БУРОВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ

Вопросы теории детонации

Гидродинамическая теория детонации. Для объяснения явления детонации, т. е. взрыва, протекающего с очень большой (сверхзву­ковой) скоростью, в разное время были выдвинуты различные пред­положения и теории. Из современных гипотез и теорий детонации наибольшим признанием пользуется гидродинамическая теория.

Согласно гидродинамической теории, детонация возбуждается и распространяется ударной волной, проходящей по взрывчатому веществу. Ударной волной называется скачкообразное изменение давления, распространяющееся в среде со сверхзвуковой скоростью.

Эта волна обладает следующими отличительными свойствами: скорость ударной волны очень высока — сверхзвуковая; при прохождении ударной волны в газообразной среде наблю­дается движение потока газов вслед за ударной волной;

В ударной волне имеет место очень большое давление, нараста­ние которого происходит мгновенно, скачкообразно (рис. 5). Как

Следствие этого, по фронту _______

Ударной волны (в зоне мгно - Г|

Венного сжатия, ширина кото - ^ --------

Рой весьма мала) наблюдает - ^^__________________ T L______

Ся весьма высокая темпер ату - ~~ '

Ра и повышенная плотность D к Л * г „ Рис. 5. Форма ударной волны

Среды. Они возрастают также

Мгновенно, скачкообразно. За фронтом ударной волны давление, температура и плотность среды быстро уменьшаются.

Ударная волна на некотором расстоянии от очага взрыва, утра­тив свою интенсивность, переходит в звуковую волну.

Ударные волны могут возникать и распространяться не только в газообразной, но в жидкой и твердой средах.

Ударная волна, проходя­щая по взрывчатому веще­ству и вызывающая детона­цию, называется детона­ционной. Когда ударная волна выйдет за пределы патрона ВВ. или войдет в среду ВВ пониженного ка­чества, то энергия ее, не поддерживаемая более теп­лотой взрывных реакций, быстро угасает. Амплитуда и крутизна фронта волны быстро уменьшаются и удар­ная волна переходит в зву­ковую.

Газообразные продукты взрыва, образовавшись в глубине фрон­та детонационной волны (в зоне реакций), не остаются на месте, а движутся вслед за нею со скоростью, в 4—10 раз меньшей ско­рости детонации.

Позади детонационной волны давление и плотность продуктов взрыва быстро уменьшаются вследствие рассеивания последних.

В детонационной волне различают ударную зону и зону реак­ции [1]. За последней следует зона газообразных продуктов взрыва. В ударной зоне детонационной волны давление р\ (рис. 6) вдвое выше, чем давление р% в зоне установившейся детонационной вол­ны, на заднем крае фронта детонационной волны. Давление рз, в свою очередь, вдвое выше стационарного давления мгновенного взрыва [1, 14], вычисляемого по формуле (15).

При прохождении ударной волны по ВВ на ее фронте происходит резкое увеличение давления и температуры и сравнительно слабое увеличение плотности ВВ. В конце ударной зоны (см. рис. 6) начи­наются взрывные реакции, сопровождающиеся выделением энергии и газов. Выделившаяся энергия подпирает, поддерживает ударный фронт детонационной волны при прохождении ее по ВВ. Ударная зона очень узкая — около 0,1 мк. Глубина зоны реакций значитель­но большая — от 0,5 мк (для азида свинца) до 1—10 мм (для тро­тила, тетрила). Длительность взрывных реакций составляет 3 • 10_3— 6-10_3 мксек для азида свинца и 0,2—2 мксек для тротила [1, 15].

Факторы, влияющие на скорость детонации. Скорость детонации зависит от многих факторов, главными из которых являются состав и физико-химические свойства ВВ, сила и вид инициального им­пульса, плотность патронирования ВВ, диаметр патрона и плот­ность оболочки патрона.

Влияние состава и физико-химических свойств ВВ. Скорость детонации обусловлена возможной скоростью химических реакций, степенью устойчивости химического равновесия ВВ и количеством выделяющейся при взрыве энергии, способной поддерживать дето­нацию.

Взрывчатые механические смеси типа дымного пороха (смесь калийной селитры, серы и древесного угля) взрываются с неболь­шой скоростью, так как реакция окисления углерода, содержаще­гося в частицах древесного угля, кислородом калийной селитры протекает сравнительно медленно.

Во взрывчатом химическом соединении молекула содержит го­рючие элементы и кислород для их окисления. При распаде такой молекулы на атомы последние, будучи близко расположены друг к другу, быстро вступают в химическую реакцию между собой и взрыв такого ВВ протекает весьма быстро—-ВВ детонирует.

Однако не все взрывчатые химические соединения легко взрыва­ются и имеют большую скорость взрыва. Чем более устойчива молекула ВВ и чем меньше потенциальная энергия, тем труднее вызвать взрыв, тем меньшая будет скорость взрыва (например, аммиачная селитра взрывается с трудом и имеет небольшую ско­рость взрыва 1500—3000 м/сек).

Скорость детонации ВВ, являющихся механическими смесями взрывчатых химических соединений, зависит не только от природы компонентов, но и от степени измельчения, тщательности смешения и плотности соприкасания компонентов. Например, аммонит № 6 имеет скорость детонации 4200 м/сек, тот же аммонит, но прессо­ванный, имеет скорость детонации 5000—5500 м/сек.

Инертные примеси, если они не являются катализаторами, пони­жают скорость детонации, а при значительном содержании вызы­вают затухание ее.

Влияние инициального импульса. Инициальным, или начальным, импульсом называется внешнее воздействие на за­ряд, необходимое для возбуждения взрыва ВВ.

Вид инициального импульса (термический, механический) и его сила оказывает большое влияние на скорость взрыва ВВ. При на­гревании лишь немногие ВВ детонируют, а большая часть их сго­рает без взрыва (при небольшом количестве) или дает взрывное горение. При ударе, наоборот, многие ВВ легко детонируют.

Легко детонируют от удара нитроглицерин, пироксилин, дина­миты. Чем сильнее и интенсивнее удар, тем полнее детонация и больше скорость ее распространения (до известных пределов).

Наиболее сильный и резкий удар получается при детонации за­ряда гремучей ртути, азида свинца, тэна и некоторых других' бри­зантных ВВ.

Гремучая ртуть и азид свинца относятся к тем немногим ВВ, которые одинаково хорошо детонируют как от удара, так и от на­гревания. Эти ВВ являются эндотермическими химическими соеди­нениями, обладающими большой чувствительностью к механиче­ским и тепловым воздействиям. При нагревании гремучей ртути до 160° С, а азида свинца до 330° С они детонируют со скоростью 5300—5400 м/сек. Благодаря способности мгновенно детонировать от пламени эти ВВ применяются в качестве инициаторов для воз­буждения детонации в других ВВ, которые не способны детониро­вать от нагревания.

Инициирующий, т. е. возбуждающий детонацию, заряд, поме­щенный в гильзу, называют детонатором.

Влияние плотности патронирования ВВ, д и а-. метра патрона и прочности оболочки. Различают две плотности ВВ — действительную и гравиметрическую. Дей­ствительной плотностью называется отношение массы ВВ к занимаемому им объему, когда вещество полностью занимает весь объем без каких-либо воздушных или иных промежутков (плотность кристалла, зерна, капли ВВ). Гравиметрической, или насыпной, плотностью называется отношение массы ВВ к объему, который занимает оно в порошкообразном состоянии, включая все воздушные промежутки.

Скорость детонации ВВ с повышением плотности патронирова­ния или прессования до известных пределов увеличивается и при некоторой плотности, называемой оптимальной, достигает мак­симума. Величина оптимальной плотности различна для разных ВВ.

Увеличение скорости детонации при повышении плотности мож­но объяснить тем, что при большей плотности достигается большая однородность ВВ и большая концентрация энергии в единице объе­ма; то и другое способствуют более быстрому протеканию реакции. Но, чтобы реакция возникла и шла без затухания инициальный импульс должен проникать достаточно глубоко в массу ВВ. Чрез­мерное повышение плотности ВВ уменьшает глубину проникнове­ния импульса и делает детонационную волну неустойчивой.

Для каждой плотности патронирования (различной для разных ВВ) есть своя критическая величина диаметра. При меньшем диа­метре патрона ВВ дает отказы, так как происходит выброс частиц

ВВ из зоны реакции за пределы патрона и устойчивой детонаци­онной волны не получается. Точно также для каждого ВВ есть своя критическая плотность, превышение которой влечет отказы.

Повышение прочности или толщины оболочки патрона действует в том же направлении, что и повышение диаметра патрона. Проч­ная оболочка нужна только при критическом диаметре.

Промышленные ВВ патронируются с плотностью, близкой к оп­тимальной (см. табл. 1 приложения); диаметр патронов выше кри­тического. Динамиты выпускаются в патронах диаметром 32 и 45 мм, аммониты — 32, 36 и 45 мм. Могут быть приняты патроны и других диаметров (больших или меньших). Критический диаметр для динамитов менее 10 мм и для аммонитов менее 15 мм.

Действие взрыва на расстоянии. Детонационная волна на гра­нице заряда вызывает в окружающей среде, например в воздухе, ударную волну. Вблизи места взрыва — на протяжении 7—14 ради­усов заряда г о — вместе с воздушной ударной волной движутся продукты взрыва, плотность которых в 20 раз выше плотности воз­духа на фронте ударной волны. Они оказывают значительно боль­шее динамическое действие на преграду, чем ударная волна. На расстоянии (14-V-20) г0 продукты взрыва вследствие рассеивания и отставания от воздушной ударной волны оказывают примерно одинаковое с последней действие. На расстоянии 20 г0 разруши­тельный эффект обусловливается только действием ударной волны

[і; зі].

Продукты взрыва заряда и ударная волна в воздухе могут вызвать взрыв второго заряда, если он не очень удален от первого. Такой взрыв называется взрывом через влняние. Первый заряд называется активным, второй — пассивным.

Дальность передачи детонации зависит от многих факторов: она возрастает с увеличением массы активного заряда, мощности, бризантности и плотности ВВ в нем и чувствительности ВВ пас­сивного заряда. Дальность передачи детонации зависит также от плотности и упругости среды, в которой распространяется удар­ная волна, — чем больше упругость и меньше плотность среды, тем больше дальность передачи детонации. Детонация хорошо пере­дается через воздух, несколько хуже через воду, еще хуже через дерево, глину, песок.

Расстояние, на которое передается детонация, определяют по формуле

L = kVQ, (20)

Где L — расстояние между зарядами, м;

■k—?- коэффициент, учитывающий влияние среды и характер ВВ активного и пассивного зарядов (при взрывании для дина­мита на воздухе &=0,5н-1,0, в шпурах k = 2,5^-4,5); Q — масса активного заряда, кг.

Кумулятивный эффект. Во время прохождения детонационной волны по заряду продукты взрыва (ПВ) движутся вслед за детона-
ционнои волной со скоростью, значительно меньшей скорости дето­нации. На поверхности заряда частицы ПВ отрываются от общей массы и разлетаются в стороны с большей скоростью, чем основ­ная масса ПВ.

Опыты показывают, что вблизи боковой поверхности заряда ПВ. перемещаются приблизительно под углом 45° к направлению дви­жения детонационной волны, а по мере удаления от поверхности заряда этот угол значительно увеличивается.

По окончании детонации заряда продукты взрыва, движущиеся* вслед за ударной волной, выходят за пределы заряда в воздух, с большой скоростью. Разлет продуктов взрыва происходит по на­правлению, почти перпендику­лярному торцовой поверхности. заряда.

Если в торцовой части па­трона сделать углубление (рис. 7), то ударные волны (и продукты взрыва), встречая поверхность углубления, как бы преломляются по законам геометрической оптики и, из­меняя свое направление, вхо­дят внутрь углубления. Стал­киваясь они уплотняются и ско­рость их значительно повы­шается, образуется кумуля - т и в н ы й поток элемента?- RjK. 7 Фшма ных ударных волн и струи ПВ, полости и

Обладающий весьма большой ^к диаметр основания кумулятивной по - энергией. Скорость кумудятив - лости; йк — глубина кумулятивной полости, ной струи (потока) достигает 14 000—16 000 ж! сек, а иногда 25 000—30 000 м/сек. Мощность кумулятивной струи очень большаж и поэтому она обладает значительной пробойной силой.

Эффект кумуляции очень широко используют в военной технике - в бронебойных снарядах и минах. При взрывании наружными за­рядами железобетонных сооружений, благодаря применению куму­лятивных зарядов эффективность взрыва возрастает более че.\в вдвое. На рис. 8 показаны схемы разрушения железобетона раз­личными зарядами. Кумулятивный заряд располагается на таком расстоянии, чтобы фокус кумуляции был на поверхности разрушае­мой среды.

Наиболее правильный кумулятивный поток с наибольшим сжа­тием его и с наиболее удаленным фокусом получается при сфери­ческом кумулятивном углублении. При конусном углублении куму­лятивный поток получается менее сжатым и с меньшим фокусным расстоянием. Диаметр DK кумулятивного углубления у торца заря­да делают на 10—30% меньше диаметра заряда.

Чтобы детонационная волна успела сформироваться до подхода к кумулятивному углублению, расстояние от детонатора до куму­лятивной выемки LK должно быть не менее 2DK. Толщина металли­ческой оболочки, покрывающей кумулятивную выемку, берется не •более '/зо DK (при литых и прессованных зарядах оболочки может и не быть). В вершине оболочки кумулятивной выемки (особенно

При конусной форме) це­лесообразно делать отвер­стие диаметром 7в Як.

В горном деле кумуля­тивные заряды большого применения не получи­ли. Это объясняется сле­дующими причинами: па­троны В В имеют неболь­шой диаметр, при котором получается небольшая ку­мулятивная поверхность и малый кумулятивный эффект; при взрывании пород требуется не пробивание отверстия или углубления в - породе, а равномерное дробление отбиваемого массива породы, т. е. требуется направле­ние энергии заряда не вглубь, а в стороны.

Применение открытых кумулятивных зарядов для дробления крупных глыб (негабарита) в некоторых случаях (при благо­приятной форме глыб) дает хороший эффект, расход ВВ снижается в 2—3 раза.