Работа и баланс энергии взрыва

Работа заряда взрыва проявляется во многих формах :

- полезных, с целью которых производят взрыв.

-бесполезных, представляющих потери, также вредным воздействием на законтурный массив. В зависимости от условий взрыва и его целей работы, КПД взрыва будет меняться. При взрывных работах в скальных породах наибольшее значение имеет работа дробления и перемещения пород а в рыхлых – простреливание (образование полостей) и выброс на определенную высоту и расстояние.

Энергия , затраченная при взрыве на разрушение, перемещение горной массы, образование сейсмических и воздушных волн, нагревание породы и воздуха, характеризует полную работу взрыва.

Работа взрыва совершается за счет теплоты, выделившейся при взрыве , поэтому общая энергия взрыва

E = Eу*Q;

где: Eу– удельная теплота взрыва; кдж/кг;

Q– масса заряда ВВ, кг;

Работу произведенную взрывом по разрушению и перемещению массива породы ,называют полезной работой взрыва ( Ап ). Полезная работа взрыва составляет часть полезной энергии( теплоты ) взрыва.

Ап = Е*h_п;

где - h_п - к.п.д.взрыва = 0.7- 0.8 ;

Однако отдельные виды виды работы могут изменяться.

Так, если взрыв произведен на поверхности массива, то полная работа остается прежней, работа по разрушению среды и сейсмическая волна в массиве уменьшится, а на образование воздушной волны увеличится.

Максимальная работа взрыва (Ап), которую могут совершить газы взрыва (при расширении до атмосферного давления) при условии перехода всей внутренней энергии газов в механическую работу, называют идеальной работой взрыва.

Приняв приближенно, что при определенном взрыве к.п.д. действия различных ВВ примерно одинаковы, можно сравнивать их эффективность по теплотам взрыва этих ВВ.

Схема баланса взрыва

В качестве исходной, взята потенциальная химическая энергия В.В.

Из-за возможности разброса непрореагировавшего ВВ, недостаточной полноты взрывчатого превращения фактическая теплота взрыва меньше на величину химических потерь.

Фактическая теплота взрыва не может быть превращена в работу даже при идеальном ходе процесса разрушения, т.к. происходит нагревание разрушаемой среды продуктами взрыва.

Разность между фактической теплотой и полной называют тепловыми потерями.

Общая величина полной работы взрыва находится в этих пределах, но она может расходоваться на те, или иные формы общего, бризантного или местного действия взрыва.

Большая часть полной работы проявляется в виде общего (фугасного) действия.

Формы работы взрыва и методы их определения

Работа взрыва совершается за счет тепловой энергии, выделяющейся при взрыве заряда ВВ. Исходя из законов термодинамики, М. П. Чельцов в 1880 г. впервые оценил величину работы взрыва и предложил формулу

где А_п — полная идеальная работа газов взрыва при расширении их до атмосферного давления; Q — теплота взрыва; V_o и V₁ — начальный и конечный объемы газов; р₀ — начальное давление газов взрыва; к — показатель адиабаты.

Полная энергия, выделяемая при взрыве, равна произведению теплоты взрыва Q на массу заряда с. Таким образом, теплота взрыва является одной из важнейших характеристик взрывчатой системы. Однако полная теплота взрыва не может быть полностью преобразована в механическую работу даже при идеальном ходе химической реакции взрывчатого превращения ВВ. Разность между полной теплотой взрыва и полной работой называют тепловыми потерями.

При взрыве заряда в горной породе происходят дробление и пластическая деформация среды, примыкающей к заряду, возникновение и развитие трещин, смещение частиц породы в результате распространения в ней волновых возмущений, упругие колебания среды и, наконец, выброс породы из воронки взрыва и образование воздушных ударных и звуковых волн. Не все из перечисленных видов работы взрыва являются полезными. Такие виды работ, как переизмельчение и пластические деформации среды, вблизи заряда являются ненужными с точки зрения технологии взрывной отбойки.

В зависимости от условий взрыва доля энергии, идущая на производство той или иной формы работы, может меняться. Полная теплота взрыва при условии завершения реакции взрывчатого превращения остается неизменной. Величина полезной работы взрыва составляет около 60—70% потенциальной энергии ВВ. В то же время коэффициент полезного действия взрыва (отношение полезных форм работы взрыва к теплоте взрыва) относительно невелик и составляет всего несколько процентов. Наиболее наглядно баланс энергии (работы) взрыва можно представить в виде поточной диаграммы, предложенной М. А. Садовским и А. Ф. Беляевым, которые объяснили физическую сущность различных форм работы взрыва.

Согласно этим представлениям, формы механической работы взрыва в среде условно разделяются на бризантное (или дробящее) и фугасное (или общее) действие. Бризантным действием называют те формы работы взрыва, которые осуществляются в непосредственной близости от поверхности заряда. Они составляют сравнительно малую часть общей работы взрыва и в значительной степени зависят от скорости детонации ВВ. Теоретические попытки оценки бризантного действия взрыва пред­принимались многими авторами. Одни предлагали оценивать бризантность величиной кинетической энергии продуктов взрыва (Бихель), количеством движения (Редль), мощностью или работой, совершаемой единицей массы за­ряда ВВ в единицу времени (Гесс) или мощностью, выделяемой единицей объема ВВ (Каст). Однако во все формулы, предложенные этими исследователями, входило произведение плотности ВВ на скорость детонации ρD или на квадрат скорости ρD². Поэтому бризантное действие взрыва скорей всего определяется величиной начального давления газов взрыва или импульсом. Если давление детонации невелико, то дробящее действие будет весьма незначительным, даже при взрывании заряда ВВ, имеющего большую энергию. М. А. Садовский и А. Ф. Беляев считали, что бризантное действие определяется не полным импульсом взрыва, а его головной частью, которую в пределе можно считать пропорциональной мак­симальному детонационному давлению:

Большую часть полной работы взрыва представляют общие, или фугасные, формы, которые проявляются в образовании котло­вых полостей, дроблении породы в пределах зоны разрушения, т. е. на значительном расстоянии от заряда.

Критерием оценки фугасного действия ВВ является величина энер­гии ВВ, отнесенная к единице массы заряда ВВ, т. е. теплота взрыва.

Разрушающее действие открытого заряда, имеющего контакт с горной породой, будет относительно малым по сравнению с объемом разрушения при взрывании того же заряда внутри этой породы. В первом случае характер разрушения среды зависит от активной массы заряда и его скорости детонации, во втором — от полной энергии, т. е. от всей массы ВВ, умноженной на его удельную тепло­творную способность (теплоту взрыва). Таким образом, для оценки бризантных форм работ, необходимо замерять разрушение (деформцию) среды при контактных взрывах наружных зарядов, а для фугасных — те же характеристики разрушения, но при взрыве внутренних зарядов.

Это положение послужило основой для создания различных проб (методов испытаний) для определения бризантности и фугасности ВВ.

Так как фугасные формы работы взрыва являются превалирующими в общем балансе энергии ВВ, то пробы для их определения называют пробами на работоспособность ВВ.Существует множество различных проб, определяющих бризантность и работоспособность ВВ. Однако наиболее распространенными и общепризнанными являются классические (проба Гесса на бризантность и проба Трауцля на работоспособность), в которых мерой бризантности и работоспособности ВВ являются пластиче­ская деформация свинцового цилиндрика в первой или раздутие канала свинцового блока (бомбы) во второй.

Лекция №6

Все практические методы определения бризантности ВВ можно разделить на три вида:

1. Крешерные, в которых мерой бризантности считается деформация крешера (цилиндрика из пластичного металла);

2. Осколочные, в которых о величине бризантности судят по степени дробления металлической оболочки, окружающей заряд ВВ;

3. Маятниковые − основанные на измерении головной части импульса взрыва при отклонении специального маятника взрывом наружного заряда ВВ на его торце.

Проба Гесса принята в СССР для определения бризантности ВВ в качестве стандарта. Условия проведения пробы Гесса на бризантность ВВ нормированы действующим ГОСТ 5984—51.

Методика осуществления стандартной пробы заключается в следующем. Крешер (цилиндрик) из чистого рафинированного свинца, температура плавления которого должна быть 400 ± 10° С, имеющий диаметр 40 ± 0,2 мм и высоту 60 ± 0,5 мм, устанавливают на стальную плиту (рис. 138). Толщина плиты должна быть не менее 20 мм| диаметр 200 мм. На крешере помещают круглую стальную пластинку диаметром 41 ± 0,2 мм и высотой 10 ± 0,2 мм. Твердость стали! пластинки должна составлять 150—200 единиц по Бринеллю. На пластинку устанавливают патрон с испытуемым ВВ. Гильзу патрона изготовляют из листа бумаги размером 65 х 100 мм, толщиной 0,2 мм. Внутренний диаметр гильзы должен быть равен 40 мм. К бумажной гильзе приклеивают дно из такой же бумаги. В приготовленную гильзу помещают 50 г ВВ. Последнее должно иметь такую же плотность, какую оно имеет в заводских патронах. В случае применения ВВ россыпью в гильзе создают необходимую плотность, подпрессовывая ВВ.

Высоту свинцового крешера до взрыва измеряют штангенциркулем в четырех точках на концах двух взаимно перпендикулярных диаметров осно­вания. После взрыва высоту крешера вновь измеряют в тех же четырех точках, заранее отмеченных рисками на боковой поверхности цилиндрика. Для сопоставления с исходной высотой здесь также выводят среднее из четырех измерений. Разность высот цилиндрика до и после взрыва, выраженную в миллиметрах, принимают за показатель бризантности испытуемого ВВ.

Пригодной для осуществления испытаний на пробе Гесса считается такая партия свинцовых крешеров, образцы которой при взрывании на них заряда эталонного тротила массой 50 г и плотностью 1 г/см³ дают обжатие 16,5 ± 0,5 мм.

Несмотря на простоту и хорошую воспроизводимость пробы Гесса она может служить, только для относительного сравнения местного действия различных ВВ. Анализируя разрушающее действие взрыва, часто исходят из неправильной предпосылки, пытаясь сравнить степень дробления отбитой взрывом породы с параметрами детонационной волны (давлением и импульсом), которые определяют лишь бризантное действие взрыва, но никак не могут отождествляться с дробящим действием взрыва.

Для оценки дробящей способности ВВ, характеризующей способность заряда в определенных условиях взрывания производить то или иное дробление среды до определенных размеров кусков, Л. И. Бароном и Б. Д. Росси была предложена специальная проба, в которой заряд ВВ массой 20 г взрывали в канале блока (кубика) из базальтового литья или песчано-цементного раствора. Взрывание осуществлялось в бомбе Долгова. Раздробленный материал просеивали через набор сит и определяли гранулометрический состав.

По данным Л.И. Барона и С.П. Левчика, выход мельчайших (пылевидных) фракций при испытании ВВ в этой пробе хорошо коррелирует с бризантностью по пробе Гесса.

Общая же кусковатость отбитого материала — средний диаметр куска d_cp, выход дробленого продукта , суммарная, вновь образованная поверхность этой пробе согласуется только с энергетическими показателями — теплотой взрыва и работоспособностью ВВ, определенной либо по методу воронкообразования, либо в бомбе Трауцля. Этот пример еще раз указывает на то, что разрушение значительных объемов среды, в сотни и тысячи раз превосходящих объем заряда ВВ, в основном зависит от показателей общей работы взрыва; другими словами, величина и степень дробления отбитой взрывом породы пропорциональна полной энергии взрыва.

Существует несколько методов определения энергетических показателей ВВ — теплоты взрыва .и работоспособности (фугасности) ВВ.

Теплота взрыва — важнейший показатель ВВ, входящий во многие инженерные расчеты, характеризует энергию единицы массы ВВ и представляет собой количество тепла в килокалориях, выделяемого при взрыве 1 кг ВВ без совершения внешней работы.

Теплоту взрыва определяют, либо вычисляя ее по уравнению химического превращения с экспериментальным определением состава продуктов взрыва в бомбах Бихеля или Апина, либо непосредственно замеряют ее в специальных калометрических бомбах (газовых калориметрах).

К основным методом определения работоспособности ВВ относятся: метод свинцовой бомбы — проба Трауцля; метод баллистической мортиры; метод воронкообразования; метод оценки работо­способности по воздушной ударной волне.

Проба Трауцляв 1903 г. была принята в качестве стандартной II Международным конгрессом прикладной химии и до настоящего времени осталась неизменной. Согласно действующему ГОСТ 4546—48 испытания проводят в свинцовой бомбе цилиндрической формы, высота которой равна диаметру и составляет 200 мм. В канале бомбы диаметром 25 мм и глубиной 125 мм взрывают заряд ВВ массой 10г. Взрывание осуществляют электродетонатором или капсюлем-детонатором №8, в качестве забойки применяют кварцевый песок. После взрыва путем заливки воды из мерного цилиндра вобразовавшееся раздутие, как правило грушевидной формы измеряют его объем. Разность между замеренным объемом и суммой объемов канала до взрыва и расширения за счет инициатора (обычно 28 см³) представляет значение показателя работоспособности (фугасности) по Трауцлю, выражаемое в кубических сантиметрах.

Испытание на работоспособность гранулированных ВВ, способных полностью детонировать только в зарядах большого диаметра, производят после их измельчения до такой степени, чтобы они полностью проходили через сито с размером отверстий 0,05 мм.

Водонаполненные ВВ испытывают с дополнительным детонатором — тетриловой шашкой массой 5 г с последующей корректировкой полученных результатов на величину расширения, которое дает электродетонатор с этой шашкой.

Недостатком данного метода является то, что он не позволяет дать количественную оценку работоспособности различных ВВ по показателям расширения канала бомбы. Так, например, если одно ВВ дает расширение 200 см³, а другое — 400 см³, то это вовсе не означает, что второе ВВ будет в 2 раза эффективнее первого, так как заряды работают при разной степени расширения не водинаковых условиях. Действительно, расширить объем бомбы на первые 200 см³ значительно труднее, чем на последующие 200 см³.

Другим недостатком данного метода является то, что результаты испытания в значительной степени зависят от условий проведения опытов (температура воздуха и т. п.) и от качества отливки бомб. Кроме того, для некоторых, трудно детонирующих ВВ (водонаполненные, алюминизированные, селективнодетонирующие) проба Трауцля дает заниженные показатели работоспособности по сравнению с применением этих ВВ в производственных условиях.

Методы баллистического маятника и баллистической мортирысостоят в том, что работоспособность ВВ определяют или по отклонению массивного маятника при взрыве на его торец открытого заряда (рис. 142), или измеряя кинетическую энергию Е₀ тяжелой мортиры, подвешенной в виде маятника, в момент вылета из нее снаряда при взрыве 10 г заряда испытуемого ВВ.

Масса мортиры и снаряда известна. Измеряют величину отклонения мортиры (угол φ), затем определяют работоспособность ВВ по формуле

Для мортиры заданной конструкции величина Е_о является постоянным параметром. Однако действительный характер работы взрыва в мортире отличается от идеального, что снижает ценность показателей работоспособности, полученных при испытаниях ВВ по этому методу. Тем не менее этот метод широко используют для оценки работы взрыва раз­личных ВВ вСША и Канаде.

Метод воронкообразованиябазируется на предположении, что величина воронки выброса, образованная в грунте, определяет фугасную форму работы взрыва. Сущность метода заключается в измерении объемов воронок взрыва при взрывании зарядов в так называемом песчаном «бассейне».

Техника проведения испытаний состоит в помещении на определенную глубину W во влажном песке зарядов испытуемых ВВ одинаковой величины. После взрыва проводят измерение профиля воронки во взаимно перпен­дикулярных направлениях. Показателем работоспособности является отношение объемов воронок испытуемого и эталонного ВВ (обычно штатного аммонита № 6ЖВ). Достоинства данного метода заключаются в простоте проведения испытания и ввозможности испытывать заряды значительной массы. Недостатком является сложность точного замера объемов воронок.

Метод оценки работоспособности по воздушной ударной волнеоснован на измерении избыточного давления ∆р на фронте воздушной ударной волны при взрывании испытуемого ВВ и сравнении полученного результата тротиловым эталоном. Замерив избыточное давление ∆р₁ на фронте воздушной ударной волны при взрыве испытуемого ВВ, определяют опытным путем заряд тротила m_тнт, который дает то же избыточное давление, что и испытуемый заряд массой т_x. Работоспособность тротила А_ТНТ заранее известна, а работоспособность испытуемого заряда определяют по формуле

Преимущество этого метода заключаетcя в возможности определять работоспособность весьма крупных зарядов. Недостатком является необходимость точной оценки избыточного давления Ар, ибо малейшая ошибка в его определении приводит к неправильным результатам определения работоспособности испытуемого заряда.

ЛЕКЦИЯ №7