Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2013, № 12 (спецвып.)
Возбуждение детонации в эмульсионных взрывчатых веществах, сенсибилизированных газовыми порами, скользящей детонационной волной
Покупка
Тематика:
Горная промышленность. Металлургия
Издательство:
Горная книга
Год издания: 2013
Кол-во страниц: 17
Дополнительно
Вид издания:
Журнал
Артикул: 701329.0001.99
Доступ онлайн
405 ₽
В корзину
Осуществлена оценка условий возбуждения детонации в эмульсионных взрывчатых веществах (ЭВВ), сенсибилизированных газовыми
порами, под действием скользящей детонационной волны, вызываемой
взрывом линейного промежуточного детонатора.
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ВОЗБУЖДЕНИЕ ДЕТОНАЦИИ В ЭМУЛЬСИОННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВАХ, СЕНСИБИЛИЗИРОВАННЫХ ГАЗОВЫМИ ПОРАМИ, СКОЛЬЗЯЩЕЙ ДЕТОНАЦИОННОЙ ВОЛНОЙ С.А. Горинов В.П. Куприн И.Ю. Маслов
УДК Г 69 622.217 Г 69 Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.12 Горинов С.А., Куприн В.П., Маслов И.Ю. Возбуждение детонации в эмульсионных взрывчатых веще ствах, сенсибилизированных газовыми порами, скользящей детонационной волной: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск). — 2013. — № 12. — 20 с.— М.: издательство «Горная книга» ISSN 0236-1493 Осуществлена оценка условий возбуждения детонации в эмульси онных взрывчатых веществах (ЭВВ), сенсибилизированных газовыми порами, под действием скользящей детонационной волны, вызываемой взрывом линейного промежуточного детонатора. Ключевые слова: промежуточный детонатор, эмульсионные ВВ. УДК 622.217 © С.А. Горинов, В.П. Куприн, И.Ю. Маслов, 2013 © Издательство «Горная книга», 2013 ISSN 0236-1493 © Дизайн книги. Издательство «Горная книга», 2013
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Практика ведения взрывных работ на карьерах с использованием наливных ЭВВ, сенсибилизированных газовыми порами, выявляет тенденцию к применению все более мощных промежуточных детонаторов (ПД). Это объясняется стремлением избежать возникновения режимов низкоскоростного взрывчатого разложения ЭВВ, при которых снижается эффективность и безопасность взрывных работ, повышается выброс ядовитых газов в атмосферу [1—3]. Для снижения массы ПД при инициировании наливных ЭВВ, сенсибилизированных газовыми порами, предлагается использовать удлиненные ПД (УДП) [2, 4, 5]. Методика определения основных геометрических парамет ров УДП изложена в работе [5]. Однако данная методика не учитывает влияние структуры и химического состава ЭВВ на характер развития детонационных процессов в рассматриваемых ВВ, отмеченные в [6-9], а также не способна объяснить возникновение детонации в безоболочечном заряде ЭВВ, сенсибилизированных газовыми порами, при инициирование его мощным линейным ПД. В настоящей работе осуществлена оценка условий возбуж дения нормальной детонации в эмульсионных взрывчатых веществах (ЭВВ), сенсибилизированных газовыми порами, под действием скользящей детонационной волны, вызываемой взрывом линейного промежуточного детонатора, с учетом структуры, химического состава ЭВВ и кинетики детонационного процесса. Учет отмеченных параметров позволяет более обоснованно подходить к вопросам проектирования УДП, что делает настоящую работу полезной для горной практики. МАТЕРИАЛ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Рассмот рим линейный промежуточный детонатор радиусом or , поме щенный соосно в цилиндрический заряд ЭВВ радиусом c R . ВВ боевика характеризуем следующими параметрами: б ρ , б D , бk - плотность, скорость детонации и коэффициент полит ропы ВВ ПД соответственно. Возбуждаемое ЭВВ характеризуется: о ρ — плотностью, о R — радиусом поры, Δ — размером частицы эмульсии и ударной
адиабатой у у D A BW = + , где A, B — параметры ударной адиа баты инициируемого ВВ. Здесь y D — скорость ударной волны, у W - массовая скорость. Введем линейную систему координат «Oy» с осью y линейного ПД. Начало данной системы координат совместим точкой инициирования ПД. Так как сжимаемость продуктов детонации ПД ниже, чем сжимаемость пористого вещества ЭВВ, то происходит истечение продуктов детонации ПД в ЭВВ. Начальная скорость смещения границы «продукты взрыва ПД-ЭВВ» ro W в направлении перпендикулярном оси ПД можно найти на основании решений [10] для скользящей детонационной волны: ( ) ( ) -1 2 2 2 1 2 1 1 k k б оо ro ro б б ro б б б k А ВW W k D W k D ⎡ ⎤ + + ⎛ ⎞ ⎢ ⎥ = − ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ − ⎝ ⎠ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ρ ρ . (1) В соответствии с [11], детонационная волна в ЭВВ имеет двухслойную структуру: 1. зона сжатия, представленная конденсированным веществом, в расширяющихся из-за горения порах которого происходит разложение ВВ; 2. газовая зона, представленная сильно уплотненным газовым телом, в котором происходит догорание ВВ. Поэтому возбуждение процесса детонации в ЭВВ не является мгновенным. Для осуществления данного процесса вещество ЭВВ необходимо сжать, обеспечить его возгорание и прогорание между «горячими» точками [10]. Данный процесс происходит за определенное время * τ , которое определяется особенностями инициируемого ЭВВ. За данное время граница раздела «продукты детонации – ЭВВ» смещается в радиальном направлении на расстояние *x , а вглубь продуктов детонации в радиальном направлении проникает возникающая в них волна разряжения на глубину r∗ Δ . Согласно [11] * о ≈ τ τ , (2) где о τ — время прогорания ЭВВ между сенсибилизирующими порами.
1 3 1 6 o o o гор э R V ⎡ ⎤ ⎛ ⎞ ⎢ ⎥ = − ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ π τ χ , (3) где гор V — скорость прогорания межпорового пространства эмульсии. Величина гор V определяется на основании теории горения Зельдовича-Беляева [12, 13]. Принимая порядок реакции горения ЭВВ равным двум [11], имеем: ( ) 3 2 * 2 * 1 2 3! exp m A гор к г A A o K R T M E V Z Q E N RT T T ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ − ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ρ , (4) где к ρ — плотность ЭВВ в зоне сжатия в момент прогорания; A E - энергия активации аммиачной селитры; A N — число Авогадро; M - средний молекулярный вес продуктов детонации ЭВВ; m K - коэффициент теплопроводности первичных продуктов детонации ЭВВ ( m K определяется для температуры *T с уче том поправок Сезерланда); 1 1 2 f э г V о э k P Q Q ⎛ ⎞ = − + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ρ ρ , где о э ρ — плотность ЭВВ в момент начала термического разложения [6,7], э V Q — теплота разложения ЭВВ до первичных продуктов (распад по схеме Баума [10] на 2 H O , СO , NO , 2 N ); Z — предэкспоненциальный множитель [12]. Оценим величину давления в продуктах детонации ПД и скорость смещения в радиальном направлении границы «продукты детонации ПД-ЭВВ» в момент *τ в сечении «» y . Принимаем, что время прихода детонационной волны, распространяющейся в ПД, в сечение « y » соответствует моменту времени 0 = τ . На основании [10] можно показать, что начальные распределения плотности ( ) y ρ и давления ( ) P y в продуктах взрыва ПД в мо мент * τ в области, неохваченной радиальной волной разряжения, будут описываться следующими учитывающими действие аксиальной волны разряжения уравнениями:
( ) б 2 k 1 б б б б б б k 1 k 1 D y 1 k k y D б − ∗ ∗ ⎛ ⎞ + − = − ⎜ ⎟ + ⎝ ⎠ τ ρ ρ τ , (5) ( ) б 2 k 1 б б н б б k 1 D y P 1 k y D б k Р − ∗ ∗ ⎛ ⎞ − = − ⎜ ⎟ + ⎝ ⎠ τ τ , (6) 2 1 Б Б н Б D P k = + ρ — давление в т.Чепмена-Жуге в продуктах взрыва ПД. Величина проникновения радиальной волны разряжения вглубь продуктов детонации ПД равна: ( ) 0 r c y dt ∗ ∗ Δ = ∫ τ , (7) где ( ) ( ) 1 1 1 б б б б k y D с y k y D ∗ − ⎛ ⎞ = + ⎜ ⎟ + + ⎝ ⎠ τ — скорость звука в продуктах де тонации ПД в области, неохваченной радиальной волной разряжения, в сечении « y ». Уравнение (7) справедливо при б 2y min ; D oo ∗ ⎧ ⎫ ≤ ⎨ ⎬ ⎩ ⎭ τ τ , (8) где оо oo б y z D = τ . oo z — корень уравнения ( ) ( ) ( ) 1 1 ln 1 z 1 б б o z k k r y− + + + = + . При выполнении (8) величина r∗ Δ определяется из (7) и равна ( ) ( ) ( ) ( ) 1 1 -1 б б б r k 1 1 1 y D ln 1 D y б б D k − − ∗ ∗ ∗ ∗ ⎡ ⎤ Δ = + + − + ⎣ ⎦ τ τ τ . (9) В случае oo ∗ ≥ τ τ радиальная волна разряжения доходит до оси ПД, поэтому в этом случае принимаем, o r r ∗ Δ ≡ . Величину смещения *x границы «продукты детонации ПДЭВВ» определим из уравнений: x W ∗ ∗ ∗ = τ и ( ) 1 W 0,5 ro r W W ∗ ≈ + , (10)
где 1 r W — радиальная компонента скорости смещения границы «продукты детонации ПД-ЭВВ» в момент времени * τ . Оценим величину 1 r W из закона сохранения энергии. Рассмотрим объем вещества ПД и ЭВВ, ограниченный сечениями y и y dy + . Тогда: ( ) ( ) ( ) ( ) . . т к ПД к ЭВВ d E d E d E d A Δ = + + , (11) где ( ) т d E Δ — изменение тепловой энергии продуктов взрыва ПД в области ( ) y; y dy + за промежуток времени ∗ τ с учетом не только радиального расширения, но и потерь энергии вследствие аксиального движения продуктов детонации ПД; ( ) к.ПД d E — кине тическая энергия радиального движения продуктов взрыва ПД в области ( ) y; y dy + в момент времени * = τ τ ; ( ) к.ЭВВ d E — кинетическая энергия радиального движения вещества ЭВВ, находящегося в области ( ) y; y dy + в момент * = τ τ ; ( ) d A — работа на ударное сжатие вещества ЭВВ, находящегося в области ( ) y; y dy + к моменту * = τ τ . При оценке величины 1 r W из уравнения (11) полагаем: 1. ( ) ( ) к.ЭВВ d E d A = — т.к. вещество ЭВВ подвергается ударному сжатию — [10]; 2. Радиальная скорость движения материала ЭВВ в зоне сжа тия изменяется по закону 0,5 r ro W оr W r ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ - [14]; 3. Радиальная скорость разлетающихся взрывных газов ПД изменяется линейно с изменением текущего радиуса, а плотность продуктов взрыва ПД внутри области, охваченной радиальной волной разряжения и границей «продукты детонации ПД-ЭВВ», постоянна — [15]. Решение задачи распадается на два случая: а). oo ∗ ≥ τ τ — к моменту распада зоны сжатия в ЭВВ радиальная волна разгрузки доходит до оси ПД; б). oo ∗ < τ τ — к моменту распада зоны сжатия в ЭВВ радиальная волна разгрузки охватывает только часть сечения ПД.
Ввиду громоздкости получающихся выражений приведем уравнение, полученное из (11), для определения скорости 1 r W в случае oo ∗ ≥ τ τ . Тогда получаем: ( ) ( ) б б 2k 2 k 1 б б б 2 2 1 б б б D k 1 D 1 1 1 k 1 k y D 1 x б k − ∗ − ∗ ∗ ⎡ ⎤ ⎛ ⎞ − − − = ⎢ ⎥ ⎜ ⎟ − + + ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ ⎣ ⎦ τ τ ( ) б 2 k 1 2 2 б ro r1 б б б 2 1 1 D W W 1 4k k y D о б б б o A BW k k r − ∗ ∗ ∗ ∗ + ⎛ ⎞ + − = + − ⎜ ⎟ + ⎝ ⎠ τ ρ τ ρ τ (12) На основании (6), (10) определяем статическую составляющую давления в продуктах детонации ПД в момент * τ : ( ) ( ) б 2 k 1 н б б 2 б б P k 1 D y, 1 k y D 1 x б б k k Р − ∗ ∗ ∗ ∗ ⎛ ⎞ − = − ⎜ ⎟ + + ⎝ ⎠ τ τ τ . (13) Кинетическая составляющая давления kP′ продуктов взрыва ПД в момент *τ найдется из уравнения: ( ) б 2 k 1 2 ' 2 k r1 б 1 1 D P W 1 1 x 2 k б б б б б б k k k y D − − ∗ ∗ ∗ ⎛ ⎞ + − = − + ⎜ ⎟ + ⎝ ⎠ τ ρ τ . (14) При распаде зоны сжатия ( ) ' , f k P P y P ∗ > + τ , где ( ) f 1 1 P o r r A BW W = + ρ — давление в зоне сжатия. Следовательно, при распаде зоны сжатия в ЭВВ возникнет торможение продуктов детонации ПД. Это приводит к возрастанию в них давления до величины xP . Данная величина определяется из условия: скорости движения продуктов взрыва ПД и продуктов разложения ЭВВ на границе их раздела совпадают. На основании указанного условия получаем уравнение для определения, достигаемого при заданном воздействии, величины детонационного давления P∗ в ЭВВ (принимаем, что х Р Р∗ = ): ( ) б 1 2 1 k 1 o o б о P P P Р k Р ∗ ∗ − = + + − ρ
( ) 'v эм 1 1 2k 2 эм эм f 2 эм f k 1 2k 1 k 1 P эм эм k k k о Р Р Р Р − − ∗ ∗ ∗ ⎡ ⎤ + ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎢ ⎥ = − ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ − ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ρ , (15) где эk — коэффициент политропы ЭВВ; ρ — плотность продуктов взрыва ПД в момент ∗ = τ τ : ( ) б 2 k 1 2 б б б б б б k 1 k 1 D 1 1 k k y D б х − − ∗ ∗ ∗ ⎛ ⎞ + − = − + ⎜ ⎟ + ⎝ ⎠ τ ρ ρ τ . (16) Система уравнений (4)-(16) позволяет оценить возбуждение ЭВВ скользящей детонационной волной для безоболочечного или неограниченного зарядов. В случае наличия в ЭВВ твердых включений или твердой оболочки инициирующий эффект скользящей детонационной волны усиливается из-за отражения от них ударных (детонационных) волн. В частности, при ( ) 2 1 c ro R / 1 W o эм о r k P− ∗ < + ρ массовая скорость во фронте ударной волны будет превосходить массовую скорость в детонационной волне с давлением P∗ в области зоны химической реакции. Поэтому основное возбуждение ЭВВ в этом случае будет происходить при взаимодействии опережающей зону реакции ударной волны с преградой. При значительных давлениях на фронте ударной волны (порядка 9 10 Па), падающей на жесткую поверхность, определяющее влияние на давления в отраженной волне играют сжимаемости вещества ЭВВ и преграды [10,16]. Положим, что сжимаемость матричной эмульсии ЭВВ опи сывается уравнением (закон Тэта) n 2 1 n эм эм зм с Р ⎡ ⎤ ⎛ ⎞ = − ⎢ ⎥ ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ ⎣ ⎦ ρ ρ ρ , где эм ρ — плотность матричной эмульсии; эм с - скорость звука в матричной эмульсии ( эм с А ≈ ); n – показатель, характеризующий сжимаемость матричной эмульсии. В предположении, что изменение энтропии в зоне сжатия незначительны, удается получить выражение для определения коэффициента отражения kотр. ударной волны от жесткой стенки при нормальном падении
( отр. . . k / отр пад Р Р = , где . отр Р и . пад Р - давление в отраженной и па дающей волнах, соответственно): 1 r1 1 отр. W k 1 n 1 A o r эм W B A − ⎡ ⎤ ⎛ ⎞ = + + × ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ ⎣ ⎦ ρ ρ 2 1 1 2 r1 1 W 2 2 1 1 1 A n n n n o r эм W n B A − − ⎧ ⎫ ⎡ ⎤ ⎪ ⎪ ⎛ ⎞ ⎪ ⎪ ⎛ ⎞ ⎢ ⎥ × + + − − ⎨ ⎬ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎪ ⎪ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎪ ⎪ ⎩ ⎭ ρ ρ . (17) Расчеты kотр. на основании (17) показывают, что в диапазоне значений n, имеющий наибольший практический интерес 3 n 8 ≤ ≤ , колебаниях параметров / о эм ρ ρ и В в пределах (0,6< / о эм ρ ρ <0,95; 1,5< В <2), величина kотр. зависит преимущественно только от отношения r1 W / A . Величину kотр. точностью до 2-3 % можно определять по следующей аппроксимационной зависимости: отр. r1 k 2,5 1,32W / A ≈ + . (18) Обсуждение результатов исследования На основании выполненных исследований, осуществлена оценка эффективности инициирования двух типов ЭВВ скользящей детонационной волной. Рассматривались следующие типы ЭВВ по химическому составу: — Тип 1: 4 3 NH NO – 46,4 %, ( ) 3 2 Са NO –30 %, 2 Н O — 16 %, то пливная фаза – 7,6 %. Плотность матричной эмульсии — 1,488 г/см3; — Тип 2: 4 3 NH NO – 78,5 %, 2 Н O -15,5 %, топливная фаза – 6 %. Плотность матричной эмульсии — 1,33 г/см3. На основании решений, изложенных в работе [7,11], были найдены представленные ниже аппроксимационные зависимости для определения параметров * D , *τ для нормальной детонации (коэффициент пересжатия равен 1 [3]) с учетом структурных особенностей ЭВВ. Введем обозначения: o R , Δ — радиус поры и размер частицы эмульсии, мкм; ∗ τ — время химической реакции, мкс; о ρ — начальная плотность ЭВВ, г/см3. Тогда аппроксимационные зависимости можно записать в следующем виде:
Доступ онлайн
405 ₽
В корзину