Теория горения и взрыва

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ
Кафедра физических процессов горного производства  
и геоконтроля
Б.В. Эквист
ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА
Учебник
Утверждено Методическим советом НИТУ «МИСиС»
Москва  2018

УДК 
622.215.1 
Э35
Р е ц е н з е н т ы : 
канд. техн. наук Б.Ф. Коньшин; 
д-р экон. наук, канд. техн. наук Н.Л. Вяткин
Эквист Б.В.
Э35	 Теория горения и взрыва : учебник / Б.В. Эквист. – М.: Изд. Дом 
НИТУ «МИСиС», 2018. – 180 с.
ISBN 978-5-906953-90-2
В учебнике излагаются основы теории взрыва и горения веществ. Исследуются закономерности, механизм образования и основные факторы разрушающего действия ударных волн. Рассматриваются вопросы, касающиеся условий 
возбуждения и распространения детонационных процессов. Приводятся основные зависимости гидродинамической теории детонации, результаты численного решения задач, связанных с процессами горения и взрыва.
Приведенные в учебнике сведения полезны студентам, изучающим дисциплину «Теория горения и взрыва», направления подготовки 21.05.04 «Горное 
дело» и 21.05.05 «Физические процессы горного или нефтегазового производства» всех форм обучения.
УДК 622.215.1
Б.В. Эквист, 2018
ISBN 978-5-906953-90-2
НИТУ «МИСиС», 2018
2

Содержание
Введение.
.................................................................................................... 7
РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ  
И ВЗРЫВА И ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ.
.............................................8
Тема 1. Общая характеристика взрыва  
и взрывчатых веществ...............................................................................8
1.1. Области применения взрывчатых веществ..................................... 8
1.2. Явление взрыва и горения.
.............................................................. 14
1.3. Классификация взрывов.
................................................................. 16
Тема 2. Взрывчатые и горючие вещества  
как химическая система..........................................................................20
2.1. Краткая история создания черного дымного пороха –  
первого горючего и взрывчатого вещества, изготовленного 
человеком................................................................................................. 20
2.2. Что такое взрывчатые и горючие вещества?.
................................ 21
2.3. Кислородный баланс ...................................................................... 24
2.4. Составление реакций взрывчатого превращения.
........................ 28
2.5. Факторы, придающие явлению  
характер взрыва....................................................................................... 31
Тема 3. Классификация  
взрывчатых веществ  
по составу и применению.......................................................................35
3.1. Взрывчатые химические соединения............................................ 35
3.2. Смесевые взрывчатые вещества.
.................................................... 39
3.3. Области применения взрывчатых веществ................................... 43
Тема 4. Основные формы химического превращения  
взрывчатых веществ................................................................................46
4.1. Поведение взрывчатых веществ. Основные формы  
горения и взрывчатых превращений.
.................................................... 46
4.2. Медленное химическое превращение взрывчатых веществ.
...... 47
4.3. Взрывчатые превращения  
взрывчатых веществ.
............................................................................... 50
4.4. Горение взрывчатых веществ......................................................... 50
4.5. Взрыв (детонация) взрывчатых веществ.
...................................... 52
Тема 5. Энергия и мощность  
взрыва и горения......................................................................................54
5.1 Оценка энергии, выделяющейся при взрыве  
взрывчатых веществ.
............................................................................... 54
3

5.2. Мощность взрыва.
............................................................................ 57
5.3. Баланс энергии при взрыве............................................................. 60
РАЗДЕЛ 2. ТЕОРИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ.............................................62
Тема 6. Основы теории ударных волн.
...................................................62
6.1. Действие взрывных газов  
на окружающую среду.
........................................................................... 62
6.2. Механизм возникновения ударных волн.
...................................... 65
6.3. Основные свойства ударных волн.
................................................. 67
6.4. Моделирование ударных волн.
....................................................... 70
6.5. Причины снижения давления  
в ударных волнах  
по мере их распространения.
................................................................. 74
6.6. Различие ударных и акустических волн.
....................................... 76
Тема 7. Основные уравнения теории ударных волн.............................78
7.1. Вывод основных уравнений........................................................... 78
7.2. Ударная адиабата (адиабата Гюгонио).
.......................................... 83
7.3. Сравнение ударной адиабаты и изоэнтропы................................ 86
Тема 8. Основные факторы разрушающего действия  
ударных волн и элементы закона подобия при взрывах.
......................89
8.1. Закон подобия при взрывах.
............................................................ 89
8.2. Тротиловый эквивалент заряда...................................................... 92
8.3. Параметры ударных волн при воздушных взрывах  
и взрывах в воде...................................................................................... 93
8.4. Факторы, определяющие разрушающее действие  
ударных волн........................................................................................... 99
8.5. Действие ударных волн на здания............................................... 101
8.6. Действие ударных волн на человека.
........................................... 103
РАЗДЕЛ 3. ОСНОВЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ 
ДЕТОНАЦИИ.
........................................................................................105
Тема 9. Общая характеристика, основные закономерности  
и зависимости теории детонации.........................................................105
9.1. Исторические и общие сведения.
................................................. 105
9.2. Схема протекания детонации заряда  
взрывчатого вещества........................................................................... 106
9.3. Изменение состояния взрывчатого вещества  
при детонации.
....................................................................................... 108
9.4. Понятие о химическом пике..........................................................111
9.5. Основные зависимости гидродинамической  
теории детонации...................................................................................112
4

Тема 10. Теория детонации газов......................................................... 113
10.1. Вычисление параметров детонационной волны  
для газовых смесей................................................................................113
10.2. Влияние плотности газа на скорость детонации.
......................116
Тема 11. Теория детонации конденсированных  
взрывчатых веществ.............................................................................. 119
11.1. Вычисление параметров детонационной волны  
для конденсированных взрывчатых веществ.
.....................................119
11.2. Скорость детонации конденсированных 
взрывчатых веществ.
............................................................................. 123
РАЗДЕЛ 4. ВОЗБУЖДЕНИЕ ДЕТОНАЦИОННЫХ  
ПРОЦЕССОВ.........................................................................................126
Тема 12. Начальный импульс и чувствительность взрывчатых 
веществ...................................................................................................126
12.1. Способы инициирования зарядов ВВ, применяемые  
в военном деле и промышленности.................................................... 126
12.2. Чувствительность взрывчатых веществ.................................... 128
12.3. Условия, необходимые для возникновения взрывчатого 
превращения.......................................................................................... 129
12.4. Основные виды начального импульса.
...................................... 129
Тема 13. Механизм возбуждения горения и взрывчатых  
превращений.
..........................................................................................132
13.1. Возбуждение взрывного превращения  
тепловым импульсом............................................................................ 132
13.2. Возникновение горения взрывчатого вещества  
при его поджигании.............................................................................. 138
13.3. Возбуждение взрывного превращения механическим 
импульсом.............................................................................................. 141
13.4. Действие взрывного импульса на взрывчатое  
вещество................................................................................................. 145
РАЗДЕЛ 5. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПРОЦЕССОВ  
ВЗРЫВЧАТОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ......................................................152
Тема 14. Распространение детонации в газах.....................................152
14.1. Основные положения одномерной гидродинамической  
модели детонации газов....................................................................... 152
14.2. Пульсирующая детонация газов.
................................................ 157
Тема 15. Распространение детонации в конденсированных 
взрывчатых веществах.
..........................................................................161
15.1. Зависимость скорости детонации от диаметра заряда............ 162
5

15.2. Влияние типа ВВ на критический  
диаметр заряда.
...................................................................................... 163
15.3. Влияние степени измельчения взрывчатого вещества  
на критический и предельный диаметр.
............................................. 165
15.4. Влияние оболочки на скорость  
и предельные условия распространения детонации.
........................ 167
15.5. Влияние примесей на скорость детонации............................... 169
15.6. Влияние плотности на скорость  
и пределы устойчивости детонации................................................... 170
15.7. Влияние мощности инициатора на скорость детонации  
заряда взрывчатого вещества.
.............................................................. 172
Тема 16. Кумулятивное действие взрыва.
............................................174
16.1. Кумулятивный эффект.
................................................................ 174
16.2. Механизм действия кумулятивного заряда.
.............................. 176
Библиографический список ................................................................ 178
6

Введение
Курс «Теория горения и взрыва» входит в программу подготовки 
горных инженеров по горной специализации.
Достижения науки и техники за последние десятилетия произвели 
коренной переворот в технологии производства и применения взрывчатых и горючих материалов. Значительно изменился ассортимент 
взрывчатых веществ. Если в период плановой экономики в основном 
применялись гранулированные тротилсодержащие взрывчатые вещества (ВВ) заводского изготовления, то в настоящее время, с появлением надежных технологий, позволяющих изготавливать ВВ на местах 
производства взрывных работ, применяются более безопасные эмульсионные ВВ. В процессе развития находятся и средства взрывания зарядов ВВ – неэлектрические системы инициирования, электронные 
детонаторы и др. Все это было бы невозможно без фундаментальных 
исследований в области детонации и горения взрывчатых веществ.
Вместе с тем взрывные работы в  промышленности и процессы 
горения остаются крайне опасным производством. Поэтому знание 
основных положений теории детонации и горения имеет большое 
значение, прежде всего для разработки вопросов, связанных с обеспечением безопасности производства.
Знание дисциплины «Теория горения и взрыва» необходимо при 
проектировании, производстве и обеспечении безопасности взрывных работ на предприятиях горнодобывающего, строительного и 
машиностроительного комплекса, в  специализированных научных, 
учебных и производственных организациях, связанных с изготовлением, перевозкой, хранением, использованием, учетом, уничтожением, переработкой взрывчатых и горючих материалов, а также 
осуществляющих контроль за безопасностью взрывных работ и экологическим воздействием на окружающую среду.
Основу учебника составил цикл лекций, который подготовлен для 
преподавания одноименной дисциплины для студентов направления 
подготовки «Горное дело» 21.05.04. и на основе фундаментальных 
исследований в области теории взрыва, приведенных в списке литературы. Это работы К.К. Андреева, А.Ф. Беляева, Ф.А. Баума, М.В. Бесчастнова, Л.В  Дубнова, Я.Б. Зельдовича, Л.П.  Орленко, Г.И.  Покровского, 
Б.Н. 
Кутузова, 
М.А. 
Садовского, 
Б.Я. 
Светлова, 
К.П. Станюковича, Д.А. Франк-Каменецкого, Б.И. Шехтера, Л.Н. Хитрина и др.
7

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ 
И ВЗРЫВА И ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
ТЕМА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЗРЫВА  
И ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
1.1. Области применения взрывчатых веществ
Взрывчатые вещества широко применяют в  различных областях 
народного хозяйства и военно-промышленном комплексе.
1. В военном деле. Взрывы являются главным средством поражения живой силы, разрушения боевой техники и военной промышленности противника.
При взрыве фугасных боеприпасов образуются под высоким давлением газы, разрушающие все, что находится в контакте с зарядом.
В боеприпасах осколочного действия взрыв дробит металлический 
корпус и сообщает большую скорость его осколкам, которые, разлетаясь, поражают цель.
Для того чтобы заряд взрывчатого вещества произвел боевой эффект, он должен быть доставлен к цели либо заложен на пути движения боевых машин и живой силы противника. В большинстве случаев взрывчатые вещества (ВВ) приходится перебрасывать к месту 
его действия, т.е. к цели. Переброску производят с помощью движущихся боевых машин (самолеты, подводные лодки, торпедные катера и т.д.). Однако наиболее распространенным средством переброски 
ВВ к  цели служат пороха. Реактивный снаряд или артиллерийское 
ствольное орудие являются пороховыми двигателями для переброски 
боевого заряда ВВ к цели.
2. В горном деле для добычи полезных ископаемых. Главным 
потребителем взрывчатых веществ в  народном хозяйстве является 
горная промышленность. Основное назначение взрывов, применяемых в горной промышленности, – раздробить скальные горные породы, сделать их доступными для выемочных машин.
При вскрытии месторождений применяются направленные взрывы: на выброс (горизонтальная открытая поверхность) или сброс (наклонная или вертикальная открытая поверхность).
3. В строительстве. С помощью взрыва в строительстве возводятся окопы и траншеи, создаются и разрушаются всякого рода перемычки, сооружаются котлованы под фундаменты.
8

При строительстве гидротехнических и ирригационных сооружений ВВ применяются для сооружения каналов, возведения насыпей и 
плотин. При строительстве подземных емкостей для хранения жидкостей и газов, а также при сооружении свай с уширенной пятой используются взрывные работы для образования камуфлетных полостей.
При строительстве дорог взрывы совершают наиболее сложные, 
иногда не поддающиеся иным способам, работы: сооружение выемок 
на косогорах, обрушение неустойчивых массивов, посадка насыпей 
на болотах.
При строительстве объектов в зимнее время или в условиях многолетней мерзлоты производится взрывание для разрыхления мерзлых 
грунтов.
4. В сельском хозяйстве. Взрывные работы ведутся для взрывного плантажа почвы на косогорах, дробления валунов при расчистке 
полей, разброса удобрений.
5. В  лесном хозяйстве. С помощью взрывов выполняются: корчевка пней для очистки полей, образование ям для посадки деревьев, 
подрывка кроны деревьев, тушение лесных пожаров.
6. Подводные взрывные работы. Применяются при добыче твердых полезных ископаемых со дна морей и океанов, расчистке и углублении русел рек и каналов, разрушении подводных скал и рифов на 
морском дне, проходке траншей при строительстве подводных трубопроводов, дроблении находящейся под водой кирпичной кладки, железобетонных и металлических конструкций и т.п.
7. Взрывание льда. Выполняется в основном для защиты различных гидротехнических сооружений (например, мостов) от повреждений в период ледохода, при проводке судов через льды и для предупреждения наводнений (ликвидация ледовых заторов).
8. В городских условиях или при реконструкции предприятий. 
Взрывные работы выполняются в целях обрушения зданий и сооружений, валки труб, башен, колонн, дробления бетонных, железобетонных конструкций и фундаментов.
9. В металлургическом производстве. Большой объем работ приходится на дробление горячих массивов. Взрывы в горячих массивах 
применяются при ремонте доменных, мартеновских и коксовых печей, нагревательных колодцев.
10. При работе с металлами. Взрыв используется для упрочнения, сварки и штамповки металла. При подготовке металлолома к переплавке его дробление также выполняется взрывным способом.
9

11. В геофизике. Применяются сейсмические взрывы для определения глубины залегания геологических тел и состава горных пород.
12. При добыче нефти и газа. Используются взрывы для взятия 
проб из скважин на больших глубинах, увеличения нефтеотдачи пластов (торпедирование), ликвидации аварий, когда буровой инструмент «прихватывает» на больших глубинах.
1.2. Основные задачи теории горения и взрыва
Применение ВВ в современных условиях немыслимо без знания 
законов, определяющих их поведение при хранении и взрыве, в условиях удара, трения, температуры, высокого давления, без учета особенностей протекания взрывных процессов. Теория горения и взрыва 
исследует законы, управляющие поведением ВВ, и дает ряд основных 
положений для выбора оптимальных условий их применения.
Взрыв представляет собой крайне быстрое выделение потенциальной энергии, содержащейся в  ВВ. В  результате большой скорости выделения энергии при взрыве развивается чрезвычайно высокая 
мощность. Получение такой мощности с помощью обычных машин 
потребовало бы применения громоздких и дорогостоящих механизмов, использование которых во многих условиях практически невозможно. Благодаря этому ВВ находят огромное применение как в промышленности, так и в  военном деле (ими снаряжают боеприпасы 
фугасного и осколочного действия, реактивные снаряды артиллерийского и ствольного оружия, авиабомбы, мины, торпеды).
Вместе с тем использование ВВ сопряжено с повышенной опасностью. Случаются аварии, при которых травмируются как сами взрывники, так и другие люди, случайно оказавшиеся в зоне действия взрыва. Приведем несколько случаев и выясним причины, повлекшие их.
1. Катастрофа на заводе, производящем удобрения в Германии.
Примером того к каким тяжелым последствиям может привести 
недостаточная изученность условий возбуждения взрыва является 
грандиозная катастрофа, которая произошла 21 сентября 1921 г. на 
предприятии компании BASF, расположенном вблизи г.  Людвигсхафена (Ludwigshafen) в Германии.
На заводе производилась удобрительная смесь, содержащая приблизительно 50 % нитрата аммония – аммиачной селитры, NH4NO3 
и 50 % сульфата аммония – (NH4)2SO4. Как продукт сезонного потребления, она накапливалась на заводских складах в больших количествах и за время длительного хранения слеживалась в сплошную камнеобразную массу. Дробление этой массы механическими средствами 
10