Теория горения и взрыва

Вопрос 48. Классификация взрывчатых веществ по

составу, способу возбуждения взрыва и использованию

Для практического использования в качестве промышленных ВВ пригодны только такие индивидуальные химические вещества или смеси, которые способны к самораспространению в них реакции взрыва от соответствующего инициирующего импульса. По составу ВВ обычно подразделяют на индивидуальные химические соединения и на механические смеси. В группу индивидуальных однородных ВВ входят химические соединения, молекулы которых обычно недостаточно устойчивы и состоят из атомов или групп, необходимых для химической реакции с образованием новых, более стойких молекул. В молекулах химических соединений атомы кислорода должны быть соединены с атомами горючих элементов посредством атомов азота, который относительно инертен к углероду, водороду и кислороду. При взрывчатом превращении в результате достаточно сильного сжатия и соударения молекулы разрушаются. Активные атомные группы освобождаются от атомов азота, вступают во взаимодействие между собой, и горючие окисляются кислородом, находящимся в молекулах этих ВВ. К индивидуальным взрывчатым химическим соединениям относятся ВВ следующих классов: 1) нитросоединення: тротил (тринитротолуол) С6Н2(NO2)3.CH3, динитронафталин C10H6(NO2)2. тринитронафталин CioH5(NO2)3, тринитрофенол (пикриновая кислота) С6Н2(N02)3ОН; 2) нитрамины, из которых чаще всего используют гексоген C3N3H6(NO2)3, тетрил C6H2(NO2)3NCH3NO2, октоген C4N4H8(N02)4; 3) нитроэфиры, содержащие одну или несколько нитратных групп (ON02): нитроглицерин СзН5(ОN02)3, нитрогликоль C2H4(ONO2)2. динитрогликоль C4H8(ON02)2, тэн C(CH2ONO2)4, коллодионный хлопок С24Н3О11(ОNO2)9; 4) гремучая кислота и ее соли  (гремучая ртуть Hg(ONC)2; 5) азотисто-водородная    кислота   и ее соли (азид свинца)  PbN6;  6) тенерес С6H(NO2)3O2PbH2O (тринитрорезорцинат свинца).

К механическим взрывчатым смесям горючих и окислителей относятся по существу все ВВ, применяемые при взрывных работах. Механические взрывчатые смеси содержат в своем составе чаще всего компонент, имеющий излишек кислорода, например, аммиачную селитру NH4N03, нитраты калия KN03, натрия NaNO3, или кальция Са(N03)2, а также компоненты, сгорающие в процессе взрыва частично или полностью вследствие излишка кислорода в указанных кислородоносителях. В числе сгорающих могут быть взрывчатые химические соединения, содержащие в своих молекулах недостаточное количество кислорода для полного окисления углерода и водорода, входящих в их молекулы (тротил, гексоген и др.), а также невзрывчатые горючие компоненты (парафин, древесная мука, соляровое масло, алюминиевая пудра, мипора и др.).

Основным окислителем, применяемым в, составах промышленных ВВ, является аммиачная селитра NH4N03, содержащая избыток кислорода в количестве 20 %, а для ожелезненной селитры марки  ЖВ — 19 %; одновременно она содержит горючие элементы. Аммиачно-селитренные смесевые ВВ, содержащие взрывчатые ннтросоединения (тротил, гексоген, динитронафталин), называют аммонитами.

Аммониты, в состав которых входит тонко измельченный алюминий, называют аммоналами. Смеси, содержащие аммиачную селитру и горючие невзрывчатые компоненты, называют динамонами. Смеси гранулированной аммиачной селитры с соляровым маслом называют игданитами. Такие же смеси, припудренные древесной мукой или алюминиевой пудрой, называют гранулитами. Грубодисперсные смеси тротила с гранулированной аммиачной селитрой называют зерногранулитами.

Аммиачно-селитренные ВВ, содержащие в своем составе небольшие количества (до 15 %) жидких ннтроэфнров, в силу особенности их производства выделяют в особую группу нитро-эфирных ВВ. Это — детониты, победит, углениты, селектиты и другие ВВ. В особую группу выделяют динамиты (62 %-ный и др.), содержащие большое количество жидких нитроэфиров, желатинированных нитроклетчаткой, благодаря которым динамиты имеют хорошую пластичность и водоустойчивость. В состав смесевых ВВ для придания им предохранительных свойств вводят инертные добавки, такие как хлористый натрий или хлористый калий. Все ВВ по способу возбуждения взрывчатого превращения в них условно разделяют на первичные (инициирующие) и вторичные (бризантные). К первичным, относят весьма чувствительные к тепловым и механическим воздействиям индивидуальные ВВ, взрывающиеся в малых зарядах от сравнительно слабых механических или тепловых импульсов. К этим ВВ, которые называют инициирующими, относятся гремучая ртуть, азид свинца и. тенерес. Вторичные ВВ менее чувствительны к тепловому и механическому воздействию, и для возбуждения в них взрыва необходим взрывной импульс небольшого заряда инициирующего ВВ. Из однородных вторичных ВВ чаще всего в составах смесевых промышленных ВВ используют нитроэфиры, тротил, динитронафталин и др. Более чувствительные вторичные ВВ, такие как тетрил, тэн, тексоген, применяют в капсюлях-детонаторах в качестве вторичных зарядов, усиливающих их инициирующий импульс на смесевые ВВ. Флегматизированный тэн применяют также для изготовления ДШ (детонационных шнуров). По действию ВВ можно разделить на бризантные, метательные и пиротехнические составы. В качестве бризантных или дробящих ВВ используются все вторичные индивидуальные ВВ и смесевые промышленные ВВ. Метательные ВВ, к которым относятся пороха, отличаются малой скоростью взрывчатого превращения, протекающего в виде взрывного горения. Они поджигаются от тепловых источников воспламенения. Пиротехнические составы применяют для специальных целей (осветительные или  сигнальные ракеты и т. п.). Во взрывном деле некоторые из них используют в качестве замедляющих составов в ЭД (электродетонаторы) короткозамедленного и замедленного действия.

Вопрос 49. Физико-химические характеристики взрывчатых веществ

Плотность ВВ — отношение массы ВВ к занимаемому им объему (выражается в г/см3, кг/дм3 или т/м3) — является важнейшей характеристикой ВВ. От нее в значительной степени зависят детонационная восприимчивость ВВ к начальному импульсу, бризантность и концентрация энергии взрыва.

Плотность патрона — отношение массы патрона вместе  с оболочкой к его объему.

Важным параметром ВВ является его критическая плотность, т. е. максимальная плотность, при которой в зарядах определенного диаметра взрыв устойчиво распространяется с максимальной скоростью. При взрывных работах в подземных условиях в основном применяют патронированные ВВ, имеющие плотность в патронах порошкообразных ВВ 0,85—1,25 г/см3, в шнекованном или прессованном состоянии 1,3—1,5 г/см3 и в пластичном состоянии 1,45—1,5 г/см3. Плотность аммиачно-селитренных ВВ может изменяться в процессе хранения. Изменение плотности обусловливается главным образом перекристаллизацией аммиачной селитры. Плотность порошкообразных ВВ может увеличиваться при групповом и неодновременном взрывании зарядов в угольных забоях под действием импульсов взрывов смежных зарядов.

 Пластичность ВВ. Пластичными называют ВВ, в консистенции которых сочетается мягкость, позволяющая легко деформировать заряды ВВ и придавать им нужную форму, и определенная жесткость, позволяющая сохранять приданную ему форму. По сравнению с порошкообразными, пластичные ВВ имеют повышенную плотность, они способны заполнять все сечение шпура при нажатии на патрон ВВ забойником. обеспечивая высокую плотность заряжания. К пластичным ВВ относятся высокопроцентные динамиты, а также водонаполненные желатинированные ВВ пластичной структуры.

Слеживаемость  ВВ.  Слеживаемостью  называют  способность некоторых порошкообразных ВВ терять сыпучесть при хранении и превращаться в прочную сплошную массу. Слежавшиеся ВВ неудобны  в обращении  и  хуже  взрываются.  Основной  причиной слеживаемости аммиачно-селитренных смесевых ВВ является связывание частиц вещества вновь образующимися в процессе хранения кристаллами аммиачной селитры. Основными факторами, способствующими слеживанию, являются увлажнение состава аммонита и последующее его  подсыхание,  патронирование  порошка аммонита при температуре его выше 30—32 °С или хранение его при повышенных температурах (более 30 °С), а также сдавливание аммонита при хранении. Перекристаллизация увлажненного аммонита происходит особенно интенсивно при температуре модификационного превращения 30—32 °С.

Некоторые добавки, вводимые в аммиачную селитру при ее изготовлении, например, фуксин, снижают прочность вновь образующихся кристаллов из жидкой фазы или ослабляют их связь с частицами, на поверхности которых они выделяются, уменьшая слеживаемость. Пониженную склонность к слеживанию имеют аммониты, изготовленные на ожелезненной водоустойчивой аммиачной селитре марки «ЖВ», крупнодисперсные зерногранулиты и гранулиты. В большинстве случаев слежавшийся аммонит от капсюля-детонатора не детонирует. Легко слежавшийся аммонит перед заряжанием необходимо разминать руками.

Гигроскопичность и водоустойчивость ВВ. Гигроскопичностью называют характерную для многих веществ, способность поглощать влагу из окружающей атмосферы. Гигроскопичны аммиачно-селитренные ВВ, содержащие в своем составе очень гигроскопичную аммиачную селитру. Процесс поглощения влаги сухим аммонитом начинается с конденсации водяных паров на поверхности частиц аммиачной селитры, в результате чего из нее образуется пленка водного раствора. Гигроскопичны не только растворимые соли, но и многие нерастворимые в воде вещества, например древесная мука, торф и т. п. Вследствие гигроскопичности аммиачно-селитренные ВВ в результате увлажнения могут частично или полностью терять способность к взрыву. Подсушивание таких ВВ после сильного их увлажнения не всегда приводит к восстановлению прежней детонационной способности, бризантности, так как при подсушивании происходят перекристаллизация аммиачной селитры, укрупнение частиц и изменение структуры ВВ. Кроме того, гигроскопичность аммонитов способствует их слеживанию. Из ВВ, содержащих в своем составе, наряду с аммиачной или натриевой селитрой, жидкие нитроэфиры, последние вытесняются влагой, поглощаемой из воздуха, и выделяются на поверхности патронов в свободном виде, что изменяет структуру ВВ и создает опасность обращения с такими ВВ.

Водоустойчивыми называют такие ВВ, заряды которых способны при непосредственном соприкосновении с водой сохранять в течение некоторого времени неизменными свои взрывчатые свойства или изменять их в незначительных пределах. Взрывчатые свойства ВВ при контакте их с водой могут изменяться вследствие флегматизирующего действия воды или в результате растворения в воде отдельных компонентов ВВ (аммиачной селитры, хлористого калия и др.).

В последние годы стали широко применять аммониты, детониты, углениты и другие ВВ с достаточно высокой водоустойчивостью. Порошкообразные ВВ по своей структуре следует рассматривать как системы, состоящие из множества капилляров. При погружении в воду неводоустойчивых ВВ эти капилляры быстро заполняются водой. Однако если капилляры обработаны несмачивающимися веществами, вода в них не поступает. Смачивающиеся водой вещества называют гидрофильными, а не смачивающиеся — гидрофобными. Ряд компонентов промышленных ВВ являются гидрофильными, особенно чистая аммиачная селитра, хлористый калий и другие. При введении в состав ВВ тонкоизмельченных гидрофобных веществ, например стеаратов кальция, цинка, асфальтита и т. п., или при специальной обработке аммиачной селитры, ведущей к ее гидрофобизации, порошкообразные ВВ становятся водоустойчивыми.

Большинство гидрофобных добавок сильно флегматизируют ВВ и делают их менее восприимчивыми к начальному импульсу. Ввиду этого для придания необходимой водоустойчивости в состав ВВ вводят наиболее активные гидрофобные добавки, которые в ничтожных количествах препятствуют проникновению воды в капилляры. Широко применяется обработка аммиачной селитры солями жирных кислот, которые, покрывая тонким слоем ее кристаллы, придают селитре водоустойчивость. Практикуется и другой способ обеспечения водоустойчивости ВВ, например введением добавок, способных при поглощении воды набухать, что также защищает от проникновения воды во всю массу ВВ.

Эксудация ВВ. Способность некоторых ВВ выделять из своего состава жидкие или легкоплавкие компоненты при хранении называют эксудацией. Эксудация наблюдается у ВВ со значительным содержанием нитроэфиров, например, у динамитов, а также у гранулированных ВВ, содержащих жидкие нефтепродукты.

Вопрос 50 Основные формы превращения взрывчатых веществ

Химические превращения ВВ могут протекать в форме термического распада, горения или детонации. Термический распад — это сравнительно медленная химическая реакция, происходящая во всем объеме ВВ, скорость, которой определяется температурой окружающей среды. При нормальной температуре хранения скорость термического распада для промышленных ВВ ничтожно мала и все тепло, выделяющееся в процессе реакции, отдается окружающей среде. Практически все ВВ, как недостаточно устойчивые системы, подвержены термическому распаду, ввиду чего при их хранении в хранилищах не допускается повышение температуры выше + 30 °С. 

Горение ВВ — это быстрая самораспространяющаяся химическая реакция, при которой теплота реагирующих слоев ВВ передается следующим слоям путем теплопередачи, т. е. при горении пригревается только поверхностный слой ВВ. В результате горения этого слоя образуются газы с высокой температурой, которые нагревают следующий слой ВВ, вызывая в нем химическую реакцию. Этот процесс передается от слоя к слою до сгорания всего заряда. Поскольку процесс передачи тепла медленный, а скорость горения ВВ определяется его теплопроводностью, то она обычно невелика и составляет несколько миллиметров в секунду. У большинства ВВ скорость горения увеличивается с. повышением давления. При опpеделенных условиях, способствующих быстрому росту давления, например, в замкнутом  в замкнутом  прочном объеме или при горении больших  количеств ВВ, горение ВВ может перейти в детонацию.

Детонация ВВ - это такая форма их взрывчатого превращения, которая вызывается проходящей по заряду ударной волной и характеризуется постоянной и наибольшей для данных условий и состояния ВВ скоростью распространения химического превращения ВВ. При детонации сжатие и разогрев, вызывающие реакцию взрывчатого превращения, распространяются по заряду ВВ в виде детонационной волны, поддерживаемой химической реакцией. Выделение энергии в детонационной волне происходит со скоростями в несколько километров за секунду. Большинство промышленных ВВ имеет скорость детонации 3—5 км/сек. При детонации ВВ в очень малый промежуток времени выделяется большое количество тепла, а образующиеся раскаленные взрывные газы находятся под давлением десятков и сотен тысяч атмосфер. Такое резкое повышение давления обусловливает сильное разрушающее действие взрыва. Например, при взрыве патрона ВВ, помещенного на глыбе породы, последняя в тысячные доли секунды ударом расширяющихся раскаленных газов будет раздроблена. Если такой же патрон ВВ, способный гореть при атмосферном давлении, поджечь, то он сгорит спокойно и глыба породы останется не разрушенной. При горении патрона выделялось примерно такое же количество тепла и образовывалось столько же газов, как и при детонации, но скорость выделения энергии при горении была в миллион раз меньше, чем при детонации, поэтому детонация и горение ВВ существенно различаются по конечному результату их воздействия. Скорость, с которой распространяется детонационная волна по заряду, принято называть скоростью детонации, т.е. той максимальной скоростью, с которой данное ВВ может подвергаться взрывчатому разложению при заданных условиях взрывания. Во фронте детонационной волны постоянство давления поддерживается за счет энергии химического превращения, обеспечивающей распространение детонации с постоянной сверхзвуковой скоростью по заряду любой длины.