CC BY
208
Б.Н. Кукиб, В.Б. Иоффе, Е.И. Жученко, А.Б. Фролов, В.В. Лавров, К.К. Шведов
О СПОСОБАХ ОЦЕНКИ ДЕТОНАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
'ИУЩ промышленным ВВ, применяемым в тех или иных кон-
J\ кретных условиях проведения ВР (ВР), предъявляют определенные требования по их детонационной способности, о которой обычно судят по величине критического диаметра детонации.
С одной стороны, с целью сведения до минимума опасности ВР, следует применять ВВ с максимальным значением критического диаметра детонации. С другой стороны, с целью обеспечения надежной детонации скважинных зарядов и высокой эффективности взрыва, критический диаметр детонации применяемого ВВ должен быть как можно меньшим. Отсюда вытекает необходимость нахождения для каждого ВВ оптимального диаметра скважин, а для фиксированного диаметра скважин - подбор ВВ с оптимальным значением критического диаметра детонации. Последнее намного облегчается при использовании для ВР эмульсионных ВВ, для которых изменением плотности можно регулировать величину критического диаметра детонации в широком диапазоне. М. Кук [1] рекомендует соблюдать следующее соотношение между критическим диаметром детонации ВВ (dKp) и диаметром скважины (dCKe), в котором будет применяться это ВВ
dcKe = 1,25 ^ 2,25 d
kp
Необходимо отметить, что dKp в этом случае определяют в оболочках из бумаги. В окружении горной породы критический диаметр детонации будет значительно меньшим. В соответствии с работой [2] взрывание зарядов ВВ в окружении горных пород достаточно хорошо моделируется взрыванием этих же зарядов в стальных трубах. В работе [3] были определены значения критического диаметра детонации при взрывании зарядов эмульсионного ВВ в оболочке из картона (dKp = 32 мм) и стали (dKp = 12 мм). В этом слу-
чае при взрывании данного ВВ в условиях прочной оболочки критический диаметр детонации уменьшился в 32/12*2,7 раза. Тогда рекомендуемое М. Куком соотношение между оптимальным диаметром скважины и критическим диаметром детонации ВВ в прочной оболочке (dKр) будет
_7
-СВ =3 4 * 6 8 -п
кр
т.е. оптимальный диаметр скважин должен быть в 3-7 раз больше критического диаметра детонации ВВ, определенного в породном окружении (или в стальной оболочке).
И.Т. Колесниченко и Л.В. Дубнов [2] с целью обеспечения надежной детонации скважинных зарядов рекомендуют выполнять условие
_7 _7
^ =0,75 * 1,4 или ^ = 2,0 * 3,7 .
- п - п
кр кр
В связи с вышеизложенным становится очевидным необходимость определения истинных значений критического диаметра детонации промышленных ВВ, поскольку невыполнение вышеприведенных соотношений между диаметром скважины и критическим диаметром детонации ВВ приведет к увеличению числа отказов детонации, а также к снижению эффективности ВР.
В настоящее время в нашей стране нет единого мнения о способе определения детонационной способности ВВ. В технических условиях на промышленные ВВ значения критического диаметра детонации приводятся только в справочном приложении, и способ определения этой характеристики не стандартизирован, контролируемым показателем является так называемая "полнота детонации", которую определяют в соответствии с ГОСТ 14839.19-69.
При проведении испытаний ВВ помещают в бумажную (метод А) или стальную (метод Б) оболочки. Заряд длиною пять диаметров располагают на испытательной площадке вертикально или горизонтально и производят его подрыв. Проводят три повторных опыта.
О полноте детонации судят по наличию углубления в грунте и отсутствию остатков заряда. Диаметр патрона разработчик ВВ выбирает сам, обычно он несколько превышает определенный ранее в
той же постановке опытов критический диаметр детонации. И, тем не менее, для большей уверенности в положительном результате в ГОСТе записано, что наличие на месте взрыва "отдельных частиц селитры" или "отдельных гранул продукта" не является признаком неполноты детонации.
Этот метод имеет существенные недостатки. Очевидно, что он не дает абсолютную оценку детонационной способности ВВ, а при произвольном выборе диаметра заряда для различных ВВ не может дать и относительной ее оценки. Также непонятно, что подразумевается под термином "полнота детонации". Если подразумевается полнота взрывчатого превращения, то остатки частиц ВВ свидетельствуют о неполноте превращения. Если под этим термином подразумевается стационарность протекания взрывного процесса со сверхзвуковой скоростью (т.е. детонация), то необходимо измерять скорость взрывного процесса по длине заряда. Кроме того, как будет показано ниже, длина заряда, равная пяти диаметрам, является явно недостаточной, чтобы сделать вывод о стационарности или нестационарности взрывного процесса.
Очевидно, что определение критического диаметра детонации следовало бы сделать контролируемым показателем, но это сложно, так как вместо трех опытов при определении "полноты детонации" придется делать шесть и более опытов, т.к. в настоящее время величину критического диаметра детонации обычно определяют взрыванием цилиндрических зарядов различного диаметра. В отечественной практике, как правило, используют заряды длиной от 4 до 10 диаметров, в зарубежной [1] - от 3 до 6 и более. Но и проведя эти шесть и более опытов, нельзя с уверенностью сказать, что полученное значение критического диаметра будет корректным.
Принципиальным недостатком такого метода определения критического диаметра (и всех других известных методов) является то, что в нем в качестве свидетельства протекания детонационного процесса принимается факт прохождения взрывного процесса на всю длину заряда.
Э/с1 40
216
30
20
1
1 2_
\ /
/
/
>
1
40
80
120
мм
Рис. 1. Зависимость относительной длины распространения взрывного процесса от диаметров зарядов для тротила (1) и граммонита 79/21 (2)
Это предположение ошибочно, т.к. помимо стационарных детонационных процессов, распространяющихся в зарядах диаметром, равном критическому и выше, в зарядах диаметром ниже критического протекают нестационарные затухающие взрывные процессы. Длина распространения затухающего взрывного процесса зависит от соотношения между диаметром заряда и критическим диаметром детонации.
На рис. 1 представлены зависимости относительной длины распространения взрывного процесса от диаметра заряда ^) для тротила и граммонита 79/21 [4, 5]. Видно, что в случае использования при определении критического диаметра детонации зарядов длиной 5d, установленный критический диаметр составит всего лишь 40 % от истинного значения критического диаметра, при длине зарядов 10d - 70 %, и даже при длине зарядов 40d - только 80 %. Поэтому почти все значения критических диаметров детонации промышленных ВВ, приводимые в технической литературе -ошибочны, а именно, значительно занижены. Очевидно, что точное определение критического диаметра детонации современных промышленных ВВ с использованием самого распространенного способа практически невозможно из-за необходимости проводить испытания с зарядами очень больших размеров и массы.
Поэтому в работах [4, 5] был предложен метод определения критического диаметра с зарядами относительно небольшой длины 12-13d, но с обязательным измерением скорости взрывного процесса по длине заряда. Этот метод определения дает хорошую точность при испытаниях гранулированных и порошкообразных ВВ (в которых наблюдались низкоскоростные квазистационарные взрывные процессы).
Однако оказалось, что для эмульсионных взрывчатых составов, в которых ни в одном из многочисленных опытов не был зафиксирован низкоскоростной квазистационарный взрывной процесс, и в тоже время, неоднократно наблюдалось распространение высокоскоростных, медленно затухающих взрывных процессов, точная оценка детонационной способности при длине заряда (12-13^ не может быть проведена.
В качестве иллюстрации на рис. 2 приведены результаты опытов по измерению скорости взрывных процессов на различных расстояниях от точки инициирования в зарядах эмульсионного ВВ типа сибирит-1200 (ТУ 7276-010-05608605-99), где кривая 1 соответствует быстрозатухающему взрывном процессу, кривые 2 и 3 - высокоскоростному, медленнозатухающему процессу, а прямая 4 -стационарному детонационному процессу.
Приведенные данные наглядно доказывают, что для того, чтобы отличить медленно затухающие взрывные процессы (зависимость 3) от стационарных детонационных (прямая 4) и достаточно корректно определить величину критического диаметра детонации следует проводить опыты в зарядах достаточно большой длины (30d и более). Таким образом, становится очевидным, что точную оценку детонационной способности эмульсионных ВВ с низкой пористостью (предположительная величина критического диаметра детонации 200-500 мм) даже при использовании более современного метода [4, 5], практически осуществить очень сложно.
Рис. 2. Изменение скорости распространения фронта
взрывного процесса (D) по длине заряда (S/d) эмульсионного ВВ типа «Сибирита-1200» при различной начальной плотности: 1 - р=1,30 г/см , d=27 мм, оболочка - сталь; 2 - р=1,21 г/см , d=24 мм, оболочка - бумага; 3 - р=1,23 г/см3, d=27 мм, оболочка - сталь; 4 - р=1,11 г/см , d=27 мм, оболочка - сталь
Исходя из этого, мы попытались оценить критический диаметр детонации эмульсионной матрицы псибирита-1200п (78 % нитрата аммония; 16 % воды, 6 % масляной фазы), используя характерную для аммиачно-селитренных ВВ обратную зависимость их критического диаметра от плотности. Способ описан в [1]. Для этого экспериментально была определена критическая плотность эмульсионного ВВ в зарядах диаметром 14, 27, 50, 75 и 100 мм. Плотность эмульсионного ВВ регулировали добавлением к эмульсионной матрице перлитового песка вспученного.
Учитывая вышеизложенные особенности детонации эмульсионных ВВ, эксперименты проводили с зарядами в стальной оболочке толщиной 1 мм, имевшими относительную длину (S/d), равную 30. В концевой части каждого заряда на двух базах определяли скорость распространения взрывного процесса.
Также как и в работе [1], полученная нами зависимость критического диаметра детонации от плотности эмульсионных ВВ, имеет экспоненциальный характер (рис. 3).
Поэтому от надежности результатов опытов, полученных в зарядах максимального диаметра (в нашем случае 100 мм), в значительной степени будет зависеть получаемая экстраполяцией величина критического диаметра детонации эмульсионной матрицы. Например, если принять постоянными значения
D, км/с
Рис. 3. Зависимость критического диаметра детонации эмульсионного ВВ «Сиби-рита-1200» от относительной плотности (ротн): 1 - полная детонация заряда; 2 - отказ детонации
относительной плотности эмульсионного ВВ, соответствующие критическим диаметрам детонации 14, 27, 50 и 75 мм (рис. 3), а для относительной плотности, соответствующей
0,90 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 КрИТИЧеСКОМу Диаметру
100 мм, последовательно принять значения 0,969 или 0,968, то полученные экстраполяцией значения критического диаметра детонации эмульсионной матрицы будут равны, соответственно, 494 мм и 593 мм, т.е. будут значительно различаться (на 100 мм).
Таким образом, сделанные оценки еще раз показали, что для надежного предсказания величины критического диаметра детонации, в частности, эмульсионной матрицы, необходимо проводить опыты с зарядами как можно большего диаметра и длины и регистрировать изменение скорости распространения взрывного процесса по всей длине заряда. Поскольку, как уже отмечалось выше, проведение подобных экспериментов весьма затруднительно, мы попытались оценить критический диаметр детонации эмульсионной матрицы иным способом, используя метод затухания ("прогона") детонации.
В работах [4, 5, 6] было показано, что оценить детонационную способность (взрывоопасность) промышленных ВВ можно по результатам определения относительной длины распространения взрывного процесса ^рМ) в зарядах диаметром меньше критического диаметра детонации. Это позволяет значительно упростить эксперимент, особенно для труднодетонирующих веществ.
4р, мм
Ж лЪ /. ’’ о
/
* * ♦ 4 7 ОО ( > о
1 * ус о о < 2
4 ► 4 /о сс
« £> <30
Рис. 4. Зависимость коэффициента К от относительной длины распространения
взрывного процесса ^/ф) в зарядах некоторых промышленных ВВ: ■ - тротил чешуиро-ванный; □ - граммонит 79/21; о - аммонит 6ЖВ с пониженной слеживаемостью
----ВРМ г
0 8 16 24 32 40 р Ьыло установлено,
что с увеличением диаметра заряда относительная длина распространения нестационарного взрывного процесса ("прогона") увеличивалась, ассимптотически приближаясь к бесконечности при критическом диаметре, когда взрывной процесс мог распространяться с постоянной скоростью на бесконечно большое расстояние. Все кривые SP(d) для испытанных промышленных ВВ имели подобный вид, что указывало на возможную закономерность распространения взрывных процессов в зарядах диаметром меньше критического и на существование определенной корреляции (соотношения) между величиной "прогона" в заряде данного диаметра и критическим диаметром детонации.
Ниже мы попытались установить эту корреляцию в аналитическом виде, используя экспериментальные зависимости относительной длины прохождения затухающего взрывного процесса (£р) от диаметра заряда (с[), полученные в работах [4, 5, 6], и оценить применимость полученного выражения к эмульсионным ВВ. Полученная зависимость коэффициента К, представляющего собой соотношение между критическим диаметром детонации и диаметром заряда (Скр/С), от относительной длины распространения взрывного процесса ^р/сС), представлена на рис. 4.
Для определения зависимости К = /^р/сС) были использованы только те результаты экспериментов [4, 5, 6], где отношение ^р/с/) было не менее четырех, т.к. при меньших значениях ^р/с/) еще существенно влияние боевика. Из графика видно, что все значения К, рассчитанные для зарядов различного диаметра и для различных ВВ, достаточно хорошо укладываются Таблица 1
Сравнение расчетных и экспериментальных значений критического диаметра детонации некоторых ВВ
ВВ Диаметр заряда, мм Относительная длина распространения взрывного процесса Критический диаметр детонации, мм
расчет эксперимент
20 5,0 46
Тротил чешуиро- 21 5,2 46
ванныи 31,5 8,6 47 45^50
5 > 2,5мм 35 11,8 46
36 15 44
50 5,9 95
Г раммонит 79/21 65 8,2 99 90^100
80 34,4 87
10 4,8 24
Аммонит 6ЖВ с 14 6,4 25
пониженной сле- 24^28
живаемостью
20 9,0 29
Гранулотол 25 4,6 64 60^70
5 > 3,1мм 50 8,6 74
Примечание - 5 - размер частиц ВВ
на общую кривую, которая в координатах 1/К - аппроксимиру-
ется линейной зависимостью, выражаемой уравнением 1/К = 1-2,81 Щс1)-1
при коэффициенте корреляции R = 0,955.
Таким образом, измерив относительную длину распространения взрывного процесса в заряде ВВ диаметром d, с помощью этого уравнения можно определить величину К, а затем легко рассчитать значение критического диаметра детонации данного ВВ, как ёкр = Кё.
Сравнение результатов расчета критических диаметров детонации испытанных в работе [6] промышленных ВВ с экспериментальными значениями приведено в табл. 1.
Анализируя данные табл. 1 можно отметить очень хорошее соответствие между расчетными и экспериментальными значениями критических диаметров.
С целью проверки применимости данного метода для оценки критических диаметров детонации эмульсионных ВВ были проведены опыты по определению относительного расстояния распро-
странения взрывного процесса в эмульсионной матрице сибирита-П (ТУ 7276-012-05608605-02), представляющей собой обратную эмульсию водного раствора окислителей (нитраты аммония и натрия) и масляной фазы. Содержание воды в эмульсии составляло 10,2 %, а ее плотность была равна 1410 кг/м3. Испытаниям подвергались два образца эмульсионной матрицы сибирита-П, имеющие различную вязкость - 130000 СПз (образец №1) и 80000 СПз (образец №2). Ранее было показано, что вязкость эмульсии хорошо коррелирует со среднестатистическим размером частиц эмульсии, причем, чем выше вязкость, тем меньше размер частиц эмульсии. По известным аналогиям можно предположить, что размер частиц эмульсии должен оказывать влияние на величину критического диаметра детонации. Результаты опытов по определению длины распространения взрывного процесса в зарядах различных диаметров приведены в табл. 2.
Там же представлены расчетные и экспериментальные значения критических диаметров детонации указанных образцов эмульсионной матрицы. Сопоставляя средние расчетные значения ёкр с экспериментальными, имеем: для образца №1 матрицы - 117 мм и 110^120 мм, а для образца №2 матрицы - 146 мм и 140мм. То есть и в этом случае имеется достаточно хорошее соответствие между расчетными и экспериментальными значениями критических диаметров детонации.
Убедившись, что данный метод позволяет с достаточной точностью оценить критический диаметр детонации эмульсионных матриц, были определены расстояния распространения взрывного процесса в образцах эмульсионной матрицы сибирита-1200, содержащей 16 % воды, и также отличающихся вязкостью - 110000 СПз (образец №3) и 60000 СПз (образец №4), при этом плотность матрицы составляла 1360 кг/м3. Результаты опытов представлены в табл.3, из которой видно, что эмульсионные матрицы, содержащие в своем составе большое количество (16 %) воды, имеют заметно больший критический диаметр детонации, что особенно важно для обеспечения безопасности производства, транспортирования и применения таких ЭВВ.
Установленное значение критического диаметра детонации эмульсионной матрицы сибирита-1200 (490 мм) позволяет, используя полученные ранее значения критической плотности Таблица2
Сравнение расчетных и экспериментальных значений критического диаметра детонации двух образцов эмульсионной матрицы "Сибирита-П"
Индекс образца эмульсионной матрицы Диаметр заряда, мм Относительная длина распространения взрывного процесса Критический диаметр детонации, мм
расчет эксперимент
36 4,0 121
50 00 тг 120
№1 110-120
75 8,0 116
80 9,8 112
75 5,5 153
80 5, 6 161
№2 140
89 7,6 141
95 10,5 130
Таблица 3
Результаты опытов по оценке критического диаметра детонации эмульсионной матрицы "Сибирита-1200"
Образец матрицы ВВ Диаметр заряда, мм Относительная длина распространения взрывного процесса Расчетные значения критического диаметра детонации, мм
абсолютные среднее
220 5,9 420
№3 250 6,4 430 440
280 6,8 477
220 5,0 502
№4
250 6,0 470 490
280 6,43 497
для зарядов диаметром 14, 27, 50 и 75 мм, определить общую зависимость критического диаметра детонации данного ЭВВ от его относительной плотности в виде dKp = 5,18 + exp [-46,051 + 52,235 ротн],
что дает возможность целенаправленно регулировать плотностью эксплуатационные свойства этого эмульсионного ВВ.
Проведенный анализ известных способов оценки детонационной способности показал, что они практически малопригодны для ВВ с критическим диаметром детонации более 100 мм, за исключением может быть не получившего широкого распространения метода затухания [6]. Полученные данные показывают, что метод за-
тухания может быть успешно использован при оценке критических диаметров детонации эмульсионных матриц и других взрывчатых материалов с низкой детонационной способностью, таких, как гра-нулиты, различные сорта аммиачной селитры и комплексных удобрений и т.п. По нашему мнению, критический диаметр детонации, определяемый по этому способу, может быть введен в контролируемые показатели для промышленных ВВ вместо определения "полноты детонации", т.к. не только прост в применении (не нуждается в приборном оформлении, не требует проведения большого числа опытов, не требуются заряды больших размеров), но, по-видимому, способен дать как относительную, так и абсолютную характеристику детонационной способности многих трудно детонирующих систем.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кук М.А. Наука о промышленных взрывчатых веществах. - М.: Недра, 1980. Meevin A.Cook. The science of industrial explosives. Jreco Chemicals, Salt Lake City, UTAH, 1974.
2. Колесниченко И.Т. Дубнов Л.В. Исследование полноты и скорости детонации гранулитов, зерногранулитов и акватолов // Взрывное дело, Сб.№ 70/27, -М., Недра, 1971, с. 31-43.
3. Шведов К.К., Лавров В.В. Параметры детонации эмульсионных ВВ // Проблемы взрывного дела, Сб.№1, 2002 г. Московский государственный горный университет, с. 90-99.
4. Кукиб Б.Н., Лавров В.В., Шведов К.К., Афанасенков А.Н. Метод определения критического диаметра и критической скорости детонации промышленных ВВ // В сб. Методы испытаний низкочувствительных ВВ (методические указания). Отделение института химической физики АН СССР, Черноголовка. 1991, с. 40-49.
5. Лавров В.В., Афанасенков А.Н., Шведов К.К., Кукиб Б.Н. Метод определения критического диаметра и скорости детонации промышленных ВВ // Г орный журнал. №3, 1998, с. 38-39.
6. Лавров В.В., Шведов К.К. Метод оценки чувствительности ПВВ к ударно-волновому импульсу // В сб. Методы испытаний низкочувствительных ВВ (методические указания). Отделение института химической физики АН СССР, Черноголовка, 1991, с. 4-18.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------
Кукиб Б.Н., Иоффе В.Б., Жученко Е.И., Фролов А.Б. - ЗАО "Нитро Сибирь",
Лавров В.В., Шведов К.К. - ИПХФ РАН. ---------------------------------------------© ь.ь. харнои, б.д. Христофоров,
