Понятие о взрыве и взрывчатых веществах

Понятие о взрыве и взрывчатых веществах

Впервые задача изучения физической сущности взрыва была поставлена М. В. Ломоносовым. В работе «О природе и рождении селитры», написанной в 1748 г., он даёт определение взрыва как очень быстрого выделения значительного количества энергии и большого объёма газов.

В современной интерпретации взрывом называют процесс чрезвычайно быстрого (сверхзвукового) физического или химического перехода вещества или группы веществ из одного состояния в другое, сопровождающееся весьма быстрым переходом потенциальной энергии исходного вещества в энергию, способную совершать механическую работу.

По виду источника энергии и характеру протекания процесса различают взрывы ядерные, физические и химические. При ядерных взрывах происходят цепные реакции деления или синтеза ядер с образованием новых элементов. Известны два способа выделения атомной энергии при взрыве: превращение тяжёлых ядер в более лёгкие (радиоактивный распад и деление атомных ядер урана и плутония) и образование из лёгких ядер более тяжёлых (синтез атомных ядер). Так, при термоядерном взрыве из тяжёлого водорода образуется гелий. Эти взрывы являются наиболее мощными из известных человечеству в настоящее время. При ядерном и термоядерном взрывах количество выделяемого тепла равно, соответственно, 6,7·1013 и 4·1014 кДж/кг.

При протекании физических взрывов изменяется только физическое состояние вещества, но сохраняется неизменным его химический состав. Причем накопление энергии сжатия вещества может быть весьма быстрым или сравнительно медленным. В горнодобывающей промышленности они имеют ограниченное применение. Примерами использования физического взрыва в горной промышленности являются электровзрыв (при пропускании тока большой силы через тонкую проволочку исходная электрическая энергия весьма быстро переходит в энергию нагретого и сжатого воздуха и паров металла, сообщая им движение в разные стороны) и отбойка пневмопатронами (высвобождение энергии воздуха сжатого в ограниченном объёме патрона).

При химическом взрыве энергия выделяется в результате химической реакции, т. е. в результате взрыва образуются вещества другого химического состава. Химическое превращение взрывчатых веществ и смесей может протекать в форме медленного химического превращения, горения и детонации. При медленном химическом превращении реакция разложения протекает одновременно во всем объёме вещества, находящегося при одинаковой температуре, практически равной температуре окружающей среды. Скорость реакции соответствует этой температуре, и во всех точках масса ВВ одинакова. При нагревании ВВ его температура возрастает не только за счёт внешнего нагрева, но и за счёт тепла, выделяющегося при химической реакции разложения. При определенных условиях эта реакция может стать самоускоряющейся, в результате чего ВВ быстро превратится в сжатые газы почти одновременно по всему объёму. Произойдет тепловой взрыв ВВ, который может служить примером гомогенного (однородного) взрыва. Однако практически гомогенный взрыв неосуществим из-за неравномерного теплоотвода из ВВ, так как в веществе всегда имеет место возникновение одного или нескольких очагов горения, из которых горение затем распространяется на остальную массу ВВ.

Современная взрывная техника основана на использовании самораспространяющегося взрыва. При этой форме взрыва химическое превращение, начавшееся и какой-либо точке заряда, самопроизвольно распространяется до его границ. Способность химической реакции к самораспространению является характерной особенностью этой формы взрыва.

Температуры впереди фронта, позади него и в самой зоне химической реакции существенно различаются; имеет место также неравенство давлений и плотности.

Самораспространяющееся взрывчатое превращение возможно при горении и детонации ВВ. В обоих случаях имеется фронт химического превращения – относительно узкая зона, в которой происходит интенсивная химическая реакция, распространяющаяся по веществу с высокой скоростью. Впереди этой зоны находится исходное ВВ, позади неё – продукты превращения (рис. 2.1).

Скорость реакции, точнее, линейная скорость перемещения фронта взрывного превращения зависит в основном не от начальной температуры вещества, а от количества выделяющейся при реакции энергии, условий передачи её непрореагировавшему веществу и характеристик химического процесса. Так как механизм передачи энергии при горении и детонации различен (при горении тепловая энергия передаётся за счёт теплопроводности, при детонации основную роль играет ударная волна), скорость распространения процесса также различается и при горении не превышает для конденсированных ВВ нескольких сантиметров в секунду, а при детонации составляет километры в секунду.

Взрывное горение характерно для порохов и происходит со скоростью 400…1000 м/с. Медленное превращение может привести к повышению давления только в замкнутом объёме. Горение способно значительно повысить давление лишь в замкнутом или полузамкнутом объёме (ракетные камеры, огнестрельное оружие и т. д.). Давление, обеспечиваемое детонацией, практически не зависит от наличия оболочки.

Взрывом ВВ в этой связи называют самораспространяющееся с весьма большой скоростью химическое превращение, протекающее с выделением тепла и образованием газов.

Выделяют четыре основных условия, которым должна удовлетворять химическая реакция для того, чтобы она могла протекать в форме взрыва: экзотермичность (выделение тепла), образование газов, большая скорость реакции, способность к самораспространению.

Первое условие – любое превращение, протекающее с поглощением тепла, не может быть взрывом.

Разогрев газообразных продуктов взрыва до температуры в несколько тысяч градусов и их последующее расширение происходит за счёт тепловой энергии реакции. Чем больше теплота реакции и скорость её распространения, тем больше механическое действие взрыва. Теплота реакции является критерием работоспособности современных ВВ и она составляет 3760…7500 Дж/кг.

Второе условие определяет особенности использования выделяющейся энергии. Если вся энергия выделяется в виде тепла, то переход происходит путём медленного процесса теплопередачи. Это характерно для горения вещества, когда повышение давления при отсутствии оболочки незначительно и механическое действие продуктов реакции невелико. Газы и пары воды, находясь в начальной стадии взрыва в чрезвычайно сжатом состоянии, расширяясь, переводят потенциальную энергию ВВ в механическую работу. При нормальных условиях (давление 101,3 кПа; Т = +15°С) 1 кг промышленных ВВ образует 700…900 л газов, температура которых 3000…4000 °С. Максимальные давления в месте взрыва достигают сотен тысяч атмосфер, что на два-три порядка превышает предел прочности горных пород. Кроме того, резкий скачок давления приводит к образованию в горной породе ударной волны, переходящей затем в волну напряжения, распространяющуюся со скоростью звука.

Третье условие – большая скорость реакции – определяет скорость энерговыделения, т. е. ту огромную мощность, которая характерна для взрыва. Переход к конечным продуктам реакции происходит при взрыве за стотысячные или даже миллионные доли секунды, что и определяет его энергетические преимущества по сравнению с обычным горением химических веществ. Критерием быстроты протекания процесса взрывчатого превращения служит линейная скорость распространения взрыва по заряду, которая для современных ВВ составляет 2…9 км/с.

Способность к самораспространению – четвёртое условие взрыва – обеспечивает превращение всего вещества при локальном его возбуждении. Известно, что в реакциях участвуют только активные молекулы, тогда как обычные неактивные молекулы химически инертны. Активируют молекулы, расходуя так называемую энергию активации. Способность реакций к самораспространению зависит поэтому от соотношения между энергией реакции Q и энергией активации Е (рис. 2.2). Вещество может быть взрывчатым, если теплота реакции больше энергии активации, т. е. больше той энергии, которая затрачивается на возбуждение реакции. Природа возбуждения реакций тепловая, хотя источники инициирования взрыва могут быть механические, электрические, взрывные, тепловые и др.

Роль активации заключается, как видно из схемы, в том, чтобы увеличить энергию молекулы на величину Е, после чего молекула может вступать в реакцию с выделением энергии Q + Е. Эта энергия расходуется на возбуждение последующих молекул и т. д. Очевидно, что Q > Е.

Химические вещества или смеси этих веществ, способные под влиянием внешних воздействий к быстрому самораспространяющемуся химическому превращению с выделением большого количества тепла и газообразных продуктов, называют взрывчатыми веществами (ВВ). Энергия взрыва ВВ высвобождается в результате химических реакций, основным типом которых является реакция окисления.

В принципе взрывчатое вещество представляет собой смесь горючего с окислителем. Старейшее ВВ – дымный порох – является смесью двух горючих (угля и серы) и окислителя (калиевой селитры), простейшее ВВ игданит – смесью горючего (дизельного топлива) и окислителя (аммиачной селитры), аммониты – смесью взрывчатого горючего (тротила) и окислителя (аммиачной селитры) и т. д. При этом в молекуле тротила С7Н5N3О6, кроме углеродных и водородных атомов, содержатся атомы кислорода, а в молекуле селитры NH4NO3, кроме атомов кислорода, содержатся атомы водорода, в связи с чем тротил и аммиачная селитра являются сами по себе взрывчатыми веществами, причем тротил – мощным, а аммиачная селитра – очень слабым и низкочувствительным.

Полностью из невзрывчатых компонентов состоят, например, оксиликвиты, представляющие собой горючее (сажа, мох и т. п.), пропитанное жидким кислородом.

В виде горючих соединений они реагируют с избыточным кислородом окислителя, повышая теплоту и общую энергию взрыва ВВ.

Для повышения мощности ВВ в их состав вводятся иногда сенсибилизаторы – вещества, вводимые в состав ВВ и способствующие восприятию и передаче детонации.

Элементарный состав ВВ представлен, как правило, углеродом, водородом, кислородом и азотом. Соответственно, продукты взрыва могут состоять из следующих газов: СО2; СО; Н2; О2; СН4; NН3; NO; NO2. Кроме того, в продуктах взрыва могут находиться и твёрдые вещества, углерод, оксиды металлов, их соли и т. п.

Приведём несколько примеров реакций взрывчатого разложения ВВ и отметим их характерные особенности:

• нитроглицерин

С3Н5(ОNО2)3→ 3СО2 + 2,5Н2О + 1,5N2 + 0,25О2 + 1400 МДж;

• аммиачная селитра

NН4NО3 →2Н2О + N2 + 0,5О2 + 121 МДж;

• нитрогликоль

С2Н4 (ONО2)2 →2СО2 + 2Н2О + N2 + 990 МДж;

• аммонит 6ЖВ, состоящий из смеси аммиачной селитры и тротила,

С6Н6(NO2)3СН3 + 10,7NН4МО3 → 7СО2 + 23,9Н2О + 12,2N2 + 0,1О2 + 4520 МДж;

• тротил

С6H6(NO2)CН3 → 3,5CО + 2,5Н2О + 3,5С + 1,5N2 + 922 МДж;

• азид свинца

РbN6 → Рb + 3N2 + 448 МДж.

В приведённых формулах масса ВВ и продуктов взрыва выражена в киломолях.

Соотношение окислителя и горючих компонентов в составе ВВ определяет полное или неполное окисление горючих элементов. Это соотношение характеризуется кислородным балансом ВВ. Недостаток кислорода в ВВ приводит к неполному окислению горючих элементов, в этом случае ВВ имеет отрицательный кислородный баланс. Если в ВВ окислителя хватает для полного окисления горючих элементов, то он характеризуется нулевым кислородным балансом, если имеется избыток – положительным.

Таким образом, если ВВ имеет состав СaНbNсОdАle, то кислородный баланс можно выразить в процентах избытка или недостатка кислорода для полного окисления горючих элементов в молекуле ВВ:

где а, b, d и l – число атомов углерода, водорода, кислорода и алюминия в молекуле; 16 – атомная масса кислорода; MВВ – молекулярная масса ВВ.

Для взрывчатых смесей расчёт можно вести на 1 кг, тогда в числитель дроби войдет количество молей соответствующих элементов, содержащихся в 1 кг смесевого ВВ, а в знаменатель – 1000, вместо Mвв. Положительный кислородный баланс имеем при d > 2а + b/2 + 3/2l, нулевой – при d = 2а + b/2 + 3/2l и отрицательный – при d < 2а + b/2 + 3/2l.

Кислородный баланс взрывчатых смесей удобно определять по формуле

где K1, K2, K3, …, Kn – кислородный баланс каждого из компонентов взрывчатой смеси, %; P1, P2, P3,…, Pn – содержание каждого из компонентов, доли единицы.

Если для полного окисления горючих элементов не хватает кислорода, то он должен вступать, прежде всего, в те реакции, которые сопровождаются максимальным выделением тепла. Поэтому при взрыве ВВ с отрицательным кислородным балансом в зависимости от относительного количества кислорода образуются либо ядовитый оксид углерода (угарный газ) с меньшим выделением тепла, чем при образовании углекислоты, либо чистый углерод в виде сажи, снижающий образование газов.

Отравляющее действие оксида углерода СО основано на его способности образовывать прочные соединения при вдыхании с красными кровяными тельцами, являющимися переносчиками кислорода из лёгких к тканям, из-за чего человеческий организм начинает испытывать кислородную недостаточность, а при концентрациях 1 % и более быстро наступает смерть.

Предельно допустимая концентрация СО в атмосфере шахт 0,0016 % (по объёму).

Таким образом, ВВ с нулевым кислородным балансом выделяют максимальное количество энергии и минимальное – ядовитых газов.

C + 0,5O2 ⎯⎯→CO + 109 , кДж/моль.

При положительном кислородном балансе ВВ образуются различные оксиды азота, являющиеся весьма ядовитыми газами, образование которых сопровождается поглощением тепла.

0,5N2 + 0,5O2 ⎯⎯→NO − 90,5 , кДж/моль.

Оксиды азота NO, NO2, N2O3 при вдыхании в лёгких, вступая в реакцию с водой, образуют азотную и азотистую кислоты, действие которых приводит к отёку лёгких и смерти. Особую опасность оксиды азота представляют из-за того, что они способны накапливаться в организме. Поэтому по токсическому действию они считаются в 6,5 раза более ядовитыми, чем оксид углерода.

Предельно допустимая концентрация условного оксида углерода в атмосфере шахт составляет 0,0002 % по объёму.

При взрыве могут также образовываться сероводород Н2S, сернистый ангидрид SО2, хлор, при вдыхании которых происходят острое раздражение дыхательных путей и отёк легких. По токсичности эти газы считаются в 2,5 раза более ядовитыми, чем оксид 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.

Наиболее рационален нулевой кислородный баланс. Отклонение от него сопровождается образованием ядовитых газов и уменьшением выделения энергии при взрыве. Например, требуется определить кислородный баланс тротила С7H5(NO2)3 относительная молекулярная масса которого равна 227. Для полного окисления необходимо 2а + b/2 или 2·7 + 5/2 = 16,5 атома кислорода. В наличии имеется шесть атомов кислорода.

Реакции взрывчатого превращения зависят от кислородного баланса ВВ и делятся на три типа: 1) реакция взрыва ВВ с положительным и нулевым кислородным балансом; 2) то же с отрицательным, но достаточным для полного газообразования; 3) реакция взрыва ВВ с выделением углерода. Реакции взрывчатого превращения позволяют определять характеристики ВВ (теплоту, температуру, объём и давление газов взрыва).

В табл. 2.1 приведены значения кислородного баланса некоторых ВВ и их компонентов.

Смешивая в определённой пропорции ВВ с отрицательным и положительным кислородным балансом, получаем ВВ с нулевым или близким к нулю кислородным балансом. Примером такой смеси из тротила и аммиачной селитры является аммонит 6ЖВ. Добавляя в ВВ с положительным кислородным балансом горючие добавки, можно полу чить взрывчатую смесь большей работоспособности.

Характеристика взрывчатых превращений некоторых ВВ приведена в табл. 2.2.

Смешивая в определённой пропорции ВВ с отрицательным и положительным кислородным балансом, получаем ВВ с нулевым или близким к нулю кислородным балансом. Примером такой смеси из тротила и аммиачной селитры является аммонит 6ЖВ. Добавляя в ВВ с положительным кислородным балансом горючие добавки, можно получить взрывчатую смесь большей работоспособности.

Промышленные ВВ для взрывания в подземных условиях обычно имеют незначительный положительный кислородный баланс – от 0,1 до 4%. Избыток кислорода расходуется на окисление бумажных оболочек и парафинового покрытия патронированных ВВ.

Состав газообразных продуктов взрыва зависит не только от химического состава ВВ, но и от условий взрывания заряда (степени ограничения пространства, в котором расположен заряд, влажности ВВ) и свойств породы, влияющих на протекание вторичных химических взрывных реакций.

На карьерах разрешается применять ВВ с кислородным балансом, отличным от нулевого, однако при крупных взрывах и при взрывании на глубоких горизонтах карьеров при определении опасной зоны необходимо учитывать направление движения газового облака после взрыва, чтобы избежать случаев отравления рабочих. С увеличением глубины карьеров целесообразность применения ВВ с нулевым кислородным балансом с точки зрения санитарно-гигиенических условий атмосферы и охраны окружающей среды увеличивается.

Для придания определённых свойств при изготовлении смесевых ВВ в их состав вводят следующие компоненты: горючие вещества, окислители, сенсибилизаторы, стабилизаторы, флегматизаторы и пламегасители (последние только в составе предохранительных ВВ).

Горючие вещества вводятся в состав ВВ для увеличения количества энергии, выделяемой при взрыве. В качестве горючих веществ применяют твёрдые или жидкие компоненты (как правило, невзрывчатые, типа тонкоизмельченного угля, древесной муки, солярового масла), богатые углеродом и водородом, или пудры (алюминия, магния и т. д.), способные легко окисляться и выделять большое количество тепла и газов. Роль горючих веществ выполняют также некоторые взрывчатые компоненты (тротил, гексоген и т. п.), имеющие в своём составе недостаточное количество кислорода для полного окисления углерода. При этом часть углерода реагирует с избыточным кислородом окислителя, повышая тем самым общую энергию взрыва.

Окислители содержат избыточный кислород и вводятся в состав ВВ для окисления горючих элементов. В качестве окислителя применяют аммиачную, калиевую и натриевую селитры, перхлораты калия и натрия, жидкий кислород и т. д.

В качестве сенсибилизаторов обычно используют чувствительные мощные ВВ: тротил, нитроглицерин, нитрогликоль, гексоген и т. п. Иногда роль сенсибилизатора выполняют и невзрывчатые вещества, такие как соляровое масло (не более 6 %), уголь или древесная мука.

Стабилизаторы – вещества, вводимые в состав ВВ для повышения их химической и физической стойкости. В качестве стабилизатора в аммонитах используют древесную, жмыховую и торфяную муку, а в динамитах – мел и соду. Стабилизаторы, применяемые в аммонитах, выполняют также роль горючих добавок и разрыхлителей, уменьшая слёживаемость ВВ.

Флегматизаторы вводятся в состав ВВ для снижения чувствиительности его к механическим воздействиям. В качестве флегматизатора используют вазелин, различные масла, тальк, парафин и т. п. Эти вещества обволакивают частицы ВВ, не вступая с ними в реакцию, и тем самым снижают его чувствительность к механическим воздействиям.

Пламегасители – вещества, вводимые в состав ВВ для снижения температуры взрыва и уменьшения вероятности воспламенения метано и пылевоздушных смесей в шахтах. В качестве пламегасителей применяют хлористый натрий, хлористый калий и т. п.

Пластификаторы вводятся в состав ВВ для придания ему текучести. В качестве пластификаторов обычно используют загущенные водные растворы.

Литература:

1.   Лукьянов В.Г. Взрывные работы: учебник для вузов / В.Г. Лукьянов, В.И. Комащенко, В.А. Шмурыгин. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 402 с.

9