Файл: Миндели, Э. О. Разрушение горных пород учебное пособие.pdf

при одинаковой температуре, практически равной температуре окру­ жающей среды. Скорость реакции соответствует этой температуре и во всех точках масса ВВ одинакова. При нагревании ВВ его темпе­ ратура возрастает не только за счет внешнего нагрева, но и за счет тепла, выделяющегося при химической реакции разложения. При определенных условиях эта реакция может стать самоускоряющейся,

мо р а с п р о с т р а н я ю щ е г о с я в з р ы в ч а т о г о п р е ­ в р а щ е н и я . При этой форме взрыва химическое превраще­ ние, начавшееся в какой-либо точке заряда, самопроизвольно рас­ пространяется до его границ. Способность химической реакции к самораспространению является характерной особенностью этой формы взрыва.

Самораспространяющееся взрывчатое превращение возможно при горенпп и детонации ВВ. В обоих случаях имеется фронт химиче­ ского превращения — относительно узкая зона, в которой происхо­ дит пнтенспвная химическая реакция, распространяющаяся по веще­ ству с некоторой скоростью. Впереди этой золы находится псходное

ВВ, позадп нее — продукты превращения (рис. 48).

Температуры впереди фронта, позади пего н в самой зоне химиче­

ской реакции существенно различаются; имеет место также неравен­ ство давлений и плотности.

Скорость реакции, точнее, линейная скорость перемещения фронта процесса зависит в основном не от начальной температуры вещества, а от количества выделяющейся при реакции энергии, условий пере­ дачи ее непрореагировавшему веществу и кинетических характери­ стик возникающего в нем при этой передаче химического превраще­ ния. Так как механизм передачи энергии при горении и детонации различен (при горении тепловая энергия передается за счет тепло­ проводности, при детонации основную роль играет ударная волна), скорость распространения процесса также различается и при горе­ нии не превышает для конденсированных ВВ нескольких сантимет­ ров в секунду, а при детонации составляет километры в секунду.

128

В соответствии с различием в скорости распространения процесса разрушающее действие при разных формах превращения ВВ суще­ ственно отличается.

Медленное превращение только в замкнутом объеме может при­ вести к повышению давления вплоть до разрыва оболочки. Горение также способно значительно повысить давление лишь в замкнутом или полузамкнутом объеме. Соответственно этот процесс исполь­ зуют в тех случаях, где слишком большое давление нежелательно (ракетные камеры, огнестрельное оружие и т. п.).

Детонация дает максимальное давление, практически не завися­ щее от наличия оболочки. Этот вид взрывчатого превращения при­ меняется тогда, когда надо получить максимальное разрушающее действие. Именно процесс детонации зарядов ВВ широко исполь­ зуется для разрушения горных пород. Взрывчатые вещества, которые используют при этом, представляют собой либо индивидуальные химические вещества, либо механическую смесь нескольких веществ, которые при определенных условиях способны давать самораспространяющееся с большой скоростью химическое превращение, про­ текающее с выделением большого количества тепла и образованием газов.

Г л а в а X

ТЕОРИЯ И СВОЙСТВА ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

§ 39. Реакции взрывчатого превращения. Состав н объем продуктов взрыва

Энергия взрыва ВВ высвобождается в результате химических реакций, основным типом которых является реакция окисления. Для протекания этой реакции необходимы окислитель и горючее. В смесевых ВВ окислителем является химическое соединение, кото­ рое при нагревании способно разлагаться с выделением окисляющих агентов (кислорода, окислов азота и т. и.). Наиболее распространен­ ным в настоящее время окислителем является нитрат аммония (NH4N 03), широко известный под названием аммиачная селитра. В качестве горючего можно использовать уголь, древесную муку или органические соединения, содержащие, как правило, много углерода н водорода.

Индивидуальные ВВ, например, тротил, содержат в составе своих молекул и окисляющие группы (нитрогруппы), и горючее (углерод и водород). Под воздействием высокой температуры (на­ пример, при действии ударной волны) молекулы тротила распадаются и окислительные группы вступают в быструю реакцию с горючим. Как указывалось ранее, эта реакция протекает с выделением боль­ шого количества тепла и образованием газов.

Весьма важной характеристикой ВВ является кислородный ба­ ланс, представляющий отношение избытка или недостатка кислорода в составе ВВ к количеству его, необходимому для полного окисления торючих компонентов, выраженное в процентах. Кислородный ба­ ланс взрывчатой смеси легко рассчитать, если известен кислородный баланс каждого компонента смеси. Значения кислородного баланса обычных компонентов взрывчатых смесей приведены в табл. 30.

Элементарный состав ВВ представлен, как правило, углеродом, водородом, кислородом и азотом. Соответственно, продукты взрыва могут состоять из следующих газов: С 02, СО; Н 20; Н 2; 0 2; СН4; NH3; NO; N 0 2. Кроме того, в продуктах взрыва могут находиться п твердые вещества, углерод, окислы металлов, их соли и т. и.

При определении состава продуктов взрыва расчетным путем ВВ делят на три группы. К первой группе относятся ВВ с нулевым кис­ лородным балансом, ко второй — ВВ с положительным кислородным балансом, выделяющие при взрыве только газообразные продукты, и к третьей — ВВ с отрицательным кислородным балансом, в про­ дуктах взрыва которых содержится углерод (сажа).

Вычисляют кислородный баланс как разность между количеством кислорода, содержащимся во ВВ, и количеством кислорода, необхо­ димым для полного окисления горючих элементов входящих в его состав. Расчет ведут на 100 г ВВ и поэтому кислородный баланс выражают в процентах. В том случае, если во ВВ имеется избыточ­ ный кислород, кислородный баланс считается положительным. Если кислорода недостаточно для полного окисления горючих эле­ ментов, содержащихся во ВВ, то кислородный баланс вещества считается отрицательным. Если же ВВ содержит как раз столько кислорода, сколько нужно для полного окисления горючих, то кисло­ родный баланс его равен нулю, при этом выделяется максимальное количество энергии и минимальный объем ядовитых газов.

В качестве примера рассчитаем кислородный баланс аммиачной селитры — основного компонента современных промышленных ВВ. Напишем уравнение взрывчатого превращения аммиачной селитры

NH4NOs 2НаО -j- N, -}- 0,5О2.

В граммолекуле аммиачной селитры (80 г) содержится 48 г кисло­ рода. На окисление горючих элементов, входящих в состав молекулы аммиачной селитры (водород), потребуется 32 г кислорода. Следова­ тельно, аммиачная селитра имеет положительный кислородный ■баланс, равный

КБ = (48~ 32^- 100 = + 20% . oU

ВВ^первой группы. Составление реакций взрывчатого превра­ щения для ВВ первой группы является довольно простой задачей. Из всех возможных в этом случае направлений химической реакции ■наиболее вероятным являются те, при которых выделяется макси­ мальное количество тепла. Именно поэтому углерод окисляется до

•130

двуокиси углерода (а не до окиси), водород сгорает, образуя воду; алюминий превращается в окись алюминия, а азот выделяется в эле­ ментарном виде, так как реакции окисления азота идут с поглоще­ нием тепла. Таким образом, если ВВ имеет нулевой кислородный баланс, то в продуктах взрыва его не должно быть ни окиси угле­ рода, ни свободного кислорода. Когда же ВВ имеет положительный кислородный баланс, продукты взрыва содержат свободный кислород.

В качестве примера составим уравнение взрывчатого превращения типичного промышленного ВВ — аммонита № 6 ЖВ, состоящего из 79% аммиачной селитры и 21% тротила. Расчет будем вести на 1 кг ВВ. Коэффициенты в левой части уравнения получим делением весового содержания данного компонента в 1 кг ВВ на его молеку­ лярный вес. Тогда левая часть уравнения (исходное ВВ) будет иметь вид:

Аммонит № 6 ЖВ имеет кислородный баланс, близкий к нулю, по­ этому, в соответствии с вышеизложенным, в состав продуктов взрыва его будут входить вода, двуокись углерода и азот. Записав таким образом состав продуктов взрыва и, уравняв содержание элементов в правой и левой частях, получим уравнение взрывчатого превраще­ ния аммонита № 6 ЖВ.

9,88NH4NO3 + 0,925C7H5OeN3 -> 6,48СО,+

Однако в продуктах взрыва ВВ, особенно смесевых, могут содер­ жаться и продукты неполного окисления (окись углерода и др.)

и поэтому экспериментально определенный состав газов будет не­ сколько отличаться от расчетного.

ВВ второй группы. Уравнение взрывчатого превращения для ВВ, полностью превращающихся в газы, может быть написано следующим образом:

CcH/(0 0N„ = хСО + уСО, +■ zH2 + i/H20 + 1 N2.

Соотношение между количеством окиси углерода х, двуокиси углерода у, водорода z и воды и определяется р а в н о в е с и е м р е а к ц и и в о д я н о г о г а з а

С0 + Н20 СО2 + Н2 + 9850 кал.

Поскольку эта реакция проходит без изменения объема реагиру­ ющих газов, это равновесие не зависит от давления или от плот­ ности ВВ. Кроме того, вследствие малого теплового эффекта реакции константа равновесия относительно медленно растет с повышением температуры.

Константы равновесия реакции водяного газа К р в зависимости от температуры имеют следующие значения:

Приравнивая числа атомов отдельных элементов в правой и левой частях уравнения, получаем систему трех уравнений с четырьмя неизвестными:

х = с— у;

и = о— (с — у) — 2у = о — с — у;

h h . i

z = -g — и = у — О + y + С.

В качестве четвертого уравнения возьмем выражение для кон­ станты равновесия реакции водяного газа.

их

zy *

132