Определение основных характеристик водосодержащих вв на основе обратных эмульсий

A. С. Маторин, А.А. Котяшев, Ю.В. Куркин,

B.Г. Шеменев

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДОСОДЕРЖАЩИХВВ НА ОСНОВЕ ОБРАТНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Т'у'юбой конкретный тип взрывчатых веществ может быть

*/А. охарактеризован некоторым набором параметров, инвариантных относительно различных условий взрывания. Такими характеристиками являются плотность заряжания, скорость детонации, теплота взрыва, значения массовой скорости, плотность продуктов детонации, давление, удельная внутренняя энергия в точке Чепмена-Жуге. Отметим, что теоретический расчет этих величин по известному структурно-химическому составу ВВ невозможен, кроме теплоты взрыва, из-за малой изученности быстро протекающих процессов в конденсированной среде на молекулярном уровне. Поэтому получение характеристик ВВ, необходимых для решения задач по оптимизации параметров буровзрывных работ (БВР), возможно с помощью экспериментальных методов.

Экспериментальное исследование взрывных характеристик ВВ на основе обратных эмульсий имеет ряд существенных особенностей, связанных, в первую очередь, с большим критическим диаметром этих составов. Большой критический диаметр, с одной стороны, обеспечивает низкую чувствительность ВВ к механическим воздействиям и, следовательно, позволяет широко механизировать их изготовление и применение, а, с другой стороны, требует проведения экспериментов с зарядами большого веса, что влечет за собой отказ от традиционных лабораторных методов исследования. В частности, различные способы определения работоспособности (бомба Трауцля, испытание в мортире, метод маятника и т.д.) становятся непригодными для этого типа ВВ. Определение характеристик таких ВВ приходится проводить в производственных или полигонных условиях. Если определение скорости детонации и массовой скорости ВВ на основе обратных эмульсий связано с большими трудностями, но все же выполнимо, то определение теплоты взрыва ^тех) чрезвычайно сложно. Этот показатель можно с достаточной точностью определить расчетным путем. Уравнения для

определения теплоты взрыва при элементарном составе ВВ Са, Нв N0 Оd и Са Нв N0 Оd А1е изложены в работе [1]. В данном случае: а, в, с, ё, е - количество грамм-атомов углерода (С), водорода (Н), азота (К), кислорода (О), алюминия (А1) соответственно.

Согласно гидродинамической теории детонацией считают перемещение по ВВ зоны химического превращения, ведомой ударной волной с постоянной амплитудой (скачки давления).

В настоящее время большинство практических расчетов по разрушению горных пород скважинными зарядами ВВ ведется на основе допущения о мгновенной детонации и отсутствия волновых движений продуктов детонации (ПД). При этом считается, что в ПД после взрыва устанавливается некоторое усредненное давление Ро, одинаковое по всей длине скважины. В первом приближении обычно принимают Ро равным половине детонационного давления. Причем, многие исследователи полагают показатель политропы п = 3, что дает

Р = - рД2-

О $ о

В такой трактовке детонации скважинного заряда ВВ дальнейшее расширение взрывной полости под действием ПД принимается адиабатическим

Р = Р (Я / Я )2п.

п О \ по п /

Однако при таком подходе при более глубоком изучении вопроса возникают непреодолимые трудности. А именно, при этом не учитывается влияние истечения продуктов детонации из скважинного заряда через устье в атмосферу и нет возможности определить давление продуктов детонации в динамической постановке задачи

- Р(0. Для учета этих факторов используются различные виды временных аппроксимаций изменения давления во взрывной полости со временем с эмпирическими параметрами, регулирующими форму Р(0. Однако подобные аппроксимации Р(0 помогают только при качественном описании процесса, а проводить количественные расчеты с их использованием возможно только после большой серии экспериментов, необходимых для определения требуемых параметров.

Что касается показателя политропы п, то в действии-тельности он не является постоянным, а меняется от пж = 2^3 в точке Чепмена-Жуге до п = 1,20^ 1,33 при расширении ПД до

нормальных давлений. Причем, даже пж для различных ВВ различен. Так, доля водонаполненного гранулотола (ВНГТНТ) пж = 3,1, а для аммонита 6ЖВ пж = 1,88.

Скорость детонации определяют чаще всего методом ионизационных датчиков. Также может быть использован фотографический метод измерения скорости детонации с помощью реостатного датчика. Последний метод в настоящее время по-лучил свое дальнейшее развитие. Выпущена аппаратура: изме-ритель скорости детонации “VODMate” (“Instantel”, Канада). Комплект оборудования состоит из двух частей: проводник-датчик и блок регистрирующей аппаратуры “VODMate”. Про-водник-датчик представляет собой одножильный кабель с внешним диаметром 1,5 мм. Центральная жила - проволока с большим удельным сопротивлением (в данном случае - кон-стантан), диаметром 0,2-0,3 мм. Она окружена полимерным покрытием (внутренняя изоляция), которое, в свою очередь - оплеткой из стальной проволоки. От внешних воздействий (в основном, от влаги) стальная оплетка защищена тонкой поли-мерной пленкой (внешняя изоляция). Сопротивление провод-ника-датчика 8,435 Ом-м. При замере скорости детонации оп-летка и жила замыкаются, с другого конца оплетка и жила присоединяются к коаксиальному кабелю типа «РК-75», а послед-ний

- к блоку “VODMate”.

После подрыва заряда детонационная волна проходит вдоль проводника-датчика и замыкает оплетку на жилу (продуктами детонации в зоне реакции, обладающими высокой электропроводностью вследствие больших температуры и давления). Длина датчика уменьшается, уменьшается и его сопротивление. Блок “Instantel” непрерывно измеряет величину сопротивления электрической цепи проводника-датчика и записывает ее во встроенную память. Запись начинается автоматически после изменения сопротивления цепи на

1 % от первоначального значения.

Блок “VODMate” записывает каждое событие (взрыв одного заряда) в виде цифрового файла-таблицы «время-величина сопротивления» с возможностью расшифровки на персональном компьютере и распечатки полученных результатов в виде диаграммы «длина заряда (Е)- время (0 с автоматическим вычислением скорости детонации Д (тангенса угла наклона полученной линии, а также различных участков этой линии).

at

Согласно паспортным данным комплекта “VODMate” точность определения Д составляет 3 % и лимитируется качеством изготовления датчика.

На полигоне Качканарского ГОКа проведены испытания гра-нэмита И-30 с целью установления скорости детонации при различных плотностях в различных диаметрах заряда. В проведенных испытаниях применялось два типа детонаторов: состоящий из 2 патронов аммонита 6ЖВ (032 мм весом 200 г каждый) и КД-8 с отрезком ош; состоящий из шашки детонатора БЩД-800У и КД-8 с отрезком ОШ. Испытывались заряды диаметром 90, 120 и 160 мм и плотностями 1,20; 1,25; 1,35 г/см3. Каждый типоразмер заряда на каж-

дой из трех плотностей инициировался от каждого типа ПД. Полученные результаты представлены в табл. 1.

Заряды гранэмита И-30 устойчиво детонируют в открытых зарядах 120 мм и более в диапазоне плотностей 1,20-1,35 г/см3. Скорость детонации с увеличением диаметра возрастает, повышение плотности ведет к снижению скорости детонации.

Моделирование, под которым понимается предсказание параметров натурных взрывных волн по параметрам взрыва, проводимого в уменьшенных масштабах и в облегченных для эксперимента условиях, часто используется на практике. В основе моделирования взрывов лежит принцип кубического корня, впервые сформулированный Хопкинсом в 1915 г. и независимо Кранцем в 1926 г.

В соответствии с этим принципом, если два заряда одного и того же ВВ одинаковой формы, но разного размера взрываются в одной и той же атмосфере, то подобные взрывные волны будут наблюдаться при одинаковом значении параметра расстояния

2 = Я / Е13,

где Я - расстояние от центра заряда; Е - полная энергия взрыва.

Вообще, по Хопкинсу-Кранцу уменьшение заряда в несколько раз ведет и к уменьшению соответствующих метрических

Таблица 1

Результаты замеров скорости детонации

Скорость детонации, м/с

Заряд ЭВВ в гильзе 0 90 мм Заряд ЭВВ в гильзе 0120 мм Заряд ЭВВ в гильзе 0 160 м.н.с.

Плотность заряда p, г/см3 ПД, состоящий из 2-х патронов аммонита 6ЖВ 0 32 по 200 г каждый ПД из шашки детонатора БШД-800У ПД, состоящий из 2-х патронов аммонита 6ЖВ 032 по 200 г каждый ПД из шашки детонатора БШД-800У ПД, состоящий из 2-х патронов аммонита 6ЖВ 0 32 по 200 г каждый ПД из шашки детонатора БШД-800У

1,20 2762 2802 3693 3488 4063 4028

1,25 3073 отказ 3265 3118 4005 3577

1,35 отказ отказ 1886 3025 2246 3074

и временных характеристик взрывной волны, а такие параметры, как давление, температура, плотность газа (продуктов детонации) за волной и скорость волны остаются неизменными.

Этот принцип используется в интервале масс зарядов ВВ от 100 г до 20 Мт в тротиловом эквиваленте и принят как основополагающий практически во всех существующих и признанных в настоящее время расчетных методиках по прогнозированию взрывных явлений.

Регистрация параметров ударной воздушной волны проводилась с применением комплекта измерительной аппаратуры “Instan-tel” (Minimate Plus). Комплект Minimate Plus регистрирует параметры УВВ (ведет запись АРф = АРф(ф и сохраняет результаты в виде цифрового файла во встроенной памяти.

Последующая расшифровка цифровых файлов производится на компьютере (на комплектном программном обеспечении “In-stantel”). Регистрирующий УВВ комплект (Minimate Plus Instantel) устанавливается на расстоянии 25 м от заряда, так как комплект имеет верхний предел измерений 35 кПа, а по предварительным расчетам при средней массе заряда, равной 20 кг, ожидаемое давление составит 17 кПа.

На полигоне Качканарского ГОКа сотрудниками ИГД УрО РАН совместно с представителями ООО «Промтехвзрыв» проведены замеры параметров ударной воздушной волны для Таблица 2

Состав ВВ в гильзах

№ гильзы Диаметр гильзы, мм Состав испытуемого ВВ Масса ВВ в заряде, кг (без учета ПД*) Плотность ВВ в заряде, г/см3 Тип ПД -аммонит 6ЖВ 0 32 мм по 200 г

1 150 30/70-ГГД 20,99 1,328 2 патрона

2 160 30/70-ГГД 22,26 1,328 "

3 150 30/70-ГГД 21,4 1,328 "

4 160 15/85-ГГД 19,23 1,236 "

5 140 15/85-ГГД 18,96 1,236 "

6 140 15/85-ГГД 17,71 1,236 "

7 150 30/70-ГГД 19,78 1,333 Ш+ш

8 160 30/70-ГГД 20,98 1,333 3 патрона

9 150 ПАС-ГГД 17,33 н.о.

10 140 ПАС-ГГД 15,92 н.о.

11 160 ПАС-ГГД 19,60 н.о.

12 160 Гранулотол 15,0 Насыпная

13 160 1 Граммонит 79/21 150 Насыпная 4 патрона

Примечания: - здесь и далее в таблицах ПД - промежуточный детонатор; н.о. - не определялось; Ш + ш - большая баллиститная шашка + штатная БШД.

гранэмита марки И-30. Заряды испытуемых ВВ размещались в картонных гильзах диаметром 140-160 мм и длиной 1000 мм. Состав ВВ в гильзах представлен в табл. 2.

Результаты замеров параметров ударной волны приведены в табл. 3.

Эквивалент гранэмита И-30 по отношению к гранулотолу определяется по ударной воздушной волне (УВВ).

Сравнение параметров УВВ проведено по двум методикам:

1. Искомый эквивалент является отношением потоков энергии бегущей ударной волны с учетом поправки на разность масс зарядов. Поток энергии бегущей ударной волны (Е, Дж/м2) определяется по формуле

А р2 -т

Е = Го ,

3^с

где ДРо - давление на фронте УВВ, Па; т - продолжительность фазы сжатия ударной воздушной волны, с; у - плотность воздуха = 1,29 кг/см3; с - скорость звука в воздухе, м/с, которая Таблица 3

Результаты замеров параметров УВВ

№ гильзы заряда Масса ВВ в заряде, кг (без учета ПД) Давление на фронте УВВ, Па Продолжительность фазы сжатия УВВ, с Поток энергии, Дж/м2

1 20,99 2214 0,0042 15,6

2 22,26 11090 0,0081 755,0

3 21,4 9090 0,0086 538,6

4 19,23 10600 0,0080 681.4

5 18,96 11030 0,0090 830,0

6 17,71 9690 0,0089 626,3

7 19,78 12080 0,0098 1084,0

8 20,98 10340 0,0078 632,1

9 17,33 8960 0,0078 474,6

10 15,92 9890 0,0086 637,6

11 19,6 9730 0,0075 538,2

12 15,0 10180 0,0088 691,3

13 15,0 6560 0,0064 208,76

определяется как с = 20, 1^[Т ; Т - абсолютная температура воздуха, К.

Эквивалент исследуемого ВВ по отношению с каким-либо штатным ВВ (гранулотол, граммонит) h можно вычислить по уравнению:

2/

( п уз

h =

ё, Г3 Еэвв

Qэ

Е

сэвв у

где Qэ - масса эталонного ВВ, кг; Qэвв - масса испытуемого ВВ, кг; Еэвв, Еэ - поток энергии бегущей УВВ испытуемого и эталонного ВВ соответственно.

2. Искомый эквивалент является множителем а - поправкой массы заряда в формуле М.В. Садовского.

Для случая, когда заряд ВВ расположен на поверхности земли и УВВ распространяется в полусфере

ДРф = 13^ + 3,9 3^ ё) + 0,95

ф& R 2 '

где ДРф - давление на фронте УВВ, кГс/см2; а - искомый эквивалент; Q - масса заряда ВВ, кг; R - расстояние от места взрыва до места регистрации параметров УВВ, м.

Таблица 4

Эквивалент ЭВВ по отношению к гранулотолу, определенный по энергии бегущих волн

№ гильзы заряда Масса ВВ в заряде (без учета ПД), кг Поток энергии бегущей УВВ, Дж/м2 Эквивалент h по УВВ относительно грану-лотола

1 2 3 4

1 20,99 15,6 -

2 22,26 755,6 0,84

3 21,4 538,6 0,61

4 19,23 681,4 0,84

5 18,96 830,0 1,03

6 17,71 626,3 0,81

7 19,78 1084,0 1,3

8 20,98 632,1 0,73

9 17,33 474,6 0,62

10 15,92 637,6 0,89

11 19,60 538,2 0,65

12 15,0 691,3 1,0

13 15,0 208,76 0,3

Результаты определения эквивалентов испытуемых ВВ по ударной воздушной волне по отношению к гранулотолу, определенных относительно потоков энергии бегущих ударных волн, представлены в табл.4.

Результаты определения тротилового эквивалента по ударной воздушной волне, проведенные по двум методикам, имеют удовлетворительную сходимость. Тротиловый эквивалент для гранэмита И-30, имеющего плотность в заряде 1,328 г/см3, составляет: по первой методике в среднем 0,725, а по методике Садовского - 0,685; для гранэмита И-30 с плотностью 1,236 г/см3 - соответственно 0,89 и 0,85; для гранэмита И-30 с плотностью 1,333 г/см3 - соответственно 1,0 и 0,9.

Результаты расчетов эквивалента ЭВВ по гранулотолу представлены в табл. 5.

В полигонных условиях определена скорость детонации. Теплота взрыва была определена расчетным путем и уточнена с помощью тротилового эквивалента, определенного экспериментально по ударной воздушной волне. Используя уравнение

Д = ^2ё (п2 -1),

Таблица 5

Эквивалент ЭВВ относительно гранулотола, определенный по формуле Садовского

№ гильзы заряда Масса ВВ в заряде, кг (без учета ПД) Давление на фронте УВВ, Па Эквивалент по гранулотолу

1 20,99 22114

2 22,26 11090 0,82

3 21,4 9090 0,55

4 19,23 10600 0,86

5 18,96 11030 0,94

6 17,71 9690 0,76

7 19,78 12080 1,1

8 20,98 10340 0,69

9 17,33 8960 0,63

10 15,92 9890 0,90

11 19,60 9730 0,69

12 15,0 10180 1,0

13 15,0 6560 0,38

Таблица 6

Показатели политропы для гранэмита И-30

Плотность заряда, кг/дм3 Наименова- ние горючего Теплота взрыва, кДж/кг Скорость детонации, м/с Показатель политропы

1,328 ДТ 2,97 4045 1,94

1,236 И-50 2,52 3791 1,96

1,35 И-40 2,70 2660 1,52

можно определить показатель политропы

п = ,~ +1.

ро

Показатели политропы приведены в табл. 6.

Скорость звука в продуктах детонации определяется по уравнению и для гранэмита И-30 приведена в табл. 7.

Скорость истечения продуктов детонации определяем по уравнению. Результаты расчетов приведены в табл. 8.

В процессе исследований было установлено, что теплота взрыва гранэмита И-30 составляет 3365 кДж/кг, скорость детонации при плотности 1,328 кг/дм3 - 4000-3800 м/с, показатель политропы

- 1,94, скорость распространения продуктов детонации - 1,375 м/с.

Таблица 7

Местная скорость звука в продуктах детонации гранэмита И-30

Плотность заряда, кг/дм3 Наименование горючего Скорость детонации, м/с Показатель политропы Местная скорость звука в ПД, м/с

1,328 ДТ 4045 1,94 2669

1,236 И-50 3791 1,96 2510

1,35 И-40 2660 1,52 1600

Таблица 8

Скорость распространения продуктов детонации гранэмита И-30

Плотность заряда, кг/дм3 Наименование горючего Скорость детонации, м/с Показатель политропы Скорость распространения продуктов детонации, м/с

1,328 ДТ 4045 1,94 1375

1,236 И-50 3791 1,96 1281

1,35 И-40 2660 1,52 1056

Определенные экспериментально показатели позволяют определить и другие, необходимые для расчета рациональных параметров буровзрывных работ, характеристики гранэмита И-30. Изложенный подход позволяет определить требуемые характеристики водосодержащих взрывчатых веществ любого компонентного состава.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Взрывные характеристики акватолов с пониженным содержанием грану-лотола / В.Г. Шеменев, А.С. Маторин, А.А. Котяшев, Ю.В. Куркин, В.Ю. Попов // Международная конференция по взрывным работам, Москва, 27-28 мая 1997, III: Сборник докладов.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------

Маторин А.С., Котяшев А.А., Куркин Ю.В., Шеменев В.Г. - Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.

-------© Б.Н. Кукиб, В.Б. Иоффе,

Е.И. Жученко, А.Б. Фролов,