В настоящее время разработаны, испытаны и применяются на ряде горных предприятий технологии изготовления многокомпонентных взрывчатых смесей на основе гранулированной аммиачной селитры, раствора окислителя и горючего. Такие смеси состоят из жидких, гранулированных, порошкообразных компонентов и других добавок, стабилизирующих, газифицирующих или придающих другие требуемые свойства приготовляемому ВВ. На сегодняшний день широкое применение на горных предприятиях получили эмульсионные взрывчатые вещества (ЭВВ), основу которых составляют обратные эмульсии типа «вода в масле» и специальные добавки для сенсибилизации.
В настоящее время определение температуры взрыва возможно с помощью оптических цветовых методов или с использованием сгораемых термопар, а определение детонационного давления – с использованием магнитоэлектрического метода измерения скорости вещества, лазерных доплеровских интерферометрических измерителей скорости, методов, основанных на регистрации затухания ударной волны, возбуждаемой в эталонной преграде детонацией исследуемого ВВ, а также с помощью сгораемых калиброванных PVDF манометров, карбоновых резисторов, турмалиновых или манганиновых датчиков [10, 12].
Определить температуру взрыва экспериментальным путём весьма сложно вследствие кратковременности процесса и большого давления взрыва. Наиболее точен оптический цветовой метод, основанный на определении энергии по сплошному непрерывному спектру, характерному для детонации, или на определении отношения значений яркости при двух длинах волн – метод «красно-синего сравнения» [11]. Как отмечено в статье [3], измерение температуры детонации конденсированных ВВ оптическими методами не имеет общепризнанного решения. Это связано с дополнительными эффектами свечения на границе между ВВ и оптически прозрачной средой.
В связи с высокой стоимостью датчиков и данных методов исследования определение детонационного давления и температуры взрыва с помощью экспериментальных методов представляется сложной задачей, но получение этих характеристик ВВ возможно теоретически.
Цель исследования
Определение основных детонационных характеристик взрывчатых веществ (ВВ), таких как плотность и скорость детонации, необходимо на соответствие стандартам контроля качества, устанавливаемым производителем. Определение детонационного давления и температуры взрыва, а также других характеристик промышленных ВВ имеет как теоретический, так и практический научный интерес при решении различных инженерных задач взрывного дела: определения теплоты взрыва, молярной теплоемкости газов, объема продуктов взрыва, времени и ширины зоны химической реакции, а также для анализа и регулирования термодинамических характеристик массовых взрывов при взрывании ВВ разных составов для оптимизации параметров буровзрывных работ и повышения качества дробления горной массы.
Материалы и методы исследования
С 2004 по 2016 г. в технологических скважинах на взрываемых блоках и в вертикальных гильзах при полигонных испытаниях были проведены инструментальные замеры скорости детонации ЭВВ «Нитронит», «Порэмит-1А» и «Фортис» (рис. 1) при разной плотности и диаметрах зарядов ЭВВ.
Замеры скорости детонации проводились реостатным методом с использованием измерителей скорости детонации VODMate и DataTrap II Data/VOD Recorder и рефлектометрическим методом с использованием прибора SpeedVOD.
Рис. 1. Исследуемые эмульсионные взрывчатые вещества, применяемые на карьерах Урала
Таблица 1
Диапазоны изменения скорости детонации ЭВВ «Фортис», «Нитронит» и «Порэмит-1А» при разной плотности и диаметрах зарядов
|
Тип ЭВВ |
Плотность ЭВВ, т/м3 |
Диаметр заряда ЭВВ, мм |
Скорость детонации, м/с |
|
ФОРТИС 70 |
1,05–1,25 |
171–250 |
4281–5686 |
|
ФОРТИС 85 |
1,14–1,15 |
150–250 |
3868–5606 |
|
ФОРТИС 100 |
1,1–1,17 |
171–250 |
4770–5518 |
|
НИТРОНИТ Э-70 |
1,11–1,319 |
50–300 |
2474–5476 |
|
НИТРОНИТ Э-100 |
1,205–1,3 |
90–270 |
2718–5316 |
|
ПОРЭМИТ 1-А |
1,11–1,305 |
95–244,5 |
2275–5992 |
Зарегистрированные значения скорости детонации ЭВВ при разной плотности и диаметрах зарядов представлены в табл. 1. Так как экспериментальные значения скорости детонации ЭВВ были получены при большом количестве инструментальных замеров (более 250), в табл. 1 сведены диапазоны изменения скорости детонации при разных диаметрах зарядов ВВ и плотности. Согласно руководству и методикам измерения скорости детонации [4, 5, 12] значения показателей точности измерений составляют 5, 3 и 7 % для измерителей скорости детонации VODMate, DataTrap II и SpeedVOD соответственно.
Детонационное давление большинства промышленных ВВ изменяется в пределах 5–26 ГПа, а температура взрыва от 2000 до 4500 °K.
На основании измеренных значений скорости детонации можно произвести расчет детонационного давления в точке Чепмена – Жуге и температуры взрыва.
Детонационное давление в точке Чепмена – Жуге определяется по следующей формуле:
Pч-ж = ρDU, (Па), (1)
где ρ – плотность ЭВВ «Фортис», «Нитронит» и «Порэмит-1А», определена во время проведения иструментальных замеров скорости детонации в технологических скважинах на взрываемых блоках и на полигонах испытаний ВВ и ВМ, т/м3;
D – измеренная скорость детонации ЭВВ «Фортис», «Нитронит» и «Порэмит-1А» в технологических скважинах и в вертикальных гильзах, м/с;
U – массовая скорость истечения продуктов взрыва, м/с.
В общем виде скорость детонации ВВ определяется соотношением, постулированным Е. Жуге:
D = U + C, (м/с), (2)
где C – скорость звука в продуктах взрыва, м/с.
Массовая скорость движения продуктов взрыва за фронтом детонации определяется из выражения
, (м/с), (3)
где n – показатель политропы.
Для большинства промышленных ВВ n = 3, откуда U ≈ D/4.
В основном многими исследователями используется формула определения температуры взрыва через теплоту и удельную теплоемкость взрыва. Для аналитического расчёта предполагается, что взрывчатое разложение происходит при постоянном объёме и выделяющаяся теплота целиком расходуется на нагревание продуктов взрыва.
Для смесевых ВВ определяют температуру газообразных продуктов взрыва из общего термодинамического выражения для изолированной системы, используя теплоту взрыва и теплоемкость [1, 2, 6].
– dE = dQv + pdV, (4)
где E = Cvt – внутренняя энергия продуктов взрыва, кДж;
Cv – молярная теплоемкость, кДж/моль· °C;
t – температура взрыва, °C;
Qv – теплота взрыва, кДж/моль;
pdV – работа расширения газов, кДж.
Предполагается, что продукты взрыва образуются практически в исходном объеме ВВ, начальная температура взрыва рассчитывается из условия dV = 0. Тогда уравнение примет вид
– dE = Qv = ΣCi·t·ni. (5)
Откуда
( °C), (6)
где Ci – молярная теплоемкость i-го компонента продуктов взрыва, кДж/моль· °C;
ni – число молей i-го компонента продуктов взрыва.
Молярная теплоёмкость CV для газов в момент взрыва, т.е. до их расширения, берётся при постоянном объёме. Для реальных газов CV – величина переменная, зависящая от температуры, и различная для разных газов. Малляр и Ле-Шателье предложили для её определения следующее уравнение:
CV = a + bt, (7)
где a – молярная теплоёмкость продуктов взрыва при 0 °С (273 °К);
b – приращение молярной теплоёмкости при повышении температуры на 1 °С.
Подставив указанное значение CV в формулу температуры взрыва (6), получим
или
Σnbt2 + Σnat – QV = 0. (8)
Откуда методом решения квадратного уравнения получим
(9)
Продукты взрыва состоят из твердых компонентов и газов, теплоёмкость которых различна. Поэтому величина Σna означает суммарную молярную теплоёмкость продуктов взрыва при температуре 0 °С, т.е. Σna = n1a1 + n2a2 +...+ nnan. Точно так же Σnb означает суммарное приращение молярной теплоёмкости продуктов взрыва при повышении их температуры на 1 °, т.е. Σnb = n1b1 + n2b2 +...+ nnbn [6].
Температура взрыва переводится в °K. T = t + 273,15 °С.
На основании формулы (9) можно провести расчет температуры взрыва для ЭВВ.
Продукты взрыва можно определить по уравнению реакции взрывчатого превращения аммиачной селитры: 2NH4NO3 → 2N2 + O2 + 4H2O. Для грубой оценки содержанием газогенерирующей добавки (ГГД) и дизельного топлива (ДТ) в реакции можно пренебречь, т.к. содержание аммиачной селитры в ЭВВ составляет до 98 %, ГГД – до 1,5 %, а ДТ – до 5 %.
Значения параметров а и b, для N2, O2 и H2O принимаются из таблицы, предложенной Г. Кастом [6]. Для N2, а = 23,45 кДж/(кмоль· °С), b = 0,001352 кДж/(кмоль· °С); для O2, а = 24,07 кДж/(кмоль· °С), b = 0,002209 кДж/(кмоль· °С); для H2O a = 29,85 кДж/(кмоль· °С), b = 0,00522 кДж/(кмоль· °С).
Σna = 2·23,45 + 4·29,85 + 24,07 = 190,37 кДж/(кмоль· °С).
Σnb = 2·0,001352 + 4·0,00522 + 0,002209 = 0,025793 кДж/(кмоль· °С).
Используя уравнение
, (м/с), (10)
можно определить удельную теплоту взрыва Q при постоянном объеме:
, (Дж/кг). (11)
Формула расчета температуры продуктов взрыва из общего термодинамического выражения дает приблизительные результаты и используется большинством исследователей.
Давление газов в зарядной камере при взрыве конденсированных ВВ может быть определено исходя из объединённых законов Бойля – Мариотта и Гей-Люссака с поправкой Ван-дер-Ваальса [1, 2]. Если условно принять продукты взрыва за идеальные газы, то давление их возрастает пропорционально росту температуры:
(Па), (12)
где P0 – атмосферное давление газов при 0 °С, P0 = 1,01·105 Па;
V – объем заряда ВВ, м3. 
;
T – температура взрыва, °K;
VПВ – объем продуктов взрыва, м3;
VПВ = VПВуд.*Qзар, (м3), (13)
где VПВуд. – удельный объем газообразных продуктов взрыва, м3/кг;
Qзар. – масса заряда ВВ, кг.
Согласно ТУ 7276-001-23308410-2006 [9] для ЭВВ «Фортис 70, 85 и 100» VПВуд. = 1012 (1,01), 1023 (1,02) и 1036 (1,04) л/кг (м3/кг). В соответствии с ТУ 7276-003-58995878-2004 [7] для ЭВВ «Нитронит Э-70, Э-100» VПВуд. = 950 – 1100 (0,95-1,1) дм3/кг (м3/кг) ~ 1 м3/кг. Согласно ТУ 84-08628424-671-96 [8] для ЭВВ «Порэмит-1А» VПВуд. = 1010 (1,01) л/кг (м3/кг).
α – поправка, учитывающая собственный объем молекул продуктов взрыва – несжимаемая часть газа или коволюм, м3. Для более высоких плотностей (ρ > 1 г/cм3) для расчетов принимают ρ = 0,0006·VПВ. Здесь ρ – плотность заряжания ВВ, г/cм3.
Для грубой оценки, если принять, что детонационное давление, действующее на стенки зарядной полости, приблизительно равняется давлению в точке Чепмена – Жуге: P ~ Pч-ж, тогда, используя формулы (1) и (12), можно определить температуру взрыва.
( °K). (14)
Таблица 2
Результаты расчета детонационного давления ЭВВ «Фортис», «Нитронит» и «Порэмит-1А»
|
Тип ЭВВ |
Плотность ЭВВ, т/м3 |
Масса ВВ, кг |
Скорость детонации, м/с |
Детонационное давление, ГПа |
|
ФОРТИС 70 |
1,05–1,25 |
56–443 |
4281–5686 |
5,27–9,54 |
|
ФОРТИС 85 |
1,14–1,15 |
20–423 |
3868–5606 |
4,30–9,19 |
|
ФОРТИС 100 |
1,1–1,17 |
80–570 |
4770–5518 |
6,54–9,52 |
|
НИТРОНИТ Э-70 |
1,11–1,319 |
2–700 |
2474–5476 |
1,71–9,37 |
|
НИТРОНИТ Э-100 |
1,205–1,3 |
6–74 |
2718–5316 |
1,5–8,97 |
|
ПОРЭМИТ 1-А |
1,11–1,305 |
8–715 |
2275–5992 |
2,05–11,40 |
Таблица 3
Результаты расчета температуры взрыва ЭВВ «Фортис», «Нитронит» и «Порэмит-1А» по молярной теплоемкости газов и через закон Бойля – Мариотта и Гей-Люссака
|
Тип ЭВВ |
Температура взрыва по молярной теплоемкости газов, °K |
Температура взрыва через закон Бойля-Мариотта и Гей-Люссака, °K |
|
ФОРТИС 70 |
4200–5940 |
2989–4951 |
|
ФОРТИС 85 |
3645–6145 |
2936–5912 |
|
ФОРТИС 100 |
4874–5969 |
3994–4973 |
|
НИТРОНИТ Э-70 |
2463–5872 |
1357–5114 |
|
НИТРОНИТ Э-100 |
2938–5644 |
1119–4556 |
|
ПОРЭМИТ 1-А |
2945–5726 |
1029–5534 |
Рис. 2. Зависимость детонационного давления от скорости детонации ЭВВ «Фортис», «Нитронит» и «Порэмит-1А»
Рис. 3. Зависимость температуры взрыва от скорости детонации ЭВВ «Фортис», «Нитронит» и «Порэмит-1А». (расчет по закону Бойля – Мариотта и Гей-Люссака)
Результаты исследования и их обсуждение
На основании формул (1), (9) и (14) можно провести расчет детонационного давления и температуры взрыва для ЭВВ по двум методикам.
Результаты расчета детонационного давления и температуры взрыва ЭВВ «Фортис», «Нитронит» и «Порэмит-1А» по молярной теплоемкости газов и через закон Бойля – Мариотта и Гей-Люссака представлены в табл. 2 и 3.
Из табл. 3 видно, что значения температуры взрыва, рассчитанные по молярной теплоемкости газов, получаются немного завышенными, по сравнению с расчетом через уравнение Бойля – Мариотта и Гей-Люссака, и могут отличаться от 0,5 до 12 %.
Графики изменения детонационного давления и температуры взрыва через уравнение Бойля-Мариотта и Гей-Люссака в зависимости от скорости детонации для ЭВВ «Фортис», «Нитронит» и «Порэмит-1А» на основании проведенных расчетов представлены на рис. 2 и 3.
Выводы
Кроме определения температуры взрыва через теплоту и удельную теплоемкость возможен расчет температуры взрыва через уравнение Бойля-Мариотта и Гей-Люссака, который дает вполне достоверные данные и может использоваться для приблизительной оценки температуры взрыва большинства промышленных ВВ, зная скорость детонации, плотность, массу ВВ, объем зарядной полости и удельный объем газообразных продуктов взрыва.
Госзадание 007-01398-17-00. Тема № 0405-2015-0013, № 0405-2015-0014.
Библиографическая ссылка
Меньшиков П.В., Синицын В.А., Шеменев В.Г. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕТОНАЦИОННОГО ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ВЗРЫВА ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭМУЛЬСИОННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ НА КАРЬЕРАХ УРАЛА // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 7. – С. 96-102;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36485 (дата обращения: 19.04.2024).