Обоснование допустимого содержания сенсибилизатора в составах высоко предохранительных взрывчатых веществ

Условия ведения взрывных работ в угольных шахтах характеризуются тем, что в забоях горных выработок возможно образование взрывоопасной среды когда взрыв заряда ВВ воздействует на метано-воздушную (МВС) или пылевоздушную смесь (ПВС). Для обеспечения безопасности взрывных работах в этих условиях разрешается применять только специальные — предохранительные взрывчатые вещества (ПВВ). Дальнейшее совершенствование ПВВ является актуальной задачей, так как на глубоких горизонтах угольных шахт при разработке выбросоопасных пластов создаются особо опасные по газу условия ведения горных работ.

Анализ предыдущих исследований. Развитие ПВВ должно базироваться на четких научных принципах их построения [1]. Основы этих принципов изложены в работах известных ученых: Малляр и Ле-Шателье (Франция), Тейлор (Англия), Аренс (Германия), Андреев, Дубнов (СССР) и Кукиб (Россия). Проведенные в последние годы работы показали, что ПВВ являются безопасными только в том случае, если их составы содержат специальные соли-ингибиторы реакции окисления метана кислородом воздуха и соли-ингибиторы поджигаемости. Исследования антигризутности зарядов ВВ при взрывных работах и безопасности их взрывания во взрывоопасной среде показали, что процесс ингибирования МВС при детонации имеет сложный механизм, на который влияют параметры детонации ПВВ и условия взрывания зарядов. Параметры детонации ПВВ определяются количеством и видом сенсибилизатора, который представлен, как правило, смесью жидких нитроэфиров и коллоксилина. Допустимые пределы содержания сенсибилизатора в ПВВ выбирают так чтобы верхний придел удовлетворял необходимому уровню предохранительных свойств ВВ, а нижний соответствовал достаточной детонационной способности ВВ. Определение этих пределов носит как правило экспериментальный характер и характеризуется большим количеством трудоемких опытов. Поэтому обоснование выбора допустимого содержания сенсибилизатора в ПВВ на стадии его разработки, существенно снижает объем экспериментальных исследований и ускоряет разработку ПВВ.

Целью работы является научное обоснование возможного допустимого содержания сенсибилизатора в составе ПВВ для построения его рецептуры с необходимым уровнем предохранительных свойств с учетом воспламеняющего действия ударной волны на МВС при взрыве открытого заряда.

Материалы исследований. В работах [2, 3] рассмотрен механизм воспламенения МВС открытым зарядом ПВВ. В этих работах предполагается, что ударная волна, образующаяся при детонации на границе раздела «заряд ПВВ-МВС», движется впереди расширяющихся продуктов детонации. В дальнейшем она, распространяясь по МВС, осуществляет адиабатическое сжатие и нагревание смеси. В результате реакция окисления метана при его воспламенении развивается по сложному механизму теплового и цепного взрыва. В своих рассуждениях мы основываемся на том, что ударная волна в элементарном объеме смеси вызывает тепловую диссоциацию молекул метана и кислорода, в результате чего образуются радикалы, которые осуществляют реакцию окисления при воспламенении по радикально-цепному механизму. При этом будем предполагать, что ударная волна настолько сильная, что способна охватить объем МВС — V более критического, а концентрация радикалов — C, образованных при диссоциации за фронтом ударной волны, достаточна, то есть тоже более критической для развития цепного механизма взрыва. Эти условия запишем так:

V/Vкр 1; С/Скр 1. (1).

взрыв сенсибилизатор ударный волна В общем виде мы рассматриваем задачу перехода детонационной волны в окружающую газовую среду, которая приведена в работе [4]. Остановимся на основных положениях этой задачи.

Условие неразрывности потока продуктов детонации для случая V = Vкр имеет следующий вид:

Uкр = Uн + U, (2).

где Uкр — скорость движения границы раздела в объеме МВС, соответствующем Vкр;

Uн — скорость продуктов детонации для ПВВ;

U — приращение скорости продуктов детонации в волне разряжения, которое равно:

(3).

где u — скорость звука в продуктах детонации;

— плотность продуктов детонации.

Принимая для продуктов детонации изоэнтропийный закон расширения, связывающий их давление Р и плотность, запишем:

Р = а n, (4).

где n — показатель политропы, а — коэффициент пропорциональности для этого закона.

Для детонационной волны можно записать [5]:

Uн = D/(n+1), uн = nD/(n+1);

н = (n+1)o; Pн = oD2/(n+1). (5).

Поскольку скорость звука u по определению равна:

u =, то u/uн = (/н) (n-1)/2 = (P/Pн)(n-1)/2n,.

/н = (P/Pн)1/n (6).

Подставляя и u в уравнение (3), получим:

= .

Но так как nPн = нuн2 и uн = nD/(n+1), то.

U = =. (7).

После подстановки выражений для Uн (5) и U из (7) в уравнение (6) получим:

Uкр =, (8).

где =, коэффициент изменения скорости (9).

продуктов детонации ВВ в критическом объеме МВС от давления. Поскольку скорость Uкр в объеме Vкр, в котором возникает и протекает стационарная реакция окисления метана, определяющая, в конечном итоге параметры детонационной волны МВС, то:

Uкр = Dмвс / (k+1), (10).

где k — отношение теплоемкостей для продуктов взрыва МВС.

Поэтому, приравняв (8) и (10) получим:

Dмвс /(k+1) = Dвв / (n+1). (11).

Из уравнения (11) можно определить критическое значение скорости детонации ПВВ Dкр, при котором будет осуществляться вышеописанный механизм воспламенения МВС ударной волной:

Dкр = (Dмвс /)(n+1)/(k+1). (12).

Учитывая связь скорости детонации ПВВ с его теплотой взрыва и показателем политропы n, из уравнения (12) получим:

Qкр = [(Dмвс/)(n+1)/(k+1)]2 /2(n2−1). (13).

Известна связь между Рн и Ркр. В виде:

Ркр = Рн (rз/ кр) n, (14).

где кр = rкр + rз.

rз — радиус заряда,.

rкр — радиус критического объема МВС, тогда уравнение (9) преобразуется к виду:

= 1+2n/(n-1)[1-((rз / кр) n)(n-1)/2n]. (15).

Расчет значений по уравнению (15) для заряда ПВВ с радиусом rз = 1810−3м сведем в табл. 1. По уравнениям (12) и (13) рассчитаем значения Dкр и Qкр для ПВВ, исходя из стационарной скорости детонации МВС равной Dмвс = 1720 м/c. Расчеты сведем в табл.2.

Таблица 1 — Результаты расчета величины.

Полученные значения Dкр и Qкр характеризуют условия воспламенения МВС открытым зарядом ПВВ по механизму действия ударной волны. Поэтому конкретные значения Dкр и Qкр например, для ПВВ V класса будут характеризовать его уровень предохранительных свойств в МВС для открытого заряда. Для ПВВ V класса экспериментально установлен показатель политропы примерно равный n=2, для патронов ПВВ которые имеют диаметр 3610−3 м, и плотность ВВ в патронах находится в пределах 1150−1300 кг/м3. Следовательно, новые ПВВ V класса по данным табл. 2 при критической скорости детонации ПВВ Dкр, около 2270 м/c, имеют критическое тепловыделение (теплоту взрыва открытого заряда ВВ) в детонационной волне не более 858 кДж/кг. Если мы проанализируем энергетические и детонационные показатели для различных смесей нитроэфиров и коллоксилина, то окажется, что для самой высокой по энергии взрыва смеси, которой является смесь, содержащая 71,13% нитроглицерина, 27,18% диэтиленгликольдинитрата и 1,69% коллоксилина теплота взрыва будет равна 6227,5 кДж/кг. Для этой смеси нитроэфиров предельное содержание сенсибилизатора в составе ПВВ V класса, должно быть не более 13,8%, то есть: Снэ 858/6227,5 13,8%.

Таким образом, верхний предел содержания нитроэфиров у нового ПВВ V класса определяется критической энергией взрыва сенсибилизатора и его удельной теплотой взрыва, поэтому он не должен превышать 13,8% 14%. При принятых допусках содержания нитроэфиров в составе ПВВ, которые возможно осуществить технически в условиях производства ПВВ на заводе-изготовителе, номинальное значение нитроэфиров у ПВВ V класса составит 13,0 1,0%.

Таблица 2 — Результаты расчета критических значений Qкр и Dкр

Выводы

• 1. Верхний предел содержания сенсибилизатора в ПВВ, определяет его уровень предохранительных свойств в МВС и ПВС и характеризуется критическим энерговыделением во фронте детонационной волны, распространяющейся по заряду ВВ.
• 2. В зависимости от удельной теплоты взрыва сенсибилизатора его верхний предел содержания в ПВВ изменяется. Для смеси нитроэфиров и коллоксилина с теплотой взрыва 6227,5 кДж/кг, предельное содержание сенсибилизатора в составе ПВВ V класса должно быть не более 13,8%.

• 1. Калякин С. А. Обоснование принципов выбора и ввода ингибиторов при создании высоко предохранительных взрывчатых веществ/С.А. Калякин. — Вісті Донецького гірничого інституту: cб. научн. тр. ДонНТУ. — Донецьк: ДНВЗ «ДонНТУ», 2010. — № 1. — С. 160−168.
• 2. Кукиб Б. Н. О механизме воспламенения метано-воздушной смеси детонирующими зарядами взрывчатых веществ // Свойства взрывчатых материалов и их совершенствование: Сб. «Взрывное дело», № 75/32. — М.: Недра. — 1975. — С. 177−180.
• 3. Вайнштейн Б. И., Галаджий Ф. М. К вопросу о механизме воспламенения газовых смесей детонирующим зарядов ВВ // Свойства взрывчатых материалов и их совершенствование: Сб. «Взрывное дело», № 75/32. — М.: Недра. — 1975. — С. 180−185.
• 4. Физика взрыва / Ф. А. Баум, Л. П. Орленко, К. П. Станюкович, В. П. Челышев, Б. И. Шехтер. — М.: Наука, 1975. — 704 с.
• 5. Зельдович Я. Б. Теория ударных волн и введение в газодинамику. — М .: Изд-во АН СССР, 1946. — 184 с.