CC BY
59
A. С. Маторин, А.А. Котяшев, Ю.В. Куркин,
B.Г. Шеменев
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДОСОДЕРЖАЩИХВВ НА ОСНОВЕ ОБРАТНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
Т'у'юбой конкретный тип взрывчатых веществ может быть
*/А. охарактеризован некоторым набором параметров, инвариантных относительно различных условий взрывания. Такими характеристиками являются плотность заряжания, скорость детонации, теплота взрыва, значения массовой скорости, плотность продуктов детонации, давление, удельная внутренняя энергия в точке Чепмена-Жуге. Отметим, что теоретический расчет этих величин по известному структурно-химическому составу ВВ невозможен, кроме теплоты взрыва, из-за малой изученности быстро протекающих процессов в конденсированной среде на молекулярном уровне. Поэтому получение характеристик ВВ, необходимых для решения задач по оптимизации параметров буровзрывных работ (БВР), возможно с помощью экспериментальных методов.
Экспериментальное исследование взрывных характеристик ВВ на основе обратных эмульсий имеет ряд существенных особенностей, связанных, в первую очередь, с большим критическим диаметром этих составов. Большой критический диаметр, с одной стороны, обеспечивает низкую чувствительность ВВ к механическим воздействиям и, следовательно, позволяет широко механизировать их изготовление и применение, а, с другой стороны, требует проведения экспериментов с зарядами большого веса, что влечет за собой отказ от традиционных лабораторных методов исследования. В частности, различные способы определения работоспособности (бомба Трауцля, испытание в мортире, метод маятника и т.д.) становятся непригодными для этого типа ВВ. Определение характеристик таких ВВ приходится проводить в производственных или полигонных условиях. Если определение скорости детонации и массовой скорости ВВ на основе обратных эмульсий связано с большими трудностями, но все же выполнимо, то определение теплоты взрыва ^тех) чрезвычайно сложно. Этот показатель можно с достаточной точностью определить расчетным путем. Уравнения для
определения теплоты взрыва при элементарном составе ВВ Са, Нв N0 Оd и Са Нв N0 Оd А1е изложены в работе [1]. В данном случае: а, в, с, ё, е - количество грамм-атомов углерода (С), водорода (Н), азота (К), кислорода (О), алюминия (А1) соответственно.
Согласно гидродинамической теории детонацией считают перемещение по ВВ зоны химического превращения, ведомой ударной волной с постоянной амплитудой (скачки давления).
В настоящее время большинство практических расчетов по разрушению горных пород скважинными зарядами ВВ ведется на основе допущения о мгновенной детонации и отсутствия волновых движений продуктов детонации (ПД). При этом считается, что в ПД после взрыва устанавливается некоторое усредненное давление Ро, одинаковое по всей длине скважины. В первом приближении обычно принимают Ро равным половине детонационного давления. Причем, многие исследователи полагают показатель политропы п = 3, что дает
Р = - рД2-
О $ о
В такой трактовке детонации скважинного заряда ВВ дальнейшее расширение взрывной полости под действием ПД принимается адиабатическим
Р = Р (Я / Я )2п.
п О \ по п /
Однако при таком подходе при более глубоком изучении вопроса возникают непреодолимые трудности. А именно, при этом не учитывается влияние истечения продуктов детонации из скважинного заряда через устье в атмосферу и нет возможности определить давление продуктов детонации в динамической постановке задачи
- Р(0. Для учета этих факторов используются различные виды временных аппроксимаций изменения давления во взрывной полости со временем с эмпирическими параметрами, регулирующими форму Р(0. Однако подобные аппроксимации Р(0 помогают только при качественном описании процесса, а проводить количественные расчеты с их использованием возможно только после большой серии экспериментов, необходимых для определения требуемых параметров.
Что касается показателя политропы п, то в действии-тельности он не является постоянным, а меняется от пж = 2^3 в точке Чепмена-Жуге до п = 1,20^ 1,33 при расширении ПД до
нормальных давлений. Причем, даже пж для различных ВВ различен. Так, доля водонаполненного гранулотола (ВНГТНТ) пж = 3,1, а для аммонита 6ЖВ пж = 1,88.
Скорость детонации определяют чаще всего методом ионизационных датчиков. Также может быть использован фотографический метод измерения скорости детонации с помощью реостатного датчика. Последний метод в настоящее время по-лучил свое дальнейшее развитие. Выпущена аппаратура: изме-ритель скорости детонации “VODMate” (“Instantel”, Канада). Комплект оборудования состоит из двух частей: проводник-датчик и блок регистрирующей аппаратуры “VODMate”. Про-водник-датчик представляет собой одножильный кабель с внешним диаметром 1,5 мм. Центральная жила - проволока с большим удельным сопротивлением (в данном случае - кон-стантан), диаметром 0,2-0,3 мм. Она окружена полимерным покрытием (внутренняя изоляция), которое, в свою очередь - оплеткой из стальной проволоки. От внешних воздействий (в основном, от влаги) стальная оплетка защищена тонкой поли-мерной пленкой (внешняя изоляция). Сопротивление провод-ника-датчика 8,435 Ом-м. При замере скорости детонации оп-летка и жила замыкаются, с другого конца оплетка и жила присоединяются к коаксиальному кабелю типа «РК-75», а послед-ний
- к блоку “VODMate”.
После подрыва заряда детонационная волна проходит вдоль проводника-датчика и замыкает оплетку на жилу (продуктами детонации в зоне реакции, обладающими высокой электропроводностью вследствие больших температуры и давления). Длина датчика уменьшается, уменьшается и его сопротивление. Блок “Instantel” непрерывно измеряет величину сопротивления электрической цепи проводника-датчика и записывает ее во встроенную память. Запись начинается автоматически после изменения сопротивления цепи на
1 % от первоначального значения.
Блок “VODMate” записывает каждое событие (взрыв одного заряда) в виде цифрового файла-таблицы «время-величина сопротивления» с возможностью расшифровки на персональном компьютере и распечатки полученных результатов в виде диаграммы «длина заряда (Е)- время (0 с автоматическим вычислением скорости детонации Д (тангенса угла наклона полученной линии, а также различных участков этой линии).
at
Согласно паспортным данным комплекта “VODMate” точность определения Д составляет 3 % и лимитируется качеством изготовления датчика.
На полигоне Качканарского ГОКа проведены испытания гра-нэмита И-30 с целью установления скорости детонации при различных плотностях в различных диаметрах заряда. В проведенных испытаниях применялось два типа детонаторов: состоящий из 2 патронов аммонита 6ЖВ (032 мм весом 200 г каждый) и КД-8 с отрезком ош; состоящий из шашки детонатора БЩД-800У и КД-8 с отрезком ОШ. Испытывались заряды диаметром 90, 120 и 160 мм и плотностями 1,20; 1,25; 1,35 г/см3. Каждый типоразмер заряда на каж-
дой из трех плотностей инициировался от каждого типа ПД. Полученные результаты представлены в табл. 1.
Заряды гранэмита И-30 устойчиво детонируют в открытых зарядах 120 мм и более в диапазоне плотностей 1,20-1,35 г/см3. Скорость детонации с увеличением диаметра возрастает, повышение плотности ведет к снижению скорости детонации.
Моделирование, под которым понимается предсказание параметров натурных взрывных волн по параметрам взрыва, проводимого в уменьшенных масштабах и в облегченных для эксперимента условиях, часто используется на практике. В основе моделирования взрывов лежит принцип кубического корня, впервые сформулированный Хопкинсом в 1915 г. и независимо Кранцем в 1926 г.
В соответствии с этим принципом, если два заряда одного и того же ВВ одинаковой формы, но разного размера взрываются в одной и той же атмосфере, то подобные взрывные волны будут наблюдаться при одинаковом значении параметра расстояния
2 = Я / Е13,
где Я - расстояние от центра заряда; Е - полная энергия взрыва.
Вообще, по Хопкинсу-Кранцу уменьшение заряда в несколько раз ведет и к уменьшению соответствующих метрических
Таблица 1
Результаты замеров скорости детонации
Скорость детонации, м/с
Заряд ЭВВ в гильзе 0 90 мм Заряд ЭВВ в гильзе 0120 мм Заряд ЭВВ в гильзе 0 160 м.н.с.
Плотность заряда p, г/см3 ПД, состоящий из 2-х патронов аммонита 6ЖВ 0 32 по 200 г каждый ПД из шашки детонатора БШД-800У ПД, состоящий из 2-х патронов аммонита 6ЖВ 032 по 200 г каждый ПД из шашки детонатора БШД-800У ПД, состоящий из 2-х патронов аммонита 6ЖВ 0 32 по 200 г каждый ПД из шашки детонатора БШД-800У
1,20 2762 2802 3693 3488 4063 4028
1,25 3073 отказ 3265 3118 4005 3577
1,35 отказ отказ 1886 3025 2246 3074
и временных характеристик взрывной волны, а такие параметры, как давление, температура, плотность газа (продуктов детонации) за волной и скорость волны остаются неизменными.
Этот принцип используется в интервале масс зарядов ВВ от 100 г до 20 Мт в тротиловом эквиваленте и принят как основополагающий практически во всех существующих и признанных в настоящее время расчетных методиках по прогнозированию взрывных явлений.
Регистрация параметров ударной воздушной волны проводилась с применением комплекта измерительной аппаратуры “Instan-tel” (Minimate Plus). Комплект Minimate Plus регистрирует параметры УВВ (ведет запись АРф = АРф(ф и сохраняет результаты в виде цифрового файла во встроенной памяти.
Последующая расшифровка цифровых файлов производится на компьютере (на комплектном программном обеспечении “In-stantel”). Регистрирующий УВВ комплект (Minimate Plus Instantel) устанавливается на расстоянии 25 м от заряда, так как комплект имеет верхний предел измерений 35 кПа, а по предварительным расчетам при средней массе заряда, равной 20 кг, ожидаемое давление составит 17 кПа.
На полигоне Качканарского ГОКа сотрудниками ИГД УрО РАН совместно с представителями ООО «Промтехвзрыв» проведены замеры параметров ударной воздушной волны для Таблица 2
Состав ВВ в гильзах
№ гильзы Диаметр гильзы, мм Состав испытуемого ВВ Масса ВВ в заряде, кг (без учета ПД*) Плотность ВВ в заряде, г/см3 Тип ПД -аммонит 6ЖВ 0 32 мм по 200 г
1 150 30/70-ГГД 20,99 1,328 2 патрона
2 160 30/70-ГГД 22,26 1,328 "
3 150 30/70-ГГД 21,4 1,328 "
4 160 15/85-ГГД 19,23 1,236 "
5 140 15/85-ГГД 18,96 1,236 "
6 140 15/85-ГГД 17,71 1,236 "
7 150 30/70-ГГД 19,78 1,333 Ш+ш
8 160 30/70-ГГД 20,98 1,333 3 патрона
9 150 ПАС-ГГД 17,33 н.о.
10 140 ПАС-ГГД 15,92 н.о.
11 160 ПАС-ГГД 19,60 н.о.
12 160 Гранулотол 15,0 Насыпная
13 160 1 Граммонит 79/21 150 Насыпная 4 патрона
Примечания: - здесь и далее в таблицах ПД - промежуточный детонатор; н.о. - не определялось; Ш + ш - большая баллиститная шашка + штатная БШД.
гранэмита марки И-30. Заряды испытуемых ВВ размещались в картонных гильзах диаметром 140-160 мм и длиной 1000 мм. Состав ВВ в гильзах представлен в табл. 2.
Результаты замеров параметров ударной волны приведены в табл. 3.
Эквивалент гранэмита И-30 по отношению к гранулотолу определяется по ударной воздушной волне (УВВ).
Сравнение параметров УВВ проведено по двум методикам:
1. Искомый эквивалент является отношением потоков энергии бегущей ударной волны с учетом поправки на разность масс зарядов. Поток энергии бегущей ударной волны (Е, Дж/м2) определяется по формуле
А р2 -т
Е = Го ,
3^с
где ДРо - давление на фронте УВВ, Па; т - продолжительность фазы сжатия ударной воздушной волны, с; у - плотность воздуха = 1,29 кг/см3; с - скорость звука в воздухе, м/с, которая Таблица 3
Результаты замеров параметров УВВ
№ гильзы заряда Масса ВВ в заряде, кг (без учета ПД) Давление на фронте УВВ, Па Продолжительность фазы сжатия УВВ, с Поток энергии, Дж/м2
1 20,99 2214 0,0042 15,6
2 22,26 11090 0,0081 755,0
3 21,4 9090 0,0086 538,6
4 19,23 10600 0,0080 681.4
5 18,96 11030 0,0090 830,0
6 17,71 9690 0,0089 626,3
7 19,78 12080 0,0098 1084,0
8 20,98 10340 0,0078 632,1
9 17,33 8960 0,0078 474,6
10 15,92 9890 0,0086 637,6
11 19,6 9730 0,0075 538,2
12 15,0 10180 0,0088 691,3
13 15,0 6560 0,0064 208,76
определяется как с = 20, 1^[Т ; Т - абсолютная температура воздуха, К.
Эквивалент исследуемого ВВ по отношению с каким-либо штатным ВВ (гранулотол, граммонит) h можно вычислить по уравнению:
2/
( п уз
h =
ё, Г3 Еэвв
Qэ
Е
сэвв у
где Qэ - масса эталонного ВВ, кг; Qэвв - масса испытуемого ВВ, кг; Еэвв, Еэ - поток энергии бегущей УВВ испытуемого и эталонного ВВ соответственно.
2. Искомый эквивалент является множителем а - поправкой массы заряда в формуле М.В. Садовского.
Для случая, когда заряд ВВ расположен на поверхности земли и УВВ распространяется в полусфере
ДРф = 13^ + 3,9 3^ ё) + 0,95
ф& R 2 '
где ДРф - давление на фронте УВВ, кГс/см2; а - искомый эквивалент; Q - масса заряда ВВ, кг; R - расстояние от места взрыва до места регистрации параметров УВВ, м.
Таблица 4
Эквивалент ЭВВ по отношению к гранулотолу, определенный по энергии бегущих волн
№ гильзы заряда Масса ВВ в заряде (без учета ПД), кг Поток энергии бегущей УВВ, Дж/м2 Эквивалент h по УВВ относительно грану-лотола
1 2 3 4
1 20,99 15,6 -
2 22,26 755,6 0,84
3 21,4 538,6 0,61
4 19,23 681,4 0,84
5 18,96 830,0 1,03
6 17,71 626,3 0,81
7 19,78 1084,0 1,3
8 20,98 632,1 0,73
9 17,33 474,6 0,62
10 15,92 637,6 0,89
11 19,60 538,2 0,65
12 15,0 691,3 1,0
13 15,0 208,76 0,3
Результаты определения эквивалентов испытуемых ВВ по ударной воздушной волне по отношению к гранулотолу, определенных относительно потоков энергии бегущих ударных волн, представлены в табл.4.
Результаты определения тротилового эквивалента по ударной воздушной волне, проведенные по двум методикам, имеют удовлетворительную сходимость. Тротиловый эквивалент для гранэмита И-30, имеющего плотность в заряде 1,328 г/см3, составляет: по первой методике в среднем 0,725, а по методике Садовского - 0,685; для гранэмита И-30 с плотностью 1,236 г/см3 - соответственно 0,89 и 0,85; для гранэмита И-30 с плотностью 1,333 г/см3 - соответственно 1,0 и 0,9.
Результаты расчетов эквивалента ЭВВ по гранулотолу представлены в табл. 5.
В полигонных условиях определена скорость детонации. Теплота взрыва была определена расчетным путем и уточнена с помощью тротилового эквивалента, определенного экспериментально по ударной воздушной волне. Используя уравнение
Д = ^2ё (п2 -1),
Таблица 5
Эквивалент ЭВВ относительно гранулотола, определенный по формуле Садовского
№ гильзы заряда Масса ВВ в заряде, кг (без учета ПД) Давление на фронте УВВ, Па Эквивалент по гранулотолу
1 20,99 22114
2 22,26 11090 0,82
3 21,4 9090 0,55
4 19,23 10600 0,86
5 18,96 11030 0,94
6 17,71 9690 0,76
7 19,78 12080 1,1
8 20,98 10340 0,69
9 17,33 8960 0,63
10 15,92 9890 0,90
11 19,60 9730 0,69
12 15,0 10180 1,0
13 15,0 6560 0,38
Таблица 6
Показатели политропы для гранэмита И-30
Плотность заряда, кг/дм3 Наименова- ние горючего Теплота взрыва, кДж/кг Скорость детонации, м/с Показатель политропы
1,328 ДТ 2,97 4045 1,94
1,236 И-50 2,52 3791 1,96
1,35 И-40 2,70 2660 1,52
можно определить показатель политропы
п = ,~ +1.
ро
Показатели политропы приведены в табл. 6.
Скорость звука в продуктах детонации определяется по уравнению и для гранэмита И-30 приведена в табл. 7.
Скорость истечения продуктов детонации определяем по уравнению. Результаты расчетов приведены в табл. 8.
В процессе исследований было установлено, что теплота взрыва гранэмита И-30 составляет 3365 кДж/кг, скорость детонации при плотности 1,328 кг/дм3 - 4000-3800 м/с, показатель политропы
- 1,94, скорость распространения продуктов детонации - 1,375 м/с.
Таблица 7
Местная скорость звука в продуктах детонации гранэмита И-30
Плотность заряда, кг/дм3 Наименование горючего Скорость детонации, м/с Показатель политропы Местная скорость звука в ПД, м/с
1,328 ДТ 4045 1,94 2669
1,236 И-50 3791 1,96 2510
1,35 И-40 2660 1,52 1600
Таблица 8
Скорость распространения продуктов детонации гранэмита И-30
Плотность заряда, кг/дм3 Наименование горючего Скорость детонации, м/с Показатель политропы Скорость распространения продуктов детонации, м/с
1,328 ДТ 4045 1,94 1375
1,236 И-50 3791 1,96 1281
1,35 И-40 2660 1,52 1056
Определенные экспериментально показатели позволяют определить и другие, необходимые для расчета рациональных параметров буровзрывных работ, характеристики гранэмита И-30. Изложенный подход позволяет определить требуемые характеристики водосодержащих взрывчатых веществ любого компонентного состава.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Взрывные характеристики акватолов с пониженным содержанием грану-лотола / В.Г. Шеменев, А.С. Маторин, А.А. Котяшев, Ю.В. Куркин, В.Ю. Попов // Международная конференция по взрывным работам, Москва, 27-28 мая 1997, III: Сборник докладов.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Маторин А.С., Котяшев А.А., Куркин Ю.В., Шеменев В.Г. - Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.
-------© Б.Н. Кукиб, В.Б. Иоффе,
Е.И. Жученко, А.Б. Фролов,
