупреждают взрывы метано- и пылевоздушных смесей в выработках.
Свойства аммонитов определяются главным образом свойствами аммиачной селитры, которой в аммонитах более 50%. Аммониты гигроскопичны и легко увлажняются. Если аммониты повышенной влажности, в продуктах взрыва появляется много ядовитых газов (оксида углерода, оксидов азота), происходят неполные детонации и отказы. Для аммонитов, применяемых на открытых разработках, нормами безопасности допускается влажность не более 1,5%, а на подземных — не более 0,5%. Влажность аммонитов, изготовленных на заводе, не должна превышать соответственно 0,5 и 0,2%. Чтобы уменьшить гигроскопичность, некоторые сорта аммонитов изготовляют на основе водоустойчивой селитры, обработанной гидрофобными веществами. Таким аммонитам присваивают индекс В (водоустойчивый) или ЖВ (первая буква индекса указывает на название гидрофобного вещества).
От свойств аммиачной селитры зависит их склонность к слёживанию и спеканию. Патроны слежавшегося или спекшегося аммонита тверды на ощупь, при взрываниии дают неполные взрывы и отказы. Твёрдые патроны перед употреблением надо разминать руками, доводя вещество до порошкообразного состояния.
Аммониты, содержащие некоторое количество сосновой коры, мха или древесной муки, меньше подвергаются слёживанию. Эти вещества, находясь между зёрнами аммиачной селитры, препятствуют росту её кристаллов и играют роль разрыхлителей. Вместе с тем они участвуют в реакции взрыва и увеличивают его энергию. Тротил (как и другие нитропроизводные ароматичного ряда) вводят в состав аммонитов для увеличения энергии взрыва и повышения чувствительности к начальному импульсу.
Аммониты и аммоналы для подземных работ выпускаются в порошкообразном или прессованном виде только патронированные. Плотность патронирования порошкообразных аммонитов 1…1,15 кг/дм3, диаметр патронов 32 и 36 мм. По особому заказу предусмотрен выпуск патронов других диаметров. Масса патронов стандартных диаметров от 200 до 300 г. Патроны прессованного аммонала имеют диаметр 36 и 45 мм, плотность патронирования — 1,45…1,50 кг/дм3.
Гильзы патронов делают из пергаментной бумаги. Патроны парафинируют и упаковывают в пачки по 10 шт. Пачки заворачивают в пергаментную бумагу, парафинируют и укладывают в деревянные ящики по 30 кг. На гильзах патронов проставляют фабричное клеймо с обозначением наименования завода, типа ВВ, массы патрона и маркировочный номер. Цвет гильзы (или клейма) должен соответствовать классу ВВ.
Нитроэфирные (нитроглицериновые) ВВ.
Различают высоко- и низкопроцентные нитроэфирные ВВ. К первой группе относят динамиты (желатинообразные ВВ с концентрацией жидких нитроэфиров более 50%), а ко второй — детониты (низкопроцентные нитроглицериновые ВВ, содержащие до 10% нитроэфиров и имеющие вид жирного порошка серебристо-серого цвета) и углениты (предохранительные полупластичные селективно детонирующие ВВ, содержащие до 15% слабожелатинизированных нитроэфиров).
Первая группа ВВ довольно большая, но из-за опасности в обращении имеет весьма ограниченное применение. Поэтому рассмотрим только 62%-ный динамит труднозамерзающий, который в свое время имел чрезвычайно широкое распространение в горном деле. Это необходимо в связи с тем, что свойственные динамиту недостатки характерны, хотя в значительно меньшей степени, для всех типов нитроэфирных ВВ.
Состав динамита 62%-го: нитроглицерин — 37, нитрогликоль — 25, калиевая селитра — 32, коллоидный хлопок — 3,5, древесная мука — 2,5%.
Преимущества — высокая работоспособность (380 см3), бризантность (18 мм) и водоустойчивость. Недостатки — замерзание, эксудация, старение. Температура замерзания равна -20°С. Замёрзший динамит весьма опасен в обращении. Ещё более опасен полузамёрзший или полуоттаявший динамит. Поэтому работа с замёрзшим динамитом запрещается до полного оттаивания.
Эксудацией
Старение динамита происходит от длительного хранения и вследствие плохого качества изготовления. При старении из динамитного теста улетучиваются пузырьки воздуха, плотность его повышается, а детонационные свойства ухудшаются (скорость детонации снижается с 5 до 0,6…0,8 км/с).
Такой динамит также подлежит уничтожению.
Вторая группа нитроэфирных ВВ, изготавливаемых в нашей стране, представлена непредохранительным (детонит М) и предохранительными (углениты) взрывчатыми веществами.
Состав детонита М: аммиачная селитра — 78; нитроэфиры — 10; алюминиевая пудра — 10,7; стеарит кальция или цинка — 1,0; коллоидный хлопок — 0,3; сода кальцинированная (сверх 100%) — 0,2…0,3; масло машинное (сверх 100%) — 0,2…0,3%. Детонит М по мощности не уступает динамитам, по условиям хранения и транспортирования приравнивается к аммонитам, в обращении он несколько опаснее их. Работоспособность равна 460 см3, бризантность — 18 мм. Оболочки патронов окрашивают в красный цвет — детонит М относится коIIклассу (см. табл. 4.1).
Группа предохранительных низкопроцентных нитроглицериновых ВВ представлена угленитами (табл. 4.6).
В их состав входит большое количество ионообменных солей (невзрывчатых веществ): натриевой селитры и хлористого аммония. Эти вещества при нормальных условиях не взаимодействуют. Но поскольку в углениты введено 11…14% нитроэфиров, то при взрыве в замкнутом шпуре создаются благоприятные условия (повысятся температура и давление), чтобы натриевая селитра и хлористый аммоний вступили в химическую реакцию обмена, которая сопровождается выделением инертных газов и пылевидной инертной соли по реакции
NaNO3 + NH4Cl NaCl + N2 + 2H2O + 0,5O2 .
Избыточный кислород окисляет горючие компоненты древесной муки. Углениты имеют хорошие детонационные свойства, их работоспособность 125…180 см3. Свободно подвешенные патроны массой 200 г при взрыве не вызывают вспышки метано- и пылевоздушной смесей. Однако эти ВВ маловодоустойчивые. воспламенение метановоздушный взрывной аммонит
Угленит 12ЦБ обладает повышенной склонностью к поджиганию, особенно в угольных забоях (в процессе применения наблюдались массовые выгорания).
Для исключения этого недостатка разработаны и допущены к постоянному применению высокопредохранительные патроны П12ЦБ-2/2 (П12ЦБ-2м), отнесённые к VI классу. Они представляют собой прочную одностенную полиэтиленовую оболочку, запатронированную угленитом 12ЦБ, массой 300 г. Патроны снабжены стыковочным узлом для предотвращения их раздвижки в шпуре при групповом взрывании.
Таблица Состав и характеристика угленитов
|
Наименование |
Э-6 |
13П |
13П/1 |
10П |
12ЦБ |
|
|
Состав, % |
||||||
|
Нитроэфиры |
14 |
13 |
13 |
10,7 |
12 |
|
|
Натриевая селитра |
46,3 |
36,4 |
47,7 |
48 |
46 |
|
|
Хлорид аммония |
29 |
25 |
30,3 |
32 |
— |
|
|
Аммиачная селитра |
— |
15 |
— |
— |
— |
|
|
Хлористый натрий |
— |
— |
— |
— |
5,5 |
|
|
Карбонат кальция |
— |
5 |
5 |
5 |
10 |
|
|
Полистирол |
— |
2,5 |
1,5 |
1,5 |
— |
|
|
Карбамид |
— |
— |
— |
— |
23 |
|
|
Стеарат кальция |
1 |
0,8 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
|
|
Na — соль КМЦ |
— |
2 |
2 |
2 |
3 |
|
|
Хлопок коллоидный |
0,2 |
0,3 |
0,3 |
0,3 |
— |
|
|
Характеристика |
||||||
|
Класс |
V |
V |
V |
V |
VI |
|
|
Объём газов взрыва, дм3/кг |
560 |
655 |
570 |
— |
— |
|
|
Теплота взрыва, кДж/кг |
2682 |
2837 |
2598 |
— |
— |
|
|
Работоспособность, см3 |
130…150 |
150…180 |
130…145 |
125…145 |
— |
|
|
Передача детонации (сухие патроны), см |
8…12 |
16…20 |
12…16 |
4 |
— |
|
|
Устойчивость к выгоранию по отношению к Э-6 |
1 |
12,75 |
19,30 |
— |
1 |
|
Граммониты
Граммониты 79/21, 50/50В и 30/70В — это ВВ, в которых гранулы аммиачной селитры размером 2…3 мм закапсюлированы в оболочку из тротила. Степень водоустойчивости их зависит от равномерности и толщины тротилового слоя на гранулах селитры. Граммонит 30/70В более водоустойчив, чем 50/50В. Граммонит 30/70В в скважинах с проточной водой может находиться до 12…15, а с непроточной водой — до 30 сут без существенного снижения работоспособности.
Гранулиты
Гранулит АС-8 состоит из 89%1,5% аммиачной селитры гранулированной, 8%0,8% пудры алюминиевой и 3%0,5% масла минерального. Это мощное ВВ серебристо-серого цвета, не слёживается, пригоден для сухих и обезвоженных шпуров и скважин. Работоспособность 410…430 см3, бризантность 22…28 мм.
Гранулит АС-4 состоит 91,8%1,5% из аммиачной селитры, 4%0,5% пудры алюминиевой и 4,2%0,5% масла минерального. Это ВВ средней мощности, серебристо-серого цвета, жирный на ощупь. Пригоден для обводнённых скважин. Работоспособность 390…410 см3, бризантность 22…26 мм.
