CC BY
38
А_________
---------------------------- © А.И. Гончаров, А.С. Державец,
В.И. Куликов, А.А. Фильчаков, 2007
А.И. Гончаров, А.С. Державец, В.И. Куликов,
А.А. Фильчаков
ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕТОНАЦИИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ АКРОНИТА
Одной из существенных причин широкого использования простейших ВВ, изготавливаемых на месте применения на основе пористой аммиачной селитры (ПАС) и дизельного топлива (ДТ) (Акронит) является то, что их компоненты сами по себе к взрывчатым веществам (ВВ) не относятся, что существенно упрощает и удешевляет хранение, доставку и работу с ними. Эти взрывчатые смеси удобны еще и тем, что имеют небольшой критический диаметр около 60-120 мм [1] при насыпной плотности. Это позволило нам ввести в практику взрывных работ заряды, изготавливаемые наполнением смеси Акронита в обычные полиэтиленовые рукава диаметром около 100 мм, которые обеспечивают определенную герметизацию смеси, низкую стоимость оболочки и позволяют изготавливать цилиндрические заряды большой длины, что требуется при решении ряда практических задач. Например, наш опыт показал, что такого типа заряды с погонной массой ВВ около 5
кг/м эффективнее сосредоточенных или минных зарядов при вскрытии ледового покрова рек, создании траншей-воронок (противопожарных минерализованных полос) и т.п.
Однако в работах [1, 2] показано, что критический диаметр смеси зависит от типа оболочки заряда. В бумажной оболочке критический диаметр в два раза больше, чем в стальной. Поэтому внедрение таких зарядов в практику взрывных работ требует исследования их детонационных характеристик, устойчивости детонации, зависимости скорости детонации от диаметра рукава, передачи детонации от одного заряда к другому.
Методика исследований
Для решения этих вопросов были осуществлены взрывы смеси Акронита в полиэтиленовых рукавах длиной 2 м и диаметром 76, 90 и 120 мм. Масса ВВ в этих рукавах составляла 8, 10,4 и 16,7 кг соответственно. Смесь Акронита готовилась на месте проведения взрывов из ПАС (95 %) и ДТ (5 %). Использовалась селитра производства ОАО "Акрон” с размером гранул от 1 до 3 мм. Взрывчатая смесь в рукавах имела насыпную плотность около 0,82 г/см3. Перед заполнением рукава смесью в него протаскивалась коса с датчиками для измерения скорости детонации. Из одного конца заряда была выведена коса сигнальных кабелей от контактных датчиков. В другой конец заряда вводился боевик (шашка ТНТ) с электродетонатором. С обеих сторон концы рукава были завернуты и скреплены лентой скотч. Затем заряд укладывался на ненарушенный грунт с травяным покровом.
Схема заряда с контактными датчиками показана на рис.
1. Измерение скорости детонации осуществлялось контактными датчиками, в качестве которых использовались герконы. Длина геркона около 20 мм, диаметр 4 мм.
Для удобства размещения датчиков в заряде герконы крепились изолентой к стальному тросику. На каждом тросике закреплялось четыре геркона с расстоянием между ними 250-400 мм. К контактам герконов припаивались концы проводов-лапши. Места спайки герметизировались пластилином и изолентой. Полученная измерительная коса протаскивалась в
полиэтиленовый рукав до заполнения его взрывчатой смесью. Причем, первый контактный датчик размещался на расстоянии около 200 мм от боевика.
Снаружи сигнальные провода косы подсоединялись к резисторной линейке, от которой был проложен коаксиальный кабель (КЛС) длиною более 100 м к пункту регистрации, где сигнал поступал на вход АЦП и записывался на винчестер ноутбука. В исходном состоянии благодаря источнику питания с резисторной линейки на АЦП поступает постоянное напряжение 0,25 В. Благодаря подбору сопротивлений при замыкании первого датчика закорачивается сопротивление ^ и напряжение увеличивается до 0,5 В. При замыкании второго датчика напряжение увеличивается до 1 В, третьего - до 1,5 В, четвертого - до 2 В. Таким образом, амплитуда напряжения на
Рис. 1. Схема устройства цилиндрического заряда с контактными датчиками для измерения скорости детонации
выходе резисторной линейки при замыкании каждого датчика индивидуальна. Причем, при замыкании каждого последующего датчика состояния предыдущих датчиков (разомкнуты или замкнуты, нарушены контакты или оборван кабель) безразличны и не определяют напряжение на выходе резисторной линейки. Это позволяет проводить измерение скорости детонации даже при выходе из строя какого-либо контактного датчика.
Сигнал с резисторной линейки по кабелю поступал на аналоговый вход четырнадцатиразрядного АЦП Е-440 фирмы 1_-ОагЬ. Оцифровка сигнала производилась с частотой дискретизации 200 кГц. В цифровом виде сигнал записывался в файл на винчестер ноутбука.
Запуск программы «регистрация» производится за несколько секунд до взрыва. Продолжительность регистрации выбирает оператор. Оказалась достаточной запись файла продолжительностью около 15 с. В течение этого промежутка времени взрывник успевает подать электрический импульс подрыва на электродетонатор.
На рис. 2. приведена типичная регистрограмма распространения детонационной волны, полученная при взрыве заряда в рукаве диаметром 120 мм. Регистрограмма построена с помощью пакета программ «Ма^саЬ». По оси абсцисс отложено время в мс, по оси ординат напряжение с резисторной линейки в мВ. Замыканию каждого геркона соответствует увеличение напряжения. Как говорилось выше, величина увеличения напряжения определяется порядковым номером датчика. Поэтому было несложно на регистрограмме отметить моменты времени замыкания каждого из четырех герконов: 1|, 12, ^, - это моменты прихода детонационной
волны к датчику. Их разность - это времена пробега волны между соседними датчиками. Так как расстояние между датчиками было строго фиксированным - 250 мм, отсюда можно вычислить скорость распространения детонационной волны на промежутке между соседними датчиками. Однако мы строили годограф детонационной волны, который демонстрирует разгон и затухание детонационного режима и позволяет определить скорость детонации.
Погрешность скорости детонации определяется несколькими факторами. Погрешность расстояния между датчиками определяется точностью их крепления на тросе и прямолинейностью троса в рукаве и составляет не более 2 мм или 1 %.
Рис. 3. Годограф детонационного фронта. й = 120 мм. Пунктир соответствует скорости 3,5 км/с
Рис. 4. Годограф детонационного фронта. й = 90 мм. Прямая соответствует скорости 2,5 км/с
2\--------------------1-------------------Г
м
мс
„I---------------------1-------------------1-------------------1--------------------1-------------------
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Рис. 5. Годограф детонационного фронта. й = 76 мм. Пунктир соответствует скорости 1,74 км/с
Рис. 6. Годограф детонационного фронта. й = 90 мм. Два рукава с перехлестом 20 см.
Прямая соответствует скорости 2,5 км/с
Рис. 7. Регистрограмма воздушной волны. й = 90 мм. Эпицентральное расстояние - 195 м
Рис. 8. Зависимость амплитуды воздушных волн от массы заряда на эпицентральном расстоянии 195 м.
Сплошная линия - на скальном грунте [3].
Пунктирная - на мягком грунте [3]
Величина вакуумированного зазора геркона составляет
0,05 мм, так что при массовой скорости в детонационной волне порядка 100 м/с схлопывание зазора происходит за время менее 1 мкс. Эту величину можно принять за время срабатывания датчика. При интервалах времени пробега волны базы между двумя датчиками около 0,16 мс, погрешность срабатывания датчика менее 1 %. Из-за дискретизации сигнала абсолютная погрешность определения времени срабатывания датчика составляет 1/f, где f - частота оцифровки. В нашем случае она составляет 5 мкс или 3
%. Суммируя относительные погрешности, получим, что погрешность определения скорости детонационной волны по данной методике 3,3 %.
Результаты исследования скорости детонации и передачи детонации
На рис. 3 и 4 приведены полученные годографы детонационной волны в рукавах диаметром 120 и 90 мм. На годографе момент прихода волны к первому датчику ^ принят за начало отсчета времени. Начальный участок годографа на рис.3 можно интерпретировать, как «разгон» детонации. Прямолинейность годографов свидетельствует, что при распространении детонационной волны вдоль рукава затухания детонации не наблюдается. Пунктиром на этих рисунках проведены прямые, соответствующие скоростям 3,5 и 2,5 км/с. Разброс экспериментальных точек времен прихода детонационной волны невелик и позволяет по углу наклона годографа определить единую скорость детонационной волны. Эта скорость для рукава диаметром 120 мм равна 3,5 км/с и для рукава диаметром 90 мм равна 2,5 км/с.
На рис. 5 приведен годограф детонационной волны в рукаве диаметром 76 мм. Пунктиром на этом рисунке проведена прямая, соответствующая скорости 1,74 км/с. Здесь видно, что на участке 40-80 см от боевика скорость фронта детонации невелика и далее она уменьшается до 1,25 км/с, что свидетельствует о затухании детонации.
Исследования смесей на основе пористой селитры [1] показали, что ее взрывчатое разложение происходит не только посредством детонации (детонационной волны), но и при самораспространяющемся взрывном процессе (СВП). С увеличением диаметра заряда происходит увеличение скорости детонации. Предельная скорость детонации для смесей оценивается величиной 3,8 км/с, критическая скорость перехода от СВП к детонации оценивается величиной 2,7 км/с. Величина критической скорости практически не зависит от плотности смеси. Переходному режиму также соответствует критический диаметр заряда, величина которого существенно зависит от типа (жесткости) цилиндрической оболочки, в которой проводились эксперименты. По опубликованным данным для заряда в стальной оболочке критический диаметр Ркр
около 65 мм, в бумажной оболочке около 130 мм. Взрывные процессы в зарядах с й < йкр и скоростями фронта ниже 2,6 км/с стационарно не распространяются (затухают).
Результаты исследования детонации Акронита в полиэтиленовых рукавах качественно согласуются с приведенными выше данными. Получена зависимость скорости фронта детонации от диаметра рукава. По полученным данным критическая скорость несколько ниже 2,6 км/с, критический диаметр имеет значение в диапазоне 76 мм < йкр < 90 мм.
Для практического использования зарядов Акронита в рукавах важна также чувствительность таких зарядов к ударным волнам или передача детонации от одного цилиндрического заряда к другому. Согласно опубликованным данным [1], амплитуды ударной волны 0,4-0,5 Па достаточно для возбуждения в смеси СВП, который развивается до стационарной детонации, если диаметр заряда больше йкр. Для проверки высокой чувствительности таких зарядов было проведено несколько экспериментов с зарядами диаметром 90 мм и длиной 2 м, которые укладывались на грунт последовательно друг за другом. В первом случае рукава укладывались с перехлестом около 20 см, во втором случае рукава были уложены встык торцами и в третьем - с воздушным промежутком 20 мм между торцами рукавов. Боевик помещался только в первый заряд.
В эксперименте с перехлестом рукавов две косы с четырьмя герконами были размещены в первом и во втором заряде. На рис.6 приведен полученный годограф детонационной волны, кружочки соответствуют времени прихода фронта волны в первом заряде, квадраты - во втором заряде. Пунктирная прямая соответствует скорости 2,5 км/с. Из этого рисунка следует, что скорость фронта детонации во втором заряде такая же, как и в первом. Следовательно, при перехлесте рукавов детонация передалась во второй заряд и детонационный режим во втором заряде такой же, как и в первом.
Можно считать, что в этом эксперименте заряд имел длину около 4 м. Данный эксперимент примечателен тем, что он показал, что в рукаве диаметром 90 мм, независимо от длины заряда, фронт детонации распространяется со скоро-
стью 2,5 км/с. Еще раз подтверждено, что в рукаве диаметром 90 мм действительно реализуется режим стационарной детонации (без затухания) и полученная скорость 2,5 км/с больше критической скорости.
Передача детонации и такая же скорость фронта детонации были зарегистрированы для зарядов, уложенных торцами встык и с воздушным зазором 20 мм. И такие же результаты были получены в экспериментах с тремя зарядами-рукавами.
Фактически эти эксперименты, проведенные в натурных условиях, моделируют возможные практические условия проведения массовых взрывов с цилиндрическими зарядами из Акронита в полиэтиленовых рукавах диаметром 90 мм.
Результаты исследования воздушных волн
Наряду со скоростью детонации абсолютной характеристикой заряда является работа адиабатического расширения продуктов детонации. Ее расчет, однако, требует знания давления и показателя политропы продуктов детонации. Обычно расчет заменяется экспериментальной оценкой эффективности действия заряда. В настоящее время не существует единого метода определения эффективности действия заряда. Мы воспользовались одним из них, по давлению в воздушной волне.
Регистрация воздушных волн сопровождала все экспериментальные взрывы. В качестве первичного преобразователя использовался измерительный микрофон конденсаторного типа фирмы Брюль & Къер типа 4147. Сигнал после согласующего предусилителя подавался на вход двенадцатиразрядного АЦП и далее записывался на винчестер ноутбука. Полоса пропускания микрофона 0,004 Гц - 20 кГц. Чувствительность канала регистрации изменялась от 0,003 до 0,3 В/Па. Регистрация велась на расстояниях 75 - 300 м от заряда. Частота дискретизации составляла 10 кГц.
На рис.7 показана регистрограмма воздушной волны на расстоянии 195 м при детонации смеси в рукаве диаметром 90 мм. Масса такого заряда 10 кг. Профиль воздушных волн традиционный, он имеет резкий передний фронт и плавную синусоидальную составляющую. Амплитуда воздушной волны при взрыве одного рукава 419 Па, амплитуда отрица-
тельной фазы в два раза меньше - 224 Па, длительность положительной фазы волны 12 мс.
Аналогичные регистрограммы воздушных волн были получены при всех взрывах, о которых речь шла в предыдущем разделе. С увеличением числа рукавов-зарядов наблюдается естественный рост амплитуды и длительности положительной фазы волны.
Параметры воздушной волны при взрыве сосредоточенного тротилового заряда на поверхности земли [3] определяются приведенным расстоянием К/д1/3, где К - эпи-центральное расстояние и д - масса заряда. Для экспериментальных взрывов сосредоточенных зарядов на карьерах [3] получена зависимость:
п1/3
Р = А-(^)1,5, (1)
где К в метрах, д в кг. Для взрыва зарядов на скальном грунте А = 5,3х105, для зарядов на мягком грунте А = 2,2х105. Различие коэффициентов А связано с тем, что при взрыве на мягком грунте больше энергии взрыва уходит в грунт и меньше идет на формирование воздушной волны. При этом амплитуда волны на заданном расстоянии пропорциональ-
на^Ч .
На рис.8 по формуле (1) построены зависимости амплитуды волны от массы сосредоточенного заряда для расстояния 195 м, сплошная прямая - для зарядов на скальном основании, пунктирная - на мягком грунте. Квадратами на этом рисунке изображены амплитуды волн при взрыве рукавов. Одному рукаву соответствует масса заряда 10 кг, взрыву двух рукавов встык соответствует масса 20 кг, взрыву трех рукавов встык и с зазором 20 мм соответствует масса заряда 30 кг. Из рис.8 видно, что зарегистрированные амплитуды волн «лежат» посередине между зависимостями для скалы и мягкого грунта. Хотя наши экспериментальные взрывы проводились на естественном мягком грунте, лучшего согласия с данными [3] требовать нельзя, так как понятие «мягкий грунт» объединяет большое многообразие природных грунтов с различной плотностью, влажностью и прочностными свойствами.
Потому можно заключить, что тротиловый эквивалент зарядов из смеси ПАСДТ в рукавах близок к единице.
Приведенное выше сопоставление амплитуды воздушных волн от зарядов-рукавов с амплитудой для взрывов сосредоточенных зарядов [3] и зависимость этой амплитуды от массы ВВ подтверждают детонацию Акронита в рукавах и передачу детонации между рукавами в наших экспериментах.
Выводы
1. Согласно результатам исследования скорости детонационного фронта и амплитуды воздушных волн детонация Акронита насыпной плотности в полиэтиленовых рукавах диаметром 90 мм происходит стационарно без затухания.
2. Передача детонации между зарядами в рукавах осуществляется при контакте рукавов встык и с воздушным зазором 20 мм.
3. Тротиловый эквивалент таких зарядов по воздушной волне около 1.
4. Полученные результаты благоприятствует широкому внедрению в практику цилиндрических зарядов из Акронита в полиэтиленовых рукавах.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шведов К.К. Современное состояние и проблемы использования энергии взрыва в горнодобывающей промышленности // Сб. Физические проблемы разрушения горных пород. Труды IV Международной научной конференции. Изд. ИНКОН РАН, М.: 2005, с. 51-62.
2. Додух В.Д., Старшинов А.В., Черниловский А.М. и др. Влияние типа и свойств аммиачной селитры на взрывчатые характеристики сыпучих смесевых ВВ // Горный журнал. 2003. № 4-5, с. 66-70.
3. Цейтлин Я.И., Смолин Н.И. Сейсмические и ударные воздушные волны промышленных взрывов. - М.: Недра, 1981, 192 с.
і— Коротко об авторах------------------------------
Гончаров А.И., Державец А.С., Куликов В.И., Фильчаков А.А. - ИДГ РАН, ЗАО “Взрывиспытания”.
