Инициирование эмульсионных вв и гранэмитов промежуточными детонаторами

УДК 662.217

© Б.Н. Кутузов, С.А. Горинов

ИНИЦИИРОВАНИЕ ЭМУЛЬСИОННЫХ ВВ И ГРАНЭМИТОВ ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ ДЕТОНАТОРАМ#

Предложен метод расчета промежуточного детонатора, изготовленного из индивидуального ВВ (смеси индивидуальных ВВ) для инициирования эмульсионных ВВ и гранэмитов. Показано, что при выборе эмульсионных ВВ для ведения горных пород необходимо рассматривать систему «ЭВВ (гранэмит) - ПД», как единое целое.

Ключевые слова: промежуточный детонатор, эмульсионные ВВ.

Анализ развития промежуточных детонаторов (ПД) показывает, что одновременно с расширением применения в горнодобывающей промышленности водосодержащих ВВ происходит расширение использования мощных ПД. Сначала за рубежом, а затем в России нашли применение ПД увеличенной массы 850 г и более, изготовленные из смеси «тротил + гексоген» или «тротил-тэн» (пентолит).

Целесообразность применения мощных ПД, для инициирования ЭВВ и гранэмитов подтверждается теоретическими исследованиями выполненными в работе [1], а также экспериментальными исследованиями [2].

В настоящее время расчет промежуточных детонаторов основывается на представлениях Г.И. Покровского и О.Е. Власова [3, 4], согласно которым инициирующая способность ПД определяется его активной массой. Однако в данных расчетах не учитываются индивидуальные особенности возбуждаемого ВВ (хим. состав, плотность, структурные особенности и др.). Поэтому для решения вопроса о возможности применения того или иного ПД для возбуждения конкретного ВВ приходится осуществлять многочисленные и дорогостоящие эксперименты. Следовательно, разработка расчетной схемы, учитывающей как особенности ПД (хим. состав, плотность, геометрические размеры), так и особенности ВВ является важной научно-практической задачей. Осо-

бенно актуально это при выборе ПД для инициирования ЭВВ и гранэмитов, изготовляемых на горнодобывающих предприятиях, где в силу ряда технологических, квалификационных и других особенностей сложно обеспечить постоянную идентичность выпускаемой продукции.

Данная работа посвящена разработке расчетной схемы промежуточного детонатора, изготовленного из индивидуального ВВ (смеси индивидуальных ВВ) для инициирования эмульсионных ВВ и гранэмитов.

Рассмотрим боевик длиной Ь, диаметром й , помещенный в ЭВВ. Длину капсюля детонатора обозначим черезI.

ВВ боевика характеризуется следующими параметрами: рб, Об, кб — плотность, скорость детонации и коэффициент политропы ВВ боевика соответственно.

ЭВВ характеризуется: ро — плотностью, Яо — радиусом поры, А — размером частицы эмульсии и ударной адиабатой Бу = А + БЖу , где А, Б — параметры ударной адиабаты инициируемого ВВ, Бу — скорость ударной волны, Жу - массовая скорость.

Расстояние от точки инициирования ВВ боевика капсюлем-детонатором до его торцов равны: Ьо = Ь — I и I соответственно.

Обозначим Ь, = max {Ь — I; 1} . Рассмотрим торцевую часть ПД, удаленную на расстояние Ь* от места инициирования ПД капсюлем-детонатором, в момент выхода на нее детонационной волны при взрывчатом разложении ПД. Введем линейную систему координат «Оу» с осью у в направлении детонационной волны. Начало данной системы координат совместим с границей «торец ПД-ЭВВ».

Так как сжимаемость продуктов детонации ПД ниже, чем сжимаемость пористого вещества ЭВВ, то происходит истечение продуктов детонации ПД в ЭВВ. Начальные давление Руо и скорость смещения границы «продукты взрыва ПД-ЭВВ» Жуо можно найти на основании решений [4, 5]:

£-_

где Pyo - давление во фронте ударной волны в ЭВВ:

P =р W (A + BW ) .

уo Г оо уo \ уo 1

Исходя из (_) и (2) можно определить начальное значе-

Однако возбуждение процесса детонации в ЭВВ не является мгновенным. Для возбуждения данного процесса вещество ЭВВ необходимо сжать, обеспечить его возгорание и прогорание между «горячими» точками [5, 6]. Данный процесс происходит за определенное время т*, которое определяется особенностями инициируемого ЭВВ. За данное время граница раздела «продукты детонации - ЭВВ» смещается на расстояние x* , а вглубь продуктов детонации проникает возникающая в них волна разряжения на глубину у* .

Предварительно оценим величину т*.

t0 - время возгорания; то - время прогорания ЭВВ между сенсибилизирующими порами.

Согласно [_]:

ние Wу0:

к-_

о

t,

4п(* -^)2 ХсСс

о

где рс, Хс, Сс — плотность, коэффициент теплопроводности и удельная теплоемкость аммиачной селитры соответственно; ц — внутренний коэффициент трения аммиачной селитры; рэ — плотность матрицы ЭВВ; хО - начальная пористость эмульсии; D, —

скорость детонации; г = —, где х - пористость ЭВВ в момент

начала экзотермического разложения наименее стойкого его компонента, р — давление в зоне сжатия, Т0 и Т* — начальная

температура ЭВВ и температура продуктов взрывчатого разложения ЭВВ соответственно.

=-

До

бх:

—і

где Угор — скорость прогорания межпорового пространства эмульсии.

Величина Угор определяется на основании теории горения

Зельдовича-Беляева [7, 8]. Принимая порядок реакции горения ЭВВ равным двум [9], имеем:

і 2Кт ( КТ*2 ^

р«І О. V у

3!

М

(

Т* — То)

N

2 ехр

Л

КТ

где рк — плотность ЭВВ в зоне сжатия в момент прогорания; Еа - энергия активации аммиачной селитры; ЫА — число Авогадро; М - средний молекулярный вес продуктов детонации ЭВВ; Кт - коэффициент теплопроводности первичных продуктов детонации ЭВВ (определяется для температуры Т с учетом по-

правок Сезерланда); Ог = у

Рг ( і і

Л

, где р: — плотность

V Рэ рк ]

ЭВВ в момент начала термического разложения [10, 11], QV — теплота разложения ЭВВ до первичных продуктов (распад по 8

схеме Баума [4] на Н20 , СО, N0 , Ы2, С ); 2 — предэкспонен-циальный множитель [7].

Расчеты по формулам (б) и (7) показали, что при характерных значениях параметров структуры ЭВВ (К: * 50 мкм, Д*5

мкм), рэ * і,4 г/см3, Ру * і0 ГПа, х° * 0,2 ~ і0—8 с, т: ~ і0—6с.

Следовательно т* * т:.

Оценим величину давления в продуктах детонации ПД и скорость смещения границы «продукты детонации ПД-ЭВВ» в момент т*. На основании [4] можно показать, что начальные распределения плотности р( у) и давления Р (у) в продуктах взрыва ПД в момент т* в области, неохваченной боковой волной разряжения, будут описываться следующими уравнениями:

р(у ) = рБ “Г—“

і

кБ — і У

Р (У )= Рн

(

(

кБ — і У_

кБ X*

2к ^ к—

при

тіп \ 2й; Х*

< у < 0, где у — текущая координата рас-

сматриваемого сечения в продуктах взрыва ПД; Рн =

Рб ВБ

кБ + і

дав-

ление в т. Чепмена-Жуге в продуктах взрыва ПД.

Величина проникновения волны разряжения вглубь продуктов детонации ПД равна:

у* * {

где с( у) = В б

кБ + і

і-

кБ — і У_

скорость звука в продуктах

детонации ПД в сечении у, и (у) — массовая скорость продуктов взрыва ПД в момент т* в сечении у .

у* * Вб

кБ — і V кБ + і

До

V

У г:р

(

бх:

—і

Величину смещения х* границы «продукты детонации ПД-ЭВВ» определим из уравнения:

х* *|(Туо + жі)т*,

где Щ — скорости смещения границы «продукты детонации ПД-ЭВВ» в момент времени т*.

Оценим величину Щ из закона сохранения энергии. Рассмотрим трубку тока с единичным сечением. Тогда:

,

Е

- е

к ^Т

?

гО).

7

где ЕТо , Е(о — начальные тепловая и кинетическая энергии продуктов взрыва ПД в области (—у*;0) в момент времени т = 0 со-

ответственно; Е(, Е() — тепловая и кинетическая энергии продуктов взрыва ПД в области (—у*;х*) в момент времени т = т* соответственно; Ек2 — кинетическая энергия вещества ВВ, находящегося в зоне сжатия в момент т = т*; Л — работа на ударное сжатие вещества ЭВВ.

у*

При — < 0,25 изменение плотности в продуктах взрыва ПД

в сечении у > —у* на момент прихода волны разряжения незначительно, поэтому имеем:

А о)

кб —

і —у

^ I

А г,

Ґ

Р,

кб — і У_

кб —*

\к

Рн —

і—

і—

кб — і У*_

к б —*

3к —і

^ к —і

1 (2кб +1) у.

кб Еж

Учитывая, что в области действия волн разряжения (- у.; х.) давление в продуктах взрыва ПД слабо зависит от координаты у [4], определяем:

(1) _ Р<» (у. + х.) к* — 1

Е{т1) _

где Р^] — давление продуктов взрыва ПД в области (—у.;х.) в момент времени т_т..

р(1) _ р н н

Ркб

(кб + 1)рб

где р — плотность продуктов взрыва ПД в области (—у.;х.) в момент времени т _ т.. На основании (8):

7

| р(у У*у

р_-

кб +1

х. + у.

Рб У*

2 1

1 — 2 Г кб +1 ^ к—1 кб — 1 у.

V 2кб у кб +1 Е.

х. + у.

1-т

ЕТ _ -РЩ2У* _

кб +1 2к,

Рб У*

1 — 2

кб +1

V 2кб У

к—1 — кб — 1 кб +1

у*_

Щ2

х. + у.

Учитывая, что при ударном сжатии материала выполняется

условие _ А [4], имеем:

Е(2) + А _раЩ2\вуйтър0В'ут»Щ?,

На основании (11) - (21), получаем следующее уравнения для определенияЩ1 :

1 — I 1 —

кб — 1 У1 кб Е.

3к —1

1 к —1

1 у.

1 — 2

к +1

V 2кб у

кб — 1 кб +1

у.

Е

к2 — 1Е (

кК +1

1

\

у.

1 + —----------

2

/у

2кб (кб +1) Е

(

Е

кб + 1

2к

1 — 2

к * +1

V 2кб у

1 к, — 1

кб +1

кб +1

V кб — 1 у

р^у рб Е

-------+ Вг

V Вб ,

г2.

где г _ -

К

в.е

На основании (11), (12), (17), (18), определяем статическую составляющую давления в продуктах детонации ПД в момент т.:

Р * Р

н н

1 — 2

кБ +1

V 2кБ у

2

V—

кБ —1 кБ +1

В

Е.

кБ —11 Ко

V кБ + 1 у' гор

У0

( -и- \

п

6x0

—1

2

- + г

V Вб у

Кинетическая составляющая давления Р[ продуктов взрыва ПД в момент т. найдется из уравнения:

Р1

1

V 2кБ у

1 — 2

РбЩ2

2

\к —1

V 2кБ у

кБ — 1 кБ + 1

В

Б

Е

кБ — 1

к . V

V Б у гор

К

( -и- \

п

6x0

— 1

1 ( Щуо.

2

,

Расчеты показывают, что Р^ > Ро _ Рн + Рк , где

Р/ _ Р0Щ (А + ВК1) — давление в зоне сжатия.

Следовательно, при распаде зоны сжатия в ЭВВ возникнет торможение продуктов детонации ПД. Это приводит к возрастанию в них давления до величины Рх . Данная величина определяется из условия: скорости движения продуктов взрыва ПД и продуктов разложения ЭВВ на границе их раздела совпадают. На основании указанного условия имеем [4, 12]:

2Р„

Рг

г1— — 1 1 Р

2к„

к —1

( Р 1 "2Т

Р Жкб + 1)г1 Р + кБ — 1

к:—1

р.

В.

1—г1

к —1 ИГ

гдег1 _-х-; Р., В., кэ — давление в точке т. Чепмена-Жуге, скоР/

рость детонации, коэффициент политропы ЭВВ соответственно.

Вторичные реакции окисления продуктов разложения ЭВВ происходят в чисто газовой области детонационной волны также в течение времени т., после распада зоны сжатия (вследствие стационарности распространения взрывного процесса).

Тогда на основании вышеприведенных соображений, учитывая, что итоговое время образования детонационной волны в ЭВВ составляет 2 т* получаем следующее критериальное требование к ПД:

Р* < Р =

* крит

= Р*.

1 - 4 Г кБ +1 ^ у 2кБ ) ^ кБ -1 кБ + 1 . Вб Ь Г кБ -1 ^ у кБ + 1) К Кор Г п ' 16х0) 1 3 -1

1 - 2 кБ + 1 ^ у 2кБ ) ~ кБ -1 кБ + 1 . Вб Ь* Г кБ -1 ^ у кБ + 1) Ко Кор ( п ^ п 6хо У Ьэ ) 1 " 3 -1

.

Значения Р*, В*, кэ определяются на основании решений, изложенных в работе [1]. Тогда из (26) можно определить минимальное Ь* для данного химического состава ПД и рассматриваемого ЭВВ.

В случае невозможности подбора Ь*, в качестве вещества ПД необходимо использовать ВВ с более высокими детонационными характеристиками.

Ограничения на диаметр ПД й находятся из условия:

й > тах {4Крт*; 2В*т*} ,

Вб

р 2

- скорость боковой волны разряжения в продуктах

взрыва ПД [4, 12]; 2В*т* - минимальный диаметр зоны реакции в ЭВВ, исключающий влияние волн разряжения на характер взрывного разложения ЭВВ.

Обсуждение результатов исследования

1. Рассмотрим опыт, выполненный проф. Шведовым К.К. [1]. Электромагнитным методом измерялись детонационные параметры смеси эмульсии плотностью 1,51 г/см3 (табл. 1) с пром-продуктом НМПМ-4 (ферросилиций) в соотношении 93/7 по мас-

к

се. Смесь аэрировалась путем введения полых стеклянных микросфер диаметром 70 мкм, плотностью 0,15 г/см3 в количестве 2,4 % по весу. Плотность аэрированного ЭВВ 1,3 г/см3.

Таблица 1

Состав эмульсии ЭВВ в опытах К.К. Шведова

Вещество Процентное содержание ГОСТ

Селитра кальциевая (Са(Шэ)2) 33 (в пересчете на чистый продукт) ТУ 2181-028-3249644501

Селитра аммиачная (кн4да3) 43.5 ГОСТ 2-85 марка Б

Вода 14.8 техническая

Дизельное топливо 6.7 ДСТУ 3868-99

Амолин 2 ТУ У 24.6-19436-11003-2002

Заряд аэрированного ЭВВ помещался в пластиковой трубе внутренним диаметром й = 104 мм с толщиной стенки 3 мм, длиной 300 мм. Инициатором служила таблетка прессованного ТНТ плотностью 1,59 г/см3, диаметром 80 мм, массой 340 г.

Результаты измерений представлены в табл.2. Также в табл.2 представлены расчетные значения детонационных параметров рассматриваемого ЭВВ при инициировании его таблеткой прессованного ТНТ.

Таблица 2

Экспериментальные и расчетные значения детонационных параметров

Показатели Экспериментальное значение Точность метода, % [13, 14] Расчетное значение Относительное отклонение, %

Скорость детонации, м/с 5300 ~ 4 5220 1,6

Массовая скорость, м/с 1730 ~ 4 1630 6,7

Время химической реакции в детонационной волне, мкс 1,20 ~ 15 1,07 10,8

Расчеты детонационных параметров ЭВВ осуществлялись по методике, изложенной в работе [1]. Характерные значения промежуточных параметров возбуждения детонационного процесса, определенные на основании настоящих исследований следующие: Жуо = 1935 м/с, Ж1 = 1564 м/с, Р/ = 9,9 ГПа, Ро = 6,26 ГПа,

р* = 7,82 Шэ, Ркрит = 7,68 ^ Р* = 7,65 ГПа (критерий Ркрит > Р*

выполняется).

При расчетах принимались следующие параметры ТНТ [15]: Вб = 6900 м/с, рб = 1,59 г/см3, кб = 3,3. Величина Ь = 0,05 м.

Наблюдается хорошее согласие экспериментальных и расчетных данных. Это позволяет осуществить аналитическое сравнение инициирующих способностей ПД из различных индивидуальных ВВ (смеси ВВ).

2. Сравнение инициирующих способностей ПД из различных индивидуальных ВВ (смеси ВВ).

В табл. 3 представлены значения детонационных параметров, развиваемых различными ПД в ЭВВ следующего химического состава (ЛИ4Ш03- 80,7 %,Н20 - 14 %, индустриальное масло- 3,8 %, эмульгатор -1,5 %) и гранэмите состава: 70 % эмульсии (ШИ4Ш03- 75 %,Н20 - 20 %, индустриальное масло- 3,5 %, эмульгатор -1,5 %) и 30 % ЛОТО (ШИ4Ш03- 94,2 %, индустриальное масло- 5,8 %). Плотность ЭВВ 1,15 г/см3, плотность гранэмита 1,18 г/см3. Пористость аммиачной селитры для ЛОТО - 18 %, размер гранул 1,2 мм. Размеры глобул эмульсии для рассматриваемых ВВ - 5 мкм. Способ сенсибилизации эмульсии - пузырьки газа.

Рассматриваются следующие ПД:

I - состав: литой тротил 80 % + гранулотол 20 %. Плотность 1,48 г/см3, скорость детонации 6800 м/с, коэффициент политропы 3,2. Геометрические параметры: высота 200 мм, диаметр 70 мм. Масса 1000 г.

II - состав: 50 % тротил + 50 % ТЭН. Плотность 1,58 г/см3, скорость детонации 7500 м/с, коэффициент политропы 3,37. Геометрические параметры: высота 188 мм, диаметр 66 мм. Масса 850 г.

Таблица 3

Достижимые детонационные параметры и коэффициенты работоспособности ЭВВ и гранэмита при различных ПД

Инициируемое ВВ ПД I ПД II ПД III

д,, м/с Р,, ГПа кэф д,, м/с Р,, ГПа кэф д,, м/с Р,, ГПа кэф

ЭВВ 4700 6,40 0,92 5000 7,10 1,00 5200 7,65 1,06

Гранэ- мит 4900 7,35 1,08 5300 8,50 1,21 5400 9,00 1,27

III - состав: 40 % тротил + 60 % гексоген. Плотность 1,62 г/см3, скорость детонации 7700 м/с, коэффициент политропы 3,11. Геометрические параметры: высота 105 мм, диаметр 85 мм. Масса 850 г.

Расчет детонационных параметров ПД выполнен на основании [13-16], кэф - коэффициент удельной работоспособности по

отношению к аммониту №6ЖВ (1,0 г/см3) вычислялся на основании формулы Шведова К.К. [17]. Аналогичные значения кф

также дают формулы, предложенные в работе [18]. Более низкий кэф для ЭВВ при инициировании его ПД III по сравнению с кэф

для гранэмита при инициировании его ПД I объясняется тем, что в рассматриваемых случаях коэффициент политропы кЭВВ « 2,66, я к « 2 44

а ГРАНЭМИТ

Анализ табл. 3 показывает, что величина достижимых детонационных параметров и значение коэффициента работоспособности ЭВВ и гранэмита в значительной степени зависит от величины инициирующего импульса. Таким образом, при выборе эмульсионных ВВ для ведения горных пород необходимо рассматривать систему «ЭВВ (гранэмит) - ПД», как единое целое.

Дополнительные оценки показывают, что правильный выбор ПД в сочетании с улучшением свойств аммиачной селитры (уменьшение размеров гранул, увеличение пористости гранул) и применением качественного эмульгатора (уменьшение размеров глобул эмульсии) позволит на 30-40 % увеличить работоспособность рассматриваемых ВВ. Последнее позволит значительно снизить расход ВВ и бурения при добыче полезных ископаемых.

Особо следует отметить, что численные исследования возбуждения и распространения детонационных процессов в ЭВВ и гранэмитах показало, что в зоне химической реакции детонационной волны возникают продольные колебания скорости распространения процесса с периодом Т « 2пт, и амплитудой порядка сотни м/с. Это находит отражение при измерении скорости детонации методом замера сопротивления проводов. При этом необходимо отметить, что колебания скорости горения также наблюдаются при импульсном зажигании веществ [19]. Значение скоростей детонации в табл. 2-3 представляют собой осредненные по времени величины.

Полученные результаты согласуются с практикой ведения взрывных работ и представляют интерес, как при проектировании ЭВВ и ПД, так и при их применении.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горинов С.А. Теоретическая оценка детонационных параметров гранэмитов // ГИАБ. - 2010. - №8. - С.121-130.

2. Улучшение качества взрывной подготовки горной массы за счет применения промежуточных детонаторов с оптимальными габаритными размерами при инициировании скважинных зарядов эмульсионных ВВ / Маслов И.Ю., Пупков В.В., Фоменкова В.Е. и др. // Взрывное дело № 94/51 Теория и практика взрывного дела угольной и горнорудной отраслей России. с. 125-130

3. Гришин С.В., Кокин С.В., Новиков А.В. Выбор оптимальных промежуточных детонаторов для инициирования скважинных зарядов ВВ. // Взрывное дело № 101.

4. Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва. - М.: Физматгиз, 1959. - 800с.

5. КукМ.А. Наука о промышленных ВВ. - М.: Недра, 1980. - 453 с.

6. Дерибас А.А., Медведев А.Е., Решетняк А.Ю., Фомин В.М. Детонация эмульсионных взрывчатых веществ с полыми микросферами. // Доклады РАН, 2003. - Т. 389. - № 6. - С.747-748.

7. Беляев А.Ф. О горении нитрогликоля // В кн.: Теория горения по-рохов и взрывчатых веществ. - М.: Наука, 1982. - с. 10- 34.

8. Зельдович Я.Б. Теория горения порохов и взрывчатых веществ. // В кн.: Теория горения порохов и взрывчатых веществ. - М.: Наука, 1982. - с. 49-86.

9. Державец А.С., Руднева Т.Г. Фильчаков А.А., Столяров П.Н. О возможности отнесения эмульсий, применяемых для приготовления

промышленных ВВ, в подкласс 5.1 «эмульсия, суспензия или гель нитрата аммония, используемые при производстве бризантных веществ. // Взрывное дело № 101.

10. Горинов С.А., Куприн В.П., Коваленко И.Л., Собина Е.П. Влияние химической природы окислителя на детонационные характеристики ЭВВ. // В кн.: Развитие ресурсосберегающих технологий во взрывном деле. III Уральский горно-промышленный форум. Екатеринбург, 2010. -С. 191-201.

11. Горинов С.А., Куприн В.П., Коваленко И.Л. Оценка детонационной способности эмульсионных взрывчатых веществ. // В кн.: Высокоэнергетическая обработка материалов. Днепропетровск: Арт-пресс, 2009. - С. 18-26.

12. Орленко Л.П. Физика взрыва и удара. - М.: Физматлит, 2008. -304 с.

13. Шведов К.К., Дремин А.Н. О параметрах детонации промышленных ВВ и их сравнительной оценке. Взрывное дело, № 76/33. - М.: Недра, 1976. - с. 137-150.

14. Шведов К.К., Дремин А.Н. Определение давления Чепмена-Жуге и времени реакции в детонационной волне мощных ВВ // ПМТФ, 1964. - № 2. - с.154-159.

15. Дубнов Л.В., Бахаревич Н.С., Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества. - М.: Недра, 1988. - 358 с.

16. Забабахин Е.И. Некоторые вопросы газодинамики взрыва. Сне-жинск: РФЯЦ; ВНИИНТФ. - 1997. - 208 с.

17. Шведов К.К. Об определении работоспособности взрывчатых веществ. // Физика горения и взрыва. 1984. - т. 20. - № 3. - С. 60-64.

18. Кудзило С., Кохличек П., Тржчинский В.А., Земан С. Рабочие характеристики эмульсионных взрывчатых веществ // ФГВ, 2002, Т. 38, № 4. - С. 95-102.

19. Вилюнов В. Н. Теория зажигания конденсированных веществ. Новосибирск: Наука, 1984. - 189 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Кутузов Борис Николаевич - доктор технических наук, профессор Московского государственного горного университета, boriskutuzov@mail.ru

Горинов Сергей Александрович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института горного дела УрО РАН, Екатеринбург, akaz2006@yandex.ru