Автор: Тарасова Катерина Сергіївна

Тема випускної роботи:
“Дослідження залежності енергетичних показників вибухового перетворення від працездатності та бризантності вибухових речовин”

Вступ
1 Визначення працездатності вибухових речовин
2 Визначення бризантністі вибухових речовин
3 Розрахункова частина
Висновки
Перелік умовних посилань

Вибух, по образному вираженню А. Ф. Бєляєва, можна уподібнити своєобразной тепловій машині, в якій потенційна хімічна енергія ВР перетворюється на теплову знергию, а потім в механічну роботу, що здійснюється нагрітими і стисненими газоподібними ПВ в процесі їх розширення.
Різноманітність умов проведення вибухових робіт обумовлює використання широкого асортименту промислових ВМ, які відрізняються за своїми вибуховими та експлуатаційними характеристиками.
Для кожної типової умови використання повинен бути вибраний оптимальний тип ВМ, в рамках якого можуть бути декілька сортів, відповідаючих високим; техніко-економічним показникам вибухових робіт. Звичайно під типом ВМ розуміють деяку якісну спільність за хімічним складом та технологією виготовлення, а під сортом або маркою ВМ - конкретну рецептуру.
Критеріями відбору повинні служити умови, які потребують специфічних властивостей ВМ і рецептурного складу, і технології виготовлення відповідної ВР. Так, використання ВМ на підземних роботах або на земній поверхні визначає кисневий баланс ВМ, від якого залежить вміст токсичних газів в продуктах вибуху; ступінь обводнення вибоїв обумовлює вимоги по водостійкості ВМ; присутність в підземних виробітках пальних газів та пилу визначає вимоги до запобіжних властивостей ВМ, є ще деякі специфічні вимоги до ВМ, які також треба вдовольнити. Викладені предпосилки дають підставу для раціонального підбору складу запобіжних ВМ. В склад сумішних ВМ входять окислювач, пальне, полум'ятасник та сенсибілізатор. Так ось, багато індивідуальних ВР виконують роль сенсибілізатора, ріже окислювача

Для визначення відносної працездатності ВР найбільш широко використовується метод свинцевої бомби - проба Трауцля.
Бомба Трауцля являє собою масивний свинцевий циліндр з діаметром 200мм, висотою 200мм з центральним каналом глибиною 125мм та діаметром 25мм, з некрізним осьовим каналом. Бомби відливають з рафінованого свинці при температурі 390-400°С. На дно каналу бомби уміщають заряд досліджуємого ВР вагою 10 г в папіровій гільзі. Вільну частину каналу бомби засипають сухим кварцовим піском. Заряд ВР ініціюють ЕД -8Ж. Після вибуху в бомбі утворюється характерне здуття.
Розширення свинцевої бомби в кубічних сантиметрах за відрахуванням початкового об'єму каналу і розширення, створюєме електродетонатором (30 см3), і є мірою відносної працездатності ВР [ 1 ].
Менш поширеними на відміну з пробою Трауцля є методи оцінки працездатності ВР за допомогою балістичних маятників та мортир. Між тим ці методи поряд з недоліками мають ряд суттєвих переваг, до яких, в першу чергу, слід віднести нескладність підготовки та проведення випробувань.
Так балістичний маятник (мал.1) являє собою підвишєний на металічних тягах вантаж до нерухомої опори. Під час вибуху в мортирі заряду ВР вантаж відхиляється. Про роботу ВР судять за величиною заряду, який відхиляє маятник під час вибуху на деяку відстань. Маятник має великі розміри. Вантаж зроблений з 11-дюймової мортири і важить 10т. Друга мортира, в яку вміщують заряд ВР, підвішена на возику, що пересувається по рейцовій колії, встановленої соосно з вантажем. Заряд ВР вагою 200 г вміщають в канал другої мортири і забивають глиною (500г). Мортири перед вибухом торкаються відкритими кінцями. Під час вибуху мортира з возиком відкатуються назад, але велика мортира - маятник починає коливатися, зсуваючи повзунок на шкалі під мортирою.

Мал.1 – Балістичний маятник:
1- тіло маятника; 2- носок маятника; 3- заряд ВР; 4-вимірювач відхилень; 5-захисний екран; 6-підвіси; 7-мортира.

Мал.2 - Схема двохмаятникової балістичної установки

Мал.3- Схема балістичної мортири

Конструкції балістичних маятників дуже різноманітні. В одній з конструкцій, найбільш простої, дія вибуху ВР сприймається торцем носка маятника (мал.1). Заряд ВР вмішується на деякому віддаленні від носка маятника, а іноді безпосередньо на торці. Якщо маятник під дією вибуху ВР відхилився на кут , то імпульс, сприйнятий носком маятника:

де М - маса маятника;
g - прискорення вільного падіння;
l - довжина підвісу.
Ця формула справедлива для кутів відхилу, не перевищуючих 20°С. Якщо замість заміру кута відхилення маятника виміряти горизонтальне переміщення маятника X, то для малих кутів імпульс:

де Т - період коливання маятника.
Робота вибуху А = МЬ, де Ь - висота підйому центру ваги маятника.
Тоді

Достоїнством цього методу є можливість підривання великих зарядів(більше 200г).
В МакНДІ відпрацьована та запропонована конструкція двохмаятникової балістичної установки (мал.2). Обидва маятники підвішені на металічних тягах так, що вони торцями торкаються між собою. Заряд ВР розміщен в одному з них, в якому є вибухова камера, щільно затворена торцем другого маятника.
Для визначення працездатності ВР іноді застосовують балістичну мортиру (мал.3), яка уявляє собою масивний вантаж-мортиру 1 на підвісках всередині якого вміщена поршень-снаряд 2. За поршнем поміщається вибухова камера 3 із зарядом ВР вагою 100г. Під час вибуху снаряд; викидається назад.
По куту відхилення визначають працездатність ВР.

де М - маса мортири;
- висота підйому центра ваги мортири;
Повна робота вибуху може бути визначена за такою формулою:

Під цією характеристикою розуміють здатність ВР під час вибуху впливати на перешкоди (на породи), безпосередньо прилеглі до заряду чи віддалені від нього на відстань не більш двох-трьох радіусів заряду. Бризантність залежить від швидкості детонації ВР. Класичним (історично першим) способом експериментального визначення бризантністі ВР є метод свинцевих циліндриків (проба Ґесса).

(анімація: 2 кадри по 1 секунді)
Мал. 4 – Визначення бризантності ВР по розплющенню свинцевого циліндра:
а- схема випробування ВР на бризантність;
б- свинцевий циліндр після вибуху;
1-плита;
2-циліндрик;
3-диск;
4-патрончик;
5-детонатор.
На сталеву плиту (мал.4) ставлять циліндрик з рафінованого свинцю заввишки 60 і діаметром 40 мм. Зверху на нього кладуть сталевий диск діаметром 41 і завтовшки 10 мм. На диск ставлять патрончик випробуваної ВР у паперовій гільзі масою 50 г і діаметром 40 мм. Щільність ВР у патроннику така ж, як у заводських патронах. Поверх ВР у гільзу поміщають картонний диск з осьовим отвором. Через цей отвір у патрончик вставляють детонатор на глибину 15 мм. Патрончик закріплюють у вертикальному положенні і підривають його.
У результаті вибуху верхня частина свинцевого циліндрика розплющується і набуває грибоподібної форми (мал. 4б), а висота його зменшується. Після вимірювання в чотирьох місцях висоти обтиснутого циліндрика, обчислюють розміри його усадки, за якою і оцінюють бризантність ВР, мм:
Б=h₀-h_k,
де h₀ і h_k висота стовпчика до(h₀=60 мм) і після висадження, мм.
Якщо, наприклад, після вибуху висота циліндрика зменшилася з 60 до 45 мм, то бризантністі ВР буде 15 мм.
Якість циліндриків перевіряють, як і якість бомб, вибухом наважок еталонної ВР.
Останнім часом випробування на бризантність роблять на спеціальному балістичному маятнику, створеному в МакНДІ (рис. 5). Він підвішений на сталевих підвісках, у торці вгвинчені сталеві штоки-носки діаметром 90 мм із заточенням по осі діаметром 40 і довжиною 10 мм. На торці носка, упритул до заточення, висвердлені по колу діаметром 50 мм три симетрично розташовані гнізда діаметром по 10 мм, у які вставляють дерев'яні стрижні для фіксації заряду. Діаметр заряду 40 мм, маса 50 г, тобто такі ж, як і при випробуваннях на свинцевому стовпчику.

Мал.5 – Балістичний маятник МакНДІ для випробування ВР на бризантність:
1-дерев’яні стрижні, що утримують заряд;
2-електродетонатор(капсуль-детонатор);
3-заряд ВР(50г);
4-броневий лист;
5-кронштейн;
6-підвіски;
7-маятник;
8-носок;
9-лінійка з поділками;
10-водило движка.
Відхилення хитного вантажу (маятника) у мм перераховане за спеціальною таблицею на еквівалентне обтиснення свинцевого стовпчика і служить мірою бризантності ВР.

Визначаємо кількість молей компонентів на 1 кг ВР, та підраховуваємо елементарний склад ВР. Розрахунок проводимо для скельного амоналу № 1.
Таблиця 1

Назва компонентів	Q	%	M	Кількість молей	С	H	N	O	Al
С7Н5О6N3	3,65	6,1	227	0,27	1,89	1,35	0,81	1,62	-
NH4NO3	656,81	62	80	7,75	-	31	15,5	23,25	-
C3H8O6N6	-23,70	25	222	1,13	3,39	9,04	6,78	6,78	-
Al	-	6,9	27	2,56	-	-	-	-	2,56
H2O	2,23	0,06	18	0,033	-	0,066	-	0,033	-
	638,99				5,28	41,456	23,09	31,683	2,56

Складаємо брутто формулу:
C_5,28Н_41,456N_23,09О_31,683Al_2,56
Для розрахунку кисневого балансу необхідно розрахувати молярну масу скельного амоналу за формулою:
М.М=12*5,28+1*41,456+14*23,09+16*31,683+27*2,56=1004,13(г/моль)
Кисневий баланс розрахуємо за формулою:


Теплоту продуктів вибуху розрахуємо за формулою:
H₂O:20,728*57,49=1191,7;
CО:3,455*27,17=93,60;
CO₂:1,835*94,51=173,43;
Al₂O₃:1,28*398,1=509,57;
де 57,49-теплота утворення при постійному об ємі, ккал/моль
Q_пв=1191,7+93,60+173,43+509,57=1968,30(ккал/кг);
Q_виб=1968,30-638,99=1329,31(ккал/кг);
Q_виб=1329,31*4,19=5569,80(кДж/кг);
Рівняння реакції має вид:
C_5.28H_41.456N_23.09O_31.683Al_2.56=20.728H₂O+3.445CO+1.84CO₂+1.28Al₂O₃+11.5N₂
Об єм газоподібних продуктів вибуху находимо за формулою:
V=(20,728+3,445+1,835+11,55)*22,4=841,30 (л/кг);
Підраховуваємо значення молярної теплоємкості газів вибуху при 0⁰С та приращення молярної теплоємкості при збільшенні температури на 1⁰С.
па=26*(1,835+20,728)+20*(3,445+11,55)+94,73*1,28=1007,79(кДж/(кмоль*С));
пв=0,01*(1,835+20,728)+0,004(3,445+11,55)+1,28*0,017=0,30737(кДж/(кмоль*С));
де а, в – значення параметрів деяких хімічних елементів та сполук;

Т_ВИБ=2922+273=3195 К.
Подальші розрахунки будуть представлені у таблиці 1.2

Таблиця 1.2–Залежність Q,T,V від компонентного складу скельного амоналу.

Дата	партія	тротил	селітра	гексоген	Al пудра	влага	Ф, См3	QВиб, кДж/кг	ТВиб, К	V, л/кг
8.04.04	210/5	6,1	62,0	25,0	6,9	0,06	462	5569,8	3195	841,30
14.06.04	216/2	5,9	62,8	25,0	6,3	0,08	466	5542,41	3180	842,91
16.06.04	216/7	6,0	62,6	25,4	6,0	0,09	466	5504,36	3170	846,72
17.06.04	216/7	5,6	62,2	26,0	6,2	0,14	466	5510,23	3167	848,51
3.04.05	209/2	5,7	63,3	24,6	6,4	0,09	466	5526,28	3173	869,57
12.04.05	209/8	5,8	63,1	25,1	6,0	0,13	466	5481,40	3154	848,96
15.09.05	210/9	6,2	64,5	23,3	6,0	0,06	461	5466,27	3150	844,26
19.04.06	ОП-1	5,8	63,4	24,0	6,8	0,12	465	5566,46	3186	840,45
25.04.06	ОП-2	5,7	62,3	25,3	6,7	0,06	484	5555,61	3189	841,34
19.10.06	227/1	5,9	63,4	24,5	6,2	0,09	465	5483,41	3161	843,36
25.10.06	227/2	7,1	57,8	27,7	7,4	0,07	468	5577,69	3219	843,36

Таблиця 1.3- Залежність Q,T,V від компонентного складу амоніту № 6 ЖВ

Дата	Партія	Тротил, %	Селітра, %	Влага , %	Маса В-ва, г	Діаметр Патрону, мм	Щільність Патрону, г/см3	Ф, см3	Q, кДж/кг	V, л/кг	ТВИБ , К
30.06.04	547	21,7	78,1	0,07	251	31-32	1,08	397	4329,00	893,31	2715
15.09.04	558	21,1	78,7	0,18	252	31-32	1,07	398	4328,31	893,00	2710
1.06.05	518	20,6	79,2	0,07	246	31-32	1,05	386	4273,00	890,60	2790
16.10.06	П100	20,1	79,1	0,06	251	31-32	1,07	397	4205,29	884,8	2679
17.10.06	101	21,0	78,8	0,17	252	31-32	1,07	398	4298,98	889,06	2707
18.10.06	102	21,2	78,6	0,05	252	31-32	1,08	398	4330,99	890,62	2716
23.10.06	113	21,3	78,5	0,04	248	31-32	1,06	395	4342,81	891,30	2720
26.10.06	208	21,4	78,4	0,07	244	31-32	1,08	397	4338,75	891,07	2719
31.10.06	209	20,8	79,0	0,14	252	31-32	1,07	398	4300,66	892,19	2701

Таблиця 1.4- Залежність Q,T,V від компонентного складу амоніту Г5

Дата	Партія	Тротил, %	Селітра, %	Сіль, %	Графіт, %	Влага , %	Ф, см3	ТВИБ , К	Q, кДж/кг	V, л/кг
28.02.04	402	17,1	61,7	16,4	4,8	0,07	265	2458	3416,37	704,03
2.03.04	403	17,3	62,6	15,1	5,0	0,07	267	2489	3494,54	714,34
20.04.04	410	16,8	61,7	16,7	4,8	0,04	265	2246	3413,84	700,90
13.05.04	422	17,1	61,6	16,9	4,4	0,08	267	2187	3412,00	703,36
25.01.05	402	16,8	61,8	18,1	3,3	0,04	265	1943	3253,19	788,93
17.03.05	406	17,0	62,6	15,8	4,6	0,07	268	2467	3457,76	712,01
23.03.05	410	17,0	62,0	15,9	5,1	0,03	267	2480	3477,00	706,27
10.02.06	410	17,0	63,1	15,3	4,6	0,06	265	2375	3253,33	715,90
28.03.06	405	17,1	62,0	16,1	4,8	0,05	266	2200	3433,09	706,50

Малюнок 6 - Залежність теплоти вибуху від працездатності

Малюнок 7 - Залежність теплоти вибухового перетворення від бризантності

В даній роботі була отримана залежність працездатність від теплоти вибуху. Для досягнення цього в роботі були виконани такі задачі: були вибрані такі состави як скельний амонал № 1, амонал № 6 ЖВ, амонал Г5 за різні роки та розраховані теплота вибуху, температура вибуху, об єм газоподібних продуктів вибуху. Для цих составів була встановлена працездатність на двохмаятниковій балістичній установки та пробі Трауцля. Також була проведена математична обробка результатів досліду. В результаті цієї обробки була отримана пряма лінія.
В результаті проведеної роботи була отримана залежність працездатність від теплоти вибуху.
Як бачимо зі приведеної залежності працездатність промислових сумішних ВР залежить взагалі від енергії, яка віделяєтся в процесі вибухового перетворення.
З цього слідує, що при визначенні працездатності ВР можно користуватись приведеною залежністю, як що провести нескладні розрахунки енергетики ВР та предварительно оцінити працездатність дослідного образца нового ВР.
Із графіка 6 бачимо, що наша залежність достовірна від 3259 кДж/кг до 5577,69 кДж/кг.
Приведена залежність(мал.7)достовірна для інтервалу від 3259 кДж/кг до 5577,69 кДж/кг згідно максимальним та мінімальним теплотам вибухового перетворення речовин, які були використані у роботі. За отриманою залежністю можливо аналітично розрахувати бризантність нових вибухових речовин без їх використання та випробувань.
Залежність дійсна для 2-4 класів за прийнятою класифікацією промислових ВР.

1. Дубнов Л.В., Бахаревиу Н.С, Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества. М.: Наука 1988 - 158с.
2. Светлов Б.Я., Яременко Н.Е. Теория и свойства промышленных взрывчатых веществ. М.: Недра, 1973 - 208с.
3. Вещества взрывчатые промышленные. Порядок проведення испытаний ОСТ 12.24.254-84
4. К.К.Андреев Термическое разложение и горение взрывчатых веществ. М.: Наука 1966-346с.
5. В.В.Матвейчук, В.П.Чурсалов Взрывные работу. М.: Академический проект,2002-376с.
6. М.Р.Шевцов, П.Я.Таранов, В.В.Левіт, О.Г.Гудзь”Руйнування гірських порід вибухом “,ТОВ”Лебідь “,Д-2003, -555 с.

[На початок]