Кислородный баланс, ядовитые газы взрыва - Общие вопросы организации ведения взрывных работ

Состав газов, выделяющихся при взрыве, зависит от химического состава ВВ, его кислородного баланса и условий взрывания.

Кислородный баланс характеризуется отношением избытка или недостатка кислорода в составе ВВ по сравнению с количеством, необходимым для полного окисления всех горючих элементов этого ВВ, к массе ВВ.

Различают нулевой, положительный и отрицательный кислородный баланс.

Кислородный баланс считается нулевым, если в составе ВВ содержится необходимое количество кислорода для полного окисления горючих элементов. Такое соотношение компонентов называют стехиометрическим. Если в составе ВВ кислорода не хватает для полного окисления горючих элементов, то такое ВВ имеет отрицательный, а при избытке кислорода - положительный кислородный баланс.

При взрыве ВВ с нулевым кислородным балансом образуются в основном пары воды, углекислота, свободный азот, окись алюминия и минимальное количество ядовитых газов, выделяется максимально возможное количество энергии. При взрыве ВВ с недостатком кислорода образуется ядовитая окись углерода СО. Образование этого соединения идет с меньшим выделением тепла, чем при образовании двуокиси углерода. При взрыве ВВ с избытком кислорода последний образует с азотом весьма ядовитые окислы. Реакции образования окислов азота идут с поглощением тепла. Для ВВ с отрицательным кислородным балансом в присутствии воды (заряжание ВВ в скважину, заполненную водой) могут идти реакции, снижающие количество ядовитой окиси углерода и повышающие энергию взрыва.

Таким образом, ВВ с отрицательным и положительным кислородным балансом отличаются меньшей теплотой взрыва от ВВ с нулевым кислородным балансом.

При использовании гранулированных ВВ на подземных работах, чтобы исключить значительное выделение ядовитых газов, плотность заряжания этих ВВ повышается с помощью пневмозарядчиков, а также путем повышения надежности их инициирования. Эти ВВ при высокой плотности заряжания имеют критический диаметр 20-30 мм, т. е. почти в 4 раза меньший, чем для открытого заряда. Повышение плотности заряжания порошкообразных ВВ снижает количество образующихся ядовитых газов, так же как и повышение тонкости их измельчения в процессе изготовления.

Состав газообразных продуктов взрыва зависит не только от химического состава ВВ, но и от оболочки патронов ВВ, условий взрывания заряда (степени ограничения пространства, в котором расположен заряд, влажности ВВ) и свойств породы, влияющих на протекание вторичных химических реакций взрыва. При плохой забойке зарядов, наличии воздушных промежутков между патронами увеличивается выделение ядовитых газов. При взрывании угля газ СО2 может переходить в СО, взрывы серосодержащих руд приводят к образованию сернистых газов и сероводородов. Калийные руды и апатито-нефелиновые связывают окислы азота, молибденовые и медные связывают окись углерода. Чем выше коэффициент крепости взрываемых пород, тем больше образуется окиси углерода и меньше окислов азота.

Было предложил разделять горные породы по степени их влияния на образование ядовитых газов при взрыве ВВ в подземных условиях на три группы. Первая группа пород (апатиты, нефелины, калийные соли, медные, молибденовые руды) обеспечивает выделение до 40 л ядовитых газов на 1 кг ВВ, вторая группа пород (угли и породы угольных шахт, свинцово-цинковые, золотоносные, железные мартитовые руды) 40-100 л и третья группа пород (джеспилитовые железные руды) - более 100 л ядовитых газов на 1 кг ВВ.

Бумажная парафинированная оболочка патронов участвует в реакции взрыва, понижая кислородный баланс. Поэтому установлено, что масса бумажной оболочки должна быть не более 2 г и парафина не более 2,5 г на 100 г ВВ.

Для подземных работ применяют ВВ с кислородным балансом, близким к нулевому (±3%). Для взрывания на земной поверхности можно применять ВВ как с положительным, так и с отрицательным кислородным балансом.

Окись углерода СО (угарный газ) образует при вдыхании прочные соединения с красными кровяными тельцами, являющимися переносчиками кислорода из легких к тканям, в связи с этим человеческий организм начинает испытывать кислородное голодание. При больших концентрациях СО (>1%) быстро наступает смерть. Предельно допустимая концентрация СО в атмосфере шахт 0,0016% (по объему).

Окислы азота NO, NО2, N2О3 при вдыхании в легкие образуют, вступая в реакцию с водой, азотную и азотистую кислоты, действие которых приводит к отеку легких. Окислы азота особенно опасны из-за того, что они способны накапливаться в организме в течение 4-6 ч. Поэтому по токсическому действию они считаются в 6,5 раз более ядовитыми, чем окись углерода, и предельно допустимая концентрация в атмосфере шахт составляет 0,0002 % по объему.

Кроме этих газов при взрыве могут образовываться сероводород H2S, сернистый ангидрид SО2, хлор, при вдыхании которых происходят острое раздражение дыхательных путей и отек легких. По токсичности эти газы считаются в 2,5 раза более ядовитыми, чем окись углерода. При взрыве детонаторов образуются пары и аэрогели ртути или свинца, входящих в состав инициирующих ВВ, а свинец, кроме того, входит в состав электровоспламенителей и замедляющих составов ЭД.

Кислородный баланс наиболее просто определяется выраженным в процентах отношением грамм-атомной массы избытка или недостатка кислорода к грамм-молекулярной массе ВВ.

Кислородный баланс смесевого ВВ определяется суммированием произведений доли каждого компонента на его кислородный баланс.

Истинные реакции взрывчатого превращения ВВ составить практически невозможно из-за многообразия факторов, влияющих на их протекание. Поэтому принят упрощенный прием составления реакций взрыва, согласно которому все ВВ делятся на три следующие группы.

1. ВВ с количеством кислорода, достаточным (или избыточным) для полного окисления всех горючих элементов. В этом случае весь водород превращается в воду, углерод - в углекислый газ. 2. ВВ с количеством кислорода, достаточным для полного газообразования. При этом принимается, что кислород сначала окисляет весь водород в воду, углерод - в окись углерода, а затем оставшийся кислород образует с частью окиси углерода углекислый газ. При взрыве алюмосодержащих ВВ с нулевым кислородным балансом образуется твердая окись алюминия Al2O3, а при отрицательном - она образуется в результате вторичных реакций алюминия с водой и углекислым газом. Протекание реакции сопровождается выделением повышенного количества окиси углерода, что следует учитывать при взрывании алюмосодержащими ВВ в подземных условиях. 3. ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного газообразования. В этом случае водород полностью окисляется в воду, оставшимся кислородом окисляется часть углерода в окись углерода и выделяется свободный углерод.

Таким образом, зная элементарный состав ВВ можно составить реакцию его взрывчатого разложения.

Детонация промышленных взрывчатых веществ

Для оценки особенностей процесса детонации ВВ сравним это явление с процессами горения различных химических соединений. Так, смесь водорода или метана с кислородом способна сгорать со скоростью 10-20 м/с. Воспламененная слабой искрой в стеклянной трубке, смесь этих газов горит, распространяясь с такой скоростью. Сильная искра или взрыв небольшого заряда вызывают совсем другое явление: пламя в трубке распространяется по газу со сверхзвуковой скоростью (около 2 км/с), т. е. происходит детонация (взрыв) газовой смеси.

Известно, что обычное пламя передается от одного участка газа к другому за счет процессов теплопроводности и диффузии. Скорость горения (распространения пламени) всегда меньше скорости звука.

Скорость детонации всегда больше скорости звука и в сто раз с лишним превышает скорость горения. Детонация - это сложное газодинамическое явление, детали которого в настоящее время еще недостаточно хорошо изучены, но в целом оно объясняется распространением по массе ВВ ударных волн. Ударная волна в массе ВВ возбуждается однократным начальным импульсом от внешнего источника, которым чаще всего является взрыв КД и ЭД.

Согласно гидродинамической теории детонации распространение взрыва по ВВ обусловлено распространением по нему ударной волны, создающей в очень узком слое скачкообразное изменение всех термодинамических параметров ВВ: давления, плотности, температуры.

При этом за фронтом волны происходит мгновенное разогревание частиц ВВ и пузырьков газа между ними, в результате чего возникает интенсивная экзотермическая химическая реакция, энергия которой поддерживает распространение ударной волны по ВВ и его детонацию.

Процессы формирования и распространения ударных волн по ВВ принято в теории описывать законами распространения волн в газах. Это обусловлено тем, что на фронте ударной волны в заряде ВВ возникают давления, на порядок и более превышающие прочность материала ВВ, что позволяет пренебречь силами сцепления между частицами и описать его состояние уравнениями газодинамики.

Совокупность ударной волны и прилегающей к ней зоны взрывчатого химического превращения ВВ называется детонационной волной.

Продукты взрыва детонатора производят резкий удар по прилегающему к нему слою ВВ и формируют ударную волну, распространяющуюся в виде однократного скачка уплотнения по массе заряда ВВ и имеющую следующие особенности.

1. Скорость ее распространения всегда выше скорости звука в данной среде (заряде ВВ). 2. На фронте волны происходит скачкообразное изменение давления, плотности и температуры. 3. Частицы среды (продукты взрыва) движутся вслед за фронтом ударной волны. 4. Скорость ударной волны зависит от величины давления (амплитуды) на фронте волны.

Особенности детонации промышленных взрывчатых веществ

Скорость детонации промышленных ВВ в несколько раз превышает скорость детонации газов.

В теоретических исследованиях принято, что плоский фронт детонационной волны, распространяясь по заряду, сжимает впереди лежащие слои ВВ, вызывая их химическое превращение. Такой механизм детонации, называемый гомогенным, может иметь место в однородных мощных ВВ. Однако промышленные ВВ являются физически и химически неоднородными системами, чем объясняются особенности их детонации.

В промышленных ВВ могут содержаться высокоактивные индивидуальные ВВ, реагирующие в детонационной волне с большой скоростью и менее активные, но с хорошо выраженными взрывчатыми свойствами. Вещества со слабо выраженными взрывчатыми свойствами (аммиачная селитра, динитронафталин) разлагаются при детонации со скоростью, в 3-5 раз меньшей, чем мощные ВВ, горючие материалы, не имеющие взрывчатых свойств (алюминий, древесная мука, парафин и др.). Наконец, совершенно инертные вещества не принимают участия в реакциях и претерпевают лишь переходы из твердого или жидкого состояния в газообразное (пламегасители, вода в водосодержащих ВВ). Поэтому химические реакции промышленных смесевых ВВ происходят в несколько стадий.

Типичной для промышленных ВВ схемой взрывчатого превращения является первоначальное разложение или газификация в детонационной волне исходных компонентов (первичные реакции) и последующее взаимодействие продуктов разложения между собой или с веществами, не претерпевшими на первой стадии химических или фазовых превращений (вторичные реакции).

На детонационную способность промышленных ВВ существенно влияет равномерность размещения компонентов в заряде, так как общее время и полнота завершения реакции зависят не только от скорости сгорания отдельных частиц (первичные реакции), но и от скорости вторичных реакций, проходящих в газовой фазе и определяемых условиями смешивания продуктов первичного распада. Чем мельче частицы разнородных компонентов и равномернее их распределение в объеме, тем быстрее завершается их сгорание, а также смешивание и взаимодействие продуктов сгорания. Химическая реакция в детонационной волне начинается и развивается в отдельных гранулах (частицах) ВВ и завершается подобием вспышки. Если ВВ представляет собой смесь нескольких компонентов, то на второй стадии продукты разложения гранул разнородных веществ взаимодействуют между собой. В производственных условиях при взрывании скальных пород скважинными зарядами диаметром 150-200 мм, применяемые гранулированные и водосодержащие ВВ детонируют со скоростью, приближающейся к максимальной. При шпуровом взрывании этими ВВ скорость не достигает максимума, т. е. детонация протекает не в оптимальном режиме.

Из приведенного механизма детонации грубодисперсных ВВ ясно, что степень ограничения заряда (плотность заряжания, наличие качественной забойки) оказывает основное влияние на развитие нормального режима детонации.

Приведенный механизм детонации грубодисперсных ВВ аналогичен механизму взрывного горения для порошкообразных ВВ, согласно которому при детонации происходит горение отдельных зерен, а их воспламенение происходит в результате адиабатического сжатия газовых включений в ВВ или в результате воздействия струй газов взрыва, проникающих между частицами ВВ (пробойно-струйчатый механизм детонации).

Факторы, влияющие на устойчивость детонации зарядов взрывчатых веществ

Скорость детонации заряда ВВ зависит от характеристики самого ВВ (тип ВВ, его дисперсность, плотность ВВ в заряде), диаметра заряда и условий взрывания (наружный или внутренний заряд в шнуре или скважине, наличие забойки).

Диаметр и оболочка заряда. Для каждого ВВ можно найти два нехарактерных диаметра заряда: критический диаметр, при дальнейшем уменьшении которого детонация заряда ВВ становится неустойчивой, т. е. может происходить затухание детонации. С увеличением диаметра заряда больше критического скорость детонации увеличивается до определенного значения диаметра, называемого предельным, при дальнейшем увеличении которого скорость детонации заряда ВВ не увеличивается.

Высокое давление на фронте волны детонации вызывает интенсивное расширение продуктов детонации в стороны. Возникающие при этом волны разрежения будут распространяться в зону химической реакции и снижать давление и температуру продуктов взрыва, а следовательно, снижать скорость детонации за счет снижения величины энергии подпитки фронта волны детонации. Характер протекания этого процесса зависит от соотношения ширины зоны химической реакции и диаметра заряда. Любое химическое соединение или смесь способна детонировать, если реакция их разложения экзотермична, а выделение энергии реакции во фронт детонационной волны достаточно для обеспечения распространения по веществу детонационной волны с постоянными параметрами.

Таким образом, у грубодисперсных ВВ с широкой зоной химической реакции критический диаметр больше, чем у порошкообразных.

Если заряд окружен оболочкой, затрудняющей разлет продуктов взрыва, критический диаметр заряда уменьшается в 1,5-2,5 раза и больше. Например, для аммиачной селитры (порошкообразной) при взрыве в стеклянной трубке критический диаметр значительно больше, чем в стальной трубе.

Оболочка не оказывает заметного влияния на скорость детонации зарядов из однокомпонентных ВВ большой плотности; и, наоборот, сильно влияет на скорость детонации зарядов средней плотности, а также смесевых ВВ. На скорость детонации влияют главным образом инерционные свойства оболочки и ее сжимаемость. При малых плотностях заряжания на устойчивость детонации оказывает влияние и прочность оболочки. Оболочка позволяет снизить величину критического диаметра, т. е. достигнуть устойчивой детонации при меньших диаметрах. При больших диаметрах (близких к предельным) скорости детонации открытых зарядов и зарядов в оболочках примерно одинаковы.

При применении ВВ в зарядах небольшого диаметра, необходимо обеспечивать тщательное заполнение шпура взрывчатым веществом, чтобы последний выполнял роль оболочки, а также выполнять качественную забойку заряда. При зарядах большого диаметра эти факторы мало влияют на устойчивость детонации.

Изменение скорости детонации в зависимости от диаметра заряда определяется механизмом взрывного превращения в детонационной волне. Различают два характерных режима взрывного превращения. Первый развивается в виде теплового взрыва за фронтом ударной волны. При этом время подготовки ВВ к реакции намного больше, чем время самой реакции. Этот механизм требует сильного сжатия и разогрева слоя ВВ за счет действия ударной волны большого давления. При таком механизме вследствие быстрого протекания химической реакции газы взрыва не успевают расшириться, а потому как только диаметр заряда становится больше критического, его скорость детонации будет близка к предельной. Такой режим характерен для однокомпонентных жидких ВВ или тех ВВ, плотность которых близка к предельной. Второй режим развивается в виде воспламенения частиц ВВ в "горячих" точках, получаемых за счет адиабатического сжатия и разогрева воздушных включений или схлопывания пор. Реакция в форме взрывного горения распространяется по поверхности, а затем в глубь частиц ВВ.

Для возникновения такого механизма превращения ВВ требуется давление во фронте волны на порядок меньшее, чем для первого механизма: (7-10)*108 Па по сравнению с (100-120)*105 Па. При взрывном горении зона химической реакции за фронтом ударной волны значительно шире, а скорость детонации зависит от диаметра заряда и степени его ограничения оболочкой.

Переходный (промежуточный) механизм характерен для литых и прессованных зарядов с малой пористостью и большой плотностью. Чем больше у таких ВВ отношение периода подготовки ВВ к периоду реакции, тем ближе режим его детонации к первой схеме.

Для промышленных ВВ критический диаметр от предельного может отличаться в 5-10 раз.

Изменение плотности ВВ. Для индивидуальных ВВ скорость детонации возрастает с увеличением плотности до максимальных значений. Смесевые ВВ имеют критическую плотность, при которой скорость детонации максимальна. При дальнейшем увеличении плотности детонация в заряде прекращается. Это происходит вследствие того, что при изменении плотности ВВ химическое превращение компонентов ВВ и химическое взаимодействие продуктов взрыва изменяются, в результате чего ухудшаются условия протекания химических реакций. Так, при сильном уплотнении аммиачная селитра в аммонитах ведет себя как инертное вещество, и, поглощая энергию, делает невозможным распространение детонации по заряду. При большом содержании мощного компонента в составе ВВ можно достичь такого уплотнения, что детонация будет распространяться в заряде только по этому компоненту, вследствие чего произойдет увеличение ее скорости. При большем диаметре заряда или размещении его в оболочке критическая плотность ВВ увеличивается.

Тип, дисперсность и состав ВВ. С увеличением теплоты взрыва скорость детонации ВВ увеличивается, а критический диаметр уменьшается.

Существенное влияние на величину критического диаметра оказывает дисперсность ВВ. Так, например, тротил с размером частиц 0,01 мм имеет критический диаметр значительно меньший, чем при частицах 0,5 мм. При простом смешивании селитры и тротила критический диаметр аммонита значительно выше, чем при обработке этой же смеси в шаровой мельнице. Влияние дисперсности ВВ на его детонационную способность при диаметрах заряда меньше предельных объясняется тем, что общее время и полнота завершения реакций зависят как от скорости первичных реакций взрывного горения, так и от скорости вторичных реакций, проходящих в газовой фазе. Чем меньше частицы ВВ, тем быстрее завершаются их сгорание, смешивание и вторичное взаимодействие газов взрывного горения. Грубодисперсные ВВ имеют больший критический диаметр, чем порошкообразные ВВ того же состава.

Критический диаметр для смесевых ВВ зависит и от процентного соотношения компонентов.

Влияние мощности (скорости детонации) инициирующего состава сказывается лишь на начальном участке развития детонации, где в зависимости от величины импульса может быть получена скорость детонации выше или ниже характерной для данного диаметра заряда, но в любом случае на участке одного-двух диаметров заряда скорость стабилизируется.

С этой точки зрения для инициирования любого заряда необходим достаточно мощный точечный источник, который вызовет начальную детонацию в критической массе инициируемого заряда и обеспечит самораспространение детонации по массе ВВ с характерной для него скоростью.

Способ инициирования зарядов может определенным образом влиять на характер и величину передачи энергии от продуктов взрыва заряда к породе. Кроме того, изменяя взаимное положение ДШ и шашки промежуточного детонатора, применяемых для взрыва низкочувствительных грубодисперсных ВВ, можно управлять разрушающим действием заряда на массив горных пород.

Кислородный баланс, ядовитые газы взрыва - Общие вопросы организации ведения взрывных работ

Похожие статьи