7. ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЗРЫВА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Основными факторами воздействия продуктов детонации конденсированных взрывчатых веществ на окружающую среду являются их бризантное и фугасное действие.

Бризантность (от французского слова «brizer» – дробить) – это способность взрывчатых веществ к местному разрушительному действию в результате резкого удара продуктов взрыва по окружающей среде. Бризантность проявляется в непосредственной близости от поверхности заряда взрывчатого вещества и является ближней формой работы взрыва.

Фугасность – это общее действие взрыва на некотором расстоянии от поверхности заряда взрывчатого вещества. Фугасное действие проявляется в совершении работы разрушения или перемещения среды продуктами взрыва в процессе их расширения. В качестве примера можно привести работу, затраченную на разрушение горных пород или выброс грунта. Наряду с термином фугасность используют термин «работоспособность взрывчатого вещества» – полная удельная (на один килограмм взрывчатого вещества) работа взрыва.

7.1. ОЦЕНКА ФУГАСНОСТИ ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА

Ввиду очевидной важности величины фугасности, необходимо проводить ее оценки для каждого конкретного взрывчатого вещества и условия его применения. Такие оценки можно проводить как теоретически, так и экспериментально.

Расчетные методы оценки фугасности взрывчатого вещества

Теоретической характеристикой работоспособности взрывчатого вещества служит потенциальная энергия  – наибольшая работа, которую могут совершить газообразные продукты взрыва при их бесконечном адиабатическом расширении:

,

где  – теплота взрыва, Дж/кг;

 – показатель адиабаты продуктов взрыва;

с_р, с_V – удельные теплоемкости при постоянном давлении и постоянном объеме, соответственно, Дж/(кг·К);

 – сила взрывчатого вещества, Дж/кг.

Величина , которая может некоторым образом характеризовать работоспособность взрывчатого вещества (без учета степени расширения), рассчитывается по формуле

,

где  = с_р- с_V – газовая постоянная продуктов взрыва;

Т₁ – температура взрыва, К.

При адиабатическом расширении газа (без теплопотерь на нагрев окружающей среды), работа взрыва_в совершается за счет внутренней энергии Е = . Если принять, что Т₁ – начальная температура (температура взрыва), а Т₂ – конечная температура газообразных продуктов взрыва, то для идеального газа работа адиабатического расширения равна:

,              (7.1)

где  – термодинамический коэффициент полезного действия взрыва.

В предельном случае (при )  коэффициент полезного действия  и, соответственно, .

Формулу (7.1) можно использовать для грубых оценок, поскольку точные данные по величине  получить трудно. На практике, при совершении работы в виде общего действия взрыва (разрушение значительного объема горных пород, выброс грунта) используются приближенные формулы Чельцова:

,

,

где ,   – начальный и конечный объем газообразных продуктов взрыва;

р₁ – начальное давление продуктов взрыва;

р₂ – давление продуктов взрыва, которое они приобретают после расширения и совершения работы .

Для взрывчатых веществ, продукты взрыва которых будут иметь приблизительно одинаковый состав, величина _в пропорциональна произведению . Поэтому работоспособность того или иного взрывчатого вещества может оцениваться по его теплоте взрыва . При расчете _в по формулам Чельцова предполагается, что величина  = const = 1.25. Например, для аммонита 6ЖВ расчет по формулам Чельцова дает значение_в= 4,23 МДж/кг. Для взрывчатых веществ более сложных составов, величина  не является константой, а зависит от температуры и давления по сложному закону. Поэтому точно рассчитать работоспособность взрывчатого вещества невозможно и для ее определения используются экспериментальные методы.

Экспериментальные методы оценки фугасности взрывчатого вещества

Для экспериментальной оценки фугасности (работоспособности) взрывчатого вещества на практике используют следующие методы:

·     Метод свинцовой бомбы.

·     Метод баллистического маятника.

·     Метод баллистической мортиры.

·     Определение объема воронки выброса грунта.

·     Измерение параметров воздушных ударных воли.

Метод свинцовой бомбы

Метод свинцовой бомбы наиболее широко применяется для определения относительной работоспособности взрывчатого вещества. Бомба изготавливается по Международному стандарту.

Стандартная бомба (бомба Трауцля) соответствует ГОСТ 4546-81 и представляет собой массивный свинцовый цилиндр с несквозным осевым каналом (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Схема свинцовой бомбы: а – до испытания; б – после испытания

Бомба отливается из рафинированного свинца при Т = (390÷400)⁰С. На дно канала помещается заряд исследуемого взрывчатого вещества массой 10 г в бумажной гильзе. Свободная часть канала засыпается сухим кварцевым песком (рис. 7.1. а). Заряд взрывчатого вещества инициируется электродетонатором. После взрыва в бомбе образуется характерное вздутие (рис. 7.1. б).

Расширение бомбы  (см³), за вычетом начального объема канала и расширения, производимого детонатором (30 см³), является мерой относительной работоспособности взрывчатого вещества.

Испытания проводят в стандартных условиях (Т = +10⁰С), используя одинаковые песок и детонатор. При градуировке бомбы в качестве эталонного взрывчатого вещества может служить дважды перекристаллизованный из спирта тротил. В табл. 7.1 приведены некоторые данные по работоспособности взрывчатых веществ, полученные методом свинцовой бомбы.

Таблица 7.1

Работоспособность некоторых взрывчатых веществ, полученная методом свинцовой бомбы

Расхождение между параллельными испытаниями в соответствии с ГОСТ 4546-81 не должно превышать 10 см³, однако на практике они достигают 30 см³ и более. Одним из недостатков метода является то, что работоспособность взрывчатого вещества выражается в некоторых условных единицах приращения объема. Кроме того, по величине  нельзя количественно сравнивать взрывчатые вещества, а можно лишь расположить их в некоторый относительный ряд. Это связанно с тем, что величина  связана с истиной работоспособностью взрывчатых веществ нелинейной зависимостью.

Метод эквивалентных зарядов

Для относительной оценки работоспособности взрывчатых веществ А.Ф. Беляев предложил метод эквивалентных зарядов. Суть метода заключается в определении эквивалентной массы эталонного заряда (например, тротила или аммонита 6ЖВ), производящего такое же расширение, как исследуемый заряд. Одинаковым расширениям  должна соответствовать одинаковая работа взрыва _в.

При использовании метода эквивалентных зарядов измерения проводятся в  следующем порядке.

·     Строится график зависимости расширения свинцовой бомбы  от массы взорванного заряда эталонного взрывчатого вещества М, например, аммонита 6ЖВ (рис. 7.2).

·     Проводится взрыв исследуемого образца взрывчатого вещества массой М = 10г и определяется величина .

·     По графику (рис. 7.2) находится эквивалентная масса эталонного взрывчатого вещества М.

Рис. 7.2. Зависимость расширения свинцовой бомбы

 от массы взорванного заряда эталонного взрывчатого вещества

·     Определяется относительная фугасность (работоспособность) взрывчатого вещества по отношению к эталону

.

В соответствии с этой формулой, при _, величина ; при _, величина ; при _, величина .

·     Для известного значения работоспособности эталонного вещества  можно определить величину А_в  для исследуемого взрывчатого вещества

.

Некоторые данные по относительной работоспособности взрывчатых веществ, полученные методом эквивалентного заряда в свинцовой бомбе приведены в табл. 7.2.

Таблица 7.2

Относительная работоспособность взрывчатых веществ,

полученная методом эквивалентного заряда

Метод баллистического маятника

Основой маятника является груз, подвешенный на жестких тягах к неподвижной опоре. При воздействии на маятник продуктов взрыва или ударной волны, он получает некоторый импульс силы и отклоняется на соответствующий угол j (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Схема баллистического маятника

При подрыве заряда исследуемого взрывчатого вещества, размещенного на торце маятника, центр тяжести маятника поднимается на высоту h (рис. 7.3). Таким образом, работа взрыва А_в затрачивается на подъем центра тяжести маятника и может быть рассчитана по формуле

,                                  (7.2)

где  – масса маятника;

 – длина подвеса маятника;

 – высота подъема центра тяжести маятника;

 – ускорение свободного падения.

По известным значениям ,  и измеренному углу отклонения φ с помощью формулы (7.2) можно рассчитать величину А_в.

При испытаниях обычно определяют массу заряда исследуемого взрывчатого вещества, который дает отклонение маятника, равное отклонению при взрыве стандартного взрывчатого вещества массой 200 г. Обычно в качестве эталонного вещества используется тротил. При этом определяется тротиловый эквивалент исследуемого взрывчатого вещества. Достоинство метода заключается в  возможности проводить испытания крупных зарядов массой более 200 г.

Метод баллистической мортиры

Схема баллистической мортиры приведена на рис. 7.4. Установка для измерения работоспособности взрывчатых веществ состоит из массивной стальной мортиры 1, подвешенной на подвесах 5 в виде маятника, взрывной камеры и расширительной камеры. Во взрывной камере помещается заряд исследуемого взрывчатого вещества 3 массой 10г; в расширительной камере – массивный поршень-снаряд. При подрыве заряда взрывчатого вещества поршень-снаряд массой т выбрасывается с начальной скоростью , а мортира массой М отклоняется на угол , регистрируемый измерителем 4.

Рис. 7.4. Схема баллистической мортиры: 1-мортира, 2-снаряд, 3-заряд взрывчатого вещества, 4-измеритель отклонения, 5-подвес

Работа А₁, затраченная на отклонение мортиры на угол , рассчитывается по формуле, аналогичной (7.2):

,                                  (7.3)

где  – масса мортиры;

 – высота поднятия центра тяжести мортиры;

– длина подвесов мортиры.

Начальную скорость движения мортиры  можно определить, приравнивая работу отклонения мортиры А₁ и ее кинетическую энергию:

.                                (7.4)

Из (7.4) следует, что

.                                 (7.5)

Работа А₂, затраченная на выброс поршня массой , рассчитывается по формуле:

,                                                   (7.6)

где  – масса поршня;

 – начальная скорость поршня.

В соответствии с третьим законом Ньютона, количество движения (импульс), полученное мортирой и поршнем должно быть одинаковым:

.                                                  (7.7)

Из (7.5) и (7.7) можно получить формулу для расчета скорости снаряда:

.                          (7.8)

Подставляя (7.8) в (7.6), получим формулу для расчета работы, затраченной на выброс поршня

.                               (7.9)

Полная работа взрыва будет равна сумме работ, затраченных на выброс поршня и отклонение мортиры:

.                        (7.10)

Таким образом, по известным значениям М, т,  и измеренному углу отклонения мортиры  с помощью формулы (7.10) можно рассчитать работоспособность исследуемого взрывчатого вещества.

Оценка работоспособности взрывчатых веществ по воронке выброса

При взрыве сосредоточенного заряда взрывчатого вещества, расположенного в грунте на некоторой глубине, образуется воронка конической формы радиусом R и глубиной h (рис. 7.5). Как показали результаты многочисленных экспериментов, объем образовавшейся воронки  пропорционален работоспособности заряда взрывчатого вещества:

.

На этом принципе основан метод оценки относительной работоспособности взрывчатого вещества. В песчаном грунте на фиксированной для данной серии опытов глубине, зависящей от потенциальной энергии взрыва, подрывают заряды исследуемого и эталонного взрывчатых веществ. При этом заряд исследуемого взрывчатого вещества имеет фиксированную массу М, а масса эталонного заряда М_Э варьируется до тех пор, пока объем воронки, образуемой при взрыве эталонного и исследуемого зарядов, не будет одинаковым. Относительная работоспособность определяется по формуле:

,

где М_Э – масса эквивалентного заряда, то есть масса заряда эталонного взрывчатого вещества, при взрыве которого совершается та же работа, что и при взрыве заряда исследуемого взрывчатого вещества массой М. В качестве эталонного вещества обычно используется аммонит 6ЖВ.

Рис. 7.5. Метод оценки работоспособности взрывчатого вещества

по воронке выброса

Параметры ударных волн

Оценка фугасности (работоспособности) взрывчатого вещества по измеренным параметрам ударных волн проводится двумя способами – измерением импульса фазы сжатия ударной волны или избыточного давления на ее фронте.

При измерении импульса фазы сжатия волны используются специальные приборы – импульсомеры различной конструкции (маятниковые, поршневые и т.д.). При измерении избыточного давления используется датчики давления с высоким временным разрешением, в частности, пьезоэлектрические датчики.

Кроме того, величину избыточного давления можно рассчитать по измеренной скорости ударной волны:

,                                 (7.11)

где D р – избыточное давление;

 ρ – плотность воздуха;

– показатель адиабаты (для воздуха );

 – скорость ударной волны;

с – скорость звука в воздухе.

Для оценки фугасности взрывчатого вещества можно использовать эмпирическую формулу, полученную в результате обработки опытных данных:

,                                    (7.12)

где Q_в – теплота взрыва, Дж/кг;

V_o – удельный объем газообразных продуктов взрыва, (л/кг);

К – эмпирический коэффициент.

Ввиду сложности определения коэффициента К, обычно выражение (7.12) используется для нахождения относительной работоспособности. Если в качестве эталонного взрывчатого вещества взять аммонит 6ЖВ (Q_в =4.32 МДж/кг, V_o=893 л/кг), то формула (7.12) примет вид:

.

В литературе часто в качестве меры относительной фугасности взрывчатого вещества используется величина тротилового эквивалента, который определяется расчетным или экспериментальным путем. При этом в качестве эталонного вещества применяется тротил.

Тротиловый эквивалент – это величина, которая показывает, сколько килограммов тротила необходимо взорвать, чтобы получить такую же фугасность, как у одного килограмма исследуемого взрывчатого вещества. Если тротиловый эквивалент меньше единицы, то данное вещество мощнее тротила, и наоборот. Величина тротилового эквивалента Т_Э для некоторых промышленных взрывчатых веществ приведена в табл. 7.3.

Таблица 7.3

Тротиловый эквивалент промышленных взрывчатых веществ