Буровзрывчатые работы

1 1. Технология и безопасность взрывных работ 1.1 Введение Взрывные работы в инженерной практике горного дела - это важнейший способ разрушения горных пород, являющийся главным технологическим процессом при строительстве шахт, добыче полезных ископаемых и проведении горных выработок (объём взрывных работ в технологическом цикле горного производства достигает 90% и более). Оптимальное использование энергии взрыва в промышленных целях возможно только на основе правильной оценки важнейших характеристик взрывчатых веществ и реакций их взрывчатого превращения (величина кислородного баланса, а также величина теплового эффекта реакции взрыва, химический состав, масса и плотность заряда, геометрия его закладки и т.д.). 2. Основы теории взрывчатых веществ 2.1 Введение Взрывом называют чрезвычайно быстрое химическое или физическое превращение вещества (или системы), сопровождающееся таким же быстрым переходом потенциальной энергии в механическую работу. Характерным признаком взрыва является образование ударной волны (УВ) в среде, примыкающей к месту взрыва. Причиной возникновения УВ является быстрое расширение (со сверхзвуковой скоростью в данной среде) газов или паров, содержащихся до взрыва или возникших в системе в момент взрыва. Взрывы делят на физические и химические. При физических взрывах, вызванных, например, взрывом парового котла, баллонов с газом и т.п., изменяется только физическое состояние вещества с сохранением постоянства его химического состава. В горном деле примерами таких взрывов являются отбойка угля при помощи металлических патронов "кардокс", содержащих жидкую углекислоту, или металлических патронов "эрдокс", содержащих сжатый воздух. Химическое превращение вещества является обязательным условием химического взрыва. Взрывчатое химическое превращение вещества обуславливается наличием трех факторов: высокой скоростью, образованием газов или паров, выделением теплоты. Общими чертами физических и химических взрывов является то, что выделяющаяся энергия при взрыве переходит в механическую работу, которую совершают сжатые газы, имевшиеся до взрыва (физический взрыв) или образовавшиеся в момент взрыва (химический взрыв). Высокая ско- 2 рость выделения энергии как следствие высоких скоростей изменения состояния вещества и весьма высокое давление (от десятков до сотен тысяч атмосфер) сжатых газов предопределяет особый быстропротекающий разрушительный характер механического действия взрыва. 2.2 Ударные волны Быстро расширяющиеся сжатые газы вызывают в окружающей среде (газовой, жидкой, твердой) скачок давления или волну возмущений, которую называют ударной волной. Скорость распространения ударной волны в среде всегда превышает скорость звука этой среды. Линейная зависимость скорости ударной волны от параметров среды записывается следующим образом: (1.1) где D – скорость ударной волны; С – скорость звука в среде;  – коэффициент (находят в таблицах или определяют экспериментально); U – массовая скорость частицу за фронтом ударной волны. При взрыве одного и того же взрывчатого вещества (ВВ) одинаковой массы в воздухе, воде и в горной породе скорости соответствующих ударных волн и давления будут подчиняться неравенствам: Dгорн.п.>Dвод.>Dвоздух; Ргорн.п.>Рвод.>Рвоздух. (1.2) Фронт ударной волны можно представить как линию, разделяющую два принципиально различных физических состояния в одной среде. Состояния, возникшего в результате прохождения ударной волны, и невозмущенной среды, по которой УВ еще не прошла. Таким образом, фронт УВ, распространяющийся со сверхзвуковой скоростью в среде, представляет скачкообразное изменение давления, температуры и плотности. На некотором расстоянии от заряда ВВ по среде распространяется ударная волна, которая с расстоянием постепенно вырождается в звуковую, т.е. D стремится к С при U > 0. Ударная волна отличается от упругой тем, что создает поток вещества, следующий за ее фронтом. Расстояние, на котором ударная волна ослабляется до звуковой, в газе намного больше, чем в твердом веществе. При заданном диаметре заряда это расстояние в воздухе составляет несколько десятков и даже сотен диаметров заряда, в воде – около 2–3 диаметров, в твердом теле – меньше одного диаметра. Условия на фронте ударной волны (часто говорят "на ударном скачке") особенно удобно записывать в следующем виде: (здесь индексом "0" и "1" обозначены соответственно параметры невозмущенной среды и величины, характеризующие состояние вещества, сжатого ударной волной) 3 0 U  U0  1 1 , 1 D U 0 закон сохранения массы: (1.3) закон сохранения количества движения: D  U 0  2  1      0  2 P1  P0 , 1 1  0 (1.4) 1 закон сохранения энергии: E1  E 0  1 P1  P0 V0  V1  . 2 (1.5) Обычно считается, что невозмущенная среда находится в состоянии покоя. Но при выводе уравнений сохранения массы (1.3), импульса (1.4) и энергии (1.5) предполагалось, что имеется начальная скорость U0. Этот более общий характер решения в некоторых случаях оказывается полезным. Если считать, что невозмущенная среда покоится и U0=0, пренебрегая начальным давлением Р0, уравнения (1.3) - (1.5) можно переписать в более удобном для расчетов виде:  0 D  1 D  U 1  ; (1.6) P1  1 DU ; (1.7) E1  1 P1 V0  V1  , (1.8) 2 где V0 и V1 соответственно начальный и конечный объем; Е1 – внутренняя энергия; Р1 – давление в среде; Ширина фронта ударной волны в воздухе на уровне моря составляет 0,025 мкм (для сравнения: длина волны в инфракрасной области примерно равна 1 мкм). При распространении ударной волны в любой среде давление, плотность и температура в возмущенной области увеличиваются во много раз. Поэтому люди и животные, попавшие в зону действия ударной волны, гибнут, а сооружения разрушаются. Кроме этого, поток воздуха, возникающий за фронтом ударной волны, также наносит большой ущерб живым организмам и сооружениям. На рис.1 показан профиль ударной волны в координатах давление - расстояние. Если профиль давления ударной волны в среде рассмотреть во времени, то окажется, что Рmax (максимальное давление) падает быстро - обратно пропорционально расстоянию (1/R). На рис.2 представлена схема, 4 изображающая взрыв заряда ВВ в моменты времени t1, t2 и t3. Образовавшийся при взрыве газ "толкает" взрывную волну с крутым фронтом, давление в которой падает с увеличением расстояния. Рис.1 Профиль давления при взрыве: – зона разрежения (Р < Р0); в этой зоне поток вещества будет направлен в сторону, противоположную движению фронта ударной волны, т.е. к источнику взрыва; R – расстояние. Стрелками показано направление движения фронта ударной волны и частиц окружающей среды Газ, образовавшийся при взрыве, расширяется до конечного колеблющегося объема, в то время как объем воздуха, охватываемый и нагреваемый ударной волной, растет с увеличением расстояния – ударная волна расходует свою энергию и затухает. Избыточное давление (в Па) на фронте ударной волны в воздухе при взрыве наземного заряда ВВ массой q рассчитывают по формуле Г.И. Покровского:  1,06  q 1/3 4,3  q 2/3 14q  Pназ  10 5    3  (1.9) R R2 R   где R – расстояние от заряда до измеряемой точки. Если заряд ВВ взрывается над поверхностью земли, то давление можно найти из следующего выражения:  0,84q 1/3 2,7q 2/3 7q  Pв  10 5    3  (1.10). R2 R   R Избыточное давление на преграде при отражении ударной волны Ротр легко рассчитать, используя известную формулу: Pотр  2  Pв  6Pв (1.11) Pв  7P0 5 где Рв - давление ударной волны в воздухе; Р0 - атмосферное давление или начальное давление в среде. Важным параметром воздушных ударных волн является время действия фазы сжатия (с) tф.сж.: (1.12). Рис.2 Схематическое изображение взрывов цилиндрического или сферического заряда ВВ. 2.3 Формы химического превращения взрывчатых веществ В зависимости от типа взрывчатого вещества (ВВ), условий возбуждения (инициирования) процессы химического превращения могут протекать в различных формах с различными скоростями, отличающимися на порядок и более. К основным формам химического превращения относятся 6 термическое разложение и горение (дозвуковые процессы), детонация (сверхзвуковой процесс). Термическое разложение ВВ является гомогенным процессом, протекающем во всем объеме заряда при данной температуре. Скорость термического распада ВВ измеряется числом молей, реагирующих в единицу времени в единице объёма - моль/(с·см3). Таким образом, скорость термораспада соответствует данной температуре и одинакова во всех точках объема ВВ. Основные продукты разложения – оксиды горючих элементов (СО, СО2, Н2О др.), азот, альдегиды, кислоты и т.п. Термическое разложение может завершиться при определенных условиях тепловым взрывом. Горение ВВ является самораспространяющимся гетерогенным направленным процессом с выраженной зоной химической реакции, разделяющей исходное вещество и продукты горения. Как и в случае термического разложения, продуктами горения являются СО, СО2, Н2О, N2. Горение протекает за счет химических реакций между окислителем и горючими компонентами, содержащимися в составе ВВ, и определяется механизмом передачи энергии из зоны химической реакции в примыкающий к ней слой исходного вещества. Так как основные составляющие процесса тепло- и массопереноса при горении (конвекция, диффузия, теплопроводность) медленные, то и процесс горения протекает медленно - с дозвуковой скоростью. Обычно линейная скорость горения составляет несколько миллиметров в секунду (редко десятки и сотни миллиметров в секунду). Скорость горения существенно зависит от массы ВВ и внешних факторов – давления и температуры. В весьма ограниченном пространстве давление повышается быстро и горение может перейти в детонацию. В связи с этим уничтожение ВВ сжиганием проводят на открытых площадках. Известна эмпирическая зависимость линейной скорости горения (V) от давления: (1.13) где Р – давление; а и b – постоянные;  – показатель степени, колеблющийся от 0 до 1. При значениях  больше единицы возможен переход горения в детонацию. Основным видом реакции медленного термического распада ВВ является мономолекулярный распад, на который накладываются вторичные реакции с участием продуктов первичного распада. Ускорение реакции распада особенно активно происходит при повышении температуры ВВ. Если приход тепла при реакции преобладает над процессом его отвода в окружающую среду, то возможно прогрессивное нагревание ВВ и в дальнейшем значительный рост реакции, а в итоге - тепловой взрыв. Такая критическая точка называется температурой вспышки ВВ. Или другими словами, та минимальная температура, при которой в течение условно за- 7 данного отрезка времени подвод тепла становится больше теплоотвода и химическая реакция вследствие самоускорения принимает характер взрывчатого превращения, называется температурой вспышки. Стационарное горение представляет собой процесс химического превращения, распространяющийся с малыми скоростями (миллиметры в секунду) и охватывающий последовательно слои вещества. Распространение горения происходит путем теплопередачи. В случае если отвод продуктов горения затруднен, увеличивается поверхность горения или была начальная скорость горения высокой, то медленное горение может перейти в детонацию, либо во взрывное горение. При известных условиях детонация или взрывное горение могут перейти в медленное (стационарное). Например, при переуплотнении ВВ в результате повышенного давления. Такие процессы в шахтах называют выгоранием зарядов в шпурах. Детонация - это процесс химического превращения ВВ, сопровождающийся выделением теплоты и распространяющийся с постоянной скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе. В отличие от горения детонация представляет собой комплекс мощной ударной волны и следующей за ее фронтом зоны химического превращения вещества. Исходная структура взрывчатых веществ является термодинамически метастабильной. Перед достижением более стабильного состояния с меньшей энергией система должна пройти через промежуточное менее стабильное состояние с повышенной энергией, это означает как бы наличие барьера, препятствующего непрерывному превращению, если при этом не обеспечена необходимая активация процесса. Химические превращения ВВ в конечные продукты взрыва могут быть инициированы путем подвода тепла, механической энергии (удар, трение), либо другими видами воздействий. На рис.3 в качестве иллюстрации процесса графически представлено изменение свободной энергии ВВ в процессе химического превращения. В исходном состоянии ВВ обладает некоторым избытком внутренней энергии, который и определяет его термодинамическую метастабильность. Переход из исходного состояния, которое отвечает превращению в более стабильное, сдерживается энергетическим барьером – Для системы (ВВ) наименьший прирост энергии , позволяющий перейти через барьер, представляет собой свободную энергию активации реакции, и система (ВВ) с максимальной свободной энергией FA является нестабильной, находясь в "переходном" или "активированном" состоянии. Минимальный внешний импульс, способный, например, инициировать переходы "ВВ > продукты взрыва", для различных взрывчатых веществ будет различным и соответствовать величине для каждого ВВ. Так, для первичных инициирующих ВВ эта величина будет намного больше, чем для обычных бризантных ВВ. Поэтому для возбуждения реакции взрывчатого превращения в пер- 8 вичных инициирующих ВВ требуется меньшая энергия активации , чем для бризантных ВВ. При взрыве взрывчатые вещества превращаются в химически устойчивые системы и это превращение может протекать с разной скоростью. Скорость взрывчатого превращения - это быстрота распространения этой реакции по взрывчатому веществу. Скорость взрывчатого превращения для данного ВВ является постоянной величиной. В зависимости от химической природы ВВ, его физических характеристик, геометрических параметров (для промышленных ВВ – величины размеров частиц, содержания влаги и других характеристик) скорость взрывчатого превращения колеблется в больших пределах (1,0-10,2 км/с). Рис.3 Изменение свободной энергии системы (ВВ) при переходе ее в стабильное состояние: – свободная энергия активации; – движущая сила процесса перехода. Координатой реакции является любая переменная величина, служащая мерой развития реакции. 2.4 Детонация взрывчатых веществ Служебной формой взрывчатых превращений промышленных ВВ является детонация, представляющая собой самоподдерживающий процесс перемещения по ВВ со сверхзвуковой скоростью ударного фронта (скачка давления), сопровождающийся химическим превращением вещества. Импульсом для начала развития химической реакции является, как правило, ударная волна, возбуждаемая взрывом капсюль-детонатора или электродетонатора, т.е. промежуточных детонаторов. Таким образом, хи- 9 мическая реакция возникает в результате адиабатического сжатия и разогрева вещества в ударном фронте. Комплекс из ударного фронта и зоны химической реакции называется детонационной волной. В зависимость от типа ВВ, давление на ударном фронте может быть от десятков атмосфер (газовые взрывные смеси) до сотен тысяч (бризантные ВВ). В режиме стационарного распространения скорость фронта детонации может для разных ВВ составлять от 1 до 10 км/с. Тепло, выделяющееся при детонационной форме химического превращения, компенсирует потери энергии, идущие на сжатие и движение вещества, обеспечивая постоянство параметров детонационной волны. Следует подчеркнуть, что скорость детонации не зависит от начального импульса; она является характеристикой и постоянной величиной данного ВВ. Участок заряда от точки инициирования до начала распространения детонации со стационарной скоростью называют участком нестационарной детонации. Теоретические основы детонации были заложены в конце ХIX столетия В.А. Михельсоном (Россия), Д.Л. Чепменом (Англия) и Е. Жуге (Франция). Математическая модель, созданная ими не учитывала кинетики химической реакции в детонационной волне, а представляла ударный фронт формально в виде поверхности разрыва, отделяющей исходное ВВ от продуктов взрыва. Экзотермическая реакция, возбуждаемая механическим ударом, который передается от реагирующего слоя к соседнему слою, распространяется в виде волны давления. Такой процесс возможен лишь при том условии, что химическая реакция заканчивается прежде, чем спадет давление за счет волны разгрузки, идущей от свободной поверхности со скоростью звука. Такой сценарий возможен только при очень высоких давлениях, когда волны давления переходят в ударную волну. Таким образом, детонацию можно представить как сочетание ударной волны с зоной химической реакции. Ударная волна возбуждает реакцию в веществе, а реакция усиливает ударную волну, пока не установится равновесие между передаваемой и рассеиваемой энергией не установится стационарный режим распространения волны детонации. Исследование процессов в такой установившейся волне в одномерном случае является задачей гидродинамической теории детонации. С учетом энерговыделения при детонации, основные соотношения между начальными и конечными параметрами состояния вещества, а также скоростью детонации и массовой скоростью движения продуктов химического превращения за фронтом находятся из законов сохранения массы, импульса и энергии в волне. Независимо друг от друга Я.Б. Зельдович, Д. Нейман, В. Дёринг предложили модель детонационной волны, которая учитывает химическую зону превращения (зону "химпика") ВВ в конечные продукты. В соответствие с такой моделью, исходное ВВ с начальными параметрами p0, v0 10 (рис.4) сжимается в ударном фронте (точка В), разлагается и выходит из зоны реакции (точка С) со скоростью, уменьшенной на величину u, равную скорости газообразных продуктов взрыва. В случае одномерного потока законы сохранения массы и импульса записывают следующим образом: где Р0 и Р – начальное давление и давление ПВ соответственно; 0=1/v0, =1/v – соответственно начальная плотность ВВ и плотность ПВ. Закон сохранения энергии записывается в форме: (1.16) где Е, Е0 - соответственно удельная внутренняя энергия в конечном и начальном состояниях. Выражение (1.16) является одной из форм записи уравнения ударной адиабаты Гюгонио для ПВ. Рис.4 Схема фронта детонации: D – скорость распространения детонационной волны; u – скорость ПВ. На P–v-диаграмме детонационной волны, рис.5, начальному состоянию соответствуют точка А, сжатию ВВ ударным фронтом – точка В. Экзотермическая реакция в ВВ, начавшаяся на ударном фронте (точка В), заканчивается на поверхности Чепмена–Жуге, рис.4, или в точке С, рис.5. Точка С называется точкой Жуге или Чепмена–Жуге; она лежит на адиабате продуктов взрыва (адиабате Гюгонио). Процесс превращения сопровождается расширением ПВ, поэтому давление ПВ падает: в точке Жуге давление РЖ почти вдвое ниже давАдиабатическому сжатию вещества отвечает прямая АВ, рис.6 с очень малым наклоном относительно оси абсцисс, что свидетельствует о крайне малом времени сжатия и малой толщине сжатого слоя. Зоне химика отвечает участок ВС на кривой спада давления. Точка С отвечает точке Жуге, участок за этой точкой характеризует спад давления в расширяющихся ПД. Таким образом, вещество в детонационной волне последовательно проходит все состояния по пути АВС Зона сжатия в ударной волне очень мала (порядка 0,1 мкм), зона химической реакции зависит от химических и 11 физических свойств ВВ и имеет ширину 0,5 мкм (для азида свинца) до 10 мм (для тротила и тетрила). Продолжительность времени химпика в высокоплотном флегматизированном гексогене составляет ~(2,5±5)·10–9 с при максимальном давлении в волне – 40 ГПа. Несмотря на то, что описанная модель не во всех случаях соответствует наблюдаемым явлениям в структуре детонационных волн, общие зависимости вписываются в гидродинамическую теорию путем пространственно-временного усреднения параметров детонационной волны с неоднородным фронтом. Рис.5 P–v-диаграмма детонационной волны. Детонация по Чепмену–Жуге удовлетворяет условию (точка С): D=U+C, (1.17) где U – массовая скорость частиц ПД; C – скорость звука в ПД; D – скорость детонации, равная скорости перемещения зоны химической реакции. Другими словами, химическая реакция во взрывчатом веществе в форме детонации отвечает условию (1.17). Если D>Dч.ж. давление может превысить Рж и тогда говорят о "пересжатой" детонации. При Ddкр потери энергии в детонационной волне должны уменьшаться, а параметры волны соответственно возрастать, асимптотически приближаясь к максимуму. Детонацию с максимальными параметрами для данного ВВ и данной плотности называют идеальной детонацией или детонацией в идеальном режиме. Диаметр заряда, при котором параметры детонации близки к максимальным (рис.8), т.е. к DИ, называют предельным диаметром (dпр). Рис.8 Зависимость скорости детонации ВВ от диаметра заряда. Детонацию, протекающую в зарядах с dкр0, реакция протекает с теплопоглощением (-Q, +H). Как следует из закона Гесса, суммарный тепловой эффект некоторой последовательности химических реакций не зависит от пути превращения исходных веществ в конечные продукты, а определяется только начальным и конечным состоянием системы: Qр=Qпв–Qвв, (1.24) где Qр - теплота взрывчатого превращения; Qвв, Qпв - теплота образования ВВ и сумма теплот образования продуктов взрыва соответственно. В общем виде Закон Гесса можно сформулировать следующим образом: тепловой эффект кругового процесса равен нулю. При вычислении теплоты образования ВВ обычно рассматривают такие три составляющие системы, рис.14, как взрывчатое вещество (1), продукты взрыва (2) и свободные молекулы химических элементов (3). Рис.14 Схематическое изображение закона Гесса. При переходе (1)-->(2) выделится тепло, равное теплоте полного сгорания – Qвв. В случае перехода (2)-->(3) произойдет поглощение тепла, равное сумме теплот образования ПВ – Qпв. Так как переход (3)-->(1) соответствует процессу образования молекул ВВ, то теплота этого процесса равна теплоте взрывчатого превращения - Qр. Таким образом, в качестве теплоты взрывчатого превращения (Qр=Qвзр) рассматривают количество тепла, выделяемое при взрывчатом превращении одного моля вещества. Теплотой образования вещества (Qобр=-fH0298) называют количество тепла, которое выделяется или поглощается при образовании одного моля вещества из молекул газов соответствующих элементов (Н2, О2, N2 и т.д.) и простых веществ (С, металл и т.д.). При этом реакции образования могут быть как реальными так и виртуальными (пример - реакция образования тротила): 23 В общем виде виртуальная реакция образования ВВ брутто-формулы СaНbОcNd записывается следующим образом: a·СТВ+(b/2)·Н2+(c/2)·О2+ (d/2)·N2 ---> СaНbОcNd+Qобр Теплоту образования ВВ Qвв в прямом эксперименте определить невозможно. Величину Qвв рассчитывают с учетом экспериментально найденной стандартной теплоты сгорания данного вещества. Стандартная теплота сгорания вещества - это количество тепла, выделяющееся при сгорании одного моля вещества в атмосфере избытка кислорода при условии, что углерод и водород образуют при этом высшие оксиды (СО2, Н2О). Для ВВ формулы СaНbОcNd реакция сгорания в избытке кислорода может быть представлена следующим образом: СaНbОcNd+[a+(b/4)+(c/2)]O2 ---> aCO2 +(b/2)H2O(l)+(d/2)N2+Qсгор. Для бризантных ВВ допустимы небольшие ошибки при оценке Qобр, так как окончательная приемка ВВ производится по натурным испытаниям зарядов: бризантность, разрушение преград, метательные действия, работоспособность и т.д. В таблице приложения П-1 приведены стандартные энтальпии образования fН0298 некоторых индивидуальных ВВ, горючих, окислителей и продуктов некоторых реакций взрыва, а в таблицах П-2 и П-3 - контрольные задания. 2.6.2 Примеры расчета тепловых эффектов реакций взрывчатых превращений Пример 1. Рассчитать тепловой эффект реакции взрывчатого превращения 320 г дымного пороха следующего состава: 75% KNO3, 15% С и 10% S. Решение. Реакция горения дымного пороха, состоящего из указанных компонентов, имеет вид: 2,38KNO3(s)+4C(s)+S(s)=1,19K2O(s)+SO2(g)+3,95CO(g)+0,05C(s)+1,19N2(g), где 2,38= 1= mS 10% 320г = M S 100% 32г/моль m KNO 3 M KNO 3 = 75% 320г ; 100% 101г/моль 4= mС 15% 320г = M С 100% 12г/моль ; (М – мольные массы, г/моль; m – массы в соответст- вии с процентным содержанием, г; 320 г – общая масса ВВ). Дальнейший расчет удобнее производить при помощи таблицы. Вещество fН0298, кДж/моль n KNO3(s) -492,5 C(s) S(s) Исходные вещества 2,38 4 1 K2O(s) SO2(g) CO(g) -361,5 -296,9 -110,5 C(s) N2(g) Конечные вещества (продукты) 1,19 1 3,95 0,05 1,19 24 Примечание: индексы (s) и (g) у веществ обозначают их агрегатное состояние (твердое и газообразное). Следует учитывать, что величины fН0298 для простых веществ равны нулю (например, для С, S и N2 в данном примере). Найдём по закону Гесса тепловой эффект реакции для 1 моль ВВ: rH0298=nкон(fH0298)кон-nисх(fH0298)исх=[-361,5·1,19+(-296,9·1)+ +(-110,5·3,95)+0·0,05+0·1,19]-[(-492,5·2,38)+0·4+0·1]=8,59 кДж/моль. Для расчета теплового эффекта рассматриваемой реакции горения 320г дымного пороха необходимо определить количество моль вещества, содержащееся в указанной массе. Для этого выведем брутто-формулу (или условную формулу) данного ВВ (2,38KNO3(s)+4C(s)+S(s)): Брутто-формула имеет следующий вид: CaSbNcOdКе, где а, b, c, d и е – количества углерода (С), серы (S), азота (N), кислорода (О) и калия (К), соответственно. а=4·1=4; b=2,38·1=2,38; c=2,38·1=2,38; d=2,38·3=7,14 и е=2,38·1=2,38. Таким образом, получим: C4S2,38N2,38O7,14К2,38. Следовательно, в 320 г ВВ состава C4S2,38N2,38O7,14К2,38 содержится следующее количество моль вещества n= m ВВ 320г = = 0,877моль , M ВВ 365г / моль где МВВ=12·4+32·2,38+14·2,38+ +16·7,14+39·2,38=365 г/моль – мольная масса указанного ВВ; mВВ=320 г – масса данного ВВ (см. условие). Тогда Q= -  r H 298 ·n= -8,59 кДж/моль·0,877 моль= -7,53 кДж. Пример 2. Рассчитать тепловой эффект реакции взрывчатого превращения 1 кг нитроглицерина: С3Н5(ONO2)3(l)3CO2+2,5H2O+1,5N2+0,25O2. Решение. Расчет произведём при помощи таблицы: Вещество С3Н5(ONO2)3(l) CO2 H 2O N2 O2 -364,8 -393,5 -241,8 fН 298, кДж/моль Исходные вещества Конечные вещества (продукты) n 1 3 2,5 1,5 0,25 Примечание: индекс (l) у вещества обозначает агрегатное состояние (жидкое). Согласно закону Гесса найдём тепловой эффект реакции для 1 моль ВВ: rH0298=nкон(fH0298)кон-nисх(fH0298)исх=[-393,5·3+(-241,8·2,5)+ +0·1,5+0·0,25]-[(-364,8·1)]=-1420,2 кДж/моль. В 1 кг ВВ состава С3Н5(ONO2)3 содержится следующее количество моль вещества 25 n= m ВВ 10 3 г = = 4,41моль , M ВВ 227г / моль где МВВ=227 г/моль – мольная масса указанно- го ВВ; mВВ=103 г – масса данного ВВ (см. условие). Тогда Q= -  r H 298 ·n=1420,2 кДж/моль·4,41моль=6263,1 кДж. Пример 3. Рассчитать стандартную энтальпию образования ацетиленида серебра fH0298(Ag2C2) по реакции Ag2C2=2Ag+2C, если тепловой эффект данной реакции составляет Q=364,53 кДж/моль. Решение. Обозначим стандартную энтальпию образования ацетиленида серебра через х (искомая величина). Расчет произведём при помощи таблицы: Вещество fН0298, кДж/мол ь n Ag2C2 х Исходные вещества 1 Ag C Конечные вещества (продукты) 2 2 Тогда можно составить уравнение: rH0298=nкон(fH0298)кон-nисх(fH0298)исх=(0·2+0·2)-(х·1) По условию задано, что Q=364,53 кДж/моль, т.е. rH0298=-Q=-364,53 кДж/моль и уравнение примет вид: (0·2+0·2)-(х·1)=-364.53, откуда х=fH0298(Ag2C2)=364,53 кДж/моль. 2.7 Кислородный баланс ВВ С химической точки зрения взрыв – это необратимая химическая реакция превращения исходного ВВ в газообразные продукты. Направление реакции и состав конечных продуктов определяют основные параметры взрыва: теплоту, температуру, давление и др. Входящие в состав продуктов взрыва (ПВ) окислы азота и окись углерода, как известно, обладают высокой токсичностью. Они становятся особенно опасными в подземных выработках, когда их количество превышает допустимые пределы. Борьба с ядовитыми газами в горных выработках ведется в течение многих десятков лет, а в настоящее время в связи с расширением ассортимента применяемых ВВ и развитием горных работ становится весьма важной и актуальной. Неизбежные ограничения, например, по условиям вентиляции в подземных выработках обязывают вводить определенные нормы для ВВ в отношении количества образуемых при взрыве ядовитых газов. Идеальными компонентами взрывчатого превращения являются наиболее термодинамически устойчивые соединения. Однако в случаях про- 26 мышленного использования ВВ наблюдаются отклонения от идеального состава ПВ по нескольким причинам. Например, на состав ПВ с отрицательным кислородным балансом сильное влияние оказывает плотность заряда ВВ, скорость закалки ПВ (скорость теплообмена с окружающей средой), условия разлета ПВ, т.е. время протекания реакции в зоне химического пика и особенности характера взаимодействия между компонентами ПВ, а также химический состав и концентрация добавок. Кроме этого, свойства горных пород при ведении взрывных работ оказывают весьма заметное влияние на образование, состав и концентрацию ядовитых газов. Причиной отклонения от идеального состава ПВ является каталитическое действие горных пород – при взрыве одного ВВ в различных горных породах, были обнаружены значительные отклонения количественного состава ядовитых газов. Другими словами, горные породы вступают в химическое взаимодействие с ПВ, оказывая каталитическое действие на сценарии вторичных реакций в самих ПВ. Эксперименты исследования современного периода свидетельствуют о том, что влияние породы, окружающей заряд ВВ, значительно сильнее, чем влияние состава ВВ на количество ядовитых газов в ПВ. Колебания суммарного количества ядовитых газов при взрыве различных ВВ в одной горной породе достигали 200%, а при взрыве одного ВВ в различных породах – до 1000%. При взрывании зарядов ВВ в горном массиве возникают радиальные и тангенциальные трещины, механизм образования которых подробно описан в литературе. ПВ под действием высокого давления проникают не только в свежеобразованные трещины, но и в трещины естественного происхождения, вызывая их развитие. Процесс разрушения, при котором происходит образование трещин, сопровождается разделением разноименных электрических зарядов на свежеобразованных поверхностях, при этом, в области разрыва возникают электрические поля высокой напряженности, что приводит к резко неравновесному состоянию поверхности, высокой поверхностной проводимости и химической активности. На стойкость молекул и ход химических реакций в целом оказывает решающее влияние плотность поверхностных зарядов. Под действием давления газов вероятность соударения молекул ПВ с поверхностными зарядами трещины резко возрастает, т. е. существует большая вероятность их сближения на расстояния, сравнимые с межъядерными расстояниями в молекуле. В результате этого возможна диссоциация исходных молекул и образование новых, в том числе и таких токсичных, как окислы азота, углерода и др. Для оценки энергетических параметров ВВ необходимо находить соотношение между горючими компонентами и окислителем в молекуле. Это соотношение характеризуется величиной кислородного баланса – КБ, выраженного в процентах. 27 Кислородным балансом называется выраженное в процентах отношение массы свободного кислорода, остающегося после окисления всего углерода, содержащегося в ВВ, в углекислый газ СО2, всего водорода в H2O, всех металлов в высшие оксиды к массе взятого ВВ. Азот при этом должен оставаться свободным в виде N2. Таким образом, из определения следует, что КБ может быть положительным, отрицательным и нулевым. Положительный КБ - наличие кислорода в составе ВВ превышает количество, необходимое для окисления горючих элементов (при взрывчатом превращении ВВ образуются ядовитые окислы азота, вследствие чего такие ВВ не допускаются для взрывных работ над землей). 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. Нулевой КБ – в составе ВВ кислород содержится в количестве, необходимом для полного окисления всех горючих элементов. Отрицательный КБ – наличие кислорода недостаточно для окисления всех горючих элементов и компонентов в продуктах взрывчатого превращения. 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. По составу ВВ делятся на индивидуальные химические вещества и механические смеси компонентов, которые вступают между собой в реакцию. 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 CaHbNcOd , то его кислородный баланс вычисляется по формуле:  b   d   2a  2   16   КБ    100% , 12a  b  14c  16d где 2a - число атомов кислорода в СО2 , b/2 - число атомов кислорода в H2O, а знаменатель - это масса моля ВВ, г/моль. Для смесевых ВВ вычисление КБ производится, исходя из процентного содержания компонентов смеси и по ее условной химической форму- 28 ле, или по величине кислородного баланса каждого компонента, приводимого в справочниках. В том случае, если помимо атомов водорода, кислорода, углерода и азота в состав ВВ входит алюминий и его химический состав выражается условной формулой CaHbNcOdAll , кислородный баланс ВВ вычисляют по формуле:  b 3   d   2a  2  2 l   16   КБ    100% , 12a  b  14c  16d  27l в которой 3/2 l - число атомов кислорода в Al2O3. Кислородный баланс смесевых ВВ на практике чаще вычисляют, относя к одному килограмму смеси. В этом случае расчетная формула имеет вид:  b 3   d   2a  2  2 l   16   КБ    100% . 1000 В инженерной практике применяют также следующие расчетные формулы при определении КБ. Так для индивидуальных ВВ можно использовать следующее выражение: где АГ – грамм-атомный вес излишка или недостатка кислорода в составе ВВ; М – грамм-молекулярный вес данного ВВ; 16 – грамм-атомный вес кислорода; КГ– необходимое число атомов кислорода для полного окисления атомов углерода в СО2 и атомов водорода в воду; KB – число атомов кислорода в составе взрывчатого вещества; АГ=(КВ–КГ)·16. KГ =2·Сn+0,5·Hm. Нулевому КБ соответствует кислородный коэффициент К, равный 1: К=d/(2a+0,5b)=1. Относительно 1 кг смеси ВВ расчет КБ можно производить по формуле: Если в смеси ВВ содержится алюминий, то уравнения для КБ и К будут иметь следующий вид: где е – количество грамм-атомов алюминия. 29 В таблице П-4 приложения приведены значения КБ некоторых ВВ и их компонентов. 2.7.1 Примеры определения КБ ВВ Пример 1. Вычислить кислородный баланс нитроглицерина C3H5(ONO2)3. Решение. В молекуле нитроглицерина число атомов: кислорода d = 9, углерода a = 3, азота c = 3 и водорода b = 5. Подставляя эти данные, получим:  b   5 [9  ( 2  3  )]  16 d   2a  2   16 8   2 КБ    100% =  100   100  3,52% . 12a  b  14c  16d 12  3  5  14  3  16  9 227 Нитроглицерин имеет слегка положительный кислородный баланс. Пример 2. Вычислить кислородный баланс тринитротолуола (тротила) C7H5(NO2)3 . Решение. В молекуле тринитротолуола число атомов: кислорода d = 6, углерода a = 7, азота c = 3 и водорода b = 5. Подставляя эти данные, получим:  b   5 [6  ( 2  7  )]  16 d   2a  2   16  10,5  16   2 КБ    100% =  100   100  74% . 12a  b  14c  16d 12  7  5  14  3  16  6 227 Как следует из этого расчета, тринитротолуол имеет резко отрицательный кислородный баланс. Пример 3. Вычислить кислородный баланс нитрата аммония (аммиачной селитры) NH4NO3. Решение. В молекуле NH4NO3 число атомов: кислорода d = 3, углерода a = 0, азота c = 2 и водорода b = 4. В итоге получим:  b   4 [3  (0  )]  16 d   2a  2   16 16   2 КБ    100% =  100   100  20% . 12a  b  14c  16d 4  14  2  16  3 80 Положительный КБ. Пример 4. Вычислить кислородный баланс аммонала, смесевого ВВ, состоящего из аммиачной селитры (80% по массе), тротила C7H5(NO2)3 (15%) и алюминия (5%). Расчет выполнить, исходя из массы ВВ, равной 1 кг. Решение. Первый способ – по условной химической формуле смеси. В 1000 г ВВ заданного состава содержится 800 г NH4NO3 (масса одного моля М = 80), 150 г тротила (М = 227) и 50 г алюминия. Число молей 30 этих компонентов в 1 кг их смеси заданного состава составляет: nNH4NO3 = 800 150 50  10 , nC7H5(NO2)3 =  0,66 , nAl = = 1,85 или 80 227 27 в ней содержится 10NH4NO3 + 0,66 C7H5(NO2)3 + 1,85Al. Для вывода условной химической формулы, которая должна иметь общий вид CaHbNcOdAll , вычисляем число молей: атомов углерода a = 0,667 = 4,62; атомов водорода b = 104 + 0,665 = 43,3; атомов азота с = 102 + 0,663 = 21,98; атомов кислорода d = 103 + 0,666 = 33,96; атомов алюминия l = 1,85. Условная химическая формула ВВ, таким образом, имеет вид: C4,62 H43,3N21,28O33,96Al1,85 , а кислородный баланс ВВ равен  b 3   d   2a  2  2 l   16   КБ    100% = 1000 43,3 3   1,85)]  16 2 2  100 = 1000 [33,96  ( 2  4,62  = + 0,47% . Второй способ решения этой задачи – по величине кислородного баланса (приложение) и доле по массе (i) каждого компонента смесевого ВВ. Формула для расчета кислородного баланса в этом случае имеет вид: КБ = (КБi  I) Кислородный баланс NH4NO3 равен +20% (см. пример 3), для тротила КБ = – 74% (пример 2), для алюминия КБ = - 3  16 =-88,9%. Для смеси 2  27 заданного состава КБ = 0,820 + 0,15(-74) + 0,05(-88,9) = + 0,46%. Пример 5. Какое количество тротила (КБ = -74%) следует добавить к 1 кг нитрата аммония (КБ = +20%), чтобы кислородный баланс этой смеси был равен нулю? Решение. Обозначив искомую массу тротила за x, получим КБ = (КБi  I) =  74  x 1000 20000  20   0 , откуда x = = 270,3 г. 1000  x 1000  x 74 2.8 Чувствительность ВВ к внешним воздействиям Взрывчатые свойства ВВ определяют лишь потенциальную возможность их взрывчатого превращения. Для реализации этой возможности необходимо произвести на ВВ такое воздействие, которое было бы способно вызвать в нем взрывчатое превращение, т.е. воздействие, которое называют инициирующим импульсом. Способность ВВ реагировать на внешние воздействия путем химического превращения в форме детонации (взрыва) - это чувствительность ВВ к внешним воздействиям. Чувствительность ВВ является важнейшим параметром, определяющим не только принципиальную возможность практического применения ВВ, но и области применения. 31 Начальными импульсами могут быть различные виды воздействий. Любое внешнее воздействие по физической сути является энергетическим. ВВ обладает избирательной чувствительностью к различным видам начальных импульсов. Так, одни ВВ более чувствительны к механическим воздействиям (трение, накол и т.п.), другие – к тепловым (открытый огонь, контактный нагрев), третьи – к энергии лазерного излучения, рентгеновского или инфракрасного. Чувствительность к внешним воздействиям классифицируют по видам начального импульса, рассматривая отдельно чувствительность к удару, лучу огня, ударной волне и др. Основными видами начальных импульсов являются следующие формы энергии: тепловая, механическая, электрическая, энергия электромагнитного излучения, ударно-волновое воздействие, детонационный импульс, ультразвуковые волны и т.д. Поскольку наиболее распространенным видом случайного воздействия является механическое (удар, трение, накол), то чувствительность ВВ к этому виду воздействия исследуется в первую очередь для оценки уровня их опасности, а также для оценки безотказности срабатывания ВВ. Основными экспериментальными методами оценки чувствительности ВВ к механическим воздействиям являются: определение чувствительности к трению ударного характера (метод Боудена–Козлова), к трению при истирании, к удару (копер Велера, копер К-44-1, копер К-44-II, роликовые приборы №1 и №2), метод критических напряжений (измеряются напряжения, развивающиеся в ВВ при ударе в момент возбуждения взрывного процесса). В процессе производства, переработки, снаряжения и применения ВВ распространенным видом внешнего воздействия является тепловое – контактный нагрев, действие открытого огня. Взрывчатое вещество при нагревании термически разлагается с выделением тепла. Если скорость отвода тепла в системе будет меньше скорости поступления в нее тепла, то реакция может сопровождаться возникновением вспышки. Температура, при которой химическая реакция принимает характер взрывчатого превращения - это температура вспышки. Одним из вариантов испытания ВВ на чувствительность к тепловому воздействию является метод ЛТИ, разработанный в Санкт-Петербургском технологическом университете. По этому методу температуру вспышки определяют при 5-ти секундной задержке воспламенения ВВ. Используются следующие навески ВВ: для ИВВ – 0,02 г, для БВВ – от 0,05 до 0,1 г. Чувствительность ВВ к электрическому импульсу является важнейшей характеристикой, поскольку большинство взрывчатых веществ диэлектрики и обладают способностью к электризации. Главная опасность состоит в том, что накопленный статический заряд на стенках оборудования или ВВ может превысить электрическую прочность окружающей сре- 32 ды, а электрический разряд при этом может вызвать воспламенение или детонацию ВВ. Искровой разряд может возникнуть от блуждающих токов, статической электризации и других причин. В момент пробоя в разрядном промежутке образуется тонкий токопроводящий канал холодной плазмы с плотностью тока 104–105 А/см2. За время 0,1–1,0 мкс воздух нагревается до температуры 10000К, что является причиной образования ударной волны. Если ВВ (в виде пыли или порошка) оказывается по каким-либо причинам в разрядном промежутке, то оно может воспламениться или детонировать. В соответствие с правилами безопасности и охраны труда предусмотрены следующие основные меры защиты от электризации: - непрерывный отвод образующихся зарядов путем заземления оборудования; - принятие мер для повышения объемной и поверхностной проводимости (увлажнение поверхности частиц, поддержание в помещении относительной влажности свыше 65%, введение антистатических добавок, электропроводящих добавок (металлов, графита и т.п.); - обслуживающий персонал должен быть в электропроводной одежде и обуви (человек, изолированный от земли, может накопить на себе заряд до 15000 В); - в наиболее опасных с точки зрения электризации узлах устанавливаются приборы, непрерывно фиксирующие фактический уровень электризации. С целью создания надежных, безотказно действующих средств инициирования (капсюлей детонаторов – КД, электродетонаторов – ЭД) проводятся исследования чувствительности бризантных ВВ к детонационному импульсу. Чувствительность БВВ к взрывному импульсу инициирующих ВВ определяется для обеспечения безотказного действия КД и ЭД и характеризуется величиной минимального инициирующего заряда ИВВ. В табл.1 приведены значения МИЗ штатных ИВВ. Таблица 1 Минимальный инициирующий заряд штатных ИВВ для некоторых БВВ (вторичных инициирующих ВВ) Бризантное взрывчатое вещество Тротил Тетрил Гексоген ТЭН МИЗ инициирующих ВВ, г азид свинца гремучая ртуть 0,1 0,36 0,023 0,3 0,02 0,19 0,01 0,17 33 2.9 Относительная оценка полезной работы взрыва 2.9.1 Работоспособность ВВ Для определения относительной работоспособности ВВ наиболее широко применяется метод свинцовой бомбы (проба Трауцля), принятый на Втором Международном конгрессе прикладной химии. Бомба Трауцля представляет собой свинцовый цилиндр диаметром и высотой 200 мм, в которой имеется цилиндрическое несквозное отверстие диаметром 25 мм и глубиной 125 мм, (см. рис.15). Бомбу отливают из рафинированного свинца при температуре 390–400°С. На дно отверстия помещают заряд ВВ весом 10 г в бумажной гильзе. На заряд ВВ устанавливают электродетонатор ЭД-8-Э, а свободную часть канала бомбы засыпают сухим кварцевым песком. Испытания проводят при температуре +10 °С. При изменении температуры производят соответствующие поправки: при 0 °С полученную величину расширения увеличивают на 5%, при +30 °С – уменьшают на 6%. В бомбе в районе размещения заряда при взрыве образуется полость (см. рис.15, в). Расширение канала бомбы происходит за счет действия давления продуктов взрыва электродетонатора и испытуемого ВВ. Мерой относительной работоспособности ВВ (в см3) является величина расширевшегося объема канала свинцовой бомбы за вычетом начального объема (61 см3) и расширения (30 см3) за счет взрыва электродетонатора. Принципиальные недостатки этого способа состоят в следующем. По величине расширения канала нельзя количественно сравнивать ВВ, а можно лишь расположить их в некоторой последовательности, т.е. в некоторый относительный ряд, поскольку величина расширения объема связана с истинной работоспособностью ВВ нелинейной зависимостью. А.Ф. Беляевым предложен метод эквивалентных зарядов, заключающийся в определении эквивалентной массы аммонита 6ЖВ, производящей такое же действие, как исследуемый заряд ВВ. Обязательным условием метода является использование зарядов равного объема. При соблюдении данного условия одинаковым расширениям должна соответствовать одинаковая работа. Помимо метода свинцовой бомбы на практике получили широкое применение: - метод баллистического маятника; - метод баллистической мортиры; - оценка работоспособности по воронке выброса. С методикой проведения исследований и оценки работоспособности перечисленных способов можно познакомиться в специальной литературе. 34 Рис.15. Определение работоспособности в свинцовой бомбе: 1 – свинцовая бомба; 2 – канал; 3 – сухой кварцевый песок; 4 – электродетонатор; 5 – испытуемое ВВ; 6 – полость, образовавшаяся в бомбе при взрыве ВВ и ЭД. 2.9.2 Бризантность ВВ Бризантность или дробящее действие взрыва определяют простым и широко распространенным методом, используя стандартную пробу на обжатие свинцовых столбиков или пробу Гесса, рис.16, которая используется в качестве контрольной приемочной пробы. Мерой бризантности ВВ (Б) является величина обжатия или, другими словами, разность высот столбика до обжатия (60 мм) и после обжатия (НВ, мм): Б=60–НВ, мм. Для промышленных ВВ величина обжатия столбика зависит от скорости детонации ВВ, которая возрастает с измельчением компонентов, увеличением гомогенности их смешивания. Помимо пробы Гесса на практике используют методы испытаний бризантности ВВ с использованием баллистического маятника (экспериментальное значение импульса рассчитывается по измеренному отклонению маятника). Бризантность промышленных ВВ исследуют путем дробления кубиков горной породы (после взрыва разрушенная горная порода подвергается ситовому анализу – определяют выход зерен размером 5– 7 мм). 35 Рис.16. Схема к определению бризантности по пробе Гесса (а): 1 – огнепроводный шнур; 2 – капсюль детонатор; 3 – заряд испытуемого ВВ (50 г); 4 – бумажная оболочка; 5 – стальная пластина; 6 – свинцовый столбик; 7 – металлическая плита; (б) – свинцовый столбик после обжатия. 3. Общая классификация промышленных взрывчатых веществ и их характеристика 3.1 Классификация промышленных взрывчатых веществ Начиная с XIX-XX веков (появление первых бризантных взрывчатых веществ (далее ВВ)) в химической промышленности началась разработка и производство широкого сортамента различных взрывчатых веществ. Далеко не все из них получили промышленное применение, некоторые рассматриваются только с теоретических позиций, а некоторые из-за высокой токсичности и других недостатков выведены в настоящее время из эксплуатации. Существует целый ряд ВВ, которые применяются только в военном деле. Многие ВВ широко используются в горном деле, в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности. Наибольшее количество промышленных ВВ (около 90%) используется в горном деле при добыче полезных ископаемых. Поэтому, не смотря на то, что взрыв освоил десятки профессий, в первую очередь, он является неотъемлемым атрибутом профессии горного профиля. Все промышленные ВВ можно разделить на два основных класса: а) взрывчатые химические соединения; б) взрывчатые смеси. Взрывчатые химические соединения - это относительно неустойчивые химические системы, способные под влиянием внешних воздейст- 36 вий к быстрым экзотермическим превращениям (реакции с выделением тепла), в результате которых происходит разрыв химических связей как между молекулами, так и между атомами в молекулах и последующая рекомбинация свободных атомов или ионов в термодинамически устойчивые новые соединения (молекулы газа, твердые ультрадисперсные углеродсодержащие частицы - алмаз, графит и др.). В этой группе большинство ВВ представляют собой кислородсодержащие органические соединения, способные к частичному или полному внутримолекулярному горению. Неустойчивость взрывчатых химических соединений, согласно Вант-Гоффу, обуславливается присутствием в их молекулах метастабильных атомных комплексов, например, групп С≡С в производных ацетилена, N=N в азидах, N=C в солях гремучей кислоты, N=О в нитросоединениях, С–О в перекисях и озонидах, О–Cl в хлоратах и перхлоратах и др. Указанные группы придают соответствующим ВВ и соединениям взрывчатые свойства за счёт того, что некоторые из них (N=О, С–О и О– Cl) содержат несвязанный с горючим свободный кислород, который вступает в химическую реакцию с горючими компонентами со значительным выделением теплоты. Другие группы с неустойчивыми химическими связями (С≡С, N=N, N=C) дастаточно легко распадаются. Взрывчатые вещества этой группы называют еще индивидуальными. К ним относятся: азид серебра, азид свинца, гексоген, гремучая ртуть, дина, нитроглицерин, нитроксилин, нирогликоль, октоген, тротил, тенерес, тетрил, тэн и др. Взрывчатые смеси - это такие системы, которые состоят, минимум, из двух компонентов, не связанных химически между собой. Один из компонентов, как правило, является веществом, богатым кислородом, а второй - состоит преимущественно из горючих элементов, при этом не содержит кислород, либо содержит, но в количестве недостаточном для полного внутримолекулярного окисления. Такие смеси представляют собой газообразные, жидкие, твердые или гетерогенные системы. Примеры: газообразные системы - смесь метана с воздухом (рудничный газ); жидкие - смесь горючих компонентов (бензол, толуол) с окислителями (азотная кислота, тетранитрометан); твёрдые - смесь основного компонента (например, аммиачной селитры) с горючими (тротил, динитробензол и др.) - к таким системам относятся пороха; гетерогенные системы (2-х и более фазные) смесь аммиачной селитры с нефтяным маслом, дизельным топливом, аэрозоли, пылегазовая смесь и т.п. К современным промышленным ВВ предъявляется ряд требований, среди которых главными являются:  достаточная мощность, которая обеспечивает необходимую механическую работу;  простота и безопасность при изготовлении;  удобство и безопасность в обращении;  постоянство свойств при длительном хранении и применении; 37  безотказность действия при достаточном инициирующем импульсе;  технически и экономически доступные в изготовлении. Для применения в условиях подземной добычи полезных ископаемых к отдельным группам ВВ предъявляются следующие дополнительные требования:  образование минимального количества ядовитых газов;  безопасность применения в шахтах, опасных по взрыву газа или пыли. По способу возбуждения взрывчатого превращения взрывчатые вещества и взрывчатые системы условно разделяют на: - первичные инициирующие; - вторичные инициирующие. В соответствии с областями применения ВВ делят на: - инициирующие (ИВВ); - бризантные или дробящие (БВВ); - метательные (пороха и ракетные топлива); - пиротехнические составы. 3.2 Характеристика промышленных взрывчатых веществ 3.2.1 Инициирующие взрывчатые вещества Инициирующие ВВ применяются в качестве возбуждения детонации в зарядах БВВ. Отличительные свойства ИВВ от других бризантных ВВ состоят в их способности детонировать под влиянием незначительных тепловых (луч огня) или механических (удар, трение, накол) внешних воздействий, т.е. обладают чрезвычайно высокой чувствительностью к механическим воздействиям. Вещества этой группы характеризуются весьма малым временем роста скорости взрывчатого превращения от начала возбуждения до стационарной детонации. У азида свинца, например, период ускорения процесса практически отсутствует, т.е. процесс независимо от размеров заряда сразу же протекает в форме детонации. Инициирующие взрывчатые вещества (далее ИВВ) преимущественно используют в средствах инициирования – капсюлях-детонаторах (КД), электродетонаторах (ЭД). К этой группе относят: 1. Cоли тяжелых металлов гремучей кислоты (фульминаты): гремучая ртуть – Hg(ONC)2, гремучее серебро – AgONC. 2. Cоли азотистоводородной кислоты (азиды): азид свинца – Pb(N3)2, азид серебра – AgN3. Некоторые органические азиды: циануртриазид – C3N3(N3)3. 3. Соли тяжелых металлов стифниновой кислоты: тринитрорезорцинат свинца (ТНРС). 4. Карбиды тяжелых металлов (ацетилениды): ацетиленид серебра. 5. Галоидные соединения азота. 38 6. Некоторые нитроароматические диазосоединения. Эти вещества называют первичными инициирующими или первичными ВВ. В последнее время разработаны и получены инициирующие ВВ нового класса, основным свойством которых является очень высокая чувствительность к химическому превращению в детонационной форме при воздействии лазерного излучения определенной длины волны. По сравнению с азидом свинца чувствительность некоторых новых ИВВ выше почти в 100 раз. Однако чувствительность к тепловым и механическим воздействиям практически соответствует аналогичным характеристикам тэна. Некоторые из них взрываются только при действии лазерного луча. Такие взрывчатые вещества могут быть использованы как первичные в оптических детонаторах (ОД), либо как обычные бризантные ВВ при проведении специальных взрывных работ; в табл.2 представлены некоторые ВВ этого класса. Таблица 2 Светочувствительные взрывчатые вещества ПлотСкоЧувствительТемпера- Энергия зажиганость, рость ность к удару тура ния лазерным 3 ВВ г/см детона(нижний порог), вспышки, моноимпульсном, ции, км/с мм С Дж/см2 BC-2 3,0 6,5 50 185 2,310-3 BC-7 4,6 6,2 60/100 350 510-3 BC-16 1,1 5,1 139 1210-3 3.2.2 Бризантные взрывчатые вещества В бризантных ВВ (далее БВВ) детонация может быть вызвана влиянием относительно больших внешних воздействий, обычно при помощи ИВВ. Основным видом их взрывчатого превращения также является детонация. У бризантных ВВ взрывчатые характеристики значительно выше чем у инициирующих ВВ. Эту группу представляют следующие ВВ: 1. О-нитросоединения: нитроглицерин – тринитрат глицерина, ТЭН – Тетранитрат пентаэритрита, нитрат целлюлозы. 2. С-нитросоединения: тетрил (тринитротолуол), пикриновая кислота (тринитрофенол); тетранитрометан – С-(NО2)4. 3. N-нитросоединения: тетрил (тринитрофенилметилнитрамин), гексоген (циклотриметилентринитрамин), октоген (циклотетраметилентетранитрамин). 4. БВВ – механические смеси: аммониты (смеси на основе аммиачной селитры), динамиты (смеси на основе нитроглицерина), сплавы тротилгексоген (ТГ) и др., пластичные и эластичные ВВ на основе мощных БВВ. В табл.3 представлены некоторые свойства БВВ. Тэн, гексоген, тетрил используют как вторичные инициирующие ВВ в средствах иницииро- 39 вания основных зарядов ВВ – в детонирующих шнурах (ДШ), в капсюляхдетонаторах (КД) или электродетонаторах (ЭД). Таблица 3 Свойства штатных бризантных взрывчатых веществ Показатели Тротил Тетрил Гексоген Октоген ТЭН Температура плав- 80,6-80,9 129,45 204-205 281-284 139-141,3 ления, C Плотность моно1,663 1,730 1,806 1,904 1,770 3 кристаллов, г/см Удельная теплота 1010 1150 1290 1354 1400 взрыва, ккал/кг (4228) (4815) (5392) (5668) (5866) (кДж/кг) Скорость детона7 7,6 8,85 9,25 8,35 ции, км/с Чувствительность 4-8 48-60 80 84-96 100 к удару по ГОСТ 4545-88, % Во второй половине ХХ века был синтезирован и изучен ряд мощных бризантных ВВ, имеющих рекордные значения скорости детонации (9,1-10,2 км/с) - табл.4. В настоящее время наиболее перспективными среди мощных ВВ представляются такие продукты как CL-20 и отчасти TNAZ. 3.2.3 Метательные взрывчатые вещества К метательным ВВ относятся пороха и ракетные топлива. Служебным видом превращения ракетных топлив и порохов является горение, протекающее за счет содержащихся в них горючего и окислителя. В случае использования мощного инициирующего импульса могут детонировать. При утилизации ракет твердое топливо используют в виде добавок в промышленные ВВ; разработана технология синтеза ультрадисперсных алмазов при взрывании твердого ракетного топлива. Оптимальным для ракетного пороха и смесевого ракетного твердого топлива является кислородный коэффициент порядка 0,65–0,70 (кислородный коэффициент характеризует содержание в топливе окислительных элементов по отношению к необходимому для полного сгорания горючих компонентов). Взрывчатое превращение дымного пороха при возбуждении искрой или пламенем происходит в форме взрывного горения, скорость которого всегда меньше скорости детонации и измеряется сотнями метров в секунду. При возбуждении взрыва капсюлем-детонатором или детонирующим шнуром дымный порох способен детонировать. Используют порох в огнепроводных шнурах (ОШ), в качестве зарядов при отбойке некоторых видов поделочного камня и в других операциях, требующих совершения механической работы. Пороха являются многокомпонентными механическими системами и делятся на дымный (черный) порох и бездымный. Дымный 40 порох известен с XI столетия. В его состав входят нитрат калия KNO3 (75%), древесный уголь (15%) и сера (10%). Используют дымный порох в огнепроводных шнурах (Бикфордовых шнурах), в качестве охотничьего пороха. Таблица 4 Свойства мощных бризантных ВВ Бездымные пороха или пороха коллоидного типа используются в стрелковом оружии, артиллерийских снарядах и в качестве ракетных топлив. Основным компонентом является нитроцеллюлоза различной степени нитрации (так, динитрат целлюлозы содержит 11,11% азота, тринитрат – 14,14% и т.д.). Целлюлоза представляет собой гидроксилсодержащий природный полимер класса полисахаридов. Нитраты целлюлозы обычно содержат 12,5–13,5% азота (их называют пироксилинами) или 11,5–12% (коллоксилины). При желатинизации нитроцеллюлозы используют пластификаторы различной природы, что обуславливает деление этих порохов на ряд групп. Лазерные пороха, разработанные сравнительно недавно, являются специальным топливом, обеспечивающим при сгорании высокотемпературную смесь продуктов строго определенного состава, способных в определенных условиях генерировать когерентное электромагнитное излучение с требуемой длиной волны. В состав лазерно-активной среды входят как 41 минимум 2-3 газовые компоненты (оксиды углерода, молекулы воды, азота и др.). Ракетные топлива являются смесевыми системами и могут быть жидкими, твердыми и комбинированными. Основными компонентами жидкого топлива являются жидкое горючее и жидкий окислитель. В качестве жидкого горючего используют водород, керосин, гидриды металлов, несимметричный диметилгидразин. Основой жидкого окислителя являются фтор, окись фтора, кислород, смесь фтора с кислородом, азотная кислота, тетранитрометан и др. Основными компонентами твердого ракетного топлива (смесевого твердого ракетного топлива – СТРТ) являются кристаллический окислитель: аммониевая соль динитразовой кислоты, перхлорат аммония и др. В качестве горючего используют каучук, который является одновременно и связующим компонентом. Кроме этого в СТРТ добавляют различные пластификаторы, отвердители, горючие добавки – мощные БВВ (например, октоген), порошкообразные металлы и гидриды металлов, стабилизаторы. При утилизации СТРТ и выполнении других работ следует учитывать высокую потенциальную опасность, связанную с изменениями физикохимических характеристик, произошедшими за время длительного хранения: изменение взрывчатых характеристик, ухудшение эластичности и прочности, нарушение сплошности зарядов, появление дефектов (Трещины, отслоения и др.), снижение чувствительности к удару и трению. Пиротехнические составы – механические смеси неорганических окислителей с органическими или металлическими горючими веществами и технологическими добавками. Горение является служебной формой химического превращения. Пиротехнические составы используют в различных отраслях народного хозяйства и оборонной технике. При определенных условия могут детонировать (взрывы на заводах пиротехнических средств в Нидерландах, Италии, Испании, Китае и др. стран). 3.2.4 Промышленные взрывчатые вещества Большинство промышленных взрывчатых веществ (ПВВ) представляют собой смесь химически разнородных материалов; как правило, они выпускаются в виде порошков, гранул или суспензий, состоящих из компонентов с частицами различных размеров и формы, различных по физическим свойствам, по агрегатному состоянию. Такие неоднородности являются причиной физико-химических особенностей возбуждения и развития детонации, процесса взрыва, по многим параметрам отличающихся от закономерностей взрыва индивидуальных ВВ. Особые свойства ПВВ придают такие компоненты как окислители, флегматизаторы, сенсибилизаторы, структурообразующие, горючие и гидрофобные добавки и др. 42 Окислители – вещества, содержащие избыточный кислород, расходуемый при взрыве на окисление горючих элементов (аммиачная селитра – АС, калиевая селитра – КаС, натриевая селитра – НаС и т.д). Горючие добавки – твердые или жидкие вещества, как правило, невзрывчатые – тонкоизмельченный уголь, древесная мука, соляровое масло. Горючие добавки вводят в состав ВВ для увеличения количества энергии, выделяемой при взрыве. Роль горючих добавок выполняют также ВВ (тротил, гексоген и другие), имеющие в своем составе недостаточное количество кислорода для полного окисления содержащихся в них горючих элементов. Пламегасители вводят в состав только предохранительных ВВ для снижения температуры взрыва и уменьшения вероятности воспламенения метановоздушных и пылевоздушных смесей в шахтах. В качестве пламегасителей чаще всего вводят NaCl и KCl. Пламегасители не участвуют в реакции при взрыве, только нагреваются и испаряются, снижая тем самым температуру газов взрыва. Сенсибилизаторы – вещества, вводимые в состав ВВ для повышения его чувствительности к восприятию и передаче детонации. Это, как правило, мощные ВВ (тротил, гексоген, нитроэфиры), чувствительные к инициирующему импульсу, которые в смеси малочувствительных взрывчатых веществ (АС и т.п.) с невзрывчатыми (древесная или хлопковая мука) обеспечивают нормальную чувствительность такого смесевого ВВ к инициированию. Роль сенсибилизатора могут выполнять и невзрывчатые вещества (горючие добавки): соляровое масло, древесная мука или уголь. При этом образуются простейшие смесевые ВВ: динамоны, игданиты, гранулиты. Стабилизаторы (древесная, торфяная мука и др.) вводят для повышения химической и физической стойкости ВВ. Флегматизаторы – легкоплавкие вещества, масла, имеющие высокую теплоемкость и высокую температуру вспышки, обволакивающие частицы ВВ и не вступающие с ним в реакцию. Введение флегматизаторов снижает чувствительность ВВ к механическим воздействиям и обеспечивает более безопасные условия его применения. Часто используют вазелин, парафин и различные масла. Смесевые ВВ для шахт и карьеров – порошкообразные ВВ на основе сухих порошкообразных компонентов, а также с добавками жидких веществ. Из многокомпонентных смесей наибольшее применение имеют следующие основные группы ВВ: а) аммониты – смесь аммиачной селитры, тротила и невзрывчатых горючих добавок. В состав скального аммонита входит добавка гексогена; аммониты предохранительные для шахт и рудников выпускают с добавкой пламегасителей - аммонит №6ЖВ (ожелезненная селитра марки ЖВ), аммонит АП-5ЖВ, аммонит ПЖВ-20, аммонит Т-19 и др. б) Аммоналы - аммониты с добавкой алюминиевой пудры. в) Детониты - смесь аммиачной селитры, нитроэфиров и алюминиевой 43 пудры. г) Динамоны - смесь аммиачной селитры и невзрывчатых горючих добавок. д) Гранулированные ВВ – смеси на основе сухих гранулированных, чешуйчатых компонентов или гранулированных сплавов компонентов. е) Граммониты – смесь гранулированной аммиачной селитры с гранулированным тротилом или с чешуйчатым тротилом. ж) Гранулиты – смеси гранулированной аммиачной селитры с жидкими и порошкообразными невзрывчатыми горючими добавками. з) Игданиты – смесь гранулированной аммиачной селитры с жидкой горючей добавкой. и) Гранулотол – гранулированный тротил. к) Алюмотол – гранулированный сплав тротила с алюминиевой пудрой. л) Водосодержащие ВВ – на основе сухих гранулированных или чешуйчатых компонентов или гранулированных сплавов компонентов с добавками холодного или горячего раствора аммиачной селитры, NaCl или КCl, загущающих раствор и стабилизирующих заряд добавок. м) Акватолы – смесь гранулированной аммиачной селитры и гранулированного тротила с раствором селитр, загущающих и стабилизирующих добавок. н) Эмульсионные ВВ – смеси холодного или горячего насыщенного раствора селитр с жидкой невзрывчатой горючей добавкой и эмульгатором, которая при обработке ее в диспергаторе превращается в водоустойчивое подвижное ВВ. При остывании горячее эмульсионное ВВ твердеет. Наиболее важными свойствами промышленных ВВ (кроме взрывчатых характеристик, эксплуатационных качеств ВВ, стабильности) относят гигроскопичность, слеживаемость, химическая стойкость, водоустойчивость, пластичность, текучесть, уплотняемость, сыпучесть, старение, летучесть, эксудацию и др. Гигроскопичность - это способность промышленных ВВ поглощать влагу из окружающей атмосферы. Способность к увлажнению аммиачноселитренных ВВ обусловлена высокой гигроскопичностью основного компонента - аммиачной селитры, – что приводит к ослаблению и полной потере взрывчатых составов. Накопившаяся влага флегматизирует ВВ. Слеживаемость - это способность некоторых порошкообразных веществ терять при хранении сыпучесть и превращаться в прочную сплошную массу. Слежавшиеся патроны ВВ имеют повышенную опасность. В такие патроны затруднено введение детонатора. Слежавшиеся аммониты (особенно в патронах малого диаметра) мало восприимчива к первичным средствам инициирования, отличаются пониженной детонационной способностью. Химическая стойкость (стабильность) характеризует скорость разложения ВВ при хранении. Если ВВ обладает низкой стабильностью, то в результате хранения больших его количеств может произойти самоускоряющееся разложение и взрыв. В этом случае продукты первичного распада катализируют дальнейшую реакцию, ускоряет, таким образом процесс разложения. 44 Водоустойчивость – это способность ВВ сохранять взрывчатые свойства при погружении в воду. Для повышения водоустойчивости ВВ разработано много способов, один из которых характеризуется введением стеарата кальция или цинка в порошкообразные нитроглицериновые ВВ – детониты, углениты и др. Для снижения смачивающей способности жидких нитроэфиров в этих ВВ их слабо желатинируют коллоидным хлопком. Пластичные ВВ - это ВВ высоковязкой структуры, способное легко деформироваться при незначительных нагрузках и полностью заполнять зарядные полости. К таким ВВ относятся динамиты и акваниты. Текучие (льющиеся) ВВ – низковязкие акватолы, ифзаниты и некоторые акваниты, содержащие до 30% водной желатины. Такие ВВ можно транспортировать по шлангам. Уплотняемость - это качество ВВ, определяющее плотность заряжания зарядной емкости. Уплотняемость возрастает при наличии жидкой фазы в ВВ. Сыпучесть - это способность ВВ легко транспортироваться по трубам и шлангам к месту заряжания, свободно высыпаться, хорошо заполнять пространство скважин. Сыпучесть иногда характеризуют углом естественного откоса. Гранулиты, зерногранулиты, гранулотол - это промышленные ВВ, характеризующиеся хорошей сыпучестью. Старение - это необратимое ухудшение взрывчатых свойств ВВ при хранении, вызванные физико-химическими изменениями в веществе в результате внутренних процессов или взаимодействия с внешней средой. В связи с процессами старения для всех ПВВ устанавливается гарантийный срок хранения, в течение которого гарантировано сохранение основных показателей технических условий не ниже регламентированных норм. Летучесть - это способность некоторых жидких компонентов ПВВ испаряться. К таким компонентам относят нитроглицерин, динитроэтиленгликоль, нитрогликоль. Потеря веса таких ВВ приводит к весьма заметному изменению их взрывчатых свойств. Эксудация - это процесс выделения жидкой фазы из твердой многокомпонентной системы. Это явление наблюдается при старении динамитов, в результате которого на поверхности зарядов появляются капельки чистого нитроглицерина, при этом изменяются взрывчатые характеристики, возрастает опасность в обращении с такими ВВ. К нарушению физической стойкости ВВ могут приводить расслаиваемость компонентов систем, рекристаллизация компонентов и др. Для открытых работ допускаются ВВ, у которых не регламентируется состав продуктов взрыва. К ним не предъявляют строгих требований по детонационной способности. К ВВ, предназначенным для ведения взрывных работ при подземной добыче полезных ископаемых, кроме шахт, опасных по пыли и газу, 45 предъявляются требования по минимальному образованию ядовитых газов (CO, CO2, NO, NO2 , SO2) при взрыве. Слежавшиеся и не поддающиеся размятию руками порошкообразные ВВ, не содержащие гексогена или жидких нитроэфиров, должны измельчаться в соответствие с требованиями "Единых правил безопасности при взрывных работах", после чего могут использоваться только в шахтах (рудниках), не опасных по газу или разрабатывающих пласты (рудные тела), не опасные по взрывам пыли, а также при работах на земной поверхности. Слежавщиеся порошкообразные ВВ, содержащие гексоген или жидкие нитроэфиры, должны использоваться без разминания или измельчения только при взрывных работах на земной поверхности. В угольных и сланцевых шахтах, опасных по газу или пыли, при заряжании запрещается разрезать оболочку патронов. 3.2.5 Основные составляющие промышленных ВВ В 1867 году в Швеции И. Олсон и И. Норбин получили патент на использование аммиачной селитры в составах ВВ. Аммиачная селитра (азотнокислый аммоний или нитрат аммония), NH4NO3 представляет собой бесцветное кристаллическое вещество. Выпускается в виде чешуек, гранул, кристаллов. Легко растворяется в воде, Плотность 1,56-1,74 г/см3; при температуре от –18° до +32°С плотность составляет 1,725 г/см3. В зависимости от температуры аммиачная селитра (АС) может существовать в различных модификациях. Фазовые переходы в АС осуществляются при температурах: –16°С; +32°С; +85°С; +125°С. При температуре 169,1°С АС плавится. При разложении один грамм селитры выделяет 0,2 г кислорода, окисляющего водород, углерод, алюминий. Из-за этого свойства АС используют в качестве компонента взрывчатых смесей. Насыпная плотность АС 0,8-0,9 г/см3 . Толщина слоя, по которому устойчиво может распространяться детонация, равна 30-50 мм, а слоя из пыли АС - 15÷20 мм. Критический диаметр открытого заряда АС при плотности 0,8 г/см3 100 мм, а сухая и тонкоизмельченная АС имеет критический диаметр 10 мм, товарная (обычная селитра) имеет критический диаметр 200÷250 мм. Растворение АС в воде происходит со значительным поглощением тепла и понижением температуры замерзания раствора. При растворении 6 частей в 10 частях воды температура снижается на 17°, а раствор, содержащий 50г АС на 100 г воды, замерзает при –18°С. В связи с этим в местах хранения АС и аммиачно-селитренных ВВ следует систематически вести наблюдения за температурой и влажностью воздуха. Известные трудности возникают при работе со слежавшейся АС. Для уменьшения слеживаемости АС выпускают в виде гранул или крупных чешуек. Водоустойчивая аммиачная селитра ЖВ, содержащая гидрофоб- 46 ную смесь парафина и железных солей жирных кислот, обладает заметно меньшей слеживаемостью. Скорость детонации АС в зависимости от условий 1,5-3,4 км/с. Инициирование зарядов АС осуществляют промежуточным детонатором (например, зарядом аммонита, массой 5÷20% массы заряда АС). Теплота взрыва 335÷375 ккал/кг. В зависимости от материала оболочки существенно изменяется критический диаметр АС: в бумажной оболочке - 10÷12 см, а в стальной - 5 см. Гранулированная или чешуйчатая АС в мешке не детонирует от взрыва 500 г тротиловой шашки. По условиям хранения и транспортирования аммиачная селитра не относится к ВВ. Натриевая, калиевая и кальциевая селитры имеют высокую плотность (более 2 г/см3) и в два раза больше содержат кислорода, чем АС. Но эти селитры имеют ограниченное применение, их добавки повышают плотность ВВ, снижают температуру его замерзания, хорошо удерживают воду в составе ВВ. Смеси перечисленных селитр с горючими добавками более чувствительны к механическим воздействиям и воспламенению. Динамоны - это смеси АС с горючими невзрывчатыми веществами: тонкодисперсной смеси АС с горючими веществами типа древесной муки, измельченного торфа и других целлюлозных материалов, а также алюминиевой пудры и горючих жидкостей. К этой группе относятся игданит и гранулит. Первый получают путем смешивания гранулированной АС с дизельным топливом (ДТ). Названо это ВВ было авторами (1958 г.) в честь института горного дела им. А.А. Скочинского - ИГД. Второе ВВ - гранулит - представляет собой смесь гранулированной АС с минеральными маслами, иногда содержащие добавку алюминиевой пудры. Известны гранулиты АС-4, АС-8, гранулит-М и др. Тротил (тринитротолуол, тол) - это ВВ класса химических соединений (однокомпонентное ВВ). Впервые получен в 1863г., а в 1891 г. его стали выпускать как промышленный продукт во многих странах мира. Кристаллы чистого тротила имеют цвет от светло- до темно-желтого. Цвет Плотность, г/см3 Желтый 1,66 (при 20C) Тплавления, C Скорость детонации, м/с 81 6900 КБ,% Температура взрыва, t C М, г/моль Растворимость в H2O, % -74 2950 227 0,02 (при 15C) Тротил C6H2(NO2)3CH3 является одним из самых распространенных ВВ и представляет собой кристаллическое вещество. Он выдерживает нагревание в течение нескольких часов при температуре до 240°С. С химической точки зрения тротил представляет собой тринитротолуол и относится к классу нитросоединений ароматического ряда: 47 Впервые чистый тротил был получен в 1863 году, а применяется в практике взрывного дела с 1891 года. На его основе разработан целый ряд смесевых ВВ. Так А.А. Солонин изобрел аммотол - смесь аммиачной селитры с тротилом. Уже к началу XX века тротил стал основным бризантным ВВ, не уступая своих позиций и в настоящее время. Благодаря невысокой реакционной способности, он весьма стоек и легко смешивается или сплавляется с различными веществами (селитрой, алюминием, гексогеном, ксилилом и т.д.). Тротил мало чувствителен к механическим воздействиям. Взрывается при падении груза 10 кг с высоты 25 см. Чувствительность к детонации мала, причем чувствительность литого тротила заметно ниже, чем прессованного. Литой тротил не взрывается даже от штатного капсюля-детонатора, ему необходим промежуточный детонатор. Тротил получают нитрованием толуола, производимого из каменноугольной смолы на коксовых заводах или из нефти, подвергшейся пиролизу. Нитрование производится концентрированной азотной кислотой: C6H2(NO2)3CH3+3HNO3= C6H2(NO2)3CH3+3H2O. Наряду с одностадийной технологией применяются двух- и трёхстадийные способы нитрования. После нитрования необходима тщательная промывка горячей водой от кислоты и очистка от несимметричных изомеров, динитротолуола и других примесей. Очистку производят раствором сульфита натрия или перекристаллизацией из чистого этилового спирта. После очистки тротил сушат и чешуируют. Готовый тротил должен представлять собой однородную массу, состоящую из чешуек (кристаллов ромбической формы) светло-жёлтого или жёлтого цвета с температурой затвердевания не менее 80,20С, с содержанием влаги и летучих не более 0,07 %, с кислотностью не более 0,01%. Содержание примесей, не растворимых в бензоле или толуоле, должно быть менее 0,1%. Насыпная плотность порошкообразного тротила 0,9 г/см3. При прессовании под давлением около 4000 кг/см2 плотность достигает 1,6 г/см3. Литой тротил имеет плотность 1,54 1,59 г/ см3. Температура вспышки тротила около 310°С. Вспышка взрывом не сопровождается. Горение тротила в замкнутом пространстве или больших масс может привести к взрыву. Восприимчивость тротила к инициированию можно по мере ее уменьшения представить таким рядом: порошкообразный, прессованный, чешуйчатый, гранулированный, литой. Прессованный 48 тротил инициируют капсюлем-детонатором (КД) или несколькими витками детонирующего шнура (ДШ). Для взрыва литого тротила требуется промежуточный мощный детонатор из прессованных шашек тротила или патронов аммонита. Теплота взрыва тротила при плотностях 0,85 г/см3 и 1,5 г/см3 составляет соответственно 3393,9 кДж/кг и 4231,9 кДж/кг. Скорость детонации сухого гранулированного тротила в открытых зарядах диаметром 60 мм составляет 2,7÷3,3 км/с, в водонаполненном состоянии 6 км/с. Критический диаметр детонации сухого гранулированного тротила в открытых зарядах около 60 мм, водонаполненного 25÷30 мм кислородный баланс (–74%). Работоспособность водонаполненного гранулированного тротила по пробе Трауцля дает 310-315 см3 , сухого порошкообразного - 285 см3. Бризантность водонаполненного гранулированного тротила составляет 23 мм, сухого гранулированного - 9 мм, а тонкоизмельченного - 16 мм. В настоящее время из-за токсичности практически все страны мира не производят тротил и не используют его в промышленности. Тротил практически нерастворим в воде, имеет высокую химическую стойкость. Вспышка его обычно не сопровождается взрывом. Температура вспышки тротила составляет 310°С. Переход горения в детонацию наблюдается только при воспламенении тротила в замкнутом пространстве или в очень больших количествах. Применяют тротил в порошкообразном, прессованном, чешуйчатом, гранулированном виде, а иногда в виде кусков и литых зарядов. При попадании в тротил песка или других твердых примесей резко возрастает его чувствительность к удару и трению, что необходимо учитывать при закладке в скважины. Наиболее чувствительным к инициированию является порошкообразный тротил, наименее – литой. Порошкообразный и прессованный тротил взрываются от капсюлядетонатора или от нескольких витков ДШ. Для взрыва гранулированного или литого тротила требуется более мощный промежуточный детонатор из тротиловых шашек или патронов аммонита. Очень часто на практике применяют понятие энергетического эквивалента – тротилового эквивалента. Для этого выбирают в качестве эталонного ВВ тротил и опытным путем для него находят точное значение соответствующих функций P=f[(G)1/3R-1] и I=[(G)1/6R-1], где: Р – давление при взрыве, I – полный импульс, G – вес заряда, R - расстояние от центра заряда до места измерения. После чего определяют вес заряда исследуемого ВВ, который на любом расстоянии дает одинаковое значение параметров волны с зарядом тротила известного веса. Эта величина и называется тротиловым эквивалентом ВВ. Тротиловый эквивалент m соответствует отношению показателей работоспособности данного ВВ (Qv)ВВ по отношению к таким же показателям тpoтила (Qv)ТР: m=[(Qv)ВВ/(Qv)ТР]. 49 В большинстве случаев при оценке тротилового эквивалента пользуются отношением только теплот взрыва m=[(Qv)ВВ/(Qv)ТР], что целесообразно для ВВ с близким составом продуктов взрыва. Разложение тротила при взрывчатом превращении происходит в соответствии с уравнением реакции: C6H2(NO2)3CH3=2,5H2O+3,5CO+3,5C+1,5N2 с тепловым эффектом 932кДж/моль или 4235 кДж/кг, при этом объём газообразных продуктов составляет порядка 0,750 м3 на 1 кг тротила. Тротил имеет большой отрицательный кислородный баланс, из-за чего при его взрыве выделяется значительное количество твёрдых продуктов - сажи. Алюмотол - это смесь тротила с алюминиевым порошком (№15). Гранулированный алюмотол готовят путем смешивания расплавленного тротила с алюминиевым порошком и последующей грануляции полученной смеси в воде. Продукт представляет собой серебристого цвета гранулы диаметром 3-5 мм. Теплота взрыва водонаполненного алюмотола составляет 5195,6 кДж/кг; работоспособность 420-430 см3; бризантность - 24,5 мм. Скорость детонации в открытых зарядах диаметром 60 мм 5,5÷6,0 км/с. Тетрил (тринитрофенилметилнитрамин) C6H2(NO2)4NCH3 – Цвет Плотность, г/см3 Тзатвердевания, C Скорость детонации, м/с Желтый 1,78 (при 20C) 127,7 7470 КБ,% Температура взрыва, t C М, г/моль Прессуемость, г/см3 -47,4 3900 287 до 1,68 представляет собой порошкообразную массу мелкокристаллического вещества светло-желтого цвета с температурой плавления около130С. В соответствии с химической номенклатурой тетрил является тринитрофенилметилнитроамином и относится к классу нитросоединений ароматического ряда: 50 Все нитросоединения нерастворимы или малорастворимы в воде, практически не гигроскопичны и водоустойчивы. С увеличением числа нитрогрупп взрывчатые свойства нитросоединений усиливаются, а токсичность, наоборот, снижается. Температура вспышки тетрила находится в интервале температур 190-194°С. При горении даже в сравнительно небольших количествах он способен взрываться. Тетрил относится к категории ВВ весьма чувствительных к тепловому и механическому воздействию. Примесь даже 0,05% песка резко повышает чувствительность тетрила к удару и трению. Соединения, у которых нитрогруппа связана с углеродным атомом через азот, характеризуются меньшей химической устойчивостью. Более того, они обладают высокой чувствительностью и повышенной опасностью в обращении: тетрил, имеющий температуру плавления около 128°С, при длительной выдержке при температуре 140°С способен к самовоспламенению. Тетрил также обладает большой восприимчивостью к детонации и очень хорошо передает ее другим ВВ. Чувствительность к механическому воздействию и детонации выше, чем у пикриновой кислоты, бризантность также выше (19 мм). Используют для изготовления шашек - промежуточных детонаторов. В виду большой мощности тетрил особенно пригоден для изготовления капсюлей-детонаторов и детонаторов (ЭД, КД). На открытых взрывных работах тетрил применяют в виде шашек как промежуточный детонатор для инициирования маловосприимчивых ВВ. Для снаряжения боеприпасов практически не применяется. Получают тетрил нитрованием сульфата диметиланилина: Сульфат диметиланилина получают растворением диметиланилина в избытке серной кислоты. Смесь обрабатывается азотной кислотой. Из промытого от остатков кислоты осадка получают готовый тетрил кристаллизацией в процессе сушки. Разложение тетрила при взрывчатом превращении происходит в соответствии с уравнением реакции: C6H2(NO2)4NCH3=2,5H2O+5,5CO+1,5C+2,5N2 с тепловым эффектом 1246 кДж/моль или 4610 кДж/кг, при этом объём газообразных продуктов составляет порядка 0,740 м3 на 1 кг тетрила. Тетрил имеет четко выраженный отрицательный кислородный баланс, что необходимо учитывать на практике. 51 Гексоген (циклотриметилентринитроамин, циклонит, RDX) (CH2)3N3(NO2)3 представляет собой белое порошкообразное кристаллическое вещество без вкуса и запаха с температурой вспышки 230C. С химической точки зрения гексоген представляет собой циклотриметилентринитроамин: Цвет Плотность, г/см3 Тплавления, C Скорость детонации, м/с Белый 1,816 (при 20C) 205 8100 КБ,% Температура взрыва, t 0C М, г/моль Прессуемость, г/см3 -21,6 3800 222 до 1,73 В воде он практически нерастворим. Гексоген чрезвычайно токсичен и обладает химической стойкостью: признаки разложения заметны лишь при температуре около 200C. Обладает работоспособностью по Трауцлю 475 см3, фугасность составляет 470 мл. При воспламенении сгорает с характерным ярким пламенем. Температура вспышки - 290°С. Чувствительность к удару - 30 см. Теплота взрыва в прессованном виде 5447 кДж/кг. При испытаниях по стандартной пробе Гесса навеска гексогена разрушает свинцовый столбик. Впервые гексоген был получены в конце XIX века, но как ВВ нашел применение только с 1920 г. Применяется как вторичное инициирующее ВВ в детонаторах; в смеси с тротилом или в сплаве с тротилом в виде шашек ТГ; в качестве сенсибилизатора в некоторых сортах мощных аммонитов (например, в аммоните скальном №1). Гексоген флегматизируют воскообразными веществами в составах А-IХ-I, А-IХ-2 или специальным лаком в составе ГФГ-2; с тротилом или алюминием – шашки ТГА; в виде пластичных и эластичных ВВ на основе гексогена. Используют в некоторых типах твердых ракетных топлив в качестве активного горючего. Гексоген по мощности значительно превзошёл ранее применявшиеся бризантные взрывчатые вещества: 1 кг гексогена, занимающий объем 0,6л, выделяет при взрыве 5,40 МДж за 10 -5 с, что соответствует 500 ГВт - т.е. в десятки раз больше, чем мощность крупнейшей электростанции; а энергии, полученной при взрыве 200 г этого ВВ при условии 52 полного использования, достаточно для того, чтобы поднять массу в 120 тонн на высоту в 1 метр. Во время второй мировой войны он широко использовался для изготовления детонаторов и разрывных зарядов бронебойных и кумулятивных боеприпасов. Получают гексоген нитрованием уротропина (CH2)6N4 (температура плавления 165°С, хорошо растворим в воде, температура вспышки 190°С, фугасность 190 мл.): С целью увеличения выхода гексогена возможно использование динитрата уротропина вместо чистого уротропина, но при этом важное значение имеют концентрация азотной кислоты и наличие оксидов азота, которые способны вызывать окисление или "выгорание" уротропина. Гексоген, полученный нитрованием динитрата уротропина, почти полностью растворяется в азотной кислоте. Для его выделения данный раствор разбавляют до концентрации кислоты <60%, при которой растворимость гексогена незначительна. При этом необходимо предотвращать повышение температуры. Чувствительность к удару меньше, чем у ТЭНа, но больше, чем у тротила. Наряду с ТЭНом гексоген является сильнейшим и наиболее бризантным ВВ. Для уменьшения чувствительности гексоген обычно флегматизируют парафином или воском. В чистом виде он пригоден только для изготовления капсюлей-детонаторов (в качестве вторичного инициирующего ВВ) и детонирующих шнуров. В смесях с тротилом гексоген используется для снаряжения боеприпасов, а также применяется в качестве компонента некоторых сортов аммонитов с целью увеличения их мощности и для изготовления зарядов и торпед, используемых при прострелке нефтяных скважин. В качестве примера использования гексогена в пластиковых взрывчатках можно указать пластифицированный гексоген С-1 (название по военной классификации) - смесь 88% гексогена, 11% вазелина и 1% белкового (казеинового) клея в пластиковой укупорке. Для ВВ с отрицательным кислородным балансом, коим является гексоген, преобладающей реакцией считают окисление углерода до СО: 2С+O2=2CO. Если при этом не весь кислород расходуется, то его остаток практически равными долями идет на окисление СО до СО2 и Н2 до H2O, что обусловлено близкими тепловыми эффектами реакций CO+0,5O2=CO2+242 кДж/моль и H2+0,5O2=H2O+282 кДж/моль. По этой 53 схеме гексоген при взрыве образует следующие продукты распада: С3H6N3(NO2)3=3H2O+3CO+3N2 с тепловым эффектом 1128 кДж/моль или 5400 кДж/кг. Объём образующихся газов при взрыве составляет порядка 0,890 м3/кг. Октоген (циклотетраметилентетранитрамин, НМХ) C4H8N8O8 - кристаллический белый порошок; плотность монокристаллов 1,9 г/см3; температура плавления с разложением 277°С. Температура вспышки 335°С. Токсичен. Скорость детонации около 9 км/с. Получен в 1941 г. Обладает относительно высокой термостабильностью. Входит в состав твердых ракетных топлив. Его используют в зарядах для перфорации глубоких нефтяных скважин с температурой выше 180°С. Имеет 4 кристаллических модификации. Одна из них - β-модификация - является стабильной формой, обладает наименьшей чувствительностью к механическим воздействиям. ТЭН (тетранитропентаэритрит) C5H8(ONO2)4 получен в 1894 году. Кристаллический порошок белого цвета. Плотность монокристаллов 1,728 г/см3. Влаги не боится. Скорость детонации 8,2÷8,7 км/с. Температура вспышки 255°С, температура плавления с разложением - 141°С, работоспособность 500 см3. Чувствительность к удару 30 см. Химически стойкое вещество. Теплота взрыва 6201 кДж/кг. Бризантность высокая: свинцовый столбик разрушается. Небольшие количества тэна сгорают спокойно, при повышенном давлении горение переходит во взрыв. Обладает высокой чувствительностью к трению и удару, поэтому его выпускают не только в чистом виде, но и флегматизированным парафином и другими подобными веществами. Критический диаметр детонации тэна при плотности 1 г/см3 равен 3 мм. Используется в качестве вторичного инициирующего ВВ в некоторых КД. Застывшая суспензия тэна в тротиле (пентолит) применяется в шашках в качестве промежуточных детонаторов. Используется для изготовления пластитов и эластитов. Применяется в качестве медицинского препарата под названием "ЭРИНИТ", который является аналогом нитроглицерина. Кроме этого, ТЭН нашел широкое применение в детонирующих шнурах, поскольку имеет критический диаметр детонации - 1 мм. Нитроглицерин (тринитрат глицерина, НГ, НГЦ) C3H5(ONO2)3 Цвет Плотность, г/см3 Тзамерзания, C Скорость детонации, м/с Бесцветен 1,600 (при 16C) +13,2 7500 КБ,% Температура взрыва, t 0C М, г/моль Растворимость в H2O, г/дм3 +3,5 4100 227 1,800 (при 20C) 54 представляет собой маслянистую бесцветную жидкость с характерным сладким вкусом (технический нитроглицерин имеет слабо жёлтую окраску). При температуре более 50°С летуч. Хорошо растворим в большинстве органических растворителей, хорошо растворяет коллоидный хлопок, на чем основано получение желатинизированного нитроглицерина для пластичных динамитов. Заключает в себе большой запас энергии: его работоспособность 590 см3, бризантность по Гессу 24-26 мм. Является сильнодействующим ядом, вызывая острые головные боли при вдыхании его или при соприкосновении с кожей. От пламени загорается с некоторым трудом; легко воспламеняется искрой огнепроводного шнура. В небольших количествах (до 2 кг) сгорает спокойно. Горение больших количеств переходит во взрыв. С химической точки зрения нитроглицерин представляет собой глицеринтринитрат: CH2ONO2-CHONO2-CH2ONO2. Тринитроглицерин впервые получил в 1846 г. в Италии химикисследователь А. Собреро. Это, безусловно, способствовало целому комплексу исследований по поиску новых ВВ. Однако до 1854 г. нитроглицерин из-за большой опасности при получении и использовании на практике не был востребован. Впервые предложение о практическом применении нитроглицерина для разрывных зарядов в артиллерийских снарядах внес в 1854 году, во время Крымской войны, профессор Н.Н. Зинин. Но вследствие большой опасности при снаряжении и при использовании боеприпасов, начинённых нитроглицерином, Главное артиллерийское управление отказалось от применения нитроглицерина. Поэтому впервые чистый нитроглицерин был применен для изготовления взрывчатых смесей в горнодобывающей промышленности только в 1867 г. Однако на золотых приисках в Восточной Сибири при производстве взрывных работ артиллерийский офицер З.Ф. Петрушевский, работавший под руководством знаменитого русского химика Н.Н. Зинина, использовал разработанное им в 1853 г. ВВ на основе нитроглицерина, аналогичное по составу динамитам - «магнезиальный динамит» (75% нитроглицерина и 25% углекислого магния). Но подлинную революцию в мирном и военном применении динамитов и порохов на основе нитроглицерина, а также средств их инициирования произвел знаменитый шведский инженер и предприниматель А. Нобель, разработавший в 1888 г. нитроглицериновый баллиститный порох, получаемый путем желатинизации нитроцеллюлозы нитроглицерином. В России технологию бездымного пироксилинового пороха разработал в 1891 г. Д.И. Менделеев. Нитроглицерин получают обработкой глицерина смесью концентрированных азотной и серной кислот. Хорошо отмытый от этих кислот он достаточно химически стоек при комнатной температуре, но при наличии следов кислот способен постепенно разлагаться с последующим взрывом. 55 Чувствительность к удару весьма велика: детонирует при падении груза массой 2 кг с высоты 4 см. Применяется в смеси с нитроцеллюлозой для получения нитроглицеринового пороха, а в смеси с нитроцеллюлозой и другими горючими наполнителями для производства динамитов. Взрывчатые смеси на основе нитроглицерина содержат обычно нитроглицерин в желатинизированном виде, т.е. в виде смеси с растворяющей его нитроцеллюлозой. Полученный гель требует добавок инертных горючих компонентов (древесной муки, ваты, песка и т.д.) или неорганических окислителей (аммиачной или калиевой селитры). Однако следует отметить, что изза высокой чувствительности и опасности в обращении, а также дороговизны взрывчатые смеси на основе нитроглицерина (динамиты) в последнее время утратили свое былое значение во взрывном деле. Направление протекания реакции любого взрывчатого превращения лимитируется принципом Ле-Шателье-Брауна и законами химической термодинамики. Взрыв можно рассматривать как термохимическую реакцию, протекающую в адиабатических условиях, поэтому в соответствии со вторым законом термодинамики, базирующемся на фундаментальном принципе максимизации энтропии, любая изолированная система будет стремиться перейти в такое состояние, при котором бы обеспечивался максимум значения энтропии системы. В предельном случае это обуславливает образование термодинамически наиболее устойчивых соединений (стабильных фаз), что, в свою очередь, сопровождается максимальным тепловым эффектом процесса. Так разложение нитроглицерина осуществляется в соответствии с уравнением реакции: C3H5(ONO2)3=2,5H2O+3CO2+1,5N2+0,25O2 с тепловым эффектом 1420 кДж/моль или 6200 кДж/кг. Равновесие этой химической реакции при взрыве смещается в направлении образования высших оксидов углерода и водорода CO2 и H2O, молекулярных азота N2 и кислорода O2, т.е. в направлении образования продуктов реакции. При взрыве образуется порядка 0,715 м3 газообразных продуктов на 1 кг нитроглицерина. Ограниченно применяется в качестве сенсибилизаторов при изготовлении некоторых предохранительных ВВ: победитов, угленитов, серного и нефтяного аммонитов. Единственное штатное БВВ жидкое и единственное с положительным кислородным балансом. Нитрогликоль C2H4(ONO2)2 - прозрачная жидкость с удельным весом 1,5 г/см3. Затвердевает при –20°С. В смеси с нитроглицерином образует растворы, имеющие температуру затвердевания от –17°С до –23°С. Химически стоек; теплота взрыва 7120 кДж/кг, скорость детонации 7,4 км/с; работоспособность 600 см3. При работе с нитрогликолем нужна особая осторожность – недопустим контакт открытых поверхностей тела. Области применения такие же, как и у нитроглицерина. В табл.5 приведены технологические характеристики некоторых ВВ. 56 Таблица 5 Технологические характеристики некоторых ВВ КБ, % Температура взрыва, t C Объем газов при взрыве, л/кг Теплота взрыва, кДж/кг NH4NO3=2H2O+N2+0,5O2 +20,0 1950 980 1400 Гексоген С3H6N3(NO2)3=3H2O+3CO+3N2 -21,6 3800 890 5400 Дигликольдинитрат C4H8О(ONO2)2=4H2O+3CO+С+N2 -40,8 - - 4000 Динитронафталин C10H6(NO2)2=3H2O+CO+N2 +9C 129,4 2500 750 2940 Коллоидный хлопок C6H7О3(ОNО2)3=3,5H2O+3,5CO+2,5CО2+ +1,5N2 -33,6 250 936 3630 Ксилил C8H7(NО2)3=3,5H2O+2,5CO+5,5C+1,5N2 - - - 4300 Нитроглицерин C3H5(ONO2)3=2,5H2O+3CO2+1,5N2+0,25O2 +3,5 4100 715 6200 Нитрогликоль C2H4(ONO2)2 = 2H2O + 2CO2 + N2 4200 738 6620 ТЭН C5H8(ONO2)4=4H2O+3CO2+2CO+2N2 -10,2 4000 790 5700 Пикриновая кислота C6H2(NО2)3OH=1,5H2O+5,5CO+0,5C+1,5N2 -45,4 - - 3300 Тетрил C7H5N(NO2)4=2,5H2O+5,5CO+1,5C+2,5N2 -47,4 3900 740 4610 Тротил C7H5(NO2)3=2,5H2O+3,5CO+3,5C+1,5N2 -74,0 2950 750 4235 ВВ Упрощенная реакция взрыва NH4NO3 3.2.6 Дополнительные компоненты аммиачно-селитренных ВВ В состав аммиачно-селитренных ВВ входят невзрывчатые органические горючие добавки, богатые горючими элементами (Н2, С), которые окисляются избыточным кислородом АС с выделением тепла (древесная мука, мука хлопкового жмыха). В качестве добавок используют карбамид (мочевину) - СО(NH2)2. Карбамид с аммиачной селитрой (48/52) образует смесь с температурой плавления tплавл=48°С, а при 15% карбамида смесь плавится при 75°С. Жидкой горючей добавкой (5%) является соляровое масло всех выпускаемых марок. Используют при изготовлении гранулитов. Широко применяемой в качестве твердых горючих добавок является алюминиевая пудра или алюминиевый порошок, повышающие чувствительность ВВ, теплоту взрыва и объемную концентрацию энергии ВВ. Алюминий часто заменяют ферросплавами, содержащими кремний, ферросилиций (содержит 20–80% Si, 1–3% Al, 0,2–0,4% Cr, 0,2–0,6% Mn) и силикокальций (содержит 10–30% Ca, 1–2% Al, 6–25% Fe). 57 В состав водоустойчивых ВВ входят гидрофобные добавки (парафин, стеарат кальция, асфальтит), выполняющие роль горючих компонентов. При необходимости загущения растворов АС в водосодержащих ВВ применяют полиакриламид, изаргам, гуаргам, который получают размолом бобов тропической акации. Структурообразующие добавки применяют для создания поперечной связи макромолекул загущающих полимеров. Для этой цели применяют сульфат хрома, бихромат натрия, сернокислый алюминий, буру, калиевые квасцы хрома и др. Пороха коллоидного типа (пироксилиновые пороха) для взрывных работ используют сравнительно редко. При заряжании скважин пироксилиновый порох смешивают с насыщенным раствором АС, что повышает бризантность и энергию взрыва. Конверсионными взрывчатыми веществами принято называть ВВ и средства инициирования (СИ), которые использовали в военном деле, а затем из-за истечения сроков хранения применяют в горном деле для взрывов дробления или выброса. Все ВВ (заряды в снарядах, авиабомбах, торпедах, ракетах), а также артиллерийские и ракетные пороха имеют большой отрицательный КБ, повышенную чувствительность (ВВ с добавками гексогена, тэна, сплавов алюминия и магния), сильную электризуемость (пороха), т.е. они гораздо опаснее при их применении в промышленных взрывах. Пороха и некоторые ВВ выделяют, кроме традиционных газов СО, NO2, а также ядовитые хлористые газы. Это позволяет использовать эти ВВ только на земной поверхности, при этом, они экологически будут вреднее промышленных. Конверсионные ВВ более подходят (по организационным факторам) к использованию на временных объектах - сооружение дорог, каналов, плотин, взрывов на выброс и т.д. В качестве средств инициирования можно использовать тротиловые и тротил-гексогеновые шашки (ТГ) для промежуточных детонаторов, а также более высококачественные, чем промышленные, боевые ЭД с платиноиридиевыми мостиками накаливания, а также КД и огнепроводные шпуры. В настоящее время накоплен опыт переработки и использования в качестве водоустойчивых ВВ под названием гранипоров артиллерийских порохов, выплавки из снарядов тротила, последующего его гранулирования и использования взамен гранулотола под названием конвертол. Успешные результаты получены при использовании баллиститных порохов для изготовления удлиненных кумулятивных зарядов для дробления негабаритов, резки металлоконструкций при утилизации или разрушения объемных бетонных и железобетонных сооружений. Разработана технология переработки зарядов твердого топлива в гранулы, пригодных для производства синтетических алмазов, пороховых 58 зарядов твердотопливных ракет в гранулы разных размеров, пригодных для заряжания обводненных скважин. 3.2.7 Нитроглицериновые ВВ Высокопроцентные нитроглицериновые ВВ имеют весьма небольшое применение по сравнению с аммиачно-селитренными. Основные компоненты: нитроглицерин и нитрогликоль. Очень опасны в обращении. Из высокопроцентных нитроглицериновых ВВ имеет применение, при том весьма незначительное лишь 62% динамит. Он состоит из смеси нитроглицерина - 37% и нитрогликоля - 25%, желатинированных коллоидным хлопком - 3,5%, калийной или натровой селитры - 32%, древесной муки 2,5%. Тугая пластичная масса ВВ патронируется в бумажные гильзы, плотность патронов 1,45. Динамит водоустойчив. Бризантность 16 мм. Чувствительность к удару 28 см. Температура замерзания tзамерз= –20°С (опасность в обращении увеличивается). Замерзшие динамиты перед употреблением надо отогревать при температуре не выше +30°С. При отогревании, а также при хранении в условиях повышенной температуры может происходить эксудация - выделение из массы патрона жидких нитроэфиров. Эксудирующий динамит столь же опасен в обращении, как и нитроглицерин. Поэтому работа с таким динамитом и его хранение запрещаются. Динамит подлежит немедленному уничтожению. Низкопроцентные нитроглицериновые ВВ содержат до 15% нитроэфиров. По условиям хранения и транспортировки они приравниваются к аммиачно-селитренным ВВ, но в обращении они опаснее, имеют некоторую токсичность. Непредохранительные ВВ II класса. Детонит №10А и детонит М порошкообразные непредохранительные ВВ, содержащие до 10% нитроэфиров и до 10% порошка алюминия, 8÷11% тротила и более 70% - АС. Плотность 1,1÷1,3 г/см3. Бризантность 17-18 мм. В воде заряды детонита выдерживают несколько часов без снижения качества. Эти ВВ рекомендуются при заряжании обводненных скважин и шпуров в крепких породах. ВВ этого класса разрешается применять: - при проведении горизонтальных, наклонных, восстающих и вертикальных выработок, а также углубке шахтных стволов с действующих горизонтов шахт при соблюдении следующих условий: - отсутствии в забоях угольных пластов, пропластков, а также выделения метана; - подтоплении водой забоя углубляемого ствола перед взрыванием на высоту не менее 20 см, считая по наивысшей точке забоя; - отставании от любой точки забоя до угольного пласта (при приближении к нему) не менее 5 м, считая по нормали. После пересечения пласта забоем выработки расстояние от любой точки забоя до пласта должно быть более 20 м, считая по протяжению выработки. Если выработка закреплена моно- 59 литной крепью, исключающей поступление в нее метана из пласта, и работы по изоляции пласта ведутся по проекту, согласованному организацией – экспертом по безопасности работ, ВВ II класса могут применяться после пересечения угольных пластов и пропластков; - в забоях, проводимых с поверхности шурфов или стволов шахт, опасных по газу или пыли, в том числе при пересечении этими забоями пластов, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа; - при сотрясательном взрывании в выработках, проводимых по выбросоопасным породам при условии применения водораспылительных завес, создаваемых взрывным распылителем воды из полиэтиленовых сосудов в сочетании с туманообразующими завесами. Предохранительные ВВ III класса. Победит ВП-4, содержит до 10% нитроэфиров, имеет хорошие детонационные свойства. В обводненных забоях и в крепких породах более эффективен, чем аммонит АП–5ЖВ. Бризантность – 14 мм, плотность 1,1÷1,3 г/см3. Температура взрыва - 2565°С. Применяется в породных забоях, опасных по метану, но не опасных по пыли. Аммонит серный №1ЖВ, порошок желтого цвета, жирный на ощупь, сенсибилизирован нитроэфирами. Имеет низкую водоустойчивость, малую мощность, хорошую детонационную способность. Токсичен, требует повышенной осторожности в обращении, чувствителен к низким отрицательным температурам. Состав: 5% нитроэфиров, 11,5% тротила; 52% - АС. Бризантность 11 мм, температура взрыва 1570°С. Плотность ВВ в патронах 0,95÷1,05 г/см3. Аммонит нефтяной №3ЖВ. По многим свойствам близок к аммониту серному, но отличается от последнего высокой водоустойчивостью. Состав: 9% нитроэфиров, 7% тротила, 52% АС. Бризантность 12 мм, плотность 1÷1,3 г/см3. Температура взрыва – 1925°С. Предохранительные ВВ III класса разрешается применять: - в забоях выработок, проводимых только по породе, в том числе и по выбросоопасным породам, при выделении метана и отсутствии взрывчатой пыли; в забоях стволов, проводимых только по породе, при их углубке с действующих горизонтов и выделении в них метана; - при вскрытии пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа, до обнажения пласта при условии применения водораспылительных завес и наличии между пластом и забоем выработки породной пробки по всему сечению выработки. Размер пробки (считая по нормали) должен быть не менее 2 м при вскрытии крутых пластов и не менее 1 м при вскрытии пологих пластов. Предохранительные ВВ IV класса. Аммонит ПЖВ–20, Аммонит Т19. Отличаются увеличенным на 3% содержанием тротила и лучшей технологической обработкой, за счет чего несколько увеличились их взрывчатые характеристики. Выпускаются в патронированном виде; мелкодис- 60 персные порошки светло–желтоватого цвета с видимым частицами пламегасителей. Способны детонировать при уплотнении до 1,7 г/см3. Работоспособность аммонита ПЖВ-20 – 265-280 см3; теплота взрыва 3400 кДж/кг. Скорость детонации 3,5÷4,0 км/с. Состав: 64% -АС; 16% - тротил; 20% хлористый натрий. Работоспособность аммонита Т-19 составляет 270280см3; теплота взрыва 3380 кДж/кг. Скорость детонации 3,6-4,3 км/с. Основные компоненты: 61%-АС; 19% -тротил; 20% -хлористый натрий. Область и условия применения: шпуровые заряды в сухих и мокрых угольных и смешанных забоях, опасных по взрыву метана и пыли (кроме забоев, отнесенных к особо опасным), а также скважинные заряды при вскрытии угольных пластов сотрясательным взрыванием. Аммониты для подземных работ выпускают в виде порошка или прессованные и только патронированные (плотность патрона 1-1,15 г/см3; диаметр патрона 32, 36 и 45 мм). Плотность прессованных аммонитов 1,4-1,58 г/см3. Патроны прессованные разминать не допустимо. Гильзы патронов делают из пергаментной бумаги, парафинируют. На гильзы патронов проставляют фабричное клеймо с обозначением наименования завода, типа ВВ и массы патрона. Массы патронов стандартного диаметра 100, 200, 250, и 300 г. Цвет гильзы (или клейма) соответствует классу ВВ. Гарантийный срок использования аммонитов предохранительных – 6 мес. Непредохранительных – 12 мес. Предохранительные ВВ IV класса разрешается применять: - в угольных и смешанных забоях выработок, проводимых по угольным пластам, опасным по взрывам пыли, при отсутствии выделения метана в этих выработках; - в угольных и смешанных забоях горизонтальных, наклонных и восстающих (до 10°) выработок, проводимых по пластам, опасным по газу и пыли, в которых отсутствует повышенное выделение метана при взрывных работах; - при сотрясательном взрывании, в т.ч. камуфлетном, вскрытии угольных пластов после их обнажения и последующем проведении выработок на протяжении не менее 20 м; - в бутовых штреках с нижней подрывкой пород; в бутовых штреках с верхней подрывкой пород при относительной метанообильности выемочного участка менее 10 м3/т; при взрывной выемке угля в лавах; - при взрывании по породе в смешанных забоях выработок, проводимых по пластам, опасным по внезапным выбросам угля и газа, при опережающем породном забое; - для подрывки некоторых боковых пород (f>4) в смешанных забоях выработок, при условии, что предварительная выемка угля будет проводиться без применения взрывных работ. Предохранительные ВВ V класса. Угленит Э–6. Основные компоненты: нитроэфиры – 14%; натриевая селитра – 46%; хлористый аммоний – 30%; хлористый натрий – 7%; древесная мука – 2,5%. Теплота взрыва 61 2680 кДж/кг; скорость детонации 2 км/с; работоспособность 130 – 170 см3; мало водоустойчив. Свободно подвешенный заряд не вызывает взрыв метано-воздушной смеси. Ионнообменные соли в зоне повышенных давлений и температур, обеспечиваемых детонацией нитроэфиров, вступают в реакцию обмена, которая сопровождается выделением инертных газов и пылевидной инертной соли: NaNO3+NH4Cl→NaCl+N2+2H2O+0,5O2. Избыточный кислород окисляет горючие элементы древесной муки. Угленит №5. Теплота взрыва 1300 кДж/кг; скорость детонации 1,8 км/с; работоспособность - 50 см3. Состав основных компонентов: нитроэфиры 10%, аммиачная селитра - 14%, хлористыцй натрий - 75%, древесная мука 1%. Применяется для перебивания стоек органной крепи в лавах и для рыхления угля, застрявшего в углеспусках. Угленит №7 отличается от угленита №6 твердой сенсибилизирующей добавкой - окиси кремния. Предназначен для разбуривания печей в газовых шахтах и перебивания крепежных стоек. Работоспособность 80-120 см3. Предохранительные ВВ V класса разрешается применять: - в угольных и смешанных забоях горизонтальных, наклонных и восстающих (до 10°) выработок с повышенным выделением метана при взрывных работах. При этом в смешанных забоях по углю и по породе должно применяться одно и то же ВВ. В отдельных случаях по разрешению органа Госнадзорохрантруда, выданному на основании заключения организацииэксперта по безопасности работ, допускается применение по углю ВВ V класса, а по породе - IV класса; - в угольных и смешанных забоях восстающих (до 10°) выработок, в которых выделяется метан, при проведении их с предварительно пробуренными скважинами, обеспечивающими проветривание выработок за счет общешахтной депрессии; в нишах лав, не отнесенных к забоям с повышенным выделением метана; - в бутовых штреках, проводимых с верхней подрывкой пород, при относительной метанообильности выемочного участка 10 м3/т и более; - для верхней и смешанной подрывки боковых пород (f=4 и менее) в смешанных забоях выработок с повышенным выделением метана при взрывных работах при условии, что предварительная выемка угля будет проводиться без применения взрывных работ. Предохранительные ВВ VI класса. Угленит 12ЦБ (кроме патронов СП-12) как и угленит П-12ЦБ относятся к ионнообменным селективнодетонирующим ВВ. В качестве сенсибилизатора содержит нитроэфиры (нитроглицерин). Теплота взрыва 2300 кДж/кг; скорость детонации около 2 км/с; работоспособность 120 см3. Предохранительные ВВ VI класса разрешается применять: - в верхних нишах лав с повышенным выделением метана; - в угольных забоях восстающих (до 10°) выработок, в которых выделяется метан, при проведении их без предварительно пробуренных скважин; 62 - в забоях выработок, проводимых по нарушенному массиву (в том числе и в забоях выработок, проводимых в присечку к нарушенному массиву), при выделении в них метана. При этом глубина шпуров должна быть не более 1,5 м, а масса шпурового заряда патронированного ВВ – не более 0,6 кг; - для верхней и смешанной подрывки пород (f=4 и менее) в вентиляционных штреках, проводимых вслед за лавой. Шпуровые заряды в верхних нишах лав и в восстающих выработках, особо опасных по метану, изготавливаются из угленита П–12ЦБ. Предохранительные ВВ VII класса. Ионит - это безопасное предохранительное ВВ VII класса; скорость детонации 1,8 км/с; теплота взрыва 1900 кДж/кг. В своем составе содержит компоненты такие же, как и углениты. Предохранительные ВВ этого класса разрешается применять для следующих видов специальных взрывных работ: - для ликвидации зависаний горной массы в углеспускных выработках и дробления негабаритов накладными зарядами; - для взрывного перебивания деревянных стоек при посадке кровли. В забоях выработок, где имеется газовыделение или взрывчатая угольная пыль, разрешается применять только предохранительные электродетонаторы мгновенного и короткозамедленного действия. Составы и свойства некоторых ионообменных промышленных ВВ для угольных шахт, опасных по газу и пыли, приведены в табл. 6 и 7. В США доля потребления предохранительных ВВ составляет 1% от общего выпуска, при этом список допущенных ВВ такого класса к применению в угольной отрасли насчитывает более ста наименований: гранулированных составов - около 50 наименований, водосодержащих и эмульсионных составов - более 25, остальные - нитроэфиросодержащие ВВ. Предохранительные ВВ, в состав которых входит тротил, не производятся. В целом, ассортимент предохранительных ВВ США не типичен для применения в условиях украинских шахт, опасных по газу и пыли. С учетом принятой методики идентификации предохранительных ВВ в Украине взрывчатые вещества США относятся к III и IV классам. Очевидно несовершенство и ограниченность существующего ассортимента предохранительных промышленных ВВ в Украине, которые более полувека представлены тремя порошкообразными патронированными аммонитами III и IV класса предохранительности, несколькими нитроэфирными ВВ V-VII класса. Однако их уровень предохранительных свойств и устойчивости против выгорания не в полной мере отвечают существующим требованиям сверхкатегорийных шахт. 3.2.8 Детонация промышленных ВВ Главная особенность промышленных ВВ (ПВВ) состоит в том, что они являются физически и химически неоднородными системами. Этим 63 объясняются особенности их детонации и некоторые аномалии относительно положений классической теории детонации конденсированных ВВ. Таблица 6 Состав некоторых ионообменных предохранительных ВВ для угольных шахт, опасных по газу и пыли Большинство ПВВ представляет собой смеси материалов разнородных по химическим и физическим свойствам. Как известно, в ПВВ могут содержаться и высокоактивные индивидуальные ВВ, разлагающиеся в детонационной волне с большой скоростью, и менее активные вещества, но с 64 сильно выраженными взрывчатыми свойствами типа тротила; вещества со слабо выраженными взрывчатыми свойствами – аммиачная селитра, динитронафталин и др., разлагающиеся при детонации со скоростью на порядок меньшей, чем мощные БВВ. Таблица 7 Свойства некоторых ионообменных предохранительных ВВ для угольных шахт, опасных по газу и пыли В состав ПВВ входят горючие материалы, не обладающие взрывчатыми свойствами (алюминий, древесная мука, парафин и др.), и совершенно инертные, не принимающие участия в химических реакциях при взрыве и способные претерпевать лишь фазовые превращения такие вещества как минеральные соли (пламегасители), вода и др. С точки зрения компонентного состава промышленные ВВ являются также и кинетически неоднородными системами. Основные особенности детонации промышленных ВВ следующие: 1. Химические реакции при взрыве промышленных смесевых ВВ происходят в несколько стадий. Типичной схемой развития химических реакций является первоначальное разложение или газификация исходных компонентов в детонационной волне и последующее взаимодействие продуктов разложения между собой или с веществами (алюминий, ферросилиций и др.), не претерпевшими на первой стадии химических или фазовых превращений. Критическая плотность, точка максимума на кривой D=f(ρ0) и 65 другие характеристики, связанные с экстремальным видом зависимости параметров детонации от плотности, не являются константами того или иного ПВВ, определяемыми его химическим составом. Они меняются с изменением физических характеристик ВВ (размер частиц, равномерность распределения компонентов и т.д.), поперечных размеров зарядов, свойств оболочки заряда. 2. На детонационную способность ПВВ может существенно влиять равномерность смешивания компонентов. Чем мельче частицы разнородных компонентов и чем более равномерное их распределение в объеме, тем быстрее завершается их сгорание, смешивание и взаимодействие продуктов сгорания. 3. Для промышленных ВВ характерны такие явления как растянутость зоны химической реакции, большой интервал между dКР и dПР (отношение этих величин может достигать 5-10). Например, dКР тонкодисперсных аммонитов в открытых зарядах при рабочей плотности составляет 10-15 мм, а максимальная скорость детонации наблюдается при заряде диаметром 80100 мм. Гранулированные смеси устойчиво детонируют в открытых зарядах диаметром 40-150 мм и достигают максимальной скорости детонации в зарядах диаметром более 200 мм, сильная зависимость этих характеристик от технологии изготовления; экстремальная зависимость скорости детонации и бризантности от плотности заряда при dЗСО2+2Н2О. Цепная реакция – это химическая реакция, в каждом элементарном акте которой появляется по крайней мере одна активная частица, что вызывает цепи превращений. Цепи превращений – это последовательность химических реакций, в которых продукты предыдущих стадий являются реагентами для последующих. Для понижения величин QР и TВЗР взрывчатых веществ, содержащих большое количество аммиачной селитры, используют добавки инертных солей NаСl и КСl. Например, добавки 20% NаСl снижают QР и TВЗР на 25-30%. NаСl и КСl являются не только отрицательными катализаторами (табл.12), но и пламегасителями. Рис.30 Схема взаимодействия кислорода воздуха с молекулой метана. 89 Таблица 12 Период индукции в зависимости от типа отрицательного катализатора Некоторые главные факторы, влияние которых на зажигание МВС наиболее существенно: - воздушная ударная волна; - раскаленные или горящие твердые частицы; - горячие газообразные ПВ. Существующие гипотезы учитывают именно эти факторы, но даже и в этом случае они позволяют делать меньше ошибок при подборе предохранительных ВВ и условий взрывания. Основные требования, предъявляемые ко всем предохранительным ВВ, являются обязательными и для высокопредохранительных составов. Эти требования сводятся к следующему: - иметь небольшую теплоту и температуру взрыва; - иметь небольшую работоспособность – порядка 200–240 см3 при взрывании по углю, а в особо опасных забоях – 170 см3; 240–300 см3 – при взрывании по породе; - энергия взрыва должны быть ограничена; - ВВ должны хорошо детонировать; - иметь кислородный баланс, близкий к нулю; - в состав ВВ целесообразно вводить инертные вещества, обладающие в то же время отрицательными каталитическими свойствами относительно реакции окисления метана; - не должны содержать посторонних включений (металлических и др.), способных гореть в воздухе с развитием высокой температуры. Отвечая этим требованиям, предохранительные ВВ имеют свои, присущие только им особенности, благодаря которым они обеспечивают высокую степень безопасности при взрывных работах. Современные предохранительные ВВ, безопасные с точки зрения воспламенения МВС, можно считать безопасными и в отношении воспламенения пылевоздушной смеси. По оценкам специалистов до 25% от количества случаев воспламенения МВС или ПВС в опасных выработках шахт являются взрывные работы. Анализ взрывов в шахтах показывает (опыт России и Украины), что главными причинами являются выгорание зарядов (~25%) и их обнажение (~25%), далее идут трещины в массиве пород (~20%), отсутствие или недостаточность забойки (~12%), низкая водоустойчивость зарядов. Таким 90 образом, почти 50% аварий связаны с применением ВВ, которые не соответствуют указанному классу предохранительности и воспламеняют газ в результате обнажения заряда, при наличии трещин в массиве пород и отсутствии забойки. Существующий ассортимент предохранительных ВВ имеет ряд недостатков. Например, предохранительные аммониты способны к выгоранию, слеживаемости, они обладают малой водоустойчивостью, высокой чувствительностью к уплотнению и т.д. ВВ, содержащие нитроэфиры, имеют сложный состав, содержат токсичные соединения, обладают высокой чувствительностью к механическим воздействиям, имеют высокую стоимость. В настоящее время предохранительные ВВ еще не могут быть признаны абсолютно безопасными для ведения взрывных работ во взрывоопасносной атмосфере шахт. Поэтому необходимо их дальнейшее совершенствование в направлении повышения антигризутности, т.е. увеличения массы предельного заряда в МВС. Решение этого вопроса является важной задачей, имеющей большое научное и практическое значение для повышения техники безопасности и охраны труда. Наиболее перспективным направлением повышения уровня предохранительных свойств ВВ является применение в их составе химически активных солей- ингибиторов реакции окисления метана кислородом воздуха. В результате торможения этой реакции ингибитором, который находится в составе предохранительного ВВ, удается обеспечить предупреждение взрывов МВС при взрывных работах. Однако было установлено, что соли-ингибиторы, введенные непосредственно в состав предохранительных ВВ, в оболочку заряда или забойку, могут под действием взрыва терять свойства отрицательных катализаторов (ингибиторов), что является аномальным явлением, которое ранее не было известно. Это явление характеризуется тем, что в течение определенного времени под действием продуктов детонации ВВ соли-ингибиторы становятся не способными тормозить реакцию окисления метана, в результате чего происходит воспламенение МВС. Считается, что ответственным за каталитическое ингибирующее действие соли является образующий ее металл. Ионы металла на поверхности кристалла соли сначала захватывают или адсорбируют радикал, а затем происходит его рекомбинация с другими радикалами. В результате рекомбинации на поверхности соли-ингибитора радикалы выводятся из зоны реакции, и скорость реакции окисления метана резко тормозится вплоть до полного прекращения реакции. Однако, как показали исследования по изучению предохранительных свойств ПВВ в МВС, ингибирующая активность соли существенно зависит от времени контакта ингибитора со взрывоопасной МВС. Было установлено, что существует интервал времени, в течение которого ингибитор оказывается не способным затормозить реакцию окисления метана. Этот интервал времени, в течение которого у ингибитора существует дерекомби- 91 национный эффект, соответствует интервалу времени, когда кристаллы соли-ингибитора находятся непосредственно в зоне действия на них сильной детонационной или ударной волны. В табл.13 приведены результаты расчетов давления динамического сжатия кристаллов соли-ингибитора во фронте детонационной волны предохранительных ВВ. В табл.14 приведены результаты расчета давления ударного сжатия ингибитора при детонации ВВ и приращения энергии кристаллами соли, равное работе их сжатия. Эти величины были сопоставлены со значениями масс предельных зарядов предохранительных ВВ IVVII классов, которые характеризуют уровень их предохранительных свойств. Результаты, приведенные в табл.13,14 показывают, что сжатие вещества ингибитора при детонации ВВ происходит под действием возникающей в нем ударной волны. Величина давления, возникающая в кристаллах соли, оказывает существенное влияние на уровень предохранительных свойств ВВ, т.к. кристаллы соли-ингибитора под действием высокого давления становятся не способными тормозить цепные реакции окисления метана кислородом воздуха. Необходимо отметить, что величина затраты энергии детонации ВВ на сжатие кристаллов соли-ингибитора не оказывает существенного влияния на уровень предохранительных свойств ВВ. Для угленита Э-6 и ионита различие в таких затратах энергии не превышает 10%, тогда как уровень их предохранительных свойств отличается существенно – величина предельного заряда ионита в 10 раз больше, чем у угленита. 5.1 Перспективы развития предохранительных ВВ Существующий ассортимент предохранительных ВВ имеет ряд недостатков. У предохранительных аммонитов основными из них являются выгорание, слеживаемость, малая водоустойчивостть, высокая чувствительность к уплотнению и т.д. Нитроэфиросодержащие ВВ имеют высокую чувствительность к механическим воздействиям, токсичные компоненты, сложный состав и высокую стоимость. Попытки создания новых предохранительных ВВ устойчивых к выгоранию, с повышенной детонационной способностью при групповом взрывании, с пониженной чувствительностью к механическим воздействиям, с хорошей водоустойчивостью, меньшей токсичностью компонентов и продуктов взрыва, не привели к положительным результатам. С появлением в промышленности нового поколения эмульсионных взрывчатых веществ возникла реальная возможность создания на их основе новых предохранительных ВВ, которые сочетают в себе безопасные свойства и требуемые детонационные характеристики. Тонкодисперсная структура этих ВВ при наличии воды, имеющих теплоту взрыва в пределах 2933 92 кДж/кг и высокую детонационную способность без использования индивидуальных взрывчатых веществ, позволили российским ученым создать промышленные ВВ III–V классов (табл.15). Таблица 13 Давление динамического сжатия кристаллов соли-ингибитора во фронте детонационной волны Таблица 14 Давление ударного сжатия соли-ингибитора во фронте детонации ВВ и приращение энергии ее кристаллов в результате их сжатия Физико-химические параметры и взрывчатые свойства порэмитов соответствуют не только техническим требованиям горнодобывающей отрасли, но и лучшим мировым образцам (табл.16). 93 Преимущества предохранительных порэмитов в сравнении с патронированными штатными предохранительными ВВ: - высокая безопасность по отношению к механическим и тепловым воздействиям (удару, трению, прострелу пулей, огню и т.п.); - низкая способность к горению или отсутствие к выгоранию; - высокая чувствительность к инициированию стандартным КД; - отсутствие пыления, электризации, эксудации и контакта с токсичными продуктами; - сохранение взрывчатых характеристик в интервале плотностей от 0,5 до 1,5 г/см3; - высокая водоустойчивость, сохраняющаяся в воде на большой глубине и в проточной воде; - обеспечивают при взрыве выделение газов низкой токсичности; - дешевые в изготовлении; высокая технико-экономическая эффективность применения. Таблица 15 Характеристики патронов эмульсионных ВВ Таблица 16 Некоторые взрывчатые свойства предохранительных патронированных эмульсионных ВВ 94 5.2 Испытание предохранительных ВВ Испытание на безопасность действия взрыва в метано-воздушной среде На безопасность по метану предохранительные ВВ испытывают в опытных штреках (рис.31). Опытный штрек представляет собой стальную трубу диаметром 1,5–1,8 м и длиной 15–25 м. С одной стороны труба открыта, а с другой – имеет стальное днище с отверстием диаметром 400 мм для мортиры. Во внутренней полости опытного штрека устанавливается бумажная диафрагма, разделяющая штрек на две камеры. Объем камеры от днища до диафрагмы (10 м3) называют взрывной камерой, в которой перед испытанием ВВ создается метано-воздушная атмосфера взрывоопасной концентрации (~ 10% метана по объему). Равномерное распределение компонентов смеси осуществляют с помощью лопастной мешалки. Концентрацию газа во взрывной камере измеряют электрическим газоанализатором. Мортира представляет собой стальной цилиндр длиной 1200 мм и диаметром 550 мм с несквозным каналом диаметром 55 мм и глубиной 900 мм. В канал мортиры устанавливается заряд предохранительного ВВ массой 600 г, забойка производится глиной (50 г), толщина слоя забойки 10 мм. Заряд ВВ взрывают электродетонатором. Взрывчатое вещество считается предохранительным, если при 10-ти кратном исполнении взрыв МВС не произойдет ни разу. Испытывают предохранительные ВВ III и IV классов. ВВ V класса испытывают внутри загазованной камеры, взрывая патрон массой 200 г. ВВ VI класса испытывают внутри загазованной камеры, взрывая заряд, уложенный между ребрами уголковой мортиры (рис.32), при этом устанавливают максимальную массу ВВ, не вызывающую взрыва МВС. Рис.31 Схема опытного штрека: 1 – стальная труба; 2 – дно штрека с отверстием; 3 – диафрагма; 4 – взрывная камера (10 м3); 5 – мортира; 6 – заряд ВВ; 7 – глиняная забойка. 95 Рис.32 Схема уголковой мортиры с отражательной стенкой в опытном штреке: 1 – уголковая мортира; 2 – заряд ВВ; 3 – отражательная стенка. Уголковая мортира представляет собой стальной цилиндр диаметром 230 мм и длиной 2000 мм с продольным пазом глубиной 90–100 мм. Отражательная стенка выполняется из стального листа размером 1х2 м. ВВ VI класса считаются выдержавшими испытания, если заряд массой 1 кг не воспламеняет метано-воздушную смесь в 10 последовательных опытах на расстоянии уголковой мортиры от отражательной стенки 20 см. Испытание на безопасность действия взрыва в пылевоздушной среде Для создания взрывоопасной взвеси угольной пыли (400–600 г/м3) в опытном штреке на расстоянии 8–11 м от днища под углом 20° к горизонтальной оси штрека устанавливается пылераспылительная мортира (рис.33), на дно которой помещают заряд ВВ массой 50 г с электродетонатором мгновенного действия. Сверху заряд ВВ покрывают угольной пылью массой 6 кг. Угольную пыль распыляют за 2–10 с до взрыва основного испытываемого заряда. При проведении испытаний диафрагму в штреке не ставят. ВВ считается предохранительным, если при 10-ти кратном взрывании заряда массой 700 г не произошло ни одного взрыва пыли. Рис.33 Схема пылераспылительной мортиры: 1 – мортира; 2 – заряд ВВ (50 г); 3 – угольная пыль. 96 6. Воздействие взрыва на окружающую природную среду 6.1 Классификация зарядов ВВ Для разрушения массива горных пород применяют взрывы различных зарядов взрывчатых веществ, т.е. определенного количества ВВ, подготовленного к взрыву. Заряды в зависимости от цели, назначения и условий, в которых они работают, классифицируют по нескольким признакам: по форме, конструкции, способу приложения к взрываемому объекту и по характеру действия на массив породы. По форме различают следующие заряды: - сосредоточенные (заряды, имеющие форму шара, куба, цилиндра и т.п., у которых отношение наибольшей стороны к наименьшей менее 3–5 единиц); - удлиненные (цилиндрические заряды, у которых отношение длины к диаметру превышает 3–5 единиц, такие заряды называют еще колонковыми); - фигурные (условно образующие П-, Г-, Т-форму и другие заряды сложной формы); - листовые (отношение длины или ширины во много раз превышает толщину, обычно это заряды пластического ВВ). По положению: - наружный или накладной (заряд, помещаемый на взрываемый объект, применяют в основном для дробления негабарита, обрушения козырьков на уступах, в операциях по металлообработке); - внутренний (заряд, помещаемый внутрь взрываемого объекта – шпуры, скважины, камеры; применяют для отбойки минерального сырья, с целью его дробления и последующей переработки; для проведения подземных горных выработок, сооружения каналов, траншей и т.д.). По конструкции: - сплошной (не разделенный промежутками); - рассредоточенный (отдельные части которого разделены промежутками воздуха, измельченной породы, воды и т.п.). По характеру действия на среду: - заряд камуфлета (при взрыве разрушение, измельчение и трещинообразование происходят только вокруг места расположения заряда без проявления видимых разрушений на открытой поверхности (рис.34,а)); - заряд откола (при взрыве происходит откол породы у открытой поверхности и разрушение вокруг заряда, рис.34,б); - заряд рыхления (дробление породы происходит в объеме, начиная от места расположения заряда до открытой поверхности массива без ее выброса из зоны или воронки разрушения, рис.34,в); 97 - заряд выброса (вызывает дробление и выброс породы за пределы воронки взрыва, рис.34,г). Рис.34 Действие взрыва различных зарядов ВВ: а – камуфлетного; б – откольного; в – рыхления; г – выброса. 6.2 Характеристика зарядов ВВ Кумулятивные заряды Кумуляция – это существенное увеличение действия взрыва в определенном направлении, достигаемое специфической формой заряда взрывчатого вещества. Кумулятивный заряд – заряд ВВ с выемкой (конической, полусферической и др.) в основании, в результате взрыва которого газообразные продукты детонации образуют сходящийся к выемке поток, называемый кумулятивной струей. Кумулятивные заряды бывают цилиндрические и удлиненные. Применяются для разрушения металлических преград, горных пород и других материалов. Широко используются при проведении прострелочных работ в скважинах. 98 Первые публикации о применении кумулятивных зарядов в горном деле появились Горном журнале в 1947г. Кумулятивный эффект применялся главным образом для инициирования аммонита, разрушения крепких пород, мерзлых грунтов, в капсюлях-детонаторах и ЭД. На рис.35 показано действие на среду кумулятивных зарядов. Основные соотношения для кумулятивных зарядов (см. рис.36). Скорость кумулятивной струи VК: VК=V0[(1/sinα)+(1/tgα)], где V0 – скорость, которую сообщают продукты взрыва металлу облицовки кумулятивной выемки; α – половина угла раствора конической выемки. Давление, производимое кумулятивной струей на преграду: P=0,5·(VК)2·ρ0, где ρ0 – плотность материала облицовки. Суммарная длина канала L, пробиваемого кумулятивной струей, растет с увеличением начальной длины струи, отношения головной и хвостовой скоростей струи, отношения плотностей струи и преграды (рис.35,б,в). 3 2 4 6 1 5 а б в Рис.35 Схематическое изображение действия кумулятивных зарядов на преграду: а – цилиндрический заряд; б – заряд ВВ с кумулятивной выемкой; в – заряд ВВ с кумулятивной выемкой, облицованной медью; 1 – преграда; 2 – заряд ВВ без кумулятивной выемки; 3 – ЭД; 4 – кумулятивные заряды; 5 – кумулятивная выемка; 6 – выемка, облицованная медью. Рост суммарной длины канала L с увеличением расстояния xФ (рис.35) до преграды происходит до известного предела (см. точка на кривой 2), соответствующего фокусному расстоянию xФ, после чего начинается снижение L. Резкое падение пробивного действия при удалении заряда от преграды связано с неустойчивостью струи. 99 Рис.36 Зависимость глубины пробивания канала кумулятивной струей в преграде от расстояния (б): а – схема размещения заряда; 1 – теоретическая кривая; 2 – экспериментальная кривая. Элементы воронки выброса Геометрические параметры и форма образуемой воронки при взрыве заряда ВВ зависят от свойств взрываемой породы. Форму воронки взрыва обычно принимают в виде конуса с вершиной в центре заряда ВВ, рис.37. Как следует из рисунка, основными элементами воронки выброса являются: - W – глубина заложения заряда или линия наименьшего сопротивления (ЛНС); - r – радиус основания воронки или радиус воронки взрыва; - 2α – угол раствора воронки. Показатель действия взрыва определяется из выражения n=r/W. В зависимости от величины показателя действия взрыва различают три разновидности зарядов выброса: - нормальный выброс, n = 1; - уменьшенный выброс, n < 1; - усиленный выброс, n > 1; - заряд рыхления, воронка не образуется, n ≤ 0,7. Заряды нормального и уменьшенного выброса применяют на карьерах для дробления скальных пород. При подземной отбойке пород, проходке выработок и строительстве сооружений применяют заряды усиленного выброса с показателем действия взрыва 2-3. 100 Рис. 5.4. Элементы воронки выброса. При проведении экспериментов по породам (f≥12) установлено, что в качестве характеристики действия взрыва наиболее чувствительным параметром к изменению условий взрывания является глубина воронки выброса hВ, а не параметр n. При максимальном значении соотношения hВ/qЗ зависимость угла раскрытия α от глубины воронки представлена на рис.38. Рациональная длина зарядов вычисляется по формуле lЗ=3.5(hВ)0,3·α-0.32, м. Глубина воронки может быть рассчитана из выражения hВ=4,34f1,2PЗ1,05qЗ0,63lШ–0,95, м, где PЗ – показатель эффективности заряда. Рис.38 Зависимость угла раскрытия воронки от ее глубины. Величина разрушения межшпурового целика lП убывает по степенной зависимости от расстояния между зарядами, а при сближении зарядов 101 на минимально допустимые расстояния глубина полости в крепких породах достигает глубины воронки выброса одиночного заряда lП=0,2–0,7а4–0,25hВа+0,98hВ2, м, где а – расстояние между шпурами. Зависимость угла раскрытия воронки выброса α от ее глубины hВ (при максимальном соотношении hВ/qЗ) следует находить из следующего выражения: α=(0,31hВ3–0,36hВ2+0,086hВ+1,04)/lП, град. Изменение характера действия взрыва заряда может быть достигнуто как путем уменьшения глубины заложения заряда постоянной величины (рис.39,а), так и путем увеличения массы заряда при постоянной глубине заложения (рис.39,б). Взрыв одиночного заряда в грунтах Грунт является трехкомпонентной средой, состоящей из твердых частиц, жидкой и газовой фаз. Наличие воздуха в порах грунта сильно влияет на условия распространения в них ударных волн. При распространении ударной волны энергия взрыва расходуется на сближение твердых частиц за счет уменьшения объема пор, при этом разогрев воздуха в ударной волне приводит к повышению температуры твердых частиц (затрачивается ~90% энергии ВВ). Зона уплотнения будет во много раз больше зоны уплотнения в слабо пористых грунтах. Рис.39 Способы изменения характера действия взрыва на среду: а – изменением глубины заложения заряда ВВ; б – изменением массы заряда ВВ. Разрушение грунта происходит главным образом за счет запаса кинетической энергии, приобретенной средой при расширении продуктов взрыва (разрушение под действием волн напряжений в грунтах незначи- 102 тельны). Вокруг заряда при взрыве образуется расширяющаяся сферическая полость, заполненная газами взрыва, которая при приближении к открытой поверхности приобретает грушевидную форму, большая ось которой совпадает с ЛНС заряда, рис.40. В водонасыщенных грунтах энергия передается преимущественно по воде. Поэтому действие взрыва в таких грунтах по своему характеру, как и при взрывах в воде, близко к гидростатическому давлению, направленному одинаково во все стороны. В неводонасыщенных (сухих) грунтах, так же как и в твердых телах, напряженное состояние в каждой точке определяется двумя величинами – радиальным (σn) и тангенциальным (στ)напряжениями. Характер зависимости деформации грунта ε от напряжения σ показан на рис.41. Изменение формы полости объясняется различной сопротивляемостью перемещению участков массива. В нижней части полости расширения быстро прекращаются, в то время как размеры верхней части полости увеличиваются, уменьшая толщину слоя грунта, поднимаемого над полостью. В дальнейшем оболочка прорывается в верхней части и движение породы происходит за счет баллистического полета отдельных частиц – в грунте образуется воронка. Рис.40. Последовательность фазы движения грунта. Взрыв заряда в скальном монолитном массиве Механизм разрушения скальной монолитной породы взрывом сосредоточенного заряда ВВ принципиально отличается от механизма действия взрыва в грунтах. В скальной породе вблизи заряда под действием ударной волны и высокой температуры продуктов взрыва образуется зона сильно деформированной породы, Эту область называют зоной сжатия или измельчения, рис.42. 103 Рис.41 Зависимость деформации грунта от напряжения: 1 – водонасыщенный грунт; 2 – неводонасыщенный грунт; 3 – кривая разгрузки после взрыва (сохраняется остаточная деформация); А – участок смены знака кривизны σ(ε). Рис.42. Схема распределения трещин в породе около места взрыва: а – зона сжатия (измельчения); б – зона разрыхления. 104 По мере удаления от заряда напряжения в волне сжатия быстро снижаются и на определенном расстоянии становятся меньше сопротивления породы раздавливанию, изменяется характер деформации, что приводит, соответственно и к изменению характера разрушения среды. Под действием прямой волны напряжений, распространяющейся от заряда ВВ, в породе в радиальном направлении возникают сильные сжимающие напряжения, а в тангенциальном – растягивающие, обеспечивающие появление радиальных трещин. В результате такого действия в породе нарушается связное строение, и она распадается на отдельные куски. Эту зону называют зоной разрыхления. В слоях более удаленных от заряда ударная волна вырождается в упругую волну, растягивающие и тангенциальные напряжения уменьшаются и становятся меньше величины сопротивления породы растяжению, связь между частица среды не нарушается – имеют место лишь колебательные смещения частиц. Разрушение породы прямым действием волны за пределами этого расстояния не происходит. Сильно сжатая порода смещается в сторону центра заряда и участки породы, прилегающие к полости, испытывают напряжения растяжения в радиальном направлении: в породе появляются кольцевые тангенциальные трещины. Эта зона называется зоной сотрясения. Между зонами измельчения, разрыхления и сотрясения нет четких границ. Каждая из названных зон плавно переходит одна в другую и в целом эти зоны называют зоной разрушения. Радиус зоны разрушения зависит от величины заряда, параметров ВВ. Очевидно, что чем больше заряд и его мощность, тем больше радиус действия взрыва. При взрыве заряда вблизи открытой поверхности частицы среды под влиянием волны напряжений, достигшей этой поверхности, начинают свободно перемещаться в ее сторону, вовлекая в этот процесс все более отдаленные участки среды. Волна напряжений, дойдя до поверхности, отражается, и в массиве возникают растягивающие напряжения, рис.43. При этом волна растяжения, распространяющаяся в массив, представляет собой фронт, который распространялся бы от мнимого заряда ВВ такой же массы, но находящегося над поверхностью на расстоянии, равном ЛНС реального (взорванного) заряда. Так как горная порода имеет в 10-30 раз меньшее сопротивление растягивающим нагрузкам по сравнению с сжимающими, то у открытой поверхности происходит разрушение массива отраженной волной с образованием трещин и формированием откольной воронки. Отраженная волна "провоцирует" процесс разрушения породы от поверхности в глубь массива. Разрушения, вызванные отраженной волной, смыкаются с разрушениями, происшедшими ранее вокруг заряда, что приводит к разрушениям всего объема породы внутри воронки. 105 Рис.43 Схема образования у открытой поверхности отраженной волны: 1 – реальный заряд ВВ; 2 – мнимый заряд ВВ; 3, 4 – прямые волны сжатия; 5 – отраженная волна. В сторону массива породы разрушения не распространяются на заметные расстояния, поскольку волны разрежения здесь нет, и порода испытывает только всестороннее сжатие. Взрыв заряда в трещиноватом скальном массиве Особенностью разрушения трещиноватых пород является совмещение двух механизмов: под действие газов взрыва и под действием волн напряжений (разрушения распространяются от заряда ВВ и от открытой поверхности массива навстречу друг другу). При взрыве заряда в породе вокруг полости, образованной взрывом, располагается зона разрушений. Трещины являются поверхностями раздела, препятствующими распространению волн напряжений и разрушениям породы за пределами зоны, которая ограничена этими трещинами. При пересечении трещины происходит скачкообразное падение напряжений волны, обусловленное частичным ее отражением от поверхности трещины. Качественная картина зависимости характера изменения напряжений при пересечении трещин упругой волной приведена на рис.44. Из рис.44 видно, что напряжения снижаются более интенсивно, чем в монолитном массиве. За пределами трещин порода разрушается главным образом под действием механического соударения кусков породы (разрушенной вокруг заряда) с остальным разрушаемым объемом. Таким образом, в трещиноватом массиве породы под действием прямых и отраженных волн создается несколько зон разрушения. 106 Рис.44 График изменения величины напряжений на разных расстояниях от места взрыва в трещиноватом (1) и монолитном массиве (2): I, II – плоскости трещин в массиве. Некоторые закономерности взаимодействия группы зарядов Взаимодействия между зарядами, как правило, изучают с использованием оптически активных и прозрачных моделей при скоростной съемке (СФР) развития процесса. Экспериментально показано, что до момента встречи волн напряжений среда вокруг каждого заряда ведет себя так, как буд-то произошел взрыв одиночного заряда, а затем возникает сложная картина интерференции волн напряжений с заметной разницей в интенсивности дробления среды по линии, соединяющей заряды, и в направлении ЛНС. При встрече волн напряжений от соседних зарядов общее напряженное состояние среды резко меняется: в направлении, перпендикулярном к линии, соединяющей соседние заряды, действуют увеличенные по сравнению с одиночным взрыванием растягивающие напряжения, вызывающие в этом направлении усиленное действие взрыва и образование магистральной трещины, рис.45. Появление трещины обусловлено растягивающими напряжениями, вызванными отраженными волнами. В этой зоне порода подвергается наименьшему дроблению (рис.46). В объемах породы в глубине взрываемого массива существуют зоны, в которых происходит взаимная компенсация напряжений, появляющихся в массиве от соседних зарядов, и общее ослабление напряженного состояния (рис.47). В таких зонах порода подвергается наименьшему дроблению. 107 Рис. 45. Взаимодействие двух сосредоточенных зарядов ВВ: 1а, 1б – заряды ВВ; 2а и 2б – прямые волны напряжений, распространяющиеся от зарядов 1а и 1б соответственно; 3а и 3б – волны, отраженные после "лобового" соударения волн сжатия 2а и 2б; 4 – магистральная трещина. Рис. 46. Схема напряженного состояния массива при одновременном взрывании 2-х зарядов ВВ: σ=σ1+σ2. Зоны пониженной дробимости пород (как и зоны переизмельчения) являются нежелательным результатом ведения взрывных работ. Задача максимального уменьшения размеров таких зон решается путем увеличения коэффициента сближения скважин, уменьшением диаметра скважин и разновременным взрыванием зарядов ВВ. 108 Рис.47 Схема напряженного состояния массива при одновременном взрывании 2-х зарядов ВВ: σ=σ1–σ2. Разрушение пород короткозамедленным взрыванием Короткозамедленное взрывание – это последовательное взрывание серий или отдельных зарядов с интервалами в тысячные доли секунды. Этот способ взрывания называют иногда миллисекундным. Короткозамедленное взрывание (КЗВ) впервые было применено инженером Берлиным в 1934-1935 гг. с 1951 г. этот метод начал внедряться на карьерах. Основными факторами, определяющими эффективность короткозамедленного взрывания, являются: - интервал замедления; - последовательность разрушения участков массива. Перечисленные параметры применяются в зависимости от свойств горных пород, схемы расположения зарядов и задачи взрыва. При КЗВ происходит не только взаимодействие взрывов соседних зарядов, но и смежных серий. Эффективность разрушения при КЗВ определяется следующими факторами: - интерференцией волн напряжений от соседних зарядов (достигается при малых интервалах замедлений); - образованием дополнительных открытых поверхностей (при средних интервалах замедлений); - соударением разлетающихся кусков при взрыве соседних зарядов (при больших интервалах замедлений). Перечисленные факторы являются составными элементами единого процесса взаимодействия зарядов при короткозамедленном взрывании. Интерференция волн напряжений, рис.48, происходит в том случае, когда направления смещения частиц от предыдущего взрыва совпадают, при этом увеличиваются суммарные смещения, напряжения и интенсивность разрушения массива. 109 Рис. 48. Схема интерференции волн напряжений при КЗВ соседних зарядов: 1 – волна напряжений; 2 – отраженная волна; Q1, Q2 – заряды ВВ; Волна напряжений 1 от заряда Q1 распространяется до открытой поверхности и, отражаясь от нее, образует отраженную волну растяжения 2, которая распространяется вглубь массива, как от мнимого заряда ВВ Q1. 1. Взрыв второго заряда Q2 должен быть произведен в момент, когда волна растяжения 2 от первого заряда пересекает место расположения второго заряда ВВ. В этом случае облегчается действие заряда 2 и увеличивается эффект разрушения породы. Опытом установлено, что наиболее эффективное срабатывание зарядов 2 происходит в случае, когда время подрыва заряда 2 совпадет с моментом пересечения места расположения этого заряда волной растяжения, либо отличается не более чем на 0,1 мс. С увеличением числа открытых поверхностей до 2-х – 3-х, рис.49, у взрываемого заряда объем разрушения увеличивается примерно пропорционально их числу. Дробление породы сопровождается увеличением ее первоначального объема при смещении в сторону открытых поверхностей. Ширина пространства между нарушенной и ненарушенной частями массива должна быть пропорциональна ЛНС и коэффициенту разрыхления данной породы. Необходимая ширина пространства (по экспериментальным данным) для получен6ия открытой поверхности должна быть в пределах (1/10– 1/30)W. Схема разрушения массива при образовании дополнительных поверхностей показана на рис.50. Расчетный интервал замедления в этом случае должен быть в пределах 25 – 75 мс. С увеличением крепости пород интервал замедления уменьшается. Соударение кусков породы, перемещающихся в результате взрыва, обусловлено тем, что разные участки массива при взрыве имеют разные скорости и направления движения. При столкновении кусков происходит их дополнительное дробление. Опыт показывает, что дробление породы 110 существенно улучшается, если траектории разлета кусков породы пересекаются под углом 90о. Рис. 49 – Схемы расположения зарядов при одной (а), двух (б) и трех (в) открытых поверхностях: 1 – заряд взрывчатого вещества в шпуре (скважине); 2 – забойка; стрелками показаны открытые поверхности. Рис. 50. Схема разрушения массива при образовании дополнительных открытых поверхностей короткозамедленным взрыванием: 1 – заряды ВВ первой очереди взрывания; 2 – заряды ВВ второй очереди взрывания. При короткозамедленном взрывании процесс разрушения массива зарядами первой очереди протекает так же, как и в результате действия одиночного заряда ВВ. При взрыве группы зарядов второй и следующих очередей с малыми интервалами замедлений в массиве возникает сложная картина интерференции волн напряжений. Время, в течение которого массив находится в напряженном состоянии, увеличивается, происходит уменьшение сейсмического эффекта действия взрыва на окружающие сооружения. Одной из разновидностей способа КЗВ является взрывание с внутрискважинными миллисекундными замедлителями отдельных частей 111 зарядов в скважинах, что позволяет увеличить импульс действия взрыва на массив. В результате этого достигаются лучшие результаты взрыва по дроблению и сейсмике. 7. Технология проведения взрывных работ при подземных выработках 7.1 Введение При ведении взрывных работ в угольных шахтах в основном используются шпуровые заряды. Последовательность операций: в массиве по забою бурят шпуры, в шпуры помещают заряд ВВ, забойку, затем собирают взрывную сеть и взрывают заряды с заданной очередностью в соответствие с утвержденным паспортом буровзрывных работ 7.2 Шпуровые заряды ВВ Шпур представляет собой полость, выполненная в виде цилиндра диаметром до 75 мм и длиной до 5 м, пробуренная в породе и предназначенная для размещения заряда ВВ. Начало шпура называют устьем, а конец шпура (торцевая часть) – забоем или дном шпура, боковую поверхность – стенками шпура. Основные параметры шпура: диаметр dШ, длина l1Ш и глубина lШ (рис.51). Из-за того, что стенки шпура имеют выступы до 1,5 мм и на патронах ВВ имеются также неровности (вмятины, уширения и др.), в угольных шахтах при бурении используют коронки диаметром 41 – 43 мм для патронов ВВ диаметром 36 и 32 мм. Коронками диаметром 5153 мм бурят шпуры для патронов ВВ диаметром 45 мм. Длина шпура – расстояние по оси шпура от дна до его устья (l1Ш). Глубина шпура – перпендикуляр, опущенный от дна шпура до поверхности забоя (lШ), т.е. это есть глубина заложения шпура в горном массиве: lШ=l1Ш sinα, где α – угол между забоем выработки и осью шпура. Практика проведения взрывов в забоях с одной открытой поверхности показывает, что рациональные длины шпуров в зависимости от крепости пород следующие: - в крепких породах: l1Ш=1,5-1,8 м; - в породах средней крепости: l1Ш=1,8-2,2 м; - в слабых породах: l1Ш=2,2-2,5 м. При взрывах с двумя открытыми поверхностями длина шпуров составляет 1,8–5,0 м, но чаще l1Ш=2,2-3,0 м. При взрывании по углю и породе длина шпуров должна быть не менее 0,6 м. Как правило, шпуровой заряд разрушает породу в зоне, ближайшей к забою. Донная часть остается в неразрушенной породе в виде так называемого "стакана" (рис.52). 112 Рис.51. Основные параметры шпура. Рис.52. Часть массива пород после взрыва шпурового заряда. Запрещается во всех случаях разбуривать "стаканы" вне зависимости от наличия или отсутствия в них остатков ВМ. Строго запрещено бурить шпуры следующего цикла через стаканы, поскольку в стаканах часто остается ВВ. Важным параметром является величина lЗАХ – продвигание забоя за одно взрывание или за один цикл; lЗАХ всегда меньше lШ. Отношение продвигания забоя за одно взрывание к глубине шпуров называется коэффициентом использования шпуров – КИШ: КИШ=lЗАХ/lШ; (КИШ ≤ 1). 113 Нормативное значение КИШ равно 0,8. На передовых проходках КИШ достигает 0,9 – 0,95 иногда 0,97 – 1,0 в слабых породах. При проектировании буровзрывных работ значения КИШ рекомендуется выбирать следующие: - на одну открытую поверхность 0,8 –0,85; - на две открытые поверхности 0,9 – 0,95. При проведении промышленных испытаний новых типов ВВ и новых технологий ведения взрывных работ КИШ устанавливают по продвиганию забоя за определенный период времени, как правило, за 10 взрываний за этот контрольный период (циклов). 7.3 Основные взрывные врубы При проведении выработок имеется чаще всего одна открытая поверхность – забой, в котором перпендикулярно и наклонно к его поверхности бурят и взрывают комплект шпуров (от 10 до 60 и более). Взрыв комплекта шпуров должен отвечать следующим требованиям: 1 – первоначально необходимо создать взрывом части шпуров дополнительную вторую открытую поверхность, чтобы усилить разрушительное действие остальных зарядов; 2 – разрушить породу в сечении выработки на куски требуемых размеров, а навал породы получить компактным для эффективной работы погрузочных машин, обеспечить безопасность людей и исключить повреждения крепи и оборудования выработок; 3 – образовать сечение выработки, максимально близкое к проектному, сведя к минимуму недоборы и переборы породы, обеспечить высокий КИШ, а также исключить нарушение естественной прочности массива за контуром сечения выработки. Критерием правильного оконтуривания является коэффициент излишка сечения (КИС) – отношение фактической площади поперечного сечения выработки в проходке SФ.ПР. к площади проектного поперечного сечения вчерне SВЧ. КИС=SФ.ПР./SВЧ. Нормативное значение КИС равно 1,03-1,05. 4 – затраты времени и стоимостные показатели БВР (удельные затраты) должны быть минимальные. Для достижения указанных результатов взрыва в комплекте шпуров применяют врубовые, отбойные, оконтуривающие и наклонные шпуры, прямые (призматические врубы) и комбинированные врубы. Врубовые шпуры (на рис.53 №№ 1–4) – взрыв зарядов создает дополнительную (вторую) открытую поверхность в забое и улучшает условия взрывания остальных шпуров. Врубовые шпуры обычно бурят на 0,2– 114 0,3 м глубже остальных, а величина зарядов врубовых шпуров на 15–20% больше, чем в остальных. Отбойные шпуры (на рис.53 №№ 5–9) взрывают после врубовых, предназначены для расширения полости, образованной врубом. При малых сечениях выработки отбойных шпуров может не быть, а при большом сечении отбойными шпурами разрушают основную часть породы в забое. Оконтуривающие шпуры (на рис.53 №№ 10–22). Заряды в этих шпурах взрывают последними. Они предназначены для придания выработке проектного сечения. Концы оконтуривающих шпуров в крепких породах выпускают за проектный контур на 100–150 мм, а в мягких породах располагают на проектном контуре выработок. В выработках прямоугольного, трапециевидного и сводчатого сечения применяют наклонные и прямые врубы. Наклонные врубы образуют шпурами, пробуренными наклонно под углом 60°–70° к поверхности забоя. Расстояние между концами шпуров 10–20 см. В трещиноватых породах шпуры располагают так, чтобы они пересекали поверхности трещин под углом 90°. Прямые (призматические) врубы (рис.54) образуют шпурами, пробуренными перпендикулярно поверхности забоя (параллельно оси выработки). При этих врубах, как правило, один или несколько шпуров оставляют незаряженными для создания дополнительных открытых поверхностей, облегчающих разрушительное действие остальных шпуров. Расстояние между соседними шпурами 20–30 см, в очень крепких породах – 5–10 см. Однако наиболее надежные врубы - щелевые, рис.54,а, призматические, рис.54,б, и спиральные шагающие, рис.54,в. Применение спирально-шагающих врубов требует использования только прессованных ВВ. Области применения прямых и наклонных врубов зависят от глубины шпуров (l), сечения выработки (S), коэффициента крепости пород (f) и могут быть определены по графикам рис.55. Из комбинированных врубов наибольший интерес представляет шагающий пирамидально-клиновой вруб, рис.56, состоящий из девяти шпуров. Шпур №1 – центральный, имеет наименьшую глубину (1 – 1,2 м) заряд из одного патрона ВВ. Этот шпур бурится перпендикулярно поверхности забоя. Шпуры №№ 2 – 5 располагаются на равных расстояниях от №1. Глубина этих шпуров, считая от центрального, постепенно увеличивается с интервалом 0,2 – 0,33 м. Заряды также увеличиваются на один патрон, т.е. на 0,25 – 0,3 кг в каждом последующем шпуре по сравнению с предыдущим. Бурят с некоторым наклоном к оси шпура №1. Очередность взрывания соответствует номерам шпуров. После взрыва шпуров 1 – 5 через 15 – 30 мс взрывают заряды в шпурах №№ 6 – 9. 115 Рис.53. Схема расположения врубовых, отбойных и оконтуривающих шпуров: а – пример размещения шпуров в сечении забоя; б – вид сбоку; в – вид сверху. Рис. 6.4. Некоторые схемы расположения прямых врубов: 116 а – щелевой вруб; б – призматический вруб;; 1 – заряженный шпур; 2 – незаряженный шпур; в – спиральный шагающий вруб: 1, 2, 3, 4, 5, 6 – номера зарядов и соответствующая последовательность их взрывания. Рис.55. Графики зависимости области определения наклонных и прямых врубов от глубины шпуров (а) и сечения выработки (б). Рис.56. Шагающий пирамидально-клиновый вруб Прямые врубы с глубокими шпурами, в которых использован эффект взрывной запрессовки, свободной от заряда части шпуров, взрываемых с замедлением, а также прямые врубы с дополнительными очищающими врубовую полость зарядами, показаны на рис.57,а и 57,б соответственно. На рис.58 приведены схемы врубов, которые наиболее часто применяются в шахтах при взрывных работах. Целесообразный интервал замедления между врубовыми и отбойными шпурами составляет 50 – 75 мс, а между отбойными и оконтуривающими шпурами – 15 – 25 мс. С увеличением крепости пород интервал замедления уменьшается. Увеличенный интервал замедления между врубовыми и отбойными шпурами объясняется тем, что время разрушения по- 117 роды врубовыми зарядами, работающими при одной открытой поверхности, больше чем у отбойных и оконтуривающих. Рис.57. Схема расположения прямых врубов с глубокими шпурами: а – со взрывной запрессовкой; б – с очищающими врубовую полость зарядами; 1 – разрушающий заряд; 2 – очищающий заряд; 0, 50 – время замедления, мс. Минимально допустимое расстояние между смежными шпуровыми зарядами должно составлять не менее величин, указанных в табл. 17. В породах с f >10 расстояние между смежными шпуровыми зарядами должно определяться нормативами, разработанными по согласованию с организацией-экспертом по безопасности работ. 7.4 Забойка шпуров при взрывании в угольных шахтах Взрывные работы в угольных шахтах являются источником повышенной опасности, связанной с высокой вероятностью воспламенения МВС и ПВС продуктами детонации зарядов ВВ. Одним из путей решения этой проблемы является применения в шпуровом заряде специальных забоечных материалов, которые, с одной стороны, могли бы поглощать часть энергии продуктов взрыва и тем самым способствовать быстрому их охлаждению, а с другой – как можно дольше удерживать продукты взрыва в зарядной камере шпура. Это позволит повысить коэффициент полезного 118 действия взрыва и создать условия для охлаждения продуктов взрыва до температуры, при которой воспламенение МВС и ПВС не происходит. Рис.58. Типичные схемы расположения шпуров во взрывных врубах 119 Таблица 17 Минимально допустимые расстояния между шпурами По обеспечению безопасности работ, химическому взаимодействию с продуктами взрыва и характеру сопротивления (запирающим свойствам), препятствующему истечению из шпура высокотемпературных газов – продуктов детонации ВВ, все используемые в настоящее время типы забойки можно условно разделить на следующие группы: 1 - из пластичных материалов, 2 - из искусственных ингибиторных пластичных материалов, 3 - из сыпучих материалов, 4 - жидкостная забойка, 5 - пробками из твердых материалов, 6 - растворами быстротвердеющих вяжущих веществ и 7 - комбинированная забойка, табл.18. Ингибиторная забойка Из данных табл.18 видно, что одним из наиболее простых в исполнении и эффективных видов забоечного материала при ведении взрывных работ в угольных шахтах, опасных по газу и разрабатывающих пласты, опасные по взрывам пыли, является забойка из искусственных ингибиторных пластичных материалов. Ингибиторный пластичный забоечный материал на основе порошка КСВ-30 удовлетворяет условиям пункта 2 табл.18. По основным показателям разработанные составы значительно превосходят применяемые в настоящее время забоечные материалы. Новый материал сертифицирован и допущен к постоянному применению. Использование ингибиторного пластичного забоечного материала в шахтах позволяет значительно увеличить технико-экономические показатели ведения взрывных работ – КИШ возрастает (в различных горногеологических условиях) на 5–15%. Вид забоечного материала играет важную роль в обеспечении безопасности и эффективности ведения взрывных работ в угольных шахтах, опасных по газу и разрабатывающих пласты, опасные по взрыву пыли. Применяемые в настоящее время забоечные материалы Эффективность применения забойки шпуров и скважин при взрывных работах обусловлена следующими преимуществами: - повышается разрушающее действие взрыва; - предотвращается воспламенение МВС и ПВС продуктами взрыва; 120 Таблица 18 Основные характеристики забоечных материалов - исключается поджиг легко воспламеняющихся предметов высокотемпературными частицами, выбрасываемыми при взрывании зарядов из шпуров и скважин; - значительно уменьшается содержание токсичных газов в ПВ. 121 Например, при использовании в шахтах предохранительных аммонитов Т-19 и ПЖВ-20 эффективность взрыва при шпуровом методе составляет от 18% до 23%. Этот эффект связан с тем, что ПВ дольше находятся под высоким давлением и химические реакции разложения ВВ протекают более полно. Время задержки вылета газов забоечным материалом при шпуровом методе составляет 5 – 15 мс. В шахтах, опасных по газу и взрыву пыли, рекомендуется применять следующие виды забоечных материалов: - жидкостная забойка (гидрозабойка), рис.59, применяется в виде заливки наклонных шпуров водой и в виде водонаполненных полиэтиленовых ампул. Гидрозабойка используется в сочетании с запирающей песчаноглинистой забойкой. Применение запирающей забойки является обязательным. Рис.59. Шпур с жидкостной (2) и запирающей (1) забойкой. - забойка из пластичных материалов (глина, смесь глины с песком, пастообразная смесь типа ПМЗ-3 или увлажненный мел); - забойка из сыпучих материалов в виде взрывозащитной гранулированной пламелокализующей смеси состава ЗВС-1 и увлажненной смеси карбамида с хлоридом калия. Гидрозабойка с использованием водонаполненных ампул с обратным клапаном является основным видом забойки при взрывных работах в шахтах, опасных по газу и пыли. Водонаполненные ампулы в шпуре устанавливают между патронами ВВ и запирающей забойкой. Руководством по применению забойки при взрывных работах в угольных шахтах допускается применять водонаполненные ампулы, располагаемые у дна шпура впереди заряда ВВ и между глиняными пыжами. При взрывании по углю и по породе минимальная величина забойки для всех забоечных материалов должна составлять: - при глубине шпуров от 0,6 до1,0 м – половину глубины шпура; - при глубине шпуров более 1,0 м – 0,5 м; 122 - при взрывании зарядов в скважинах – 1,0 м. Расстояние от заряда ВВ до ближайшей поверхности должно быть не менее 0,5 м по углю и не менее 0,3 м по породе, в т.ч. и при взрывании зарядов в породном негабарите. В случае применения ВВ VI класса при взрывании по углю это расстояние допускается уменьшить до 0,3 м. 7.5 Причины отказов и выгорания зарядов ВВ По оценкам специалистов источником воспламенения метановоздушной и пыле-воздушной смеси в опасных выработках шахт до 25% являются взрывные работы. Главные причины заключаются в выгорании зарядов (~25%) и в их обнажении (~25%), наличии трещин в массиве (~20%), в отсутствии или недостаточности забойки (~12%). Кроме этого, причиной отказов или неполных взрывов может быть низкая водоустойчивость зарядов ВВ. Это говорит о том, что около 50% аварий связано с применением предохранительных ВВ, не соответствующих классу предохранительности, которые воспламеняют газ при обнажении заряда, при наличии трещин в массиве и отсутствии забойки. Наиболее опасная ситуация создается в забое, когда детонация заряда затухает и переходит в горение. Причиной может быть неудовлетворительное качество предохранительных ВВ (повышенная влажность, слежавшиеся патроны и т.д.) или вследствие технологических нарушений детонация заряда в шпуре может прекратиться и перейти в горение. В первом и особенно во втором случаях качество взрыва может быть низкое, возможны аварии, связанные с ликвидацией отказов, и вспышки находящихся в атмосфере выработки метана и угольной пыли. Так как выгорание зарядов ВВ происходит в течение нескольких секунд, то за это время с высокой долей вероятности может возникнуть взрывоопасная атмосфера из-за выделившегося метана и образовавшейся угольной пыли. Экспериментально установлено, что обычное время образования взрывоопасной концентрации метана и пыли составляет 250–500 мс, а на некоторых пластах может быть еще меньше. В этом случае степень предохранительности горящего заряда ВВ не влияет на воспламенение метана. Очевидно, что возникает необходимость исключить условия взрывания, при которых могут произойти затухание детонации зарядов ВВ и последующее их выгорание. Чаще всего отказ заряда происходит в результате канального эффекта, прорыва газа в соседний шпур, повышенного гидростатического давления в обводненных шпурах и т.д. Затухание детонации заряда может привести к следующим отрицательным явлениям: - горению заряда ВВ; - образованию ядовитых газов; 123 - взрыву метано-воздушной смеси; - взрыву пыле-воздушной смеси в забое. Рассмотрим последовательно причины, по которым может произойти отказ. 1. Канальный эффект – проявляется при наличии зазора между патронами ВВ и стенкой шпура в результате распространения ударной волны в зазоре со скоростью, большей чем скорость детонации ВВ. Эта ударная волна уплотняет заряд до плотности выше критической, в результате чего детонация ВВ затухает или переходит в горение. Отрицательными явлениями в этом случае могут быть образование ядовитых газов, взрыв метана или угольной пыли в забое. Меры борьбы: – необходимо уменьшить радиальный зазор между патронами и стенками шпура; – применять ВВ с повышенной критической плотностью; – применять специальные конструкции зарядов, устойчивых к воздействию канального эффекта. Одним из способов борьбы является применение монопатронов, отдельные части которых выполнены из пластмассовых трубок со стенками толщиной 2–3 мм и с замковыми соединениями на концах, заполненных ВВ. Такая конст рукция позволяет быстро собирать заряды любой длины и вводить их в шпур. Применение пластмассовых оболочек (например, из капрона) не влияет на кислородный баланс при взрыве. 2. Прорыв газа в соседний шпур. При взрыве в угольном массиве вокруг заряда возникает система радиальных трещин, которые могут соединять зону взрыва с полостью рядом расположенного шпура. Скорость распространения трещин в углях составляет 360 – 900 м/с. По этим трещинам распространяются продукты взрыва со скоростью 300 – 400 м/с при давлении газов (25-40)·105Па в полость соседнего заряженного шпура. Проникающий газовый поток при таких параметрах способен вызвать нарушение сплошности заряда между отдельными его частями (патронами) с образованием промежутков, заполненных воздухом или угольной пылью; подпрессовку заряда в радиальном или осевом направлении; выбрасывание патрона-боевика из шпура. Перечисленные явления могут вызвать отказ детонации или ее переход в горение. Экспериментально установлено, что при расстоянии между шпурами 0,4-0,6 м, их глубине 1,6-1,8 м и заряде угленита Э-6 массой 600 г газы проникают в соседний шпур за 0,7-1,5 мс, вызывая указанное нарушение заряда. Плотность отдельных частей ВВ при этом достигает 1,5-1,6 г/см3, т.е. превышает критическое значение (~1,4 г/см3). Аналогичная ситуация возникает при ведении взрывных работ по породе. При том же давлении газов скорость распространения трещин в породе может достигать 2000 м/с. Отрицательные явления, связанные с отказом детонации или ее переходом в горение: 124 – образование большого количества ядовитых газов (до 1000%); – взрыв метана или угольной пыли. Меры борьбы: – параметры расположения и конструкция применяемых зарядов должны исключить прорыв газов в соседний шпур или нейтрализовать их воздействие на заряд, что регламентировано Едиными правилами безопасности при взрывных работах; – расстояния между шпурами в углях и в породе должны строго соответствовать данным табл.17. В настоящее время разработана конструкция заряда из гранулированных ВВ, разделенных резиновыми зажимами в полиэтиленовом шланге на порции по 200 г. В зависимости от требуемой величины заряда необходимое количество порций соединяют в один шланговый монозаряд, при этом детонационная способность таких зарядов выше, чем зарядов, составленных из патронов. 3. Повышение гидростатического давления в шпурах происходит вследствие того, что шпур после заряжания герметизируется песчаноглинистой забойкой. За время заряжания забоя (30-40 мин.) давление по экспериментальным данным может повыситься до 3·105 Па. Отрицательные явления. При давлении 3·105 Па водоустойчивость оболочки патрона ВВ снижается, что приводит к намоканию взрывчатого вещества и отказам зарядов. Меры борьбы: требуется повышение водоустойчивости патронов ВВ и применение пористой забойки, исключающей повышение давления в шпурах. Ни одно из ранее рассмотренных предохранительных ВВ не обеспечивает полной гарантии невоспламенения взрывоопасной рудничной атмосферы. В связи с этим для ведения взрывных работ разработан комплекс мероприятий, предотвращающих или локализующих воспламенение МВС и ПВС. Для увеличения гарантии качественного взрыва и полной детонации зарядов необходимо выполнить следующие правила: - ЛНС для зарядов в шпурах должна быть не менее 0,5 м; - содержание метана у забоя и на расстоянии до 20 м от забоя должно быть не более 1%; - заряд, состоящий из нескольких патронов ВВ, следует вводить в шпур одновременно. Суммарный интервал замедления при короткозамедленном взрывании в шахтах, опасных по взрыву газа и пыли, выбирают исходя из условий, чтобы в месте расположения зарядов за этот интервал не образовалось взрывоопасных концентраций метана и угольной пыли. Для угольных и смешанных забоев суммарный интервал замедления не должен превышать 200 мс, а для породных забоев подготовительных выработок – 300 мс. 125 Способы инертизации взрывоопасной атмосферы Гарантией того, что рудничная атмосфера в призабойном пространстве выработки окажется "безразличной" к любым негативным ситуациям, возникающим при ведении взрывных работ, является замена взрывоопасной атмосферы на инертную. С этой целью используют водяные завесы, воздушно-механическую пену, распыленные ингибиторы, инертные газы, инертную пыль, водяные заслоны и т.д. Рассмотрим некоторые из этих способов. Способ создания водяных завес состоит в предварительном (за 25 мс до взрыва врубовых шпуров) взрывании зарядами ВВ повышенной предохранительности (VII класс ВВ) полиэтиленовых мешков с водой емкостью от 20 до 50 л, подвешенных у забоя или укладываемых на почву выработки. В этом случае атмосфера в забое на участке 3 – 6 м при однорядном и двухрядном расположении сосудов насыщается тонкодиспергированной водой. Обычно заряды в сосудах взрывают мгновенно, а врубовые шпуры инициируют детонаторами ЭДКЗ с замедлением 25 мс (15 мс). Все заряды монтируют в единую сеть. Иногда для создания водяных завес применяют специальные форсунки, из которых диспергированная вода выбрасывается на некотором расстоянии от взрываемого забоя. Количество воды принимают из расчета 5 л на 1 м2 сечения забоя. Применение воздушно-механической пены. Этот способ реализуется следующим образом. От пеногенератора пена воздушным вентиляционным потоком по трубам транспортируется в забой и заполняет все сечение выработки на протяжении 10 – 15 м. Все газы вытесняются из призабойного пространства, чем и обеспечивается безопасность взрыва. Используют пеногенераторы эжекционного типа, производительностью от 0,8 до 1,5 м3/мин. Необходимый напор рабочей жидкости на форсунки пеногенератора создается наосом. Давление в пене падает в 12 – 14 раз и сильную тенденцию к затуханию имеет при увеличении расстояния. Применение распыленных ингибиторов. Ингибитор – вещество, снижающее скорость химических реакций. При определенном содержании этих веществ в воздухе вспышка взрывоопасной смеси не происходит. В качестве ингибиторов применяют KJ, NaJ, NaBr, которые нейтральны по действию на организм человека, химически стойкие. Распыление их достигается путем взрыва зарядов ВВ. Использование инертных газов в призабойной зоне основано на том, что пробка (перегородка) из инертных газов толщиной около 1,5 м в выработке гарнтирует локализацию вспышки метана или угольной пыли. Не дает возможности развиваться вспышке, если очаг расположен вплотную к забою. 126 Много десятков лет в угольных шахтах применяются водяные или пылевые заслоны, которые создаются путем размещения на некотором расстоянии от забоя стеллажей, на которых установлены ванны с водой или доски с инертной пылью. Стеллажи и доски легко опрокидываются воздушной ударной волной, идущей впереди пламени, прерывая его распространение образованной преградой из водовоздушной или пылевоздушной смеси. 7.6 Особенности взрывных работ при проведении выработок по выбросоопасным пластам При отработке пластов, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа, а также на угрожаемых пластах, где текущим прогнозом получены значения "Опасно", в определенном режиме, направленном на защиту людей от последствий возможных выбросов, применяют сотрясательное взрывание. Сотрясательное взрывание – способ обеспечения безопасности работ, согласно действующим единым правилам безопасности при взрывных работах. Он применяется при вскрытии опасных по выбросам пластов, при проведении подготовительных и очистных выработок по таким пластам, а также при вскрытии угрожаемых пластов. Согласно современным представлениям, сотрясательное взрывание – это взрывные работы на пластах, склонных к внезапным выбросам угля, породы и газа, которые выполняются в определенном режиме, направленном на защиту людей от последствий возможных выбросов угля, породы и газа. Сотрясательное взрывание имеет два принципиально разных значения: - полная отбойка угля и породы в заданном сечении выработки; - предотвращение выбросов угля и газа. Выбросы угля и газа, происходящие в результате сотрясательного взрывания, характеризуются следующими признаками: - отбросом угля от забоя на расстояние, превышающее протяженность возможного размещения угля, отбитого взрывным способом; - образованием в угольном массиве характерной полости; - повышенным по сравнению с обычным газовыделением в горную выработку. Основные признаки выброса: - разрушение породы за пределами проектного сечения выработки; - образование в массиве полости, оконтуренной породой, расслоившейся на тонкие чешуеобразные пластинки; - отброс породы от забоя и дробление значительной части ее до размеров крупнозернистого песка; - повышенное газовыделение в выработку. 127 Влияние на интенсивность выбросов оказывает угол падения пласта. Так, при пологом падении максимальная интенсивность не превышала 2000 т, при крутом – достигала 14000 т! Увеличение сечения выработки приводит к увеличению интенсивности выбросов угля и газа. Сотрясательное взрывание условно делят на шесть видов (в данном разделе рассматривается три вида). Разработка нескольких видов сотрясательного взрывания зависит от назначения области и условий эффективного его применения. Каждый из видов имеет вполне определенную область применения, заданный режим взрывания, характеризуется специфическими параметрами ведения взрывных работ. 1. Вскрытие пласта (этот вид взрывания предназначен для отбойки породы и угля в зонах приближения и удаления). Вскрытие пластов сотрясательным взрыванием производится с использованием ВВ IV класса (аммонит Т-19, аммонит ПЖВ-20). В забоях выработок, проводимых по породам с f ≥ 5, допускается использовать до обнажения угольного пласта ВВ III класса (например аммонит АП-5ЖВ), имеющего высокую работоспособность. Вскрытие или пересечение пласта – это комплекс работ, связанных с приближением к пласту, его пересечением и удалением от пласта. Чаще всего пересечение пластов производится квершлагами, рис.60. Во всех случаях следует считать: – при вскрытии пологих, наклонных и крутонаклонных угольных пластов "участком приближения" – участок вскрывающей выработки с 4 до 1 м перед вскрываемым пластом и "участком удаления" – с 1 до 4 м за пластом (все расстояния принимать по нормали к пластам) рис.60; – при вскрытии крутых угольных пластов "участком приближения" участок вскрывающей выработки с 4 до 2 м перед вскрываемым пластом, а "участок удаления" – с 2 до 4 м за пластом. При пересечении выбросоопасных пластов необходимо использовать такой паспорт БВР, при котором заряды ВВ располагаются в породной толще и в угольном массиве. Замедления электродетонаторов короткозамедленного действия должны быть расположены таким образом, чтобы вначале разрушилась породная пробка, а затем пласт угля. Выбор параметров паспорта БВР для выработок, проводимых по угольным пластам и породам, опасным по внезапным выбросам, должен обеспечивать полную отбойку угля (породы) по всему сечению выработки, если при сотрясательном взрывании не достигнута требуемая конфигурация забоя, следует провести повторное сотрясательное взрывание по оконтуриванию выработки. В местах геологических нарушений взрывание по углю и породе должно проводиться одновременно. 128 Рис.60. Схема вскрытия пологого пласта квершлагом : 1 – участок приближения; 2 – участок пересечения; 3 – участок удаления. При осуществлении сотрясательного взрывания должен вестись "Журнал проведения сотрясательного взрывания по шахте", форма которого утверждается руководителем предприятия. Задачей проведения сотрясательного взрывания в угольных и смешанных забоях подготовительных и очистных выработок является полная отбойка угля или угля и породы в заданном сечении выработки. Решение этой задачи обеспечивается применением ВВ IV класса и правильным выбором паспортов БВР, исключающих дополнительное оформление выработок с применением ручных ударных инструментов и машин. Практика ведения взрывных работ показывает, что схема взрывания с опережающей отбойкой угля может быть использована при проведении выработок смешанными забоями на пластах средней мощности. Вторая схема взрывания, предусматривающая одновременную отбойку угля и породы, используется на тонких и весьма тонких пластах. Использование этой схемы сокращает число взрываний и уменьшает вероятность воспламенения МВС и ПВС. В паспорте БВР для проведения подготовительных выработок (пласты пологого и наклонного падения) устанавливается минимальное число сотрясательных взрываний при максимальном подвигании забоя. При взрывании по углю глубина шпуров составляет 1,8 – 2,9 м, КИШ должен быть не менее 0,85; при одновременном взрывании по углю и породе глубина шпуров 1,8 – 2,6 м, а КИШ – не менее 0,8. В угольных и смешанных забоях выработок, проводимых по выбросоопасным угольным пластам, при взрывании зарядов только по углю или по углю и породе одновременно, а также по породе без опережающей выемки угля, при проведении выработок по выбросоопасным породам и при вскрытии таких пород, расстояние до укрытия мастера-взрывника должно быть не менее 600 м от забоя, но не ближе 200 м от места слияния исходящей из взрываемого забоя струи воздуха со свежей струей. При этом люди, не связанные с проведением взрывных работ, должны находиться на свежей струе воздуха на расстоянии не менее 1000 м от взрываемого забоя. Выработка, в которой проводится сотрясательное взрывание, перед взрывными работами должна быть освобождена на протяжении не менее 100 м 129 от забоя от вагонеток и других предметов, загромождающих ее более чем на на одну треть поперечного сечения. Руководство подготовкой и проведением сотрясательного взрывания в забое (группе забоев) должны осуществлять инженерно-технические работники участка, на котором проводятся взрывные работы. Забои выработок, проводимые по выбросоопасным породам – область сотрясательного взрывания, назначением которой является отбойка породы в заданном сечении выработки. Оптимизация параметров взрывных работ, направленная на уменьшение интенсивности и частоты выбросов песчаника и газа, включает проведение выработок с опережающим забоем малого сечения, когда взрывные работы выполняются в обоих забоях за один прием (локализация выбросов достигается тем, что отбитая взрывом порода основного забоя полностью перекрывает сечение опережающего). В соответствие с паспортами БВР глубину шпуров выбирают равной 1,6–1,8 м, число шпуров в опережающем забое в зонах высокой степени опасности не более 12, а в зонах невысокой и средней степени опасности не более 21. Размеры опережающего забоя в зонах высокой степени опасности следующие: ширина 1,6 м, высота 2,0 м, в зонах невысокой и средней степени опасности соответственно 3,2 и 2,0 м. Допустимое замедление не более 135 мс. При проведении выработок одновременно по выбросоопасному слою песчаника и слою сланца или по выбросоопасным и невыбросоопасным песчаникам шпуры располагают в местах, показанных на рис.61. Применение рассмотренных методов не изменяет состояние очага выброса, а лишь уменьшает интенсивность выброса, что является существенным недостатком. В связи с этим разработан ряд способов, которыми предусмотрены предварительные активные механические воздействия на очаг выброса, например, предварительная дегазация очага выброса глубинными взрывами. Этот способ характеризуется следующей последовательностью проводимых операций: 1 – разведочным бурением обнаруживают выбросоопасный очаг; расстояние от забоя до очага не должно быть меньше 5 м, что обеспечивает создание надежной породной пробки; 2 – в зону очага бурят 3–4 глубоких скважины диаметром 100–150 мм, мощные заряды в которых размещают таким образом, чтобы они не выход или за контур очага выброса. Сильное разрушение массива и трещинообразование приводит к дегазации метана, который выходит через скважины в выработку, выброс при этом не происходит; 3 – после полной дегазации возобновляются работы по проведению выработок сотрясательным взрыванием. 130 Рис.61. Схемы расположения шпуров при одновременном проведении выработок по выбросоопасным и невыбросоопасным песчаникам (или сланцам): 1 – выбросоопасный песчаник; 2 – шпуры; 3 – невыбросоопасный песчаник (или сланец). К основным способам снижения интенсивности выбросов при сотрясательном взрывании относятся: - взрывание зарядов в коротких шпурах (осуществляется регулирование глубины шпуров в зависимости от размеров естественной разгруженной зоны угольного пласта впереди забоя выработки – составляет не менее 2 м; - передовое рыхление вмещающих пород (создается опережающая разгрузка в массив угля за счет взрывания глубоких шпуров по породе вблизи выбросоопасного пласта); - проведение выработок с опережающим гидровзрыванием (может осуществляться смешанными забоями только при одновременной отбойке угля и породы. На глубину опережающей части шпура устанавливают полиэтиленовые ампулы, заполненные водой. Оконтуривающие шпуры располагают таким образом, чтобы заряды ВВ выходили за проектный контур выработки не менее чем на 0,2 м, а опережающая забойка – не менее чем на 0,5 м; максимальная глубина шпуров принимается не более 4 м, а опережающая гидрозабойка - половину глубины шпуров. Масса заряда в шпурах с опережающей гидрозабойкой принимается на 0,3 кг больше массы зарядов в шпурах, используемых для отбойки угля); - проведение подготовительных выработок с опережающей отбойкой боковых пород (используется на крутых пластах, склонных к высыпанию, мощностью до 0,8 м). 7.7 Взрывные технологии подземной отбойки угля Взрывное разрушение угля в лавах в настоящее время не имеет широкого распространения. Однако на гидрошахтах для увеличения производительности гидромониторов разрушение и ослабление угольных пластов, подсечка угольных целиков тонких пластов крутого падения осуществляются с помощью взрыва. Широкое применение взрывного разрушения угля имеет место при щитовой системе разработки пластов крутого падения 131 большой мощности – более 8 м. Рассмотрим два варианта взрывной отбойки угля в лаве: без машинной подрубки и с машинной подрубкой. Взрывная отбойка угля без машинной подрубки. Этот метод предусматривает расположение шпуров при мощности пласта ≤1 м в один ряд, а при мощности пласта более 1 м в два ряда наклонно к линии забоя, чтобы обеспечить отбрасывание угля, рис.62. При этом удельный расход ВВ составляет 0,2–0,4 кг/м3. Глубину шпуров выбирают в зависимости от устойчивости пород кровли, а если шпуры бурят под углом, то с учетом угла наклона. Рис.62. Схема взрывного разрушения угля в лаве: 1 – угольный пласт; 2 – кровля; 3 – почва; 4 – заряженные шпуры. Продвигание забоя за один цикл при неудовлетворительной устойчивости кровли составляет 0,8–1,0 м, при нормальной – 1,0–1,2 м. Число шпуров на лаву определяется по формулам: при расположении в один ряд N=L/a; при расположении в два ряда N=L(1/а1+1/а2), где L – длина лавы (взрываемого участка); а – расстояние между шпурами в ряду; а1 и а2 –расстояние между шпурами, расположенными соответственно в первом и втором ряду. Если расстояние между шпурами в рядах одинаковое, то число шпуров определяют по формуле: N=L·n/a (n=1,2,3…). Рекомендуемая величина заряда ВВ на один шпур: - 0,2–0,4 кг при lШ=1,0-1,3 м; - 0,4-0,6 кг при lШ=1,5-1,8 м; - 0,5-0,8 кг при lШ>1,9 м. Расстояние между шпурами в ряду на антрацитовых пластах находятся в пределах 1,2-1,8 м. Отбойка угля в лавах с машинной подрубкой (рис.63). При отбойке угля по этой схеме шпуры бурят перпендикулярно поверхности забоя на величину вруба (lВРУБ=lШ) и заряжают их из расчета удельного расхода ВВ (типа аммонитов ПЖВ-20, Т-19) 0,1-0,2 кг/м3. Образование ниш в лавах обычно производят с помощью взрывов, средств беспламенного взрывания или применяют отбойные молотки. В 132 результате взрыва может образоваться навес пачки угля (рис.64). Чтобы этого не произошло необходимо lШ увеличить на 0,1-0,15 м по сравнению с величиной lВРУБ. В слабых углях рекомендуют выбирать lШ=lВРУБ – (0,10,15). Рис.63. Схема расположения шпуров в забое при машинной подрубке угля: 1 – угольный пласт; 2 – почва; 3 – шпур с зарядов ВВ; 4 – кровля. Рис.64. Навес пачки угля: 1 – угольный пласт; 2 – кровля; 3 – почва; 4 – навес пачки угля. При хорошем отделении угля от кровли расстояние, на котором бурят шпуры от кровли, составляет 10-20 см (при mПЛ≥1,2-2,2 м). Расстояние между шпурами в ряду на антрацитовых пластах составляет 1,8-2,5 м. В шахтах, опасных по взрыву газа и пыли отбойка подрубленной пачки угля с применением ВВ представляет опасность. Так как подрубленная пачка под действием собственной массы и давления на нее кровли оседает с образованием трещин, в которых быстро накапливается метан. Заряд, пересекающий трещину, может легко воспламенить взрывчатую смесь. Поэтому в процессе машинной подрубки пачку надежно закрепляют подшашками, рис.65. 133 Рис.65. Схема закрепления подрубленной пачки угля подшашками. В шахтах, опасных по газу и пыли, при взрывании в забоях применяют предохранительные ВВ в патронах диаметром 36 – 37 мм; в неопасных шахтах – диаметром 36 – 37 мм, 31 – 32 мм. Для контурного взрывания используют ВВ в патронах диаметром 28 мм. При проходке вертикальных стволов применяют ВВ в патронах диаметром 36 – 37 мм и 44 – 45 мм, для оконтуривания – диаметром 32 мм. В угольных забоях бурят шпуры на 5 – 8 мм больше диметра патрона ВВ. Диаметр шпуров породных забоев на 3 – 5 мм больше диметра патрона ВВ (допускается 2 – 3 мм). Запрещается бурение шпуров сильно изношенными коронками и резцами, диаметр которых меньше диаметра патрона ВВ. Выбор глубины шпуров производится с учетом площади и формы забоя, свойства взрываемых пород, работоспособности ВВ, типа бурового оборудования, требуемой величины продвигания забоя за один взрыв. На практике при одной свободной поверхности глубина шпура 1,5 – 3,0 м: - до 1,8 м в крепких породах (f = 7–20); - 1,8– 2,2 м в породах средней крепости (f = 4–6); - 2,2 – 2,5 м в слабых породах (f = 1,5–3,0). Среднюю глубину шпура в породных забоях в зависимости от величины коэффициента крепости и площади забоя в проходке находят из таблиц. Также из таблиц находят среднюю глубину шпуров в угольных подготовительных забоях с одной открытой поверхностью с учетом коэффициента крепости пород и площади поперечного сечения забоя. При проведении вертикальных стволов шахт: - глубина шпуров 3 – 2,6 м при f = 1,5 – 3,0; - глубина шпуров 2,5 – 2,2 м при f = 4 – 6; - глубина шпуров 2,1 – 1,5 м при f = 7 – 20. 134 7.8 Ответственность персонала за нарушение порядка хранения, учета и использования взрывчатых материалов Должностные лица и рабочие, виновные в нарушении требований нормативных документов о порядке хранения, использования и учета ВМ, несут ответственность в дисциплинарном, административном или уголовном порядке. Руководитель и главный инженер шахты несут ответственность за: 1) своевременное оформление разрешений на право производства взрывных работ, приобретение ВМ и их перевозку; 2) своевременную подачу вышестоящей организации заявок на получение ВМ, обеспечение установленного порядка допуска лиц для руководства и производства взрывных работ, а также хранения ВМ и обращения с ними; 3) обеспечение предприятий, строек, организаций необходимым числом складов ВМ требуемой вместимости, их исправное состояние, недопущение загрузки складов сверхустановленной вместимости; 4) обеспечение складов ВМ охраной в соответствие с установленным порядком, обеспечение ежемесячной проверки порядка учета, хранения и наличия ВМ на складах; 5) обеспечение порядка и охраны при разгрузке и транспортировании ВМ на склады и к месту работ; 6) обеспечение правильной постановки учета ВМ на складах; разрешение применять только те ВМ, которые допущены к использованию в данных условиях работы; 7) незамедлительное сообщение вышестоящей организации, непосредственно контролирующей организации и местному органу внутренних дел о случаях хищения и потерь ВМ; 8) своевременное привлечение к ответственности нарушителей порядка хранения, использования и учета ВМ; 9) безопасную организацию взрывных работ. Руководитель взрывных работ несет ответственность за: 1) обеспечение точного соблюдения подчиненным ему персоналом порядка хранения, учета, расходования и транспортировки ВМ; 2) допуск к производству взрывных работ, испытанию ВМ только лиц, имеющих на это право; 3) обеспечение контроля за своевременной отчетностью мастероввзрывников об израсходованных ВМ и сдачу ими остатков на склад; 4) организацию регулярного надзора за состоянием складов ВМ, участковых раздаточных пунктов, подземных раздаточных камер и за работой обслуживающего персонала и охраны; 135 5) организацию проведения опытных взрываний для установления параметров паспорта буровзрывных работ; регулярную проверку правильности разработанных проектов и паспортов на производство взрывных работ; 6) обеспечение соблюдения требований правил и инструкций и паспортов на производство взрывных работ; 7) внесение записи в книги учета, выдачи и возврата ВМ на расходном складе; 8) организацию переподготовки и инструктажа мастеров-взрывников, лаборантов, раздатчиков, доставщиков, подносчиков ВВ, помощников взрывников по вопросам ведения взрывных работ, обеспечения условий безопасности, правильного обращения с ВМ и использования их по назначению. Начальник участка взрывных работ несет ответственность за: 1) организацию проведения взрывных работ на шахте в соответствие с действующими правилами; своевременную разработку проектов на взрывные работы; 2) ознакомление с утвержденным проектом лиц надзора участка и соответствующих производственных участков, а также мастеров-взрывников; осуществление контроля за наличием паспортов буровзрывных работ; 3) допуск к производству взрывных работ только лиц, имеющих на это соответствующие права; 4) определение в соответствии с паспортами буровзрывных работ норм расхода ВМ по отдельным объектам и в целом по предприятию, а также определение потребности в них взрывчатых материалов в целом по предприятию для представления заявок на планируемый период (квартал, год); 5) обеспечение соблюдения правил хранения, использования и учета ВМ, а также их уничтожения в соответствии с требованиями правил; 6) обеспечение ежемесячного приема отчетов у мастеров-взрывников (взрывников) о выполнении заданий на производство взрывных работ, а также о расходовании ВМ и возврате их остатков на склад; 7) осуществление мер по предупреждению неполных детонаций, выгораний и отказов, организацию ликвидации невзорвавшихся зарядов в соответствии с требованиями правил; ведение постоянного учета всех случаев отказов и выгораний ВВ и средств инициирования, а также вспышек и взрывов метана и угольной пыли при взрывных работах; 8) систематическое проведение инструктажа мастеров-взрывников (взрывников), лаборантов, раздатчиков, доставщиков, подносчиков ВМ по вопросам безопасности при взрывных работах, правильного обращения с ВМ и использования их по назначению; 9) организацию обеспечения мастеров-взрывников (взрывников) исправными взрывными и контрольно-измерительными приборами, взрывными магистралями, сумками или другими емкостями для переноски ВМ, газо- 136 анализаторами, забойниками и другими принадлежностями, необходимыми для производства взрывных работ; 10) своевременное выявление неисправных взрывных и контрольноизмерительных приборов и направление их в ремонт. Начальник участка, на котором ведутся взрывные работы, несет ответственность за: 1) своевременное проведение опытных взрываний для установления требуемых показателей при составлении паспорта БВР для каждого забоя (объекта), ознакомление с паспортом БВР (проектом) лиц надзора участка, горных мастеров (мастеров), начальников смен и рабочих соответствующей квалификации; обеспечение строгого соблюдения на участке паспортов БВР (проектов); 2) точное соблюдение6 подчиненным ему персоналом порядка хранения, учета, использования и транспортировки ВМ; 3) допуск к производству взрывных работ и обслуживанию зарядных машин только лиц, имеющих на это право; 4) своевременную отчетность подчиненных ему мастеров-взрывников (взрывников) об израсходовании ВМ и сдачу ими остатков на склад ВМ; обеспечение правильности подтверждения данных о расходовании ВМ лицами технического надзора (горными мастерами); 5) привлечение в качестве доставщиков ВВ от склада ВМ к местам работы только стажеров-взрывников или проинструктированных рабочих; 6) подготовку, оборудование и содержание в исправности контейнеров (сейфов, ящиков) для хранения ВМ на участках (вблизи места производства взрывных работ); своевременную перестановку контейнеров (сейфов, ящиков) и их ремонт; 7) обеспечение мест хранения ВМ противопожарными средствами и телефонной связью с коммутатором предприятия, безусловной сохранности ВМ на участке. Горный мастер, мастер, начальник смены участка, где производятся взрывные работы, несет ответственность за: 1) подготовку забоя (объекта) к производству взрывных работ в полном соответствии с требованиями Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах или других ведомственных правил безопасности и выдачу письменного разрешения (на наряде-путевке) на взрывание; 2) допуск на посты охраны места производства взрывных работ рабочих, прошедших соответствующий инструктаж; расстановку постов охраны и выставление ограждающих знаков до начала взрывных работ; осмотр места производства взрывных работ после взрывания и проветривания; 3) руководство своевременной и безопасной ликвидацией невзорвавшихся зарядов (отказов); допуск рабочих в забой после взрывания и проветривания; 4) обеспечение контроля за использованием ВМ только по назначению; 137 5) подтверждение правильности сведений в наряде-путевке о фактическом расходе ВМ; 6) выполнение буровзрывных работ по проекту или по паспорту. Мастер-взрывник (взрывник) несет ответственность за: 1) обеспечение постоянного надзора за полученными им ВМ, не допуская передачи их другим лицам (кроме случаев, оговоренных правилами), утери, разбрасывания или оставления в подземных выработках либо на поверхности, а также самовольного уничтожения; 2) использование полученных ВМ только по назначению; 3) проведение взрываний в соответствии с паспортом БВР (проектом) на взрывные работы; 4) проведение взрывных работ только при наличии постов охраны и соблюдении всех других требований правил безопасности; 5) своевременную сдачу на склад или участковый пункт хранения остатка неиспользованных ВМ, правильный учет расхода их в наряде-путевке; 6) осмотр забоев после взрывания, своевременное сообщение лицу сменного надзора или руководителю взрывных работ о невзорвавшихся зарядах и отметку в "Журнале записи отказов при взрывных работах и времени их ликвидации", а также за своевременную ликвидацию невзорвавшихся зарядов; 7) при невозможности ликвидации этих зарядов – за установку ограждающих знаков, предупреждающих об опасности подхода посторонних лиц к невзорвавшимся зарядам, и немедленное извещение лиц технадзора о их числе и местонахождении; 8) строгое соблюдение правил транспортирования ВМ от склада ВМ до места работы и обратно; 9) проверку на опасных по пыли шахтах качества орошения выработки или связывания осевшей пыли; 10) производство взрывных работ в выработках шахт, опасных по газу, только при допустимых концентрациях взрывчатых газов; 11) проверку подготовленности забоя к производству взрывных работ; расстановку постов охраны и выставление ограждающих знаков дог начала взрывных работ (в специальных случаях, оговоренных правилами); 12) осмотр мест производства взрывных работ после взрывания и проветривания; подачу соответствующих сигналов об окончании взрывных работ и разрешение на допуск совместно с лицом сменного технического надзора рабочих к месту взрывания для последующих работ; 13) осуществление контроля за правильностью выполненных буровых работ в соответствии с проектом или паспортом БВР; 14) замер газоанализатором содержания метана на шахтах, опасных по газу, непосредственно перед заряжанием и взрыванием; замер содержания метана перед взрыванием у места нахождения взрывного прибора; выполнение мероприятий по предупреждению взрывов газа и пыли. 138 8. Основы проектирования паспортов БВР (на примере проходки горных выработок) 8.1 Введение Одним из основных вопросов при подготовке высококвалифицированных специалистов горного дела является получение навыков по расчету и составлению паспортов буровзрывных работ на проведение горных выработок. Основная работа по приобретению таких знаний заключается в изучении основных принципов выбора и расчета параметров буровзрывных и взрывных работ при проведении капитальных и подготовительных выработок. 8.2 Основные требования к БВР при проведении горных выработок В зависимости от типа горной выработки и площади поперечного сечения, коэффициента крепости вмещающих пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова, а также ряда других факторов буровзрывные работы имеют свои специфические особенности. Однако независимо от способа проведения выработок буровзрывные работы должны обеспечивать: 1) максимально возможные значения коэффициента использования шпуров в данных горно-геологических условиях, позволяющие наиболее эффективно использовать длину шпуров или скважин; 2) получение выработки требуемого поперечного сечения с соблюдением минимально допустимых переборов пород за проектным контуром выработки, рекомендуемых действующими нормативными документами, и уменьшение зоны трещиноватости законтурного массива; 3) интенсивное разрушение породы до оптимальных размеров фракций взорванной горной массы, необходимых для работы породопогрузочных машин с максимальной производительностью; 4) компактное расположение взорванной породы в забое с ее минимальным развалом по выработке, снижающее использование ручного труда при погрузке взорванной горной массы; 5) сохранность временной, предохранительной и постоянной крепи в выработках. Для удовлетворения вышеперечисленных требований необходимо в каждом конкретном случае устанавливать параметры паспорта буровзрывных работ и средства механизации, наиболее соответствующие данным горно-геологическим условиям и обеспечивающие максимальную технико-экономическую эффективность проведения горных выработок. Качество взрывных работ при обычном взрывании следует оценивать коэффициентом использования шпуров и коэффициентом перебора породы. 139 Увеличение поперечного сечения горных выработок регламентируется и не должно превышать значений, указанных в табл.19. В этой таблице приведены допустимые средние линейные переборы пород групп выработок по сечению. Таблица 19 Допустимые увеличения размеров поперечного сечения горных выработок Критериями оценки качества контурного взрывания служат: средний линейный перебор h, коэффициент перебора М, глубина обрушения стенки шпура в зоне расположения заряда r. Показатели качества оконтуривания находятся в следующих пределах: h = 0,05-0,1 м (меньшие значения принимаются для пород с коэффициентом крепости f = 1-1,5; большие – для пород с f = 2-9); М = 1,02-1,12; r < 20 мм. Взрывные работы должны выполняться взрывниками под руководством лица технического надзора по письменным нарядам с ознакомлением под роспись и соответствующим наряд-путевкам и проводиться только в местах, отвечающих требованиям правил и инструкций по безопасности работ. Перед началом заряжания шпуров при ведении взрывных работ в подземных выработках необходимо обеспечить проветривание забоя, убрать ранее взорванную в забое горную массу, вывести людей, не связанных с выполнением взрывных работ, за пределы опасной зоны, в места, определенные паспортом буровзрывных работ, а также очистить шпуры от буровой мелочи. Ведение взрывных работ запрещается, если на расстоянии менее 20 м от места заложения зарядов взрывчатого вещества находятся неубранная отбитая горная масса, вагонетки или предметы, загромождающие выработку более чем на 1/3 площади ее поперечного сечения, при отсутствии свободных проходов. 140 Заряжание шпуров на высоте более 2,0 м разрешается только со специально оборудованных подъемных площадок (помостов), позволяющих обеспечить безопасность работ, правильное размещение зарядов и монтаж взрывной сети, и допускается с лестниц по согласованию с территориальными органами Госгортехнадзора России. После монтажа и осмотра электровзрывной сети необходимо проверить ее токопроводимость. Перед взрыванием зарядов взрывчатого вещества должно быть произведено измерение общего сопротивления электровзрывной сети электроизмерительными приборами, допущенными Госгортехнадзором России. В случае расхождения величин измеренного и расчетного сопротивлений более чем на 10% необходимо устранить неисправности, вызывающие отклонения от расчетного сопротивления электровзрывной сети. Для измерения сопротивлений электровзрывной сети используются серийно выпускаемый цифровой омметр ХН-2750 и снятый с производства мост Р-3043. Для контроля предельного сопротивления взрывных цепей применяется взрывной испытатель светодиодный ВИС-1. Технические характеристики указанных приборов для контроля и измерения сопротивления электровзрывной сети приведены в табл.20. Таблица 20 Технические характеристики контрольной и измерительной аппаратуры При невозможности измерить сопротивление электровзрывной сети допускается по разрешению лица технического надзора, руководящего проведением взрыва, ограничиться проверкой ее токопроводимости. Взрывные приборы, применяемые для инициирования, должны проверяться перед выдачей взрывникам на соответствие развиваемого тока и импульса тока, а на шахтах, опасных по газу или пыли, и на длительность импульса напряжения. Взрывные приборы стационарных взрывных пунктов должны проверяться в местах их установки не реже одного раза в 15 дней. Для измерения параметров взрывного импульса всех применяемых в шахтах взрывных приборов, используется серийно выпускаемый прибор контроля электрических средств взрывания «Копер-1». Для проверки конденсаторных взрывных приборов используется серийно выпускаемый при- 141 бор проверки параметров взрывных приборов ППП. Технические характеристики указанных приборов приведены в табл.21. Таблица 21 Технические характеристики приборов контроля параметров электрических средств взрывания 8.3 Составление паспорта БВР при взрывании обычным способом Взрывные работы при проходке горных выработок должны проводиться по оформленным в установленном порядке паспортам ведения буровзрывных работ и утвержденным одним из руководителей той организации, которая ведет взрывные работы. Взрывные работы в искусственно замороженных, затампонированных породах или в зонах сжатого воздуха (кессонах) должны проводиться только по проектам, с соблюдением следующих дополнительных требований: 1. с целью уменьшения сейсмического воздействия на законтурный массив должно применяться контурное взрывание; 2. в случае, если контурное взрывание по каким-либо причинам не может быть осуществлено, параметры взрывных работ принимают такими, как для проведения выработок при обычном методе ведения взрывных работ, однако масса одновременно взрываемого заряда в искусственно замороженных породах во всех случаях не должна превышать 10 кг, а в затампонированных породах и в кессонах – 15 кг; 3. параметры ведения взрывных работ (особенно глубина шпуров) устанавливаются с таким расчетом, чтобы удельный расход взрывчатого вещества (аммонит №6ЖВ), кг/м3, не превышал для пород с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова: − f = 1,5 – 0,40; − f = 2-3 – 0,60; − f = 4-6 – 0,75; − f = 7-9 – 0,90; 4. глубина шпуров в искусственно замороженных и затампонированных породах не должна превышать 1,5 м, а при бурении в кессонах – 1,2 м; 5. расстояние от окружности расположения контурных шпуров до замораживающих колонок не должно быть менее указанного в табл.22. 142 Проект буровзрывных работ должен утверждаться техническим руководителем и вводиться в действие приказом руководителя организации. Проекты буровзрывных работ в числе прочих вопросов должны содержать решения по безопасной организации работ с указанием основных параметров буровзрывных работ; способам инициирования зарядов; расчетам взрывных сетей; конструкциям зарядов и боевиков; предполагаемому расходу взрывчатых материалов; определению опасной зоны и охране этой зоны с учетом объектов, находящихся в ее пределах; проветриванию района взрывных работ и другим мерам безопасности, дополняющим в конкретных условиях требования действующих Правил. Таблица 22 Безопасные расстояния между контурными шпурами и замораживающими колонками Паспорт составляется на основании и с учетом результатов не менее трех опытных взрываний, которым должно предшествовать составление примерной схемы работ, учитывающей крепость взрываемой породы (угля), мощность и угол падения пласта, степень трещиноватости, кливаж, водоносность, требуемые размеры сечения выработки вчерне, характеристику вмещающих пород, диаметр шпуров и проектируемую длину заходки за один цикл. Опытные взрывания производятся комиссией в составе начальника участка взрывных работ (его заместителя) или заместителя начальника участка ВТБ, начальника участка (его заместителя), на котором производятся опытные взрывания, горного мастера участка ВТБ, мастеравзрывника и бригадира. По разрешению руководителя взрывных работ организации допускается вместо опытных взрываний использовать результаты взрывов, проведенных в аналогичных условиях. Паспорт ведения буровзрывных работ включает: а) схему расположения шпуров; наименование взрывчатых материалов; данные о способе заряжания, числе шпуров, их глубине и диаметре, массе 143 и конструкции зарядов и боевиков, последовательности и количестве приемов взрывания зарядов, материале забойке и ее длине; схему монтажа взрывной (электровзрывной) сети с указанием длины (сопротивления) замедлений; схему и время проветривания забоя; б) указания о местах укрытия мастера-взрывника и рабочих на время производства взрывных работ, которые должны располагаться за пределами опасной зоны; в) указания о расстановке постов охраны или оцепления, расположении предохранительных устройств, предупредительных и запрещающих знаков, ограждающих доступ в опасную зону и к месту взрыва. Кроме того, для шахт опасных по газу или пыли, в паспорте должны быть указаны количество и схема расположения специальных средств по предотвращению взрывов газа (пыли), а также режим взрывных работ. Для составления паспорта ведения буровзрывных работ используются следующие данные: − форма поперечного сечения выработки, размеры по высоте и ширине выработки и площадь сечения в проходке; − крепость по шкале проф. М.М. Протодьяконова и мощность вмещающих пород, попадающих в проектный контур выработки, их трещиноватость и направления залегания пород и кливажных трещин; − ожидаемый водоприток в проектируемую горную выработку; − категория шахты и проектируемой выработки по газу и пыли. Параметры паспорта буровзрывных работ (количество шпуров, расстояние между ними, величины зарядов взрывчатого вещества на шпур и др.) устанавливаются расчетным путем с учетом существующей практики ведения взрывных работ в аналогичных горно-геологических и горнотехнических условиях. При составлении паспортов буровзрывных работ данные, полученные расчетным путем, рекомендуется уточнять с табличными данными в соответствии с рекомендованными паспортами буровзрывных работ. Алгоритм расчета паспорта ведения буровзрывных работ включает следующую последовательность действий: 1) Принятие к использованию взрывчатых веществ. 2) Задаются диаметром бурения и глубиной шпуров (определяется в случае заданных темпов проходки выработки) и величиной КИШ. 3) Задаются типом и количеством используемых бурильных машин. 4) Определяют общее необходимое количество взрывчатого вещества. 5) Производят выбор типа вруба. 6) Определяют расчетное и фактическое количество шпуров на забой. 7) Определяют заряд взрывчатого вещества на шпур. 8) Определяют общее количество взрывчатого вещества на забой. 9) Производят выбор конструкции заряда взрывчатого вещества в шпуре и типа забойки. 144 10) Определяют оптимальное время замедления, и подбирают электродетонаторы. 11) Производят расчет электровзрывной сети. 12) Принимаются необходимые предохранительные мероприятия, указываются места укрытий и расстановки постов охраны. 13) Определяют время проветривания забоя. 14) Непосредственное заполнение паспорта буровзрывных работ. Форма бланка паспорта буровзрывных работ приведена в приложении. Список использованной литературы 1. Кутузов Б.Н. Разрушение горных пород взрывом. – М.: МГУ, 1992. – 516с. 2. Единые правила безопасности при взрывных работах. – Киев: Норматив, 1992. –171 с. 3. Взрывное дело /С.А. Ловля, Б.Л. Каплан, В.В.Майоров и др. – М.: Недра, 1976. – 272 с. 4. Дубнов Л.В., Бахаревич Н.С., Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества. –М.: Недра, 1988. – 358 с. 5. СНиП 3.02.03-84. Подземные горные выработки. 6. Руководство по ведению взрывных работ в угольных шахтах / А.В. Джигрин, П.И. Кушнеров и др. – М.: ИПКОН РАН, 1996. – 204 с. 7. Безопасность при взрывных работах: Сборник документов. Серия 13. Выпуск 1 / Колл. авт. – М.: Государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2001. – 248 с. 8. Методические указания по производству опытных взрываний шпуровых зарядов для составления или пересмотра паспортов буровзрывных работ согласно требованиям §164 ЕПБ ВР. – Макеевка: Ротапринт МакНИИ, 1981. – 22 с. 9. Рекомендуемые паспорта ведения буровзрывных работ для угольных шахт России / А.В. Джигрин, П.И. Кушнеров и др. – М.: ИПКОН РАН, 1996. – 71 с. 10. Перечень взрывчатых материалов, оборудования и приборов взрывного дела, допущенных к постоянному применению в Российской Федерации. – М.: Изд-во МГГИ, 1997. – 65 с. 11. Технология и безопасность взрывных работ: Справочное пособие / Баранов Л.В., Першин В.В. и др. – М.: Недра, 1993. – 237 с. 145 12. Хазанович Г.Ш., Ленченко В.В. Буровзрывные проходческие системы: Учеб. пособие / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: ЮРГТУ,2000. – 504 с. 13. Справочник по буровзрывным работам / М.Ф. Друкованный, Л.В. Дубнов, Э.О. Миндели и др. – М.: Недра, 1976. – 631 с. 14. Машины и оборудование для шахт и рудников: Справочник / С.Х. Клорикьян, В.В. Старичнев, М.А. Сребный и др. – 6-е изд., стереотип. – М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2000. – 471 с. 15. Инструкция по применению электродетонаторов ЭДКЗ-ПКМ. 16. NONEL. Инструкция по применению. 17. Информационный бюллетень «Национальной организации инженероввзрывников», 2001, №1. – 32 с. 18. Правила безопасности в угольных шахтах. – Самара: Самарский Дом печати, 1995. – 242 с. 19. Правила безопасности в угольных шахтах. Книга 2. Инструкции. – Самара: Самарский Дом печати, 1996. – 352 с. 20. О внедрении руководства по контурному взрыванию при проходке горных выработок в угольных шахтах. Приказ МУП СССР №418 от 22.08.79. – 38 с. 21. Информационный бюллетень «Национальной организации инженероввзрывников», 2001, №2. – 32 с. 22. Горнопроходческие машины и комплексы. Альбом конструкций и схем: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Г.Ш. Хазановича. – Вып. 1. Погрузочные, буропогрузочные, погрузочно-транспортные машины и скреперные установки. – Шахтинский ин-т. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001– 152с. 23. Девяткин П.Н., Липин А.Б. Расчёты кислородных балансов и тепловых эффектов химических реакций (методические указания). РИЦ СПГГИ (ТУ), 2003. Список рекомендованной литературы 1. Безопасность взрывных работ в промышленности / Под ред. Б.Н. Кутузова. – М.: Недра, 2002. 2. Единые правила безопасности при взрывных работах. – М.: НПО ОБТ, 2003. 3. Единые правила безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом. – М.: НПО ОБТ, 1992. 4. Кутузов Б.Н. Разрушение горных пород взрывом: Учебник для вузов. – М.: Изд-во МГИ, 2004. 5. Кутузов Б.Н. Взрывные технологии в промышленности. – М.: МГГУ, 2004. 146 6. Лабораторные работы по дисциплине РГПВ (с использованием электроимпульсных разрядов). – М., МГИ, 2000. 7. Кутузов Б.Н., Нишпал Г.А. Технология и безопасность изготовления и применения ВВ на горных предприятиях. – М.: МГГУ, 1999. 8. Мангуш С.К., Крюков Г.М., Фисун А.П. Взрывные работы при подземной разработке полезных ископаемых: Учебник для вузов. – М.: Изд-во АГН, 2000. 9. Мангуш С.К. Взрывные работы при проведении подземных горных выработок: Учебное пособие. – М.: МГГУ, 1999. 147 ПРИЛОЖЕНИЕ Таблица П-1 Стандартные энтальпии образования fН0298 некоторых индивидуальных ВВ, горючих, окислителей и продуктов некоторых реакций взрыва fН0298, кДж/моль -365,4 Вещество Аммиачная селитра NH4NO3 Динитронафталин C10H6(NO2)2 Тетрил C7H5N(NO2)4 Коллоидный хлопок C6H7O3 (ОNО2)3 Нитроглицерин С3H5(ONO2)3 Сера S2 (g) Вещество fН0298, кДж/моль Ксилил C8H7(NО2)3 -94,1 -196,9 Нитрогликоль C2H4(ONO2)2 27,38 33,5 -1081 ТЭН C5H8(ONO2)4 -531,4 -428,0 -364,8 Ацетиленид серебра Ag2C2 Пикриновая кислота C6H2(NО2)3OH Тротил C7H5(NO2)3 128,4 Дигликоль-динитрат C4H8О(ONO2)2 Гексоген С3H6N3(NO2)3 Оксид углерода CO(g) Диоксид углерода CO2(g) 71,5 -110,5 -393,5 Диоксид серы SO2(g) Оксид азота NO(g) Диоксид азота NO2(g) Хлористый водород HCl(g) Бромистый водород HBr(g) Перхлорат калия KClO4 Хлорат калия KClO3 Оксид калия К2О Вода Н2О(g) Вода Н2О(s) Вода Н2О(l) Перекись водорода Н2О2 (g) Перекись водорода Н2О2 (l) Бутан C4H10 (g) -296,9 91,3 34,2 -92,31 -36,38 Калиевая селитра KNO3 Толуол C7H8 (g) Толуол C7H8 (l) Йодистый водород HI(g) -430,1 -391,2 -361,5 -241,81 -291,85 -285,83 -135,88 -187,86 -126,15 Этиловый спирт C2H6О(l) Бензол C6H6 (l) Н-октан C8H18 (l) Глицерин C3H8О3 (l) Ацетилен C2H2 (g) Этилен C2H4 (g) Этан C2H6 (g) Пропен C3H6 (g) Нафталин C10H8 (s) 364,53 -215,5 -59,4 -822,16 -1675,69 Оксид железа (III) Fe2O3 Оксид алюминия Al2O3 -492,5 50,0 12,0 26,5 -273,3 Фтористый водород HF(g) -277,0 49,0 -250,0 -668,6 226,75 52,30 -84,67 20,41 78,1 Таблица П-2 Контрольные задания Задание 1. Рассчитать тепловой эффект реакции взрывчатого превращения данного ВВ указанной массы в соответствии с вариантом: № варианта 1 2 Масса ВВ, кг 1,12 0,861 Название ВВ Нитрат аммония Гексоген Реакция взрыва для данного ВВ NH4NO3=2H2O+N2+0,5O2 С3H6N6O6 = 3H2O+3CO+3N2 148 № варианта 3 Масса ВВ, кг 0,782 4 1,98 5 2,45 0,358 Коллоидный хлопок Нитроглицерин Нитрогликоль 8 9 5,41 0,698 1,02 ТЭН Тетрил Тротил 10 1,56 Гремучий газ 11 25,2 Термитная смесь 2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe 12 1,07 Карбид серебра (ацетиленид серебра) Ag2C2=2Ag+2C 13 4,52 Пикриновая к-та C6H3О7N3=1,5H2O+5,5CO+0,5C+1,5N2 14 2,48 C8H7О6N3=3,5H2O+2,5CO+5,5C+1,5N2 15 0,785 Ксилил Дигликольдинитрат 6 7 Название ВВ Реакция взрыва для данного ВВ Динитронафталин C10H6(NO2)2=3H2O+CO+N2 +9C C6H7О3(ОNО2)3=3,5H2O+3,5CO+2,5CО2+ +1,5N2 C3H5(ONO2)3=2,5H2O+3CO2+1,5N2+0,25O2 C2H4(ONO2)2 = 2H2O + 2CO2 + N2 C5H8(ONO2)4=4H2O+3CO2+2CO+2N2 C7H5O8N5=2,5H2O+5,5CO+1,5C+2,5N2 C7H5(NO2)3=2,5H2O+3,5CO+3,5C+1,5N2 2Н2+О2=2Н2О C4H8О7N2=4H2O+3CO+С+N2 Таблица П-3 Контрольные задания Задание 2. Рассчитать стандартную энтальпию образования указанного соединения при известном тепловом эффекте реакции взрыва (Q) в соответствии с вариантом: № варианта 1 2 3 Q, кДж/моль Название вещества Реакция взрывчатого превращения 118,2 1128 639,0 NH4NO3=2H2O+N2+0,5O2 С3H6N6O6 = 3H2O+3CO+3N2 C10H6(NO2)2=3H2O+CO+N2 +9C 4 1136 5 1420 Нитрат аммония Гексоген Динитронафталин Коллоидный хлопок Нитроглицерин 6 1298 Нитрогликоль C6H7О3(ОNО2)3=3,5H2O+3,5CO+ +2,5CО2+1,5N2 C3H5(ONO2)3=2,5H2O+3CO2+1,5N2+ +0,25O2 C2H4(ONO2)2=2H2O+2CO2+N2 7 1837 ТЭН C5H8(ONO2)4=4H2O+3CO2+2CO+2N2 8 1246 Тетрил 9 931,9 Тротил 10 483,6 Вода 11 853,5 Оксид алюминия 12 364,53 13 755,0 14 1029 15 870,7 Карбид серебра Пикриновая кислота Ксилил Дигликольдинитрат C7H5O8N5=2,5H2O+5,5CO+1,5C+ +2,5+N2 C7H5(NO2)3=2,5H2O+3,5CO+3,5C+ +1,5N2 2Н2+О2=2Н2О 2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe (ацетиленид серебра) Ag2C2=2Ag+2C C6H3О7N3=1,5H2O+5,5CO+0,5C+ +1,5N2 C8H7О6N3=3,5H2O+2,5CO+5,5C+ +1,5N2 C4H8О7N2=4H2O+3CO+С+N2 149 № варианта 16 Q, кДж/моль Название вещества Реакция взрывчатого превращения 118,2 Вода NH4NO3=2H2O+N2+0,5O2 17 1128 Вода С3H6N6O6 = 3H2O+3CO+3N2 18 639,0 Вода C10H6(NO2)2=3H2O+CO+N2 +9C 19 1136 20 1420 Вода 21 1298 Вода C6H7О3(ОNО2)3=3,5H2O+3,5CO+ +2,5CО2+1,5N2 C3H5(ONO2)3=2,5H2O+3CO2+1,5N2+ +0,25O2 C2H4(ONO2)2 = 2H2O + 2CO2 + N2 22 1837 Вода C5H8(ONO2)4=4H2O+3CO2+2CO+2N2 23 1246 Вода 24 931,9 Вода 25 483,6 Вода C7H5O8N5=2,5H2O+5,5CO+1,5C+ +2,5+N2 C7H5(NO2)3=2,5H2O+3,5CO+3,5C+ +1,5N2 2Н2+О2=2Н2О 26 853,5 Оксид алюминия 27 755,0 Вода 28 1029 Вода 29 870,7 Вода 30 1128 Оксид углерода С3H6N6O6 = 3H2O+3CO+3N2 31 639,0 Оксид углерода C10H6(NO2)2=3H2O+CO+N2 +9C 32 1136 33 1420 34 1298 Диоксид углерода C6H7О3(ОNО2)3=3,5H2O+3,5CO+ +2,5CО2+1,5N2 C3H5(ONO2)3=2,5H2O+3CO2+1,5N2+ +0,25O2 C2H4(ONO2)2 = 2H2O + 2CO2 + N2 35 1837 Диоксид углерода C5H8(ONO2)4=4H2O+3CO2+2CO+2N2 36 1246 37 931,9 38 546,6 39 184,62 40 72,76 Вода 2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe C6H3О7N3=1,5H2O+5,5CO+0,5C+ +1,5N2 C8H7О6N3=3,5H2O+2,5CO+5,5C+ +1,5N2 C4H8О7N2=4H2O+3CO+С+N2 Оксид углерода Диоксид углерода Оксид углерода Оксид углерода Фтористый водород Хлористый водород Бромистый водород C7H5O8N5=2,5H2O+5,5CO+1,5C+ +2,5+N2 C7H5(NO2)3=2,5H2O+3,5CO+3,5C+ +1,5N2 H2+F2=2HF H2+Сl2=2HCl H2+Br2=2HBr Таблица П-4 Физико-химические характеристики компонентов промышленных ВВ Название вещества Химическая формула Молекулярная масса Кислородный баланс, % Al 27 -88,9 Аммиачная селитра NH4NO3 80 +20 Аммоний углекисл. (NH4)2СO3 96 -52,2 Алюминий 150 Название вещества Химическая формула Молекулярная масса Кислородный баланс, % Аммоний хлорист. NH4Сl 53,5 -44,9 Азид свинца Pb(N3)2 291 -11 - - -130 С3H6N3(NO2)3 222 -21,6 Гремучая ртуть Hg(CNO)2 284 -11,3 Динитрогликоль C2H6(ONO2)2 152 Динитронафталин C10H6(NO2)2 218 -139,4 Калиевая селитра KNO3 101 +39,6 Калия порхлорат KClO4 138,5 +46,2 Калия хлорат KClO3 122,5 +39,6 Ca(NO3)2·4Н2О 236 +33,9 - - -343,0 C6H10O5 162 -118,5 Mg 24,3 -65,8 C15H22O10 362 -137,0 Мука злаков CxHyOz 381 -132,0 Натриевая селитра NaNO3 85 +47,0 Натрия перхлорат NaClO4 122,5 +52,2 Натрия хлорат NaClO3 106,5 +45,0 Нитроглицерин C3H5(ONO2)3 227 +3,5 Нитрогликоль C2H4(ONO2)2 152 Нитрогуанидин CN4H4O2 104 -30,8 Нитродигликоль C4H8О(ONO2)2 196 -40,8 C24H31N9O38 1105,3 -38,6 C24H29N11O42 1143 -28,6 C6H7О3(ОNО2)3 313 -38,7 C4H8N8O8 296 -21,6 Парафин (твердый) C24H50 338,5 -346,0 Перхлорат аммония NH4ClO4 118 +34 Пикриновая кислота C6H2(NO2)3OH 229 -45,4 C12H22O11 - -112,3 PbO2(NO2)3·Н2О 395 -25,6 C(NO2)4 196 +49,0 C6H2(NO2)4NCH3 287 -47,4 C6H2(NO2)3CH3 227 -74,0 - - -84 C5H8(ONO2)4 316 -10,1 Бумага (оболочка патронов) Гексоген Кальций азотнокислый Керосин Клетчатка Магний Мука древесная Нитроклетчатка (коллоидная) Нитроклетчатка (пироксилин) Коллоидный хлопок Октоген Сахар Тенерес Тетранитрометан Тетрил Тринитротолуол (тротил) Тротиловое масло ТЭН 151 Название вещества Молекулярная масса Кислородный баланс, % C 12 -266,7 - - -48 - - +18 - - +0,3 Химическая формула Углерод (аморфный) Тротил / гексоген (смесь 50:50) 95% NH4NO3 + 5% C6H2(NO2)3CH3 79% NH4NO3 + 21% C6H2(NO2)3CH3 Таблица П-5 Задание 3. Рассчитать всеми возможными способами кислородный баланс смесевого ВВ указанного состава в соответствии с вариантом: № варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Состав ВВ Аммиачная селитра 50% Тринитротолуол 40% Калиевая селитра 10% Аммиачная селитра 50% Калиевая селитра 30% ТЭН 20% Хлорат калия 36% Алюминий 54% Тротил 10% Хлорат калия 45% Алюминий 55% Аммиачная селитра 25% Нитрат натрия 35% Гексоген 40% Аммиачная селитра 61% Тетрил 39% Аммиачная селитра 30% Тротил 55% Калиевая селитра 15% Аммиачная селитра 18% Октоген 50% Нитрат натрия 32% Октоген 60% Сахар 20% Нитрат натрия 20% Гексоген 75% Сахар 15% Тетранитрометан 40% Тротиловое масло 20% Тетрил 40% Нитроглицерин 65% Нитрогликоль 25% Углерод 10% Магний 25% Клетчатка 25% Динитронафталин 50% Азид свинца 85% Гремучая ртуть 15% Мука древесная 5% Гексоген 95% Аммиачная селитра 50% ТЭН 40% Калиевая селитра 10% № варианта 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 Состав ВВ Тринитротолуол 68% Алюминий 12% Аммиачная селитра 20% Тротил 50% Алюминий 11% Аммиачная селитра 39% Хлорат калия 25% Алюминий 65% ТЭН 10% Нитрат натрия 49% Гексоген 51% Калиевая селитра 35% Нитрат натрия 35% Нитроглицерин 30% Калиевая селитра 71% Тетрил 29% Аммиачная селитра 40% Ксилил 55% Калиевая селитра 5% Аммиачная селитра 38% Октоген 40% Калиевая селитра 22% Октоген 30% Сахар 15% Аммиачная селитра 55% Гексоген 60% Тротил 40% Нитроцеллюлоза 30% Тротиловое масло 10% Тетрил 60% Нитроглицерин 75% Тетранитрометан 15% Углерод 10% Магний 15% Клетчатка 5% Аммиачная селитра 80% Азид свинца 75% Динитрогликоль 25% Магний 15% Гексоген 85% Тринитротолуол 68% Алюминий 12% Сахар 20% 152 № варианта 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Состав ВВ Пикриновая кислота50% Калиевая селитра 10% Тетрил 40% Хлорат калия 46% Алюминий 44% Гексоген 10% Хлорат натрия 55% Алюминий 45% Ксилил 45% Нитрат натрия 55% Аммиачная селитра 71% Тротил 29% Аммиачная селитра 30% Тротил 55% Хлорат калия 15% Аммиачная селитра 18% Гексоген 50% Нитрат натрия 32% Октоген 60% Сахар 20% Нитрат калия 40% Гексоген 45% Хлорат калия 55% Тетранитрометан 50% Тротиловое масло 10% Ксилил 40% Нитроглицерин 55% Нитродигликоль 35% Углерод 10% Магний 25% Клетчатка 25% Гексоген 50% Азид свинца 95% Аммиачная селитра 5% Мука древесная 10% ТЭН 90% № варианта 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 Состав ВВ Тетрил 50% Алюминий 11% Калиевая селитра 39% Хлорат калия 25% Алюминий 55% Октоген 20% Магний 9% Гексоген 91% Калиевая селитра 65% Нитрат калия 35% Калиевая селитра 61% Тротил 39% Аммиачная селитра 35% Гексоген 60% Калиевая селитра 5% Аммиачная селитра 38% ТЭН 50% Калиевая селитра 12% Гексоген 30% Сахар 5% Аммиачная селитра 65% Гексоген 80% ТЭН 20% Нитроцеллюлоза 50% Тротиловое масло 10% Хлорат калия 40% Нитроглицерин 75% Тетранитрометан 5% Магний 20% Алюминий 15% Клетчатка 15% Аммиачная селитра 70% Азид свинца 85% Тротил 15% Алюминий 5% Гексоген 95% 153 Бланк паспорта буровзрывных работ Форма Ш 12.2 Утверждена Министерством СССР от 25.09.86 г. №213 П-о______________________________ Шахта ___________________________ Участок __________________________ УТВЕРЖДАЮ: Главный инженер шахты _______________________________ подпись «_________»____________________ __20___г _______________________________ продлен до «_________»_______________20___г _______________________________ подпись ПАСПОРТ буровзрывных работ ________________________________________________________ наименование выработки, забоя СХЕМА ПРОВЕТРИВАНИЯ ЗАБОЯ, ПОСТОВ ОЦЕПЛЕНИЯ И МЕСТ УКРЫТИЯ ЛЮДЕЙ ПРИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТАХ: 154 Показатели буровзрывных работ Наименование показателей А паспорт действителен с Взамен паспорта вверенного Опасность шахты Опасность забоя (выработки) число месяц год число месяц год по газу по пыли по газу по пыли по горным ударам по внезапным выбросам забоя, группа в проходке в свету наименование Расход Степень опасности Площадь поперечного сечения выработки, м2 Тип количество бурильных машин однобурильной временно работающих в забое, шт. машины Коэффициент крепости угля по Протодьяконову породы Тип вруба Тип ВВ детонаторов Тип СИ шнура Тип применяемой забойки На/м резцов, шт. выработ. коронок, шт. ВВ, кг детонаторов, шт. СИ шнура, шт. Забойка, кг Расход на прием воды Взрывания, кг инертной пыли Коэффициент использопо углю вания шпуров по породе Подвигание забоя за по углю взрыв, м по породе Время на заряжание и взрывание, мин Время проветривания после взрывания, мин Время осмотра забоя после взрывания, мин Качественная Порядхарактеристика ковый показателей номер записи Б 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 Коды и значения реквизитов 2 Пример взрывания удельный, л/м2 общий, л объем сосуда количество сосудов, шт. Порядковый № записи наименование код на 1 сосуд, кг всего, кг наименование код штук метров Контрольная сумма Порядковый № записи 1 от до 2 3 5 всех в группе 4 одного шпура Диаметр шпура, мм Номера шпуров Количество шпуров в группе Длина, м 6 7 1 2 3 4 5 6 А 7 8 9 Б 10 11 12 13 Расход воды в забое на один шпур на всю группу Масса заряда, кг 8 9 10 11 Средства инициирования взрывания А 13 14 Контрольная сумма заземл. ЭДКЗ ПМ, МС Контрольная сума Приемы взрывания код 12 наименование Длина внутренней забойки на один шпур, м вер. Угол наклона шпура к плос. заб. проек., град. гор. 155 40 Характеристика шпуров 15 16 Параметры водораспылительных завес Потребность и тип ВМ для распыления воды средства инициировавзрывчатые вещества ния тип расход тип расход 156 СХЕМА РАСПОЛОЖЕНИЯ ШПУРОВ И ПОЭЛИЭТИЛЕНОВЫХ СОСУДОВ С ВОДОЙ МАСШТАБЫ 1:50 ИЛИ 1:100 Дополнительные требования по безопасному ведению взрывных работ, не предусмотренных едиными правилами безопасности при взрывных работах 1. Взрывная станция установлена ___________________________________ 2. Бурение в «стакан» запрещено, смещение шпуров следующего цикла – 10 см. 157 С паспортом ознакомлены Фамилия, имя, отчество 1 Профессия 2 Раб. номер 3 Дата Подпись Фамилия, имя, отчество 4 5 1 Профессия 2 Раб. номер 3 Дата Подпись 4 5 158 Содержание 1. Технология и безопасность взрывных работ ….………………………......3 1.1 Введение ……………………….………….……………..............................3 2. Основы теории взрывчатых веществ ………………………………………3 2.1 Введение …………………………................................................................3 2.2 Ударные волны …………………………………………………….............4 2.3 Формы химического превращения взрывчатых веществ …….................7 2.4 Детонация взрывчатых веществ ……………………………...………….10 2.5 Экспериментальные исследования детонации ВВ …………………......17 2.5.1. Оптический метод определения скорости детонации ....……………17 2.5.2. Метод ионизационных датчиков …………………………….…….....18 2.5.3 Метод Дотриша …………………………….……………......................20 2.5.4 Передача детонации на расстояние …………………………….…......21 2.6 Термодинамика процессов горения и взрыва …………….….................22 2.6.1 Тепловой эффект реакции взрыва. Закон Гесса ……………………...23 2.6.2 Примеры расчета тепловых эффектов реакций взрывчатых превращений …………………………….…………….....................................................25 2.7 Кислородный баланс ВВ ……………………………………......………..27 2.7.1 Примеры определения КБ ВВ ……………….......……….……………31 2.8 Чувствительность ВВ к внешним воздействиям …………………….....32 2.9 Относительная оценка полезной работы взрыва......................................35 2.9.1 Работоспособность ВВ.............................................................................35 2.9.2 Бризантность ВВ.......................................................................................36 3. Общая классификация промышленных взрывчатых веществ и их характеристика............................................................................................................37 3.1 Классификация промышленных взрывчатых веществ............................37 3.2 Характеристика промышленных взрывчатых веществ...........................39 3.2.1 Инициирующие взрывчатые вещества ………………..........................39 3.2.2 Бризантные взрывчатые вещества ……………………….......………..40 3.2.3 Метательные взрывчатые вещества …………………………….....…..41 3.2.4 Промышленные взрывчатые вещества ………………………....……..43 3.2.5 Основные составляющие промышленных ВВ …….............................47 3.2.6 Дополнительные компоненты аммиачно-селитренных ВВ ….....…...58 159 3.2.7 Нитроглицериновые ВВ ..……………………......................…….…….60 3.2.8 Детонация промышленных ВВ …………………………….……….....64 3.2.9 Способы и средства беспламенного взрывания ……………….....…..69 4. Способы и средства взрывания зарядов ВВ …………………..................70 4.1 Подрыв с помощью электродетонаторов …………………………….....70 4.2 Неэлектрические способы взрывания …..................................................76 4.3 Комбинированные способы взрывания ……………………………........83 4.3.1 Электроогневое взрывание ……….………………................................83 4.3.2 Взрывание с помощью детонирующего шнура (ДШ) …………….....84 5. Основы теории предохранительных ВВ …………………………………87 5.1 Перспективы развития предохранительных ВВ ……………………......93 5.2 Испытание предохранительных ВВ ……………………….....................96 6. Воздействие взрыва на окружающую природную среду …………….....98 6.1 Классификация зарядов ВВ ……………………………………...............98 6.2 Характеристика зарядов ВВ ………………………………......................99 7. Технология проведения взрывных работ при подземных выработках .113 7.1 Введение …………………………………................................................113 7.2 Шпуровые заряды ВВ ………………………………..............................113 7.3 Основные взрывные врубы ……………………………………………..115 7.4 Забойка шпуров при взрывании в угольных шахтах ………………....119 7.5 Причины отказов и выгорания зарядов ВВ …………………………...124 7.6 Особенности взрывных работ при проведении выработок по выбросоопасным пластам …………………………………………………………....128 7.7 Взрывные технологии подземной отбойки угля ……………………..132 7.8 Ответственность персонала за нарушение порядка хранения, учета и использования взрывчатых материалов …………………...........................136 8. Основы проектирования паспортов БВР ……………….........................140 8.1 Введение …………………………….......................................................140 8.2 Основные требования к БВР при проведении горных выработок …..140 8.3 Составление паспорта БВР при взрывании обычным способом..........143 Список использованной литературы……………………………………….146 Список рекомендованной литературы.…………………………………….147 Приложение...........................................................................................……..149