БАЛТИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова

На правах рукописи

ДОРОШЕНКО Станислав Иванович

РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

ГЕЛЕВЫМИ ВВ, ИЗГОТОВЛЕННЫМИ НА ОСНОВЕ

УТИЛИЗИРУЕМЫХ БОЕПРИПАСОВ

Специальность 25.00.20 «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Михайлов Николай Павлович Санкт-Петербург 2014 г.

Содержание Введение Аналитический обзор 1 1.1 Современные проблемы взрывного разрушения горных пород 1.2 Анализ состояния работ по утилизации обычных видов боеприпасов 1.3 Основные направления развития промышленных взрывчатых веществ с использованием конверсионных взрывчатых материалов 1.4 Анализ экспериментальных методов оценки относительной работоспособности ПВВ 1.5 Постановка цели и задачи исследований Экспериментальные исследования характеристик гелевых ПВВ 2 2.1Утилизация боеприпасов, снаряженных гексогеносодержащими ВВ 2.2 Исследование характеристик гелевых ПВВ, изготовленных из взрывчатых компонентов утилизируемых боеприпасов 2.2.1 Совершенствование ПВВ на гелевой основе 2.2.2 Определение основных взрывчатых характеристик 2.2.3 Испытания на безопасность 2.3 Исследования параметров взрывов зарядов гелевых ПВВ в различных средах 2.3.1 Сравнительные испытания гельпора в воздухе 2.3.2 Сравнительные испытания гелевых ПВВ в воде 2.3.3 Сравнительная оценка параметров местного действия 2.3.4 Дробление негабарита и разрушение горных пород 2.3.5 Фрагментация конструкций инженерных сооружений 2.4 Выводы Модель энерговыделения ПВВ на гелевой основе и результаты численных расчетов 3.1 Феноменологическая модель энерговыделения 3.2Физическая и математическая модель взрывного превращения водосодержащего ВВ 3.3 Численное моделирование и результаты расчетов 3.4 Выводы Методические основы применения зарядов ПВВ на гелевой основе 4.1 Взрывные работы в стесненных условиях, чрезвычайных ситуациях и под водой 4.2 Скважинный комбинированный заряд 4.3 Снаряжение шпуров при проходке подземных выработок 4.4 Оценка экономической эффективности 4.5 Выводы Заключение Список использованных источников Приложения Взрывное разрушение различных материалов (горные породы, лед и т.д.) и конструкций (сооружений) на современном этапе развития науки предполагает решение целой гаммы противоречивых проблем, основными из которых являются повышение эффективности воздействия в требуемой зоне и щадящее воздействие на окружающую среду. Особо важное значение эта проблема приобретает при выполнении взрывных работ в стесненных условиях.

Такой подход требует разработки новых типов взрывчатых веществ (ВВ) с заданными характеристиками, подтверждаемыми комплексом экспериментальных исследований.

При этом наряду с взрывчатыми характеристиками, к новым типам ВВ предъявляются также требования по безопасности и экологичности.

Параллельно с этой проблемой в нашей стране остро стоит вопрос ликвидации и утилизации накопленных запасов обычных боеприпасов.

Простое уничтожение извлекаемых из боеприпасов ВВ неприемлемо по экологическим и экономическим соображениям. Повторное использование порохов и ВВ уже в составе новых взрывчатых материалов позволит комплексно решать обе проблемы.

Одним из эффективных в технологическом и экономическом аспектах направлений, является использование гелевых промышленных ВВ (ПВВ) на основе пироксилиновых порохов, извлекаемых из утилизируемых боеприпасов.

Несложная технология, достаточная сырьевая база и низкая стоимость компонентов позволяют быстро организовать изготовление ПВВ на гелевой основе. Вместе с тем необходимо отметить, что такие ПВВ пока не нашли широкого применения в промышленности. Такое положение обусловлено, в основном, недостаточной изученностью их взрывчатых характеристик и, соответственно, рекламируемостью.

На основании изложенных выше проблем, можно утверждать, что изучение особенностей взрывного воздействия ПВВ на гелевой основе и их адаптация для различных направлений применения, представляет актуальную задачу и имеет значительный научный и практический интерес.

Решение этой задачи состоит в экспериментальном изучении и теоретическом обобщении основных характеристик гелевых ПВВ и разработки эффективных способов и устройств взрывания, базирующихся на основе особенностей динамики их взрывчатого превращения.

Эффективность применения гелевых ПВВ определяется не только степенью полезного использования энергии заряда, но и возможностью управления механизмом взрывного разрушения материалов и конструкций.

Для этого необходимо тщательное и подробное изучение физических закономерностей взрывного нагружения, эффективность которого достигается за счет согласования интенсивности нагружения с физикомеханическими свойствами разрушаемых материалов, с одной стороны, и заметным ослаблением напряжений в среде в зоне негативного воздействия.

Современные проблемы взрывного разрушения горных пород Преимущества взрывной технологии дробления горной массы в процессе её отделения от массива оказались настолько очевидными, что она широко применяется во всех горнодобывающих странах мира, непрерывно растет и область применения энергии взрыва для получения полезной работы в других отраслях промышленности, науки и техники. Это стимулирует развитие фундаментальных и прикладных исследований по изучению свойств самих ВВ, механизму и полноте их взрывчатого превращения, механизму действия взрыва на различные среды и оптимизации полезных форм работы взрыва с учетом свойств среды и технологии ведения взрывных работ.

Основы физических процессов разрушения горных пород взрывом и закономерности изменений параметров волн напряжений изложены в работах академиков АН СССР и РАН Адушкина В.В., Мельникова Н.В., Садовского М.А., Трубецкого К.Н., Шемякина Е.И., член-корреспондента АН СССР Замышляева Б.В., доктора технических наук, профессора Родионова В.Н., [1,48,49,87,89, 92,97,114,115]. В дальнейшем они развиты в трудах докторов наук и профессоров Белина В.А., Викторова С.Д., Евтерева Л.С., Закалинского В.М., Кутузова Б.Н., Казакова Н.Н., Крюкова Г.М., Кочаряна Г.Г., Спивака А.А., [3,10-15,25-27,30,48,53,54,58,62,63,65]. Численные методы исследований явились результатом трудов докторов технических наук Архипова В.Н., Будкова А.М. [5 ] В этих работах на основе анализа результатов экспериментальных и теоретических исследований предложены приближенные и достаточно простые решения, позволяющие эффективно оценивать моменты формирования начала процессов разрушения горных пород под действием квазистатических полей напряжений. Показано, что волны напряжений, генерируемые в породах и вызывающие их разрушение, определяются действием детонационной волны, распространяющейся по заряду.

Основная проблема использования энергии ВВ в промышленности состоит в повышении безопасности и эффективности взрывных технологий добычи полезных ископаемых и снижении их вредного экологического воздействия на окружающую среду. Сложность решения этой проблемы состоит в необходимости с одной стороны исключить полностью или резко снизить риск возникновения случайных взрывов при обороте ВВ и их взрывоопасных компонентов, а с другой – надежно прогнозировать эффект целенаправленных взрывов в конкретных условиях карьеров.

промышленности решалась на базе исследований мощных молекулярных и смесевых ВВ в основном военного назначения. Были созданы научнотехнические и правовые основы оборота промышленных ВВ, разработан широкий ассортимент взрывчатых составов с использованием тротила и технологий ведения взрывных работ с помощью этих составов. Однако, в 60годах прошлого века в развитых странах мира, в том числе и в СССР, начались кардинальные изменения в сфере оборота ВВ промышленного назначения. Суть их состоит в замене дорогостоящих и опасных в обращении тротилсодержащих ВВ заводского изготовления на низкочувствительные гранулированные, водосодержащие, эмульсионные и суспензионные смеси [8,9,17,21,26,27,46,47,52,64,68,86,87,95,97,100-110,112,116-118]. Данные ВВ в настоящее время используются на подземных и открытых разработках, однако их более широкое применение сдерживается отсутствием стандартных сертифицированных методов оценки их характеристик [20,68].

На данный момент разработка новых рецептур ВВ опережает разработку методов их испытаний. Вследствие этого промышленные ВВ нового поколения часто применяются без достаточной проверки их взрывчатых свойств. Комплекс взрывчатых свойств любого ВВ включает показатели, характеризующие безопасность и энергетические свойства. Недостаточная полнота исследований показателей безопасности на практике приводит к росту числа аварий и техногенных катастроф [95]. Основанные на мелкодисперсных ПВВ заводского изготовления схемы расчета параметров буровзрывных работ не учитывают в должной мере особенности взрывных эффективность их использования, повышает опасность взрывных работ и их вредного экологического воздействия на окружающую среду [12,56].

предотвращение, предсказание механического и экологического действия взрыва на окружающую среду для эффективного целенаправленного использования невозможно без детальных исследований самих взрывных процессов. По существу, решение проблемы состоит в установлении связи между характеристиками исходного ВВ и заряда, характеристиками возникающих в них взрывных процессов и результатом воздействия на окружающую среду и прямо связано с развитием теории ВВ и механического действия взрыва.

актуальность приобретает проблема разработки ВВ с заранее заданными свойствами. Наиболее остро эта проблема стоит при работе в стесненных условиях, когда, с одной стороны, необходима высокая работоспособность, а, с другой, - минимальное воздействие на окружающую среду.

Для примера, такая проблема стояла при проходке второго наклонного тоннеля станции метро «Маяковская» Московского метрополитена, при промышленных объектов и зданий в населённых пунктах. В первом случае недопустимо было повышенное сейсмическое воздействие на соседний тоннель, во втором – необходимо было ограничить разлет осколков и действие воздушной ударной волны.

Аналогичные проблемы имеют место при работах в чрезвычайных ситуациях: разрушении ледяных заторов и аварийных конструкций, разборе завалов и т.д.

Целенаправленное изменение исходных характеристик ВВ и заряда является одним из главных способов регулирования его взрывчатыми свойствами и параметрами возможных взрывных процессов. Такими характеристиками являются химический состав и строение молекул ВВ, агрегатное состояние и плотность заряда, дисперсность и количество гранул отдельных компонентов, геометрические размеры и конструкция заряда. К числу важнейших исходных характеристик ВВ и заряда следует отнести его потенциальную химическую энергию, условия и полнота выделения которой, собственно, и определяют во многом вероятность возникновения взрывного процесса, его параметры и результат действия взрыва. Связь параметров взрывного процесса с результатом действия взрыва, наиболее наглядно проявляется в проблеме повышения КПД взрыва с заданным качеством дробления горных пород различной крепости. При оценке эффективности взрыва на дробление следует исходить из существования определенного предела энергоемкости качественного дробления, зависящего от механических свойств горных пород и развиваемых в процессе их дробления деформаций. Последние же определяются параметрами детонационных волн в зарядах ВВ и параметрами генерируемых ими ударных волн и волн напряжений в массиве [18,19,44,48,54,89,99,114,115].

Обозначенная выше проблема целенаправленного изменения исходных характеристик ВВ и заряда как одного из главных способов регулирования его взрывоопасными свойствами и параметрами возможных взрывных процессов, в настоящее время решается, главным образом, путем создания новых ПВВ.

К взрывчатым веществам, используемым в горной промышленности и инженерном деле, предъявляются следующие взаимоисключающие требования [10,44,45,95,100,105]:

- безопасность в обращении и достаточно высокая чувствительность к инициирующему импульсу;

- повышенная работоспособность и небольшие безопасные расстояния (по сейсмическому воздействию, разлёту осколков и воздушной производстве (изготовлении), так и при применении.

Стремление разработчиков изготовить ВВ с параметрами, оптимально удовлетворяющими этим условиям, привели к созданию ряда новых промышленных взрывчатых материалов, львиная доля которых разработана с использованием взрывчатых компонентов утилизируемых боеприпасов.

В связи с сокращением Вооруженных Сил в Российской Федерации сверхнормативных объемов боеприпасов, находящихся на арсеналах и базах хранения. Общее количество бризантных ВВ, содержащихся в них, оценивается примерно в 100 тыс.т. [21,68,86,95]. Безусловно, эта величина несопоставима с ежегодным потреблением промышленных ВВ в России (~1,0 млн.т.). Однако если учитывать потенциальную техногенную опасность, а также абсолютную материальную ценность химического сырья, то введение их в хозяйственный оборот является важной экологической и экономической задачей.

Начало работ по утилизации боеприпасов было положено принятием ряда законодательных актов и постановлений Правительства РФ [47,86], в которых были определены основные направления работ по утилизации боеприпасов, боевых частей ракет и ракетных двигателей на твердом топливе.

Первая Федеральная программа по утилизации вооружения и военной техники (В и ВТ) на период 1994-2000 гг., в том числе обычных видов боеприпасов, была утверждена в 1994 г. С этого времени официально начинаются практические работы по утилизации боеприпасов и вышел первый Государственный оборонный заказ по утилизации В и ВТ.

В соответствии с этими документами, рядом отраслевых институтов, предприятиями промышленности и Министерством обороны РФ были проведены широкие исследования по разработке различных вариантов утилизации образцов вооружения и военной техники.

За годы, прошедшие с момента утверждения первой Федеральной программы по утилизации вооружений, накоплен определенный опыт практических работ по расснаряжению боеприпасов и переработке продуктов утилизации в продукцию гражданского назначения [68].

В реализации ФЦП «Промышленная утилизация ВиВТ», в том числе боеприпасов, принимают участие предприятия Управления промышленности боеприпасов и спецхимии (ФГУП «БХЗ», ФГУП «КНИИМ», ГНПП «Сплав», ФГУП «НИИХП» и др.), арсеналы и базы Минобороны России (28 арсеналов ГРАУ, 4 арсенала ВМФ) и коммерческие предприятия (различные ООО, ОАО, ЗАО), а так же ВУЗы (МГГУ и БГТУ «Военмех»), учереждения РАН (ИПКОН РАН).

Наиболее значимый вклад в разработку технологии утилизации внесли Авсеенко И.М., Мацеевич Б.В., Варёных Н.М., Кореньков В.В., Щукин Ю.Г.

[55,68,112,116-118] и др. Исследования целого спектра задач по применению ПВВ на основе продуктов утилизации проводились под руководством и непосредственным участием Викторова С.Д., Державца А.С., Феодоритова М.И, Франтова А.Е. [26-27,101-110] и др.

В настоящее время в России и за рубежом используются следующие основные способы расснаряжения обычных боеприпасов [21,68,95,116-118 ]:

1. Контактная, «влажная» выплавка взрывчатого вещества (ВВ) водой или паром. Осуществляется подачей теплоносителя в корпус боеприпаса при температуре выше температуры плавления тротила. Основной недостаток при всей простоте способа – отсутствие экологической чистоты. Необходимо восстанавливать значительные количества оборотной воды. Существует опасность взрыва при извлечении составов, содержащих алюминиевые порошки (выделение водорода при контакте с водой). Конечная продукция требует доводки до потребительской кондиции вследствие ее влажности, отсутствует утилизация тепла и др.

2. Неконтактные «сухие» методы выплавки. Корпус нагревают паром, горячей водой, токами высокой частоты или сверхвысокочастотным излучением до температуры плавления тротила. Основные недостатки: малая производительность, практическая невозможность извлечения ВВ из изделий сложной конфигурации и значительных габаритов, несанкционированные разогревы при длительном воздействии температуры на ВВ.

3. Вымывание струей воды высокого давления. Основные недостатки:

необходимость очистки значительного количества оборотной воды, возможно взаимодействие воды с алюминиевыми порошками, что приводит к резкому сокращению сроков хранения и эксплуатации, сложность дальнейшей переработки извлеченного ВВ, значительная энергонагрузка.

4. Гидро-, взрыво- и ультразвуковая резка корпусов боеприпасов вместе с ВВ. Основные недостатки: опасность проведения самого процесса резки и возможность загрязнения ВВ сенсибилизаторами в процессе разделки; необходимость значительных территорий, расхода средств инициирования; значительные затраты на дальнейшую переработку выделенных фрагментов химического сырья.

5. Извлечение ВВ из корпусов боеприпасов подачей расплава парафина на заряд ВВ. Основные недостатки: использование значительного количества привносимого теплоносителя, необходимость его удаления из ВВ с последующим циклическим уничтожением, флегматизация извлеченного тротила вплоть до потери им детонационной способности.

Кроме того, рассматриваются различные способы, не находящие в настоящее время достаточного применения: механические, криогенные, импульсные, растворение, кавитационной эрозии, биологические и др.

Однако эти работы ведутся пока недостаточными темпами. За указанный период в РФ переработано только 300 тыс.т. конверсионных ВМ, из 1,6 млн.т. ВМ (с учетом порохов и твердых ракетных топлив) подлежащих утилизации. В 2005 году началась реализация проекта Федеральной целевой программы промышленной утилизации В и ВТ на 2005-2010 годы. Проектом предусматривается утилизация 1,7 млн.т. боеприпасов [68], в том числе:

артвыстрелы калибра 20-37 мм 7,084 млн. шт.

артвыстрелы калибра 57-152 мм 31,906 млн. шт.

патроны стрелкового оружия ПСО 7,0 млрд. шт.

Из указанного объема утилизации в течение 2009-2012 годов значительная часть была уничтожена методом подрыва силами Минобороны России. Проектом программы [21] на 2012 -2015 годы предусмотрено продолжение утилизации силами промышленности.

Следует отметить, что в отличие от госзаказа на предыдущие годы, где основную массу составляли боеприпасы в тротиловом снаряжении или раздельно-шашечные (боеприпасы 1-2 классов), в новой программе почти 65% составляют боеприпасы в снаряжении гексогеносодержащими ВВ (боеприпасы 3-4 классов) и только ~ 34% в снаряжении тротилом.

В результате утилизации всего объема боеприпасов предполагается получить 14 тыс. т ВВ и 224 тыс. т порохов.

1.3 Основные направления развития промышленных взрывчатых веществ с использованием конверсионных взрывчатых материалов утилизированных боеприпасов, используется для производства ВВ промышленного назначения. В настоящее время конверсионные ВМ используются при изготовлении нескольких десятков промышленных взрывчатых веществ, среди которых наряду с известными гексогено- и тротилсодержащими, появились новые. Разработка новых промышленных ВВ на основе конверсионных ВМ осуществлялась с учетом следующих предпосылок:

- основной потребитель разрабатываемых промышленных ВВ – горнодобывающие предприятия, геологоразведка, предприятия строительной промышленности и другие отрасли;

- промышленные ВВ на основе извлекаемых из боеприпасов ВВ и порохов не должны уступать по эффективности, технологической и экологической безопасности промышленным ВВ массового применения;

утилизируемых ВМ должны быть по возможности адаптированы к существующим производствам снаряжения и изготовления штатных промышленных ВВ;

- изготовление разрабатываемых промышленных ВВ должно быть не только на заводах, но и непосредственно на базах (арсеналах) хранения боеприпасов;

потребителю для производства взрывных работ по процедуре, установленной Ростехнадзором.

На основе такого подхода и анализа рецептурно-технологических особенностей все извлекаемые из боеприпасов ВМ были разделены на четыре основные группы.

Первая группа – тротил и его смеси типа ТА, ТД.

Вторая группа – литьевые смеси, содержащие гексоген: МС, ТГ, ТГАТГАГ-5, ТГАФ-5М.

Третья группа – сухие или влажные смеси, содержащие гексоген: А-IXI, A-IX-2, A-IX-20.

Четвертая группа – пороха и ТРТ.

Первая группа конверсионных ВВ представлена составами на основе тротила и его смесей. По объему применения ведущее место занимает тротил-У, получаемый различными методами при демилитаризации боеприпасов. Кусковой тротил марки УД с крупностью фракции до 50 мм может использоваться только при ручном заряжании скважин. Технологии механического дробления тротила-У до крупности 6-8 мм или получения гранулированного продукта при его выплавке из боеприпасов позволяют использовать тротил-У при механизированном заряжании скважин, при изготовлении сухих смесей с аммиачной селитрой (граммониты марок 30/70, 40/60). В заводских условиях тротил-У используется при изготовлении шашек Т-400Г, альгетолов (марок 15, 25, 35), поротола и др. изделий.

Гексоген является одним из самых мощных бризантных ВВ, однако из-за своей высокой чувствительности, он не используется для снаряжения боеприпасов самостоятельно, а только во флегматизированном виде (составы А-IX-I, A-IX-2, A-IX-20) и в плаве с тротилом (составы ТГ, МС, ТГА-16, ТГАГ-5, ТГАФ-5М). В литьевых смесях на основе тротила и гексогена последний можно рассматривать как сенсибилизатор по отношению к тротилу, при этом чувствительность к механическим воздействиям таких смесей находится на уровне тротила. В составах А-IХ-1, А-IХ-2, А-IХ-20 используется флегматизированный гексоген ( с добавкой 5% парафина, церезина или воска). Такая смесь имеет чувствительность к удару 28%, к трению – 3000 кгс/см2. Получаемый в процессе утилизации боеприпасов гексоген и его смеси используется при изготовлении наиболее мощных ВВ – альгетолов, гекфола, гексотала, алюмогекситов (в смесях с аммиачной селитрой) и эмульсионного ВВ марки эмульсен-Г.

конверсионных ВВ пироксилиновый порох (ПП), баллиститный порох (БП), твердое ракетное топливо (ТРТ) тротилсодержащие и гексогеносодержащие составы уступают по некоторым эксплуатационным показателям граммониту 79/21, аммониту скальному № 1. Основными показателями различий, характеризующими безопасность в обращении с новыми ВВ, остаются высокая чувствительность к механическим воздействиям, в частности к удару и трению. Поэтому главное внимание при разработке новых ПВВ на основе конверсионных ВМ было уделено проблеме снижения чувствительности к механическим воздействиям.

Снижение чувствительности к механическим воздействиям на практике достигается введением в состав взрывчатой смеси специальных веществ – флегматизаторов. В качестве флегматизаторов может быть использовано большое количество веществ с различными теплофизическими, физикомеханическими и физико-химическими свойствами. Эффективными флегматизаторами могут выступать: вода, селитры и их водные растворы, продукты перегонки нефти (масла и высокомолекулярные топлива), воскообразные вещества, жиры природного происхождения.

пожароопасности располагаются в порядке возрастания опасности следующим образом:

- вода и водные растворы солей;

- жиры природного происхождения и воскообразные вещества;

- продукты перегонки нефти.

При этом наличие воды в качестве флегматизирующего агента в составе ВВ вызывает трудности использования их при отрицательных температурах, которые практически отсутствуют при использовании нефтепродуктов.

Проведенными исследованиями [44] установлено, что введение в заряд ПП, воды или растворов солей снижает чувствительность к удару до уровня Но= 200-250 мм, чувствительность к трению до Ро= 1300-1390 кгс/см2.

Добавление к пороху 1% приборного масла снижает чувствительность к удару ПП до уровня Но= 150 мм, БП до Но= 100-150 мм, чувствительность к трению ПП при этом не изменяется, а у БП снижается до Ро= 1270- соответствующие показатели: чувствительность к удару ПП до уровня Но= 500 мм, БП до уровня Но= 300-500 мм, чувствительность к трению ПП до Ро= 1573 кгс/см2, а БП Ро= 1815-3025 кгс/см2.

Зерненные ПП флегматизированные водой или водными растворами селитр применяются, как правило, в качестве ВВ местного изготовления.

Обоснованность такого подхода обусловлена соответствующим гранулометрическим составом зерненных порохов, обеспечивающим создание требуемой плотности заряжания (0,7- 0,9 г/см3), достаточной критическим диаметром, соответствующим технологии производства взрывных работ при дроблении горных пород на земной поверхности.

Однако трудоемкость процесса флегматизации ПП на местах проведения работ, особенно в зимнее время, а также низкая технологичность заряжания сдерживают такой способ использования ПП.

ПВВ, в которых основными компонентами являются ПП, БП и ТРТ с крупностью частиц до 20 мм, а флегматизация осуществляется введением в состав взрывчатой смеси продуктов перегонки нефти и (или) аммиачной селитры (АС), носят название гранипоров. В настоящее время разработано несколько десятков рецептур гранипоров, некоторые из которых имеют близкий компонентный состав, но различаются технологическими параметрами производства продукции.

осуществлялось за счет поиска эффективного флегматизатора – минерального масла, дизельного топлива, жиров животного происхождения и др., определения его оптимального содержания, а также введения в состав ВВ дробленого трубчатого ПП (гранипоры марки ПЗФ, ППФ, ФМ). Из-за повышенной чувствительности ПП к инициирующему импульсу, созданные рецептуры пироксилиновых гранипоров положительно зарекомендовали себя при ведении взрывных работ в обводненных условиях только при ручном способе заряжания скважин.

Повышение энергетических (объемной концентрации энергии) и эксплуатационных (водоустойчивость, снижение чувствительности к удару) характеристик составов на основе ПП, БП и ТРТ производится введением в них загущенного раствора (водного геля) АС ( гельпоры марок №№ 1…3, ГП-1, ГП-2).

Для оценки эффективности данных ПВМ, используется критерий удельной мощности ВВ, определяемым формулой [44]:

где Nуд – удельная мощность ВВ, кВт/м2;

– плотность ВВ, кг/м3;

Q – теплота взрыва, кДж/кг;

D - скорость детонации, м/с.

Характеристики некоторых промышленных взрывчатых веществ, разработанных с использованием взрывчатых компонентов утилизируемых боеприпасов, приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Промышленные взрывчатые материалы, разработанные с использованием взрывчатых компонентов утилизируемых боеприпасов Наименование Теплота Плотность, Скорость Кислородны Гранипор ВГ 90/5 1080-1140 900-960 5,0-6,5 -(39-43) Гранипор ВГ 90/8 1050-1100 920-980 5,0-6,5 -(40-44) Гранипор ВГ 50/40 1030-1060 1020-1080 4,5-5,5 -(9-19) Гранипор ВГ 30/30 910-1050 1250-1350 4,5-5,5 -(7-17) Гранипор ВГ 60/30 980-1075 1250-1350 5,5-6,0 -(23-30) Примечания: * - насыпная плотность Из таблицы 1.1 и по данным других работ [14,44,68] видно, что почти все промышленные ВВ, разработанные из утилизируемых ВМ, превосходят по удельной мощности аммонит 6ЖВ, принятый в качестве эталонного ВВ.

Наиболее безопасными к механическим, тепловым воздействиям, а также в отношении экологии являются промышленные ВВ эмульсионного типа, а также гельпоры.

Исходя из физической консистенции и химического состава гельпоры наименее исследованы по ряду причин, но, одновременно, позволяют предположить возможные особые взрывчатые характеристики и взрывное воздействие из-за наличия пирксилинового пороха и гелевой матрицы на водной основе.

Анализ экспериментальных методов оценки относительной работоспособности ПВВ Из классических трудов [1,48,49,87,89, 92,97,114,115] известно, что выделяющееся при взрыве тепло преобразуется в механическую работу, которую совершают продукты взрыва (ПВ) в процессе своего расширения.

Идеальным с точки зрения отсутствия термодинамических потерь является адиабатический процесс расширения ПВ, не сопровождающийся теплообменом с окружающей средой.

В реальных условиях наиболее близким к адиабатическому является взрыв ВВ в воздушной среде, сопровождающийся адиабатическим расширением ПВ и сжатием при этом воздуха с образованием впереди фронта расширяющихся газов – воздушной ударной волны (ВУВ).

Исходя из сказанного, мерой идеальной работоспособности ВВ может служить максимальная работа, которую совершают ПВ при своем адиабатическом расширении до давления окружающей среды (воздушной, водной и грунте).

Обычно в качестве конечного состояния принимается нормальное атмосферное давление воздуха (0,1 МПа) и соответствующая величина работоспособности. Количественно ее можно определить, измерив энергию образования ВУВ, оторвавшейся от ПВ после их полного торможения, которое наступает при достижении в ПВ атмосферного давления.

Таким образом, полная работа взрыва максимальна при расширении продуктов взрыва в воздух. В этом случае она практически равна теплоте взрыва ВВ. При взрыве в горной породе часть энергии взрыва идет на нагревание породы, часть - в виде тепловой энергии остается в продуктах взрыва, так что энергия, идущая на механическую работу, всегда меньше теплоты взрыва и может составлять от нее 70-80% [6,7,44,54].

низкочувствительные ПВВ, представляющие собой грубодисперсные и водосодержащие (в том числе и эмульсионные) смеси на основе аммиачной селитры. Критические диаметры детонации многих из них составляют 100…200 мм. Поэтому большинство существующих лабораторных методов определения работоспособности, разработанных в свое время для испытаний бризантных индивидуальных и мелкодисперсных смесевых ВВ, имеющих небольшой критический диаметр детонации (10…30 мм), непригодны для конверсионных взрывчатых материалов. В связи с этим были разработаны экспериментальные методы определения относительной работоспособности [6,- 8,44,52,54,60,67,68,72,90], позволяющие работать с зарядами большой массы:

- метод воронкообразования;

- метод подводного взрыва;

- метод воздушных ударных волн;

- метод сейсмовзрывных волн.

Метод воронкообразования. Существует несколько разновидностей метода воронкообразования. Одна из них предусматривает подрыв сосредоточенных зарядов постоянной массы (как правило, 2,25 или 4,5 кг) в однородной крепкой породе в скважинах различной глубины. При этом определяют критическую глубину заложения заряда, при которой действие взрыва только начинает проявляться на поверхности (полный камуфлет) и измеряют объемы образуемых взрывом воронок при уменьшении глубины заложения.

Вторая разновидность метода воронкообразования, отличается от предыдущего применением цилиндрических зарядов (d = 153 мм; l = 918 мм) постоянного объема, а не массы. Положительная сторона этого варианта заключается в учете важнейшего фактора взрыва – объемной концентрации энергии заряда.

Известна также методика сравнительной оценки работоспособности ПВВ на основе утилизируемых боеприпасов по воронке выброса в песке [8].

В данной методике заряды испытуемого и эталонного ВВ массой 3 кг подрываются в песке с плотностью 1,53-1,56 г/см3 на оптимальной глубине заложения (125-130 см). Относительную работоспособность определяют по величине соотношения объемов воронок выброса для эталонного и испытуемого ВВ.

Основным недостатком метода воронкообразования является сравнительно невысокая точность, так погрешность по оценке некоторых авторов может достигать 10-15% [72,111] и даже до 25% [72]. Однако представляется возможным уменьшить погрешность измерений за счет улучшения контроля за состоянием среды и повышения точности определения объема воронки выброса.

Метод подводных взрывов, при котором заряды как правило массой 3,63 кг взрывают на глубине 7,5 м в водоеме диаметром 30 м и глубиной 15 м и замеряют параметры ударной волны в воде и пульсации газового пузыря.

По результатам замеров вычисляют не только выделившуюся при взрыве энергию, но и ее распределение между ударной волной и поршневым действием продуктов детонации.

Метод воздушных ударных волн. Довольно часто на практике работоспособность ВВ оценивают с помощью тротилового эквивалента (ТЭ).

Это – относительная величина, выражающая работоспособность данного ВВ через показатель работоспособности тротила.

Экспериментально ТЭ чаще всего находят путем измерения параметров УВ в воздухе. Такими параметрами могут выступать давление во фронте УВ и импульс. При этом важно соблюдать следующее правило:

измерения должны выполняться на расстояниях, где вступает в действие закон подобия взрывных волн, суть которого состоит в том, что при взрыве зарядов сферической формы параметры УВ являются функциями только геометрического центра взрыва и не зависят от детонационных параметров ВВ.

Метод сейсмовзрывных волн. Относительную работоспособность ВВ можно определить также по сейсмическому действию зарядов различных ВВ при взрывании их в одних и тех же условиях.

Все приведенные выше экспериментальные методы определения погрешностью. Наиболее корректным следует признать совместное необходимо использование эталонного ВВ, а сами взрывы проводить в идентичных условиях во всех средах.

1.5 Постановка цели и задач исследований Анализ проблем взрывного разрушения горных пород свидетельствует о том, что основная проблема использования энергии ВВ в промышленности состоит в повышении безопасности и эффективности взрывных технологий добычи полезных ископаемых и снижении их вредного экологического воздействия на окружающую среду.

промышленности решалась на базе мощных молекулярных и смесевых ВВ в основном военного назначения. Однако на рубеже ХХ – ХХI веков произошли кардинальные изменения в сфере оборота ВВ промышленного назначения. Суть их состоит в замене дорогостоящих и опасных в обращении тротилсодержащих ВВ заводского изготовления на низкочувствительные гранулированные, водосодержащие, эмульсионные и суспензионные смеси типа окислитель-горючее на основе аммиачной селитры. Новый толчок этому процессу придали проводимые в последние годы работы по утилизации устаревших видов обычных боеприпасов и использованию извлекаемых взрывчатых материалов для разработки и постановки на производство новых видов ПВВ и изделий из них для горнорудной промышленности. Данные ВВ в настоящее время используются на подземных и открытых выработках, однако их более широкое применение сдерживается отсутствием стандартных сертифицированных методов оценки их характеристик. На данный момент разработка новых рецептур ВВ опережает разработку методов их испытаний. Вследствие этого промышленные ВВ нового поколения часто применяются без достаточной проверки их взрывчатых свойств.

Комплекс взрывчатых свойств любого ВМ включает показатели, характеризующие безопасность и энергетические свойства. Недостаточная полнота исследований показателей безопасности на практике приводит к росту числа аварий и техногенных катастроф. Основанные на энергетическом критерии и опыте использования гомогенных и мелкодисперсных ПВВ заводского изготовления схемы расчета параметров буровзрывных работ не учитывают в должной мере особенности взрывных процессов в ПВВ нового поколения. Все это снижает реальную эффективность их использования, повышает опасность взрывных работ и их вредного экологического воздействия на окружающую среду.

Таким образом, прогнозирование механического и экологического действия взрыва на окружающую среду для эффективного целенаправленного использования невозможно без детальных исследований самих взрывных процессов. По существу, решение проблемы состоит в установлении связи между характеристиками исходного ВВ и заряда, характеристиками возникающих в них взрывных процессов и результатом воздействия на окружающую среду и прямо связано с развитием теоретических основ физики взрыва и механического действия взрыва.

Цель работы: повышение эффективности и безопасности технологии взрывного разрушения горных пород на основе применения гелевых промышленных взрывчатых веществ.

Научная идея заключается в использовании изменяющихся свойств промышленных взрывчатых веществ на гелевой основе для повышения эффективности взрывного разрушения горных пород Задачи исследования:

гексогенсодержащих ВВ.

экспериментальное определение их взрывчатых и эксплуатационных характеристик.

материалов взрывами зарядов ПВВ на гелевой основе.

4. Разработка физических и математических моделей процессов взрывного разрушения пород с применением гелевых ПВВ.

Разработка методических основ применения гелевых ПВВ в горной промышленности и при ведении специальных взрывных работ в стесненных условиях.

Защищаемые научные положения:

Смешение метательных взрывчатых веществ (пироксилиновых порохов) с органическим кислородсодержащим гелем изменяет характер взрывчатого превращения и переводит в режим детонации с сохранением достаточной чувствительности к первичному импульсу без пыления при заряжании, что позволяет применять этот состав для технологии дробления горных пород.

Характер изменения относительной работоспособности зарядов на основе гелевых ВВ во времени и пространстве определяется не только параметрами самих гелевых ВВ, но и свойствами разрушаемых массивов и условиями нагружения.

эксплуатационных характеристик гелевых ВВ на основе утилизируемых боеприпасов обеспечивает существенное повышение эффективности и показателей взрывного разрушения горных пород, в том числе в стесненных условиях.

Научная новизна:

работоспособности гелевых ВВ, которая в отличие от типовых ВВ носит нелинейный характер и которая определяется параметрами самих гелевых ВВ и свойствами среды.

эффективности взрывных работ в горном производстве при использовании водосодержащих гелевых ВВ.

Практическая значимость работы заключается:

- в разработке способа утилизации боеприпасов, снаряженных гексогеносодержащими ВВ;

- в разработке рекомендаций по проведению взрывных работ с одновременным повышением уровня безопасности;

- в установлении показателей основных взрывчатых характеристик и параметров безопасности гелевых ПВВ;

комбинированных зарядов;

- в разработке способа и устройства снаряжения шпура гелевыми ПВВ.

Достоверность результатов обосновывается большим объемом проанализированной и обобщенной информации по отечественным и зарубежным исследованиям взрывного воздействия взрывчатых веществ на горные породы и материалы, использованием современных моделей механического действия взрыва и современной измерительнорегистрирующей аппаратуры, достаточной сходимостью результатов лабораторных, полигонных и промышленных экспериментов и использованием гелевых ПВВ.

Методы исследований. Обзор и анализ исследований, проведенных отечественными и зарубежными учеными в области взрывных работ, комплексное использование теоретических и экспериментальных методов в лабораторных, полигонных и производственных условиях, сравнительный анализ результатов исследований с натуральными данными, применение нониусного метода сравнения параметров механического действия взрывов зарядов гелевых и эталонных ПВВ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на четвертой и пятой международных научных конференциях «Физические проблемы разрушения горных пород» в 2004 и 2006 годах, на VI и VII международных научно-технических конференциях «Комплексная утилизация обычных видов боеприпасов» в 2005 и 2007 годах, на научном симпозиуме «Неделя горняка» в 2007, 2009, 2011 и 2013 годах, на заседаниях кафедры «Средства поражения и боеприпасы» БГТУ «ВОЕНМЕХ».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных трудов (в т.ч. 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России), а также получено 5 патентов на изобретения и полезные модели.

2 Экспериментальные исследования характеристик гелевых ПВВ Из всего многообразия ПВВ, изготовленных по конверсионным технологиям, особый интерес представляют гельпоры ГП-2, ГП-Т и промежуточные детонаторы гексогенсодержащие водонаполненные ПДГВ, разработанные Российским химико-технологическим университетом им.

Д.И.Менделеева [3,22,].

Гельпоры это водосодержащие ВВ, представляющие собой композицию зерненых или трубчатых артиллерийских пироксилиновых порохов и гелеобразного раствора окислителей. С целью улучшения экологических показателей при подземных взрывах в рудниках состав гельпора усовершенствован заменой хрома на трёхвалентное железо [32].

ПДГВ представляют собой механическую смесь гельпора (до 70% по массе) и шашек гексогеносодержащих составов типа А-ХI-2.

Для оценки взрывчатых свойств, характеризующих эффективность ПВВ на гелевой основе, были проведены экспериментальные исследования параметров детонации и работоспособности. Все исследования проведены в сравнении с эталонными ВВ (ТНТ, аммонит) и типовыми ВВ, т.е. наиболее применяемыми на карьерах (эмульсионные ВВ, гранипор, граммонит и др.).

Для оценки чувствительности и опасности ПВВ в обращении проводились испытания зарядов ВВ на воздействие пожаров, электростатическую безопасность, а также пуль стрелкового оружия.

Кроме того, исследовались вопросы, связанные с разработкой способов расснаряжения гексогеносодержащих боеприпасов, как источника получения гексогеносодержащих компонентов для изготовления ПВВ.

2.1 Утилизация боеприпасов, снаряженных гексогеносодержащими ВВ В последние годы при расснаряжении тротилсодержащих боеприпасов достаточно широко используются способы выжигания и выплавления взрывчатого вещества боеприпаса. В этом случае расснаряжение транспортировки.

боеприпаса на ложемент и подвод тепла, достаточного для возгорания ВВ и одновременного его плавления. Однако при такой технологии расснаряжения часто имеет место срыв горения и неполное выплавление ВВ. Это, в свою очередь, требует проведения повторной операции подвода тепла, которая применительно к гексогеносодержащим ВВ является операцией повышенной взрывоопасности.

С целью обеспечения принципиальной возможности надежного воспламенения гексогеносодержащего ВВ заряда боеприпаса, его горения без перехода в детонацию и обеспечения полноты выплавления ВВ, разработан и апробирован новый способ расснаряжения, защищенный патентом РФ на изобретение [33].

включающего поэтапный поджиг от огнепроводного шнура порохового заряда, а от него - ветоши пропитанной бензином, от которой воспламеняется тротил-гексогеновая шашка ТГ-20, воспламеняющая непосредственно заряд боеприпаса. Каждый из элементов в этой системе надежно воспламеняется от предыдущего и надежно поджигает следующий. Сущность проведенных работ представлена на рисунке 2. подлежащих утилизации, имеют шарообразную форму. Поэтому для обеспечения бесперебойного горения и вытекания расплавленного ВВ из корпуса боеприпаса, его заливное отверстие, через которое производится воспламенение заряда и вытекание ВВ, должно быть расположено под некоторым оптимальным углом к плоскости горизонта. При углах, отличных от оптимального в большую или меньшую сторону, наблюдается либо срыв горения и плавления или наличие остаточного расплава в корпусе боеприпаса.

Рисунок 2.1 - Схема утилизации боеприпаса 1 – корпус; 2 – ложемент;3 – промежуточная шашка;4 – взрывчатое вещество заряда;5 – ветошь;6 – заряд пироксилинового пороха;7 – огнепроводной шнур.

На одном из объектов Минобороны РФ указанный способ апробирован при утилизации нескольких сотен боевых частей зенитноракетных комплексов С-200, С-75 и С-125. В процессе расснаряжения получен оптимальный угол наклона заливного отверстия к горизонту равный 30…45 градусам. При меньших углах происходит срабатывание промежуточного детонатора и, как следствие подрыв всего боеприпаса, а при больших – имеет место срыв горения. В диапазоне оптимальных углов наклона промежуточный детонатор срабатывает после полного выгорания заряда ВВ.

В частности, при расснаряжении боевых частей ЗРК С-200 описанным выше способом было зафиксировано интенсивное горение и выплавление ВВ боеприпаса в течение 25 минут и спад интенсивности еще в течение минут. Для сбора вытекающего расплава ВВ используется поддон с водой, который устанавливается под боеприпасом. Количество выплавленного (вторичного) ВВ составляет 30-40 процентов от исходного. После окончания процесса расснаряжения в корпусах боеприпасов остатков взрывчатого вещества не обнаружено, а сами корпуса пригодны для дальнейшей утилизации.Общий объем утилизированных боеприпасов указанным способом составил не менее 10 тыс. шт.

2.2 Исследование характеристик гелевых ПВВ, изготовленных из взрывчатых компонентов утилизируемых боеприпасов При утилизации боеприпасов стоит проблема максимального вторичного использования содержащихся в них взрывчатых и невзрывчатых компонентов.

Из всего многообразия конверсионных взрывчатых компонентов практически полностью возвращаются в производство пироксилиновые пороха, значительная доля ТРТ и несколько меньше ТНТ. В то же время практически полностью уничтожаются гексогенсодержащие боеприпасы, вследствие особой сложности и опасности их утилизации. Хотя эти взрывчатые материалы востребованы для производства ПВВ повышенного могущества.

2.2.1 Совершенствование ПВВ на гелевой основе Гельпоры относятся к водосодержащим промышленным взрывчатым веществам на основе гелеобразной матрицы, сенсибилизированной пироксилиновым порохом.

Водосодержащие пороховые ПВВ, разработка которых начата за рубежом в конце 50-х годов ХХ века [ 9 ], а затем получила развитие в СССР [44], нашли широкое применение при проведении взрывных работ в промышленности, строительстве и в чрезвычайных ситуациях. Химический состав таких ПВВ разработан, исследован и описан в ряде работ [44,60,95] и запатентован в России и других странах [74-83].

водосодержащий пороховой взрывчатый состав [3]. Указанное ПВВ имеет в своём составе пироксилиновый порох, натриевую селитру, органическое горючее, аммиачную селитру, полиакриламид, тиосульфат натрия, воду и бихромат калия.

В ходе испытаний этого ПВВ установлены его детонационные характеристики (критический диаметр, скорость детонационной волны и др.), характеристики безопасности (переход горения в детонацию, устойчивость к прострелу пулей, электростатичность, чувствительность к удару и др.) и характеристики работоспособности (сжатие свинцового столбика, воронка взрыва, давление в воздушной и подводной ударных волнах). Подробно результаты исследований изложены в ряде работ [13,15,34,40,43,88].

Водосодержащий пороховой взрывчатый состав по патенту [3], по своим совокупным характеристикам на современном уровне можно считать близким к идеальному.

Однако в ряде ситуаций этот состав всё-таки имеет ограничения по применению. Например, при взрывных работах в подземных и стеснённых условиях, когда из-за ограниченности пространства и затруднённой вентиляции в окружающей атмосфере создаются высокие концентрации экологически вредного (токсичного) шестивалентного хрома, входящего в состав бихромата калия.

Вместе с тем, для ведения взрывных работ в стеснённых условиях и щадящем воздействии на окружающую среду, требуются удлинённые заряды с малым диаметром [11], а при взрыве в воздухе любого заряда ПВВ без оболочки, его критический диаметр заметно увеличивается по сравнению с паспортными данными.

Для расширения диапазона условий применимости и повышения эффективности воздействия взрывов зарядов на основе водосодержащего порохового взрывчатого состава по патенту [3] предлагается усовершенствованный состав [32].

Снижение экологического воздействия достигается заменой во взрывчатом составе бихромат калия на хромовокислые квасцы, в которых содержится экологически менее опасный двухвалентный хром, или смесь хромовокислых квасцов и алюминия в консистенции пудры. Такая замена позволяет обеспечить сшивку компонентов состава без потери показателей безопасности и работоспособности.

Повышение эффективности достигается нанесением на поверхность заряда слоя алюминия в виде плёнки или фольги. Алюминиевая плёнка выполняет одновременно две функции. Первая – механическая, препятствует быстрому разлёту продуктов взрыва, чем способствует более полному протеканию реакции взрывчатого превращения, т.е. повышает к.п.д. взрыва, и уменьшает критический диаметр детонации ПВВ. Вторая – химическая, приводит к повышению эффективности взрывного воздействия за счёт дополнительной энергии, выделяемой в процессе окисления алюминия в фазе разлёта продуктов взрыва.

Применение алюминиевой фольги для повышения эффективности взрывного воздействия подтверждено в ходе специальных исследований [ 23,24].

В зависимости от конкретных условий взрывания, количество алюминия в плёнке (толщина фольги) определяется расчётноэкспериментальным методом.

Предлагаемый взрывчатый состав изготовлен в лабораторных условиях и подвергнут испытаниям на предприятии ОАО «Завод «ТЭКОН» и ФГУП «СКТБ «Технолог» (Санкт-Петербург). Результатами испытаний подтверждены характеристики предлагаемого взрывчатого состава.

2.2.2 Определение основных взрывчатых характеристик Компонентный состав гельпоров марок ГП-2У, ГП-2ДП [22] и ГП-Т [ 23] приведен в таблице 2.1, основные характеристики – в таблице 2.2.

Таблица 2.1 - Компонентный состав гельпоров Основные компоненты полиакриламид, сверх 100% Таблица 2.2 – Основные расчетные и экспериментальные характеристики испытываемых ВВ характеристик Измерение скорости детонации проводилось на стадиях лабораторных, лабораторно-стендовых и полигонных испытаний.

При проведении лабораторных испытаний использовался метод оптической фоторегистрации в режиме непрерывной развертки на приборе ЖФР [44]. Заряды гелеобразных ПВВ массой до 70 г, помещенные в стеклянные трубки диаметром 14-18 мм, инициировались с одного конца.

Скорость детонации определялась по углу наклона светящегося следа фронта детонации при фиксированной частоте вращения зеркала прибора.

Вследствие того, что в гелеобразных ВВ фронт и продукты детонации проявляют слабое свечение, суммарная относительная погрешность измерения возрастает с 0,8% до 2,5%.

При проведении лабораторно-стендовых испытаний применялся метод «ионизационных датчиков». Суть метода заключается в измерении с помощью частотомера интервала времени Т между срабатыванием ионизационных датчиков, размещенных в заряде ВВ на фиксированном между собой расстоянии. Скорость детонации определяется по формуле:

где L – расстояние между датчиками.

Погрешность измерения скорости детонации данным методом составляет обычно 0,1-0,3% и складывается из погрешности измерения базы L и погрешности частотомера.

В полигонных испытаниях скорость детонации измерялась по методу Дотриша [44], основанному на сравнении известной скорости детонации ДШ со скоростью детонации испытуемого заряда. Точность определения скорости детонации по этому методу составляет 3 - 4,5 % Результаты измерений скоростей детонации испытуемых гелевых ПВВ, рассчитанные по зависимости (2.1), приведены в таблице 2.2.

Работоспособность и мощность ВВ оценивались методом определения эффективности, основанном на обжатии свинцового крешера продуктами детонации патрона с испытываемым ВВ [44]. Испытания выполнялись на свинцовых цилиндрах высотой 60 мм и диаметром 40 мм, на которые помещались стальная пластинка диаметром 41мм, толщиной 10мм и заряд массой 50г в бумажном патроне диаметром 40мм. Свинцовый цилиндр с пластиной и зарядом в свою очередь располагались на массивной стальной плите. Показатель эффективности – обжатие столбика крешера h, измеряемое в миллиметрах.

Результаты определения эффективности штатных ВВ и гельпоров представлены таблице 2.3.

Согласно исследованиям [44] показатель эффективности характеризует, по сути, сумму бризантного и фугасного действия взрыва. Для количественной характеристики по пробе Гесса можно использовать абсолютное изменение высоты свинцового столбика h и относительное, а также коэффициент эффективности по отношению к ТНТ /ТНТ. Из таблицы 2.3 видно, что значения показателя эффективности гельпоров почти в 2 раза выше, чем у традиционных ВВ, то же соотношение получается и при оценке эффективности данных ПВВ по критерию удельной мощности [6,7,20].

Таблица 2.3 - Значения показателей эффективности ВВ 2.2.3 Испытания на безопасность Комплекс испытаний на безопасность включал следующие виды [15]:

- испытания на внутреннее воспламенение;

- испытания пожарной опасности;

- определение электростатической безопасности;

- испытание на прострел пулей стрелкового оружия.

Испытания на внутреннее воспламенение (зажигание) в замкнутом объёме проводилось для определения возможности воспламенения, горения и перехода горения в детонацию внутри технологических аппаратов при их производстве, в закрытой таре при хранении и перевозке, или выгорания при несанкционированном взрыве зарядов гельпора в скважинах и шпурах при производстве взрывных работ. Испытания проводились по рекомендациям экспертов ООН, серия 5, испытание 5(b)(i i). Общий вид испытательной установки приведен на рисунке 2.2.

Гельпор размещался в стальной трубе длиной 460 мм внутренним диаметром ~74 мм, толщиной стенки 7,6 мм, закрытой с одной стороны завинчивающейся пробкой, а с другой стороны контрольной пластиной из стали толщиной 8 мм, размером 130х130 мм которая приваривается к трубе.

В центре сосуда помещался воспламенитель из 5 граммов черного пороха марки ДРП.

Рисунок 2.2 – Испытания на внутреннее воспламенение воспламенитель, 5 – отверстия 2 мм, 6 – отверстие М8 под спускной болт Результат испытаний оценивался по полноте пробития пластины свидетеля и разрушению стальной трубы на осколки (не меньше двух).

Проводили по 3 опыта для каждого состава. Случаев воспламенения, горения и соответственно перехода горения гельпора в детонацию не наблюдалось.

Испытания пожарной опасности гельпора проводилось по следующим методикам:

- по рекомендациям экспертов ООН, серия 3, испытание 3 (d)(i).

Гельпор массой 125 г в пластмассовом стакане помещался на слой опилок размером 300х300 мм и толщиной 25 мм, пропитанных керосином.

Опилки поджигались в двух диагонально противоположных точках.

Проводили по три испытания на каждый состав гельпора. Результат испытаний оценивали по загоранию или взрыву гельпора. Случаев загорания или взрыва гельпора не наблюдалось.

- по ГОСТ 19433-88, приложение 5 (методы испытаний, испытание №1).

Полоску гельпора длиной 250 мм укладывали на металлическую полосу и в течении 120с поджигали газовой горелкой. Опыт повторяли три раза.

Результат испытаний оценивали по загоранию или отсутствию загорания гельпора. Случаев загорания гельпора не наблюдалось.

- испытание костровой пробой.

На слой пироксилинового зерненого пороха укладывались заряды гельпора в полимерной оболочке. После чего, порох поджигался с помощью пороховой трубки. В результате испытания установлено, что при воздействии высокотемпературного пламени (Т>25000С) гельпоры не способны к воспламенению и устойчивому горению, сгорает полимерная оболочка и отдельные зёрна пороха с поверхности заряда. Продетые сквозь заряд пороховые трубки сгорают, не воспламенив сам заряд.

Для сравнения пожароопасности ПВВ из утилизированных материалов производилось зажигание гранипоров ФМ, БП-1 и сухого зернёного артиллерийского пороха марки 18/7. Зажигание во всех случаях производилось от пороховой трубки. В отличие от гельпора, воспламенение гранипоров и сухого пироксилинового зернёного пороха происходит через доли секунды после начала воздействия пламени, сгорание происходит быстро с выделением большого количества тепла. Разницы между воспламенением и горением пироксилинового пороха и гранипорами не обнаружено.

При сжигании зарядов гельпоров на кострах из дров получен результат, аналогичный сжиганию в высокотемпературном пламени.

Необходимо отметить, что при всех испытаниях на воздействие высоких температур (пламя, электрическая дуга) пороховые частицы, контактирующие с пламенем, сгорают не полностью. Прилегающая к гелевой матрице часть порохового зерна остаётся целой, горение в этой зоне затухает.

Определение электростатической безопасности производили по следующим методикам:

- по критерию «проводник-диэлектрик» методом измерения удельной электропроводности гельпора. Схема, реализующая данный метод представлена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Установка испытаний на электропроводность 1 – съёмная крышка с электродами, 2 - сосуд из диэлектрика (стекло, полимер), 3 – электроды 40х40мм, 4 – гельпор нержавеющей стали, заполняют гельпором в объёме 200 - 250 мл. На электроды подают напряжение 12V переменного тока частотой 50 Гц, и измеряют силу тока между электродами. Удельное электрическое сопротивление вычисляют по формуле:

где - удельное электрическое сопротивление, Ом·м;

R – вычисленное по закону Ома электрическое сопротивление между S – площадь электродов, м2;

L – расстояние между электродами, м.

О результатах испытания судят по величине удельного электрического сопротивления. Если вещество электропроводно, его удельное электрическое сопротивление меньше 104 Ом·м, т.е. образование электростатического потенциала в принципе невозможно. По результатам испытаний и по зависимости (2.2) установлено, что величина удельного электрического сопротивления гельпора ГП-2 составляет 150-250 Ом·м;

- моделированием воздействия мощной электростатической искры, которое осуществлялось зажиганием электрической дуги от сварочного аппарата с электродом 4 мм сквозь слой гельпора, находящегося на стальной пластине.

Результат опытов: при воздействии дуги загорались отдельные частицы пороха, непосредственно контактирующие с дугой и раскалённым добела местом контакта дуги с металлом.

Из этих результатов следует вывод о электростатической безопасности гелеобразных ПВМ.

Испытание на прострел пулей стрелкового оружия.

Испытания проводились на 20 зарядах массой по 1 кг в полимерной оболочке. Стрельба велась из автомата Калашникова АК-74 трассирующей пулей калибра 7,62 мм с расстояния 25 м. По каждому заряду было сделано не менее 5 выстрелов. Детонации и загорания зарядов не зафиксировано.

Сравнительные характеристики безопасности гелевых и эталонных ПВВ представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 – Сравнительные характеристики безопасности импульсу удару, % вспышки, С детонацию Водоустойчивость высок. средн. высок. высок. высок.

Сравнение характеристик безопасности позволяет рекомендовать применение гелевых ПВВ в условиях не менее опасных, чем для эталонных.

2.3 Исследования параметров взрывов зарядов гелевых ПВВ в различных средах Применение гелевых ПВВ более безопасных, чем эталонные, необходимо подкрепить результатами экспериментальных и теоретических исследований взрывного воздействия на грунт и материалы. Существует большое количество методов определения работоспособности ВВ, обзор которых можно найти в [6-8,20,30,31,44,72]. Однако в ряде из них определяется не вся механическая работа, а только часть ее. Во многих методах измеряется некоторый параметр, связанный с проявлением механического действия взрыва. В методе Трауцля – это объем полости в свинцовой бомбе; в методе баллистического маятника – это угол отклонения маятника; в методе бризантометра Каста – это степень деформации медного крешера и т.д. По этим параметрам и сравниваются ВВ между собой. Если же ввести эталонное ВВ, то эффективность взрыва любого другого ВВ будет характеризоваться относительной работоспособностью f = (Aи)вв /(Aи)эт, а в реальном эксперименте f = (A0и)вв /(A0и)эт. Таким образом, величина относительной работоспособности f есть ни что иное как отношение работы (A0и)вв, совершенной зарядом ВВ заданной массы, к работе (A0и)эт, совершенной зарядом эталонного ВВ той же массы, в одинаковых условиях.

Базирующийся на данном соотношении нониусный (прямое сравнение с эталоном) метод всех сред, используемый в настоящей работе, позволяет при минимальном количестве опытов получить максимум информативности по относительной работоспособности испытываемых ПВВ. Метод предполагает проведение сравнительных испытаний в воздухе, воде и грунте при практически идентичных условиях среды.

2.3.1 Сравнительные испытания гельпора в воздухе Испытания проводились в карьере ОАО «Гранит-Кузнечное» в два этапа.

На первом этапе было проведено два опыта. В первом опыте проводился подрыв сосредоточенного заряда из гельпора ГП-2У массой 40 кг на поверхности земли. Во втором опыте проводился подрыв заряда ВВ граммонита 79/21 такой же массы. Инициирование зарядов в обоих опытах производилось от шашек-детонаторов ТГФ-850. Подрыв осуществлялся электрическим способом.

Опыты проводились при температуре окружающего воздуха t0 = 23,30С и атмосферном давлении Р0 = 753 мм.рт.ст.

Подстилающая поверхность – трещиноватый гранитный массив, покрытый слоем щебня толщиной до 20см.

Во время эксперимента контролировались и измерялись следующие параметры:

- величина избыточного давления во фронте ВУВ, Pф;

- длительность положительной фазы сжатия ВУВ, +;

- время прихода фронта ВУВ в точку измерения, tф.

По измеренным параметрам проводились расчет и сравнительная оценка тротиловых эквивалентов взрывов зарядов гельпора и граммонита.

Схема постановки опытов представлена на рисунке 2.4.

На втором этапе испытаний с целью сравнения параметров местного действия взрыва, проводился одновременный подрыв зарядов гельпора ГПДП и аммонита 6 ЖВ массой по 2кг каждый. Опыт проводился на ровной глинистой площадке, толщина слоя глины на которой составляла не менее 50см. Расстояние между зарядами – 3м.

После проведения всех опытов проводился замер параметров воронок и их фотографирование.

Измерения параметров ВУВ проводились согласно методики [70].

Рисунок 2.4 – Схема опытового поля:

1 – заряд гельпора, 2 – заряд граммонита, 3 – датчики давления ДСЛТ-6, 4 – выносные предусилители–цифровой регистратор Результаты измерений параметров ВУВ представлены в таблице 2.5, эпюры записей – на рис. 2. Таблица 2.5 – Результаты измерений параметров ВУВ зависимости избыточного давления от расстояния. Расчет проводился для заряда тротила массой 40 кг в условиях стандартной атмосферы по формулам М.А.Садовского из работы [92], для идеальной подстилающей поверхности ( = 1) и для сыпучих грунтов ( = 0,5).

На рисунке 2.7 представлены годографы ударных волн от взрывов зарядов гельпора и граммонита. Анализ годографов позволяет выявить две характерные особенности гельпора.

Первой особенностью является то, что время прихода ударной волны от взрыва гельпора в точки измерения значительно меньше, чем от граммонита, и это при том, что энергия взрывчатого превращения гельпора на 10-15% ниже энергии взрывчатого превращения граммонита. Прямолинейная экстраполяция асимптоты гельпора на ординату «0» взрыва, отсекает условный начальный радиус Rгп примерно на 10% больший, чем у граммонита Rгр, а по объему условной полусферы, характеризующей работоспособность ВВ на начальном этапе, эта разница составит примерно 30%.

Рисунок 2.5 – Эпюры воздушной ударной волны Рф, кг/см 0, Рисунок 2.6 – Зависимость Pф=f (R): – гельпор; – граммонит.

Вторая особенность заключается в более раннем выходе годографа гельпора по сравнению с годографом граммонита на асимптоту звуковой скорости.

Из этих особенностей можно сделать вывод о более высокой, по сравнению с типовыми ВВ, условной работоспособности гельпора в ближней зоне взрыва и более низкой в дальней.

Характер изменения длительности фазы сжатия от расстояния показан на рисунке 2.8. На этом же рисунке представлена расчетная зависимость + = f ( R) для взрыва заряда тротила массой 40 кг.

Необходимо отметить, что измеренные значения длительностей фазы сжатия + и для гельпора и для граммонита примерно в 2 раза меньше расчетных. Примечательно то, что длительность фазы сжатия при взрыве гельпора с увеличением расстояния уменьшается вопреки классической теории взрыва [92,93].

Рисунок 2.7 – Годографы ударных волн: *– гельпор; – граммонит Рисунок 2.8 – Зависимость + от расстояния: – граммонит;

Одновременное более интенсивное снижение избыточного давления и длительности фазы сжатия при взрывах зарядов гельпора по сравнению с взрывами зарядов эталонного ВВ приводит к еще более интенсивному снижению импульса воздействия. Расчетные значения соотношения импульсов ударных волн обоих типов ВВ представлены в табл. 2.6.

Таблица 2.6. Соотношение импульсных ударных волн.

Такое изменение соотношения импульсов давления, во-первых, подтверждается ощущениями специалистов и, во-вторых, позволяет рекомендовать гелевые ПВВ для использования в тех специальных взрывных работах, где есть ограничения по акустическому воздействию.

2.3.2 Сравнительные испытания гелевых ПВВ в воде Объектом настоящих экспериментальных исследований являлись:

- заряды с повышенной объемной концентрацией энергии на основе гельпора ГП-2У и ГП-2ДП массой от 0,8 до 2 кг, упакованные в полиэтиленовые оболочки, в количестве 10 шт.;

- заряды ПДГВ (промежуточные детонаторы гексогеносодержащие водонаполненные) массой 1 кг, в количестве 24 шт.

В качестве эталонных зарядов, с которыми проводилось сравнение, использовались заряды Ш-0,8 (сферические заряды массой 0,8 кг ТНТ).

Эксперименты проводились в прибрежной части акватории Ладожского озера в два этапа.

Первый этап исследований имел своей целью провести оценку местного действия взрывов зарядов на основе гельпора при подрыве их на сплошном гранитном массиве под водой, а также проверку эффективности взрывания под водой гранитных отдельностей зарядами на основе гельпора.

Опыты проводились при температуре воды t0=120С и атмосферном давлении Р0=745±5 мм.рт.ст. Подстилающая (донная) поверхность сложена гранитами Х-ХI категории крепости по СНИП-IV-5-82, характеризующимися коэффициентом крепости по шкале М.М. Протодьяконова =15-20.

Целью второго этапа было получение экспериментальных данных о параметрах полей давления в воде при сравнительных взрывах зарядов на основе гельпора и эталонного заряда тротила. Схема проведения экспериментов представлена на рисунке 2.9. Измерения параметров гидроударной волны проводились согласно «Методике… » [71]. Методика обеспечивает получение результатов измерения параметров в заданном амплитудно-частотном диапазоне ударных давлений с погрешностью не хуже ±20% при доверительной вероятности 0,95.

Всего в ходе проведения экспериментальных работ было проведено опытов. Общий объем работ, и характеристика каждого опыта отображены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 – Характеристика опытов Датчики давления при проведении экспериментов размещались в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 2.9. В качестве датчиков давления использовались сульфат литиевые пьезоэлектрические датчики типа ДСЛ-20-6 [71].

Взрывную нагрузку при взрыве в воде принято характеризовать давлением на фронте Pф, длительностью положительной фазы + и удельным импульсом фазы сжатия.

Для той части пространства, где не сказывается влияние дна водоема и свободной поверхности, изменение давления во времени t в фиксированной точке пространства имеет вид [49,93] :

Рисунок 2.9 – Схема проведения опытов на ТП-1:

1 - заряд ВВ; 2 - датчики давления, 3 – бочка; 4 – пирс; 5 измерительный пункт; 6– якорь; 7 - кабель-трос в которой величина, называемая постоянной времени, для сферического заряда определяется по формуле [93]:

где а0, - скорость звука в воде, м/с;

q - тротиловый эквивалент взрыва, кг.

Значения Рф и +, измеренные в опытах №№ 6 – 11 представлены в таблице 2.8, эпюры записей на рисунке 2.10. После проведения опыта проводился замер параметров воронок.

Таблица 2.8 – Параметры гидроударных волн На рисунке 2.11 представлены экспериментальные точки в сравнении с зависимостью избыточного давления от расстояния по Р. Коулу [57]. Из графика хорошо видно, что в диапазоне расстояний 5 < R < 10, избыточное давление от взрывов зарядов гельпора и ПДГВ значительно ниже, чем от взрыва заряда ТНТ.

На расстояниях R > 10 все точки хорошо согласуются с эталонной зависимостью Р. Коула, полученной для тротила. «Нефизичное» отклонение точек гельпора и ПДГВ следует объяснять только особенностями их энерговыделения, поскольку все другие условия были строго идентичны.

Рисунок 2.10 - Эпюры гидроударной волны кг/см Рисунок 2.11 – Зависимость избыточного давления во фронте ПУВ от приведенного расстояния: –ПДГВ; - ТНТ; – ГП.

Зависимость длительности положительной фазы + от расстояния R представлена на рисунке 2.12.

[49,57,93] для неограниченной среды, значение + лежит в пределах: