Вибухівка для цивільного застосування - Спектр науки
Вибухівка для цивільного застосування
Вибухові речовини - це концентрована енергія у матеріальній формі. При відповідному підході його можна звільнити цілеспрямовано, щоб виконувати роботу, яка в іншому випадку була б лише надзвичайно кропіткою та абсолютно неекономічною. Хоча римський імператор Нерон (37-68 рр. Н. Е.) Не зумів побудувати Коринфський канал, навіть маючи тисячі рабів, динаміт та вибуховий желатин дозволили здійснити проект протягом двох років - з 1891 по 1893 рік. На встановлення Панамського каналу в 1879-1890 та 1903-1914 роках потрібно було 30000 тонн динаміту. І без цієї вибухової речовини тунелі Санкт-Готард та Тауерн навряд чи могли бути завершені за кілька років з використанням технології того часу (з 1872 по 1882 та з 1901 по 1907).
На додаток до таких будівельних проектів, вибухівка використовується для видобутку сировини, оскільки суто механічне видобуток руд, корисних копалин або вугілля було б значно дорожчим (рис. 1). Важливим додатком є знесення будівель та технічних систем; Навіть кореневища можна очистити та розпушити ґрунт вибухами.
Будь-яка суміш горючих та кисневих речовин може виділяти енергію після відповідної стимуляції; хімік коротко говорить про відновно-окислювальну або окисно-відновну реакцію. Якщо перетворення швидше, ніж швидкість звуку в речовині, це називається детонацією. Серед іншого вирішальним для цього є розмір реакційноздатної межі між компонентами: колода деревини в каміні горить повільно і підвищує комфорт, тоді як така ж кількість деревини, подрібненої до дрібного пилу та поміщеної у полум’я, може призвести до вибуху каміна.
При вибуху вибухові речовини розпадаються на газоподібні речовини - в ідеалі діоксид вуглецю, вода та елементарний азот як продукти згоряння органічних речовин, але також оксиди азоту, окис вуглецю та інші не повністю окислені продукти. Крім того, створюються високореактивні частинки, такі як радикали, іони та електрони, які прискорюються у непрореагували матеріал і стимулюють подальше перетворення. Через певну відстань прогону накопичується ударна хвиля з надзвичайно високими значеннями тиску та температури; Залежно від вибухівки та умов утримання, ця відстань становить долю міліметра до багатьох сантиметрів.
Процес залишається стабільним до тих пір, поки в зоні детонації буде достатньо енергії. Але якщо енергія розподіляється занадто далеко, реакція знову зупиняється. Важливим є відношення об’єму, що виробляє енергію, до поверхні, що випромінює енергію; Оскільки воно стає несприятливим щодо малих діаметрів, для кожної вибухової речовини існує критичний діаметр, вище якого він лише вибухає.
Військові програми вимагають швидкості детонації до 9000 метрів на секунду; для цивільних цілей такі високі значення непотрібні або навіть небажані. Щоб ударна хвиля поширювалася якомога незмінніше у вибуховому матеріалі, хвилевий опір вибухової речовини та матеріалу, тобто продукти густини та ударної хвилі або швидкості звуку, має бути добре узгодженим. Тому швидкості детонації близько 2000-4000 метрів в секунду є найбільш придатними для більшості застосувань. Особливо важливо, щоб розвинувся великий об’єм газу, щоб розчинені маси розтіснилися.
Гірський вибуховий динаміт
Нітрогліцерин, відкриття італійського хіміка Асканіо Собреро (1812-1888) у 1847 р., Має велику вибухову силу, але непередбачувано чутливий до вібрацій та ударів, так що сам винахідник незабаром відмовився від спроб використовувати його як вибухівку. Особливо дратувало те, що нітрогліцерин, на відміну від чорного порошку, який використовується в Європі з 13 століття - за сучасним розумінням, являє собою суміш нітрату калію, вугільного порошку та сірки у масовому співвідношенні близько 75:15:10 - легко через відкрите полум’я вибухнув.
Через роки сім’я Нобелів почала експериментувати з нітрогліцерином. Розробка порохового детонатора Альфредом Нобелем (1833-1896) сприяла поширенню нової вибухової речовини, але небезпечна речовина неодноразово констатувала смерть під час виготовлення, транспортування або використання. У 1866 р. Альфред Нобель знайшов рішення проблеми на заводі Крюммеля поблизу Гамбурга: діатомова земля (кізельгур), яка не реагує з маслянистою рідиною нітрогліцерином, виявилася ідеальним адсорбентом. Отримавши 75 частин вибухівки та 25 частин кизельгуру, вийшов твердий матеріал, який, перероблений у циліндричні тіла та обмотаний паперовими гільзами, дозувався у свердлильні отвори, тоді як нітрогліцерин просто заливався в них. Незважаючи на високий вміст інертних речовин, вибухова сила нового матеріалу виявилася в п'ять разів сильнішою за чорний порошок і значно безпечнішою в обробці, ніж лише нітрогліцерин. Гардинаміт (від грецького dynamis для влади) мав величезний економічний успіх.
Однак матеріал, розчинений у воді, і його вибухова сила була на чверть меншою, ніж у чистого нітрогліцерину. У 1875 році Альфред Нобель розчинив вибухонебезпечну олію в бавовняній бавовні (нітроцелюлозі), легкозаймистій речовині, схожій на вату, яку базельський професор хімії Крістіан Фрідріх Шонбайн (1799-1868) вперше виготовив у 1846 році, обробляючи бавовна азотною та сірчаною кислотою. Він отримав желатинову речовину, яка була водонепроникною, ще менш чутливою до механічних навантажень і завдяки вищому вмісту нітрогліцерину була значно енергійнішою, ніж гурдинаміт: вибуховий желатин.
Однак на практиці така висока щільність енергії навіть не потрібна. Це можна дещо зменшити, додавши нітрат Chiles до желатину та горючих органічних матеріалів, таких як тирса або вугільний пил. У той же час це стабілізувало всю суміш проти ударів та вібрацій. Через деякий час нітрат Чилі був замінений нітратом амонію, який повністю розпадається на газоподібні продукти та збільшує вибуховий ефект завдяки додатковому тиску газу. Як і раніше, цивільні желатинові вибухові речовини аміачної селітри виготовляються за цим принципом і пристосовані лише до вимог сучасної технології вибухових робіт з використанням добавок.
Вибухові речовини, що не містять нітрогліцерину
Оскільки безпечне виробництво нітрогліцерину дуже складне, незабаром шукали альтернативи. Зокрема, з вісімдесятих років минулого століття було відомо, що окислювач аміачна селітра також здатна самостійно детонувати при високих енергіях збудження. Суміш із горючими речовинами, такими як дизельне масло (аміачна селітра плюс мазут, ANFO), легше змусити реагувати. Хоча спочатку компоненти змішували у ваговому співвідношенні 1: 1 - це відповідало мішку аміачної селітри і балонці з дизельним паливом - і вибухівка могла детонувати лише у великих свердловинах діаметром 200 і більше міліметрів із посилюючими зарядами більш чутливих вибухових речовин, протягом багатьох років Запалюваність значно покращилася за незмінної низької механічної чутливості.
Гранулят аміачної селітри з пористістю, яку можна контролювати виробничим процесом - у формі так званих гранул - краще адсорбує мінеральну олію і має більшу межу взаємодії між реагентами. Дрібні вироби, отримані в результаті стирання під час виготовлення, також покращують запалюваність до певної кількості. Однак це в кінцевому підсумку заважає потоку вибухівки, яка транспортується до свердловин шурупами або пневматично. Незважаючи на те, що ANFO не досягає вибухової сили продуктів, що містять нітрогліцерин, він є найдешевшою масовою вибуховою речовиною за всю історію, і тому становить близько 80 відсотків ринку вибухових речовин у всьому світі.
Однак окропи швидко розчиняються в свердловинах, що містять воду. Однак, якщо рівень води не надто високий, розчин або сольова паста створюються лише внизу, тоді як вибухові речовини у верхній частині все ще можна використовувати. У цьому випадку зарядну станцію можна запалити досить потужним підсилювальним зарядом.
Принцип систематично вдосконалювався. До целюлози додають молекулярні вибухові речовини, такі як тринітротолуол (тротил) або гексоген (тобто чутливі вибухові речовини без додаткових компонентів). Цукор, мінеральна олія, вугільний пил і - що найголовніше - порошок алюмінію додаються як окислювані компоненти. Його висока теплота згоряння нагріває гази, що утворюються під час детонації, і таким чином забезпечує високий тиск газу. Щоб компоненти не відокремлювались, використовуються набрякаючі агенти, такі як агар-агар, крохмаль, гуарове борошно або поліакриламід, макромолекули яких містять рідкі компоненти і можуть бути зшиті солями сурми (V) або хрому (VI).
Залежно від складу створюються шламоподібні, текучі вибухові речовини - так звані суспензії - або тверді водні гелі, які можна заливати в картриджі. Запалюваність матеріалу також може змінюватися в широких межах. Вода інертна до палива та окислювачів і, отже, стабілізує суспензії проти удару та тертя. Однак на початку розробки потрібно було дізнатися, що алюміній, який не був попередньо оброблений корозією, атакується сольовим розчином і що його розпад може призвести навіть до детонації.
Емульсійні вибухові речовини
Реакційну поверхню аміачної селітри можна різко збільшити, розчинивши сіль у воді. Вода знову діє як інертний агент. Для того, щоб його частка була якомога нижчою, використовуємо той факт, що його розчиняюча здатність різко зростає з температурою: приблизно при 80 градусах Цельсія він може поглинати набагато більше солі, ніж кімнатна температура. Потім концентрований розчин - все ще в теплі - емульгується в мінеральній олії; це призводить до великого інтерфейсу. Цей термодинамічно нестійкий стан можна стабілізувати за допомогою відповідних емульгаторів. Розмір крапель цієї емульсії «вода в маслі» може бути менше десяти мікрометрів (тисячні частки міліметра). Якщо вам потрібні тверді вибухові речовини, ви додаєте відповідний віск, щоб встановити в’язкість якомога більшою. Типовий вміст води в готовій вибуховій речовині становить близько 10-20 відсотків.
Сама емульсія не здатна детонувати, а лише детонується завдяки додаванню сенсибілізаторів. Однак це не повинні бути вибухові речовини тощо; нереагуючі інгредієнти також служать цілі. Наприклад, емульсія з великою кількістю бульбашок газу дуже здатна до детонації. Ударна хвиля стискає бульбашки так швидко, що не може відбуватися теплообмін, і, отже, надзвичайно нагріває їх (див. Spektrum der Wissenschaft, квітень 1995 р., Сторінка 50). Реакція нітрату амонію з паливом завжди може знову спалахнути в цих гарячих точках. Цей механізм також покращує детонацію вибухових речовин, що містять нітрогліцерин. Бульбашки газу можуть утворюватися хімічним шляхом, зокрема шляхом перетворення нітриту натрію з сечовиною або тіосечовиною з утворенням азоту. Щоб вони не надто швидко дифундували через вибухівку, воски надають йому дуже тверду консистенцію.
Можна також використовувати порожнисті мікросфери зі скла або пластику, оскільки їх часто використовують для зменшення ваги литих деталей. Пластикові сфери також горять, і швидкість детонації значно вища, ніж у скляних. Однак емульсійні вибухові речовини з порожнистими мікросферами зберігають менше енергії, ніж драглисті вибухові речовини аміачної селітри, що може бути проблематично за складних умов, таких як тверда порода та з високим натягом.
Склад емульсійних вибухових речовин може варіюватися в широких межах. Спектр варіюється від сипучих речовин для великих діаметрів свердловин (рис. 3), які необхідно запалювати зарядним прискорювачем, до твердих речовин для малих картриджів. Також вдалося зробити липкі матеріали настільки сухими, додавши силіконові масла, щоб їх можна було залити в паперові рукави за допомогою картриджних машин, розроблених для желатинових вибухових речовин.
Вибухівка для підземних видобутку
"Погода", що вибивається, вибухи метано-повітряних сумішей, які перемішують вугільний пил повсюдно при видобутку вугілля, а потім детонують його, вже коштували багатьом шахтарям життя. Основна причина, чому вони настільки небезпечні, полягає в тому, що їх ударні хвилі не поширюються у всіх напрямках і забиваються мертвими, але можуть поширюватися через тунельну систему на кілометри. Крім того, вуглець не згорає повністю, і утворюється високотоксичний чадний газ - більше шахтарів часто стає жертвами шахтних аварій, ніж хвиля тиску.
Суміші метан-повітря можна запалювати з низькою кількістю енергії в широких межах концентрації - починаючи з пропорцій метану приблизно від 5 до 15 відсотків. Звичайно, однієї детонації завжди достатньо. Тим більше вражає те, що вдалося розробити спеціальні вибухові речовини, які можна використовувати, незважаючи на небезпеку вибуху.
Один використовує той факт, що час між займанням та вибухом метано-повітряних сумішей, в яких реагуючі радикали та іони продовжують реакцію, збільшується із зниженням температури. Тому відносно велика кількість солі, наприклад кухонної солі, додається у дрібному вигляді до суміші нітрогліцерину, нітрату амонію та палива. Його відносно висока питома теплота витягує енергію з гарячого шлейфу, так що кінцева температура вибухових газів падає і, можливо, вже не є достатньою для займання метан-повітряної суміші. Ще важливішим є вплив цих дрібнодисперсних твердих частинок солі як антикаталізаторів, які перехоплюють реакційноздатні частинки на їх поверхні, так що згоряння не триває і вибух не може накопичитися. Вміст солі також знижує загальну енергію вибухової речовини і, отже, максимальний тиск в ударній хвилі.
Погодні вибухові речовини з оберненими сольовими парами особливо безпечні: замість вибухової аміачної селітри та, наприклад, хлориду натрію, вони містять нешкідливі солі хлорид амонію та нітрат натрію. Якщо нітрогліцерин, який присутній лише в невеликих пропорціях, детонує, його енергія залишається сконцентрованою в свердловині, і там може ініціюватися розпад обох речовин, при цьому нітрат амонію та хлорид натрію знову утворюються протягом короткого часу, які потім продовжують реагувати відомим чином. Якщо зарядна станція не детонує в свердловині, а відкрито контактує із сумішшю метан-повітря, наприклад, тому, що сусідній заряд вже зірвав гірську породу, інертна суміш зворотної сольової пари лише викидається, а енергія нітрогліцерину в основному витрачається і таким чином уникнути вибуху вогневого газу. Виходячи з цього принципу, у Німеччині виробляють найбезпечнішу в світі вибухівку погоди.
Сучасна технологія вибухових робіт була б немислима без безпечних та надійних запалювальних пристроїв (рис. 2). У всіх методах підриву заряди не запалюються одночасно, а з невеликою затримкою, так що, наприклад, розривна стінка відкривається, як блискавка (рис. 1). Завдяки меншому енергії, що виділяється за час, вибухові вібрації також можуть бути мінімізовані. Нещодавно наша компанія доповнила детонатори часу піротехнічними наборами затримки такими, що мають електронний блок затримки. Також доступні неелектричні системи. Висока точність електронних детонаторів і можливість вибору затримки між окремими рівнями часу в широкому діапазоні дозволяють адаптувати систему підривання до матеріалу, що піддається вибуху.