Детонация ВВ, определение параметров детонационных волн

Классификация взрывов

По своей природе взрывы делятся на:

физические, при которых происходят только физиче­ские преобразования веществ (беспламенное взрывание с помощью жидкой углекислоты и сжатого воздуха, взрывы паровых котлов, баллонов со сжиженным газом, электрические разряды и т. д.);

химические, при которых происходят чрезвычайно бы­стрые химические реакции окисления с вы­делением тепла и газов (взрывы взрывчатых веществ, метана, угольной или другой органической пыли);

ядерные, при которых происходят цепные реакции деле­ния тяжелых ядер, либо термоядерной реакцией синтеза с образованием новых элементов.

При производстве взрывных работ в основном используют химические взрывы.

Хи­мическим взрывом называют крайне быстрое самораспространяющееся превращение некоторых хи­мических веществ или смесей с выделением тепла и образованием газообразных продуктов, при котором выделяется энергия и совершается работа.

Существенным признаком взрыва является резкое увеличение давления, вызывающее возникновение в окружающей среде ударной волны.

Вещества или смеси, способные при воздействии на них начального импульса к самораспространяю­щимся химическим превращениям в форме взрыва, называют взрывчатыми веществами (ВВ).

Детонация ВВ, определение параметров детонационных волн

Известны три основные формы химического превращения ВВ.

Медленное химическое превращение протекает при относительно низких температурах по всему объему вещества. Этот процесс может протекать при неблагоприятных условиях хранения ВВ и недостаточной его химической стойкости.

Горение протекает в довольно узкой зоне фронта химической реакции, в котором температура достигает некоторого критического значения и который перемещается по ВВ. Скорость его перемещения определяется величиной выделяющейся энергии и способом передачи ее к соседним слоям вещества. При горении энергия передается путем теплопередачи и диффузии. Это сравнительно медленный процесс, поэтому и скорость горения может быть от долей сантиметра до десятков метров в секунду.

Детонация это распространение взрыва по заряду ВВ с по­стоянной сверхзвуковой (до 8 км/с) скоростью.

Согласно гидродинамической теории детонации, распространение взрыва по ВВ обусловлено распространением по нему ударной волны.

Ударная волна — волна сжатия, распространяющаяся по среде (воздуху, воде, породе) со сверхзвуковой скоростью, на переднем фронте которой мгновенно (скачкообразно) изме­няются давление, плотность и температура среды.

Ударная волна характеризуется следующими особенностями:

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.

Совокупность ударной волны и следующей за ней зоны взрывчатого химического превращения ВВ называется детонационной волной.

Фронт детонационной волны представляет собой сильную ударную волну, которая разрушает молекулы ВВ, рисунок 1.1.

Рисунок 1.1 - Схема детонации открытого заряда

Освободившись от первоначальных связей, нагретые до высокой температуры горючие элементы и кислород вступают в зоне за фронтом детонационной волны 1 в бурную химическую реакцию с выделением тепла и превращением ВВ в газообразное состояние. Фронт детонационной волны движется со скоростью несколько километров в секунду. За фронтом ударной волны движется фронт расширения продуктов взрыва 3, а к центру (оси) заряда — фронт волны разряжения 4. Условие стабильности процесса детонации обеспечивается наличием зоны нерасширившихся газов 5. При выходе детонационной волны за пределы заряда она распространяется как ударная волна 2, со снижением ее скорости и амплитуды.

Основы теории детонации твердых ВВ созданы Л. Д. Ландау и К. П. Станюковичем. Они установили, что давление во фронте детонационной волны пропорционально кубу плотности ВВ ρ или квадрату скорости детонации

, (1.1)

, (1.2)

где В — коэффициент.

Скорость движения газов взрыва за фронтом детонационной волны

. (1.3)

Основное уравнение определения скорости детонации имеет вид

, (1.4)

где с — скорость звука в продуктах детонации, км/с.

Скорость детонации может быть определена в зависимости от энергетической характеристики ВВ по формуле

, (1.5)

где Q_v — теплота взрыва ВВ при постоянном объеме, кДж/кг.

Значение k для Q_v = 4190 кДж/кг принимается в зависимости от начальной плотности ВВ

ρ_о, г/см³ 0,1 0,25 0,5 0,75 1,0

k 1,3 1,6 2,22 2,8 3,05

Из вышесказанного следует, что детонация является сверхзвуковым процессом и ее величина непосредственно зависит от энергетических характеристик ВВ.

В теоретических исследованиях принято, что плоский фронт детонационной волны, распространяясь по заряду, сжимает находившиеся впереди слои ВВ, вызывая их химические превращения. Такой механизм детонации называется однородным (гомогенным), он может иметь место для однородных мощных ВВ (гексоген, ТЭН) при скоростях детонации 6—7 км/с.

Промышленные ВВ являются физически и химически неоднородными системами, чем объясняются особенности их детонации по сравнению с классической теорией.

В промышленных ВВ могут содержаться высокоактивные индивидуальные ВВ, реагирующие в детонационной волне с большой скоростью (нитроглицерин, гексоген, ТЭН), и менее активные, но с сильно выраженными взрывчатыми свойствами (тротил); вещества со слабо выраженными взрывчатыми свойствами (аммиачная селитра), разлагающиеся при детонации со скоростью существенно (в 2—4 раза) меньшей, чем мощные ВВ; горючие материалы, не обладающие взрывчатыми свойствами (алюминий, древесная мука, парафин и др.), и совершенно инертные вещества, не принимающие участия в реакциях и претерпевающие 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, например, алюминий и др. (вторичные реакции).

На детонационную способность промышленных ВВ существенно влияет равномерность размещения компонентов в заряде. Объясняется это тем, что 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.

Предположительно 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 условияя при взрывании скальных пород скважинными зарядами диаметром 200-250 мм гранулированные и водосодержащие ВВ детонируют со скоростью, приближающейся к максимальной. При взрывании зарядами меньшего диаметра и особенно шпуровыми зарядами детонация этих ВВ не достигает максимума, т.е. детонация протекает не в идеальном режиме.