CC BY
59
д__________
--- © В.А. Боровиков, А.А. Андреев,
Н.Н. Ефремовцев, 2007
В.А. Боровиков, А.А. Андреев, Н.Н. Ефремовцев
ОСОБЕННОСТИ ДЕТОНАЦИИ ГРАНУЛИТОВ, ВКЛЮЧАЯ МАЛОПЛОТНЫЕ ПОЛИСТИРОЛСОДЕРЖАЩИЕ СОСТАВЫ
В последнее время наибольший интерес привлекают к себе малоплотные ВВ, область применения которых распространяется на технологии щадящего и осторожного взрывания, контурного взрывания и выколку камнеблоков.
В данном сообщении приводятся новые результаты экспериментальных исследований, касающиеся скорости детонации и структуры фронта детонационной волны для разработанных нами гранулита Ж нормальной и гранулита ПЖ низкой плотности [1]. Схема эксперимента представлена на рис. 1.
Измерение скоростей детонации зарядов из гранулита Ж и гранулита ПЖ (смесь 50 % объемного содержания гранулита Ж и 50 % объемного содержания гранул полистирола) проводилась в бронекуполе СКТБ «Технолог». Заряды, предназначенные для измерения скорости детонации, размещались в отрезки стальных труб с внутренним диаметром 36 мм, толщиной стенки 3,5 мм и длиной 520 мм. База, на которой измерялась скорость детонации, равнялась 490 мм во всех опытах. Нами было проведено 2 опыта по измерению скорости детонации гранулита Ж с плотностью за-
ряжания 0,9 г/см3 и 8 опытов с зарядами гранулита ПЖ с плотностью заряжания - 0,5 г/см3.
Для инициирования процесса в трубу на глубину 15 мм вставляли шашку диаметром 35 мм из флегматизированного гексогена, на противоположном конце трубы вставляли аналогичную шашку. Для надежности регистрации датчики были вмонтированы в середину инициирующей и концевой шашек. Так как давление детонации исследуемого состава недостаточно для надежного инициирования концевой шашки, на нее приклеивали двухмиллиметровый слой листового ВВ на основе
Икхцнрующне
шашки ю
ф лсгмат т нромн »юго
гексогена
Рис. 1. Схема измерения скорости детонации гранулитов в стальной трубе
ТЭНа. На свободный торец концевой шашки приклеивали стальную пластину-свидетель толщиной 5 мм. При детонации концевой шашки в пластине-свидетеле образовывалось отверстие, что подтверждает наличие детонационного процесса в исследуемом составе. Измерение скорости детонации осуществлялось с помощью ионизационных датчиков с записью временных интервалов на осциллографе С9-8.
На два контакта ионизационных датчиков подается напряжение 30 В, для обеспечения высокой степени ионизации продуктов детонации, как указано выше, датчики вводились в шашки из флегматизированного гексогена, которые, в свою очередь размещались на границах с гра-нулитом, фиксируя базу измерения. При, прохождении фронта детонационной волны через каждый датчик происходит замыкание электрического контура и на экране осциллографа возникает сигнал в виде амплитудного пика напряжением около 3 В. После прохождения детонации по гранулиту и достижения второго датчика также происходит замыкание контакта и формирование второго пика, примерно такого же напряжения. Временная развертка регистрируется по горизонтали в виде Таблица 1
Заряд 1, база.м Т, мкс Р, м/с
Г ранулит-ПЖ 0,49 248 1976
- 0,49 244 2008
- 0,49 240 2041
- 0,49 251 1952
- '0.49 238 2059
- 0,49 247 1984
- 0,49 245 2000
- 0,49 238 2059
Гранулит-Ж 0,49 124 3952
- 0,49 125 3920
фиксированных точек с интервалом между метками М = 200 нс. Анализ представленной регистрограммы (рис. 2) показывает, что первое вступление сигнала фиксируется через 65 точек, а второе вступление через 1308, что соответствует временам в наносекундном масштабе Т =12800 нс и Т =261400 нс соответственно. Точность измерения скорости детонации составляет ±100 м/с.
Полученные результаты по скорости детонации приведены в табл. 1.
Как следует из табл. 1, среднее значение скорости детонации гранулита Ж составляет около 4000 м/с и соответствует значению, заявленному в патенте [1], превышая скорость детонации простейших составов АС-ДТ, равную,
примерно 3200 м/с. В свою очередь, скорость детонации малоплотного гранулита ПЖ близка к 2000 м/с, что также несколько выше значений скоростей детонации малоплотных составов ФПА-1 и гранулита П, приближающихся к величине 1800 м/с [2].
Очевидно, что при переходе на малоплотные ВВ будет иметь место резкое снижение интенсивности волны напряжений и бризантного действия взрыва в ближней зоне, поскольку оно прямо пропорционально плотности ВВ и квадрату скорости детонации. С другой стороны, общая эффективность разрушения и перемещение горной породы в объеме ЛНС, т.е. полезные формы работы взрыва, согласно Н.В. Мельникову и Л.Н. Марченко [3], может быть равной и превышать КПД взрыва зарядов штатных ВВ. Для выяснения этого эффекта были выполнены специальные эксперименты по изучению амплитудно-временных параметров подводной ударной волны в функции относительного расстояния при взрыве гранулита ПЖ.
Для изучения структуры фронта детонационной волны был использован метод подводного взрыва [4]. Выбор данной методики был обусловлен следующим: 1 - вода, как упругая, несжимаемая жидкость хорошо отражает (проявляет) нюансы газодинамических процессов на стадии детонации; 2 - свойства воды воспроизводимы и гомогенны во всех направлениях и на значительных расстояниях от заряда; 3 - в случае воды устраняются осложнения, вводимые жесткостью реального твердого тела при интерпретации данных; 4 - возможность надежно регистрировать амплитудно-временные параметры подводной ударной волны (ПУВ) в широком диапазоне относительных расстояний.
В данном случае исследованы амплитудно-временные характеристики фронта подводной ударной волны, генерируемой от взрыва гранулита ПЖ, с характеристиками: теплота взрыва 950 ккал/кг, кислородный баланс +(2-5), объем газов 850-900 л/кг, скорость детонации 2000 м/с при критических значениях диаметров открытого заряда и в стальной трубе 100 и 30 мм соответственно.
Каждый из испытуемых зарядов, используемых в экспериментах, гидроизолировался путем размещения в по-
лиэтиленовые пакеты, которым придавалась сферическая форма. Масса заряда была принята 4 кг. Инициирование от промежуточного детонатора из пластифицированного гексогена массой 100 г с теплотой взрыва 1400 ккал/кг. Результаты этой серии экспериментов приведены в работе [5]. Типичная осциллограмма от взрыва малоплотного грану-лита представлена на рис. 2.
Анализ полученных осциллограмм и результатов их обработки позволил обратить внимание на нетрадиционные формы эпюр «давление-время», генерируемых взрывом МПВВ. У гранулита ПЖ отсутствует химпик, а ширина зоны химического превращения составляет 200-250 мкс, т.е. в 1,5-2,5 раза выше, чем у АС-ДТ. Кроме того, резко снижается амплитуда давления в средней и, особенно, ближней зонах взрыва. И, что особенно важно, четко выражен пульсирующий характер изменения амплитуды давления во фронте ударной
Рис. 2. Типичные осциллограммы-эпюры подводной ударной волны во времени для гранулита ПЖ
волны, отражающей эффект «комплекса колебательных процессов различной частоты», протекающих во фронте детонационной волны [2], что обеспечивает устойчивый
колебательный режим детонации. Это явление характерно только для полистиролсодержащих смесей, в которых ударноволновой характер нагружения приводит к образованию плазмы, газификации взрывчатой смеси и последующему взрыву детонационной плазмы. Впервые на пульсирующий характер детонации низкоплотных взрывчатых смесей обратили внимание и описали Калинина Н.М. и Нифадьев В.И., причем временная оценка зоны химической реакции произведена для полистиролсодержащих взрывчатых смесей (НВС и СВНС) с ТЭНом, которая составила порядка 100-130 мкс. В тоже время, в нашем случае зона химической реакции превышает это значение в 2 раза. В результате выполненных исследований показано, что скорость детонации гранулита Ж близка к 4000 м/с, в то время как после введения в него полистирола с соотношением объемов смеси 50/50 она составляет около 2000 м/с. При этом ширина зоны химической реакции оказалась равной порядка 250 мкс, существенно превосходя аналогичные значения для всех известных в литературе промышленных ВВ.
Очевидно, реализующаяся при взрыве малоплотных ВВ форма эпюры характеризуется отсутствием химпика во фронте детонационной волны и большей шириной зоны химической реакции. Подобные профили ударной волны обеспечивают снижение интенсивности затухания амплитуды ударной волны, особенно в средней и дальней зонах взрыва. И, несмотря на то, что в ближайшей зоне взрыва амплитуда ударной волны МВВ существенно ниже, чем у эталонного заряда тротила (см. [5]) и других штатных ВВ, в средней и, особенно, в дальней зонах действия взрыва они близки по значениям. Аналогичная закономерность отмечается и для волны напряжений при взрывах этих ВВ в горных породах. Следовательно, при использовании малоплотных ВВ при отбойке горных пород будет иметь место снижение бризантного действия взрыва в близи заряда, а величина преодолеваемой линии наименьшего сопротивления (ЛНС) сохранится на прежнем уровне. На это положение мы обращали внимание при обосновании эффективности отбойки кимберлитов малоплотными ВВ еще в
девяностые годы ХХ в., когда было показано, что в случае перехода на малоплотные ВВ ЛНС может быть сохранена в пределах 7-9 м. При этом отмечалось, что применение малоплотных ВВ обеспечивает снижение удельного расхода ВВ за счет существенного снижения объемной концентрации энергии, приходящейся на 1 м длины скважины, что позволяет увеличить высоту колонки заряда при уменьшении длины забойки. Проведенная оценка грансо-става по новой технологии отбойки необводненных массивов кимберлитов показала, что использование нового типа ВВ и конструкции заряда обеспечивает более равномерную степень дробления горной массы, снижение выхода негабарита при увеличении среднего размера куска с 18 до 22 см. Поскольку переход на малоплотные ВВ обеспечивает снижение примерно в два раза плотности заряжания по сравнению со штатными ВВ и более чем в два раза уменьшение скорости детонации, то становится очевидным резкое снижение бризантного действия взрыва. А это, в свою очередь, сопровождается снижением интенсивности волны напряжений в ближней и средней зонах взрыва при сокращении выхода переизмельченной фракции вблизи заряда, тем самым, снижая вероятность повреждения кристаллов и потенциально опасную зону вредного действия взрыва на высокоценное кристаллосырье.
Полученные результаты, касающиеся структуры и, особенно, ширины фронта детонационной волны при взрыве малоплотных ВВ, позволяют объяснить образование эпюры волны напряжений «полочкообразной» формы [6]. В этом случае уменьшается интенсивность затухания волны напряжений такого профиля. В результате чего, несмотря на то, что ее амплитуда в ближней зоне взрыва в несколько раз ниже амплитуд, формирующихся при взрыве штатных ВВ, в средней зоне взрыва они становятся близкими, а на больших расстояниях могут даже их превышать. Таким образом, режим щадящего взрывания при добыче кристаллосырья может быть обеспечен только при условии нагружения, которое резко снижает пиковые значения амплитуд волны напряжения при существенном наполнении эпюры в ее фронте, благодаря увеличению на два порядка
длительности процессов взрывчатого превращения пено-полистирол содержащих составов. Следовательно, только такие составы ВВ могут быть использованы для технологии щадящего взрывания. Использование других видов ВВ для обеспечения естественной сохранности кристаллосырья возможно при условии обеспечения формы эпюры волны напряжений, подобной форме импульса, реализующегося при взрывании малоплотного ВВ. Эффективным способом управления формой взрывного импульса может быть также и конструкция заряда с зазорами и промежутками, заполненными средами с широким диапазоном изменения их акустической жесткости.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Боровиков В.А., Дибров И.А. и др. Патент № 2088559 Взрывчатый состав. Роспатент. М., 1997.
2. Нифадьев В.И., Калинина Н.М. Низкоплотные и сверхнизкоплотные взрывчатые смеси на основе пенополистирола. ИЛИМ, 1998, с. 188.
3. Мельников Н.В. Влияние конструкции зарядов на результаты взрывных работ. Разрушение и механика горных пород. М., 1962. - С. 140-148.
4. Седвин Л.Д., Кулей С.М., Портер С.И., Стресо Р.Х. Оценка взрывчатых свойств ВВ методом подводного взрыва // Разрушение и механика горных пород. - М. - 1962. - C. 193-204.
5. Боровиков В.А., Лексовский А.М. Особенности амплитудно-временных характеристик волны при взрыве гранулита малой плотности // Физические проблемы разрушения горных пород.- М.: ИПКОН РАН. -2005. - С. 255-258.
6. Боровиков В.А., Рыскунов А.А., Сластенко В.К. Параметры волны напряжений при взрыве малоплотных ВВ // Сб. Взрывное дело, №92/49. - М. - 1999. - С.42-46.
|— Коротко об авторах------------------------------------------
Боровиков В.А. - ФТИ имени А.Ф. Иоффе,
Андреев А.А. - Возрождениевзрывпром,
Ефремовцев Н.Н. - Московский государственный горный университет.
