4.4. Основы теории предохранительных взрывчатых веществ

Непосредственными причинами, вызывающими воспламенение метановоздушной смеси при взрывных работах, могут быть воздушная ударная волна, раскалённые или горящие твёрдые частицы и высокотемпературные газообразные продукты взрыва. Две последние наиболее вероятные.

При взрыве в забое зарядов в призабойную атмосферу приходит прежде всего ударная волна, вызывающая сжатие воздушной среды и повышение температуры. Затем газообразные продукты взрыва, имеющие высокую температуру, расширяются, сжимают близлежащие слои атмосферы и повышают их температуру. Кроме того, смешиваясь с рудничной атмосферой, они увеличивают её температуру путём прямого теплообмена.

Газами взрыва иногда выбрасываются раскалённые частицы угля, бумажная оболочка патронов и горящие частицы самого ВВ, не успевшие прореагировать в шпуре при взрыве. Всё это вместе с нагретыми газообразными продуктами взрыва – наиболее вероятный источник воспламенения метановоздушной смеси. Воспламенение её может также произойти от вторичного пламени, образующегося при смешении с воздухом газов взрыва, содержащих оксид углерода. Таким образом, при взрыве зарядов возникают сложные комбинации возбудителей взрыва метано- и пылевоздушной смесей. Это затрудняет теоретическое объяснение совокупности действия всех показателей взрыва.

Существующие гипотезы учитывают только некоторые главные факторы, влияние которых наиболее заметно. Но и при этом их учет позволяет делать меньше ошибок при подборе предохранительных ВВ и условий взрывания. Первой из них по времени является термическая гипотеза Малляра и Ле-Шателье. Она учитывает только влияние температуры газов взрыва и длительность их соприкосновения с метановоздушной смесью. Французские исследователи впервые установили, что воспламенение происходит с задержкой, названной временем (периодом) индукции. Снижение температуры источника воспламенения и введение во взрывчатую смесь инертных добавок увеличивает время индукции (табл. 4.3).

Таблица 4.3. Влияние температуры среды на время индукции

Инертные добавки	Период индукции, с при температуре, К источника воспламенения
	923	1023	1073
Смесь без добавок	10	1,8	0,5
Хлористый натрий	-	3,2	0,6
Хлористый калий	-	-	5,6

Диоксид азота, содержащийся в продуктах взрыва, является положительным катализатором. Он сокращает период индукции воспламенения и уменьшает температуру воспламенения МВС на 423...523 К.

Из этой теории следует, что воспламенение не произойдёт при любой температуре, если время контакта источника воспламенения с взрывчатой смесью будет меньше времени индукции (например, прострел раскалённой пулей взрывчатой МВС не приводит к её воспламенению). Поэтому в случае применения ВВ с небольшой температурой взрыва и достаточной скоростью детонации метановоздушная смесь, вследствие замедления её воспламенения и быстрого охлаждения газов взрыва в свободном пространстве забоя, может не взорваться. На основании этого Малляр и Ле-Шателье предложили применять в шахтах, опасных по газу, взрывчатые вещества с температурой взрыва не более 1900°С при взрывании по породе и не более 1500°С – при взрывании по углю.

Термическая гипотеза Малляра и Ле-Шателье позднее была развита Одибером, который доказал, что при взрыве имеет место следующая схема воспламенения метановоздушной смеси. Продукты взрыва, входя в призабойный участок, смешиваются с метаном и воздухом и повышают их температуру. Таким образом получается смесь, имеющая усреднённую температуру, зависящую от теплоты продуктов взрыва. Согласно этой гипотезе основной параметр, определяющий вероятность воспламенения – удельная теплота взрыва: чем она меньше, тем безопаснее ВВ.

Опытным путём Одибер установил, что к группе предохранительных можно относить ВВ: с нулевым кислородным балансом, теплота взрыва которых, приходящаяся на 1 кмоль газообразных продуктов взрыва, будет менее 899000 кДж; с положительным кислородным балансом, теплота взрыва которых, приходящаяся на 1 кмоль газообразных продуктов взрыва, удовлетворит

q<,

где n_к – число киломолей свободного кислорода в продуктах взрыва;

n– общее число киломолей продуктов взрыва.

Данная формула учитывает взаимодействие кислорода с углём.

Отечественными исследователями установлено, что третий энергетический параметр, определяющий предохранительные свойства ВВ, – скорость детонации (тепловая мощность взрыва): чем она меньше, тем безопаснее промышленное ВВ.

Академиком Н.Н. Семёновым и его последователями было доказано, что в угольных шахтах возможен цепной механизм воспламенения взрывоопасных смесей, т. е. без повышения начальной температуры реагирующей среды (так называемое “холодное” воспламенение). В соответствии с этой гипотезой, реакция горения носит характер разветвляющейся цепи. Промежуточными продуктами цепной реакции окисления являются не целые молекулы, а свободные радикалы и атомы, называемые “активными центрами” (ОН, Н, О, НО₂, Н₂О₂и др.). Критерий уровня предохранительности ВВ при цепном механизме воспламенения – наличие в продуктах взрыва отрицательных катализаторов (ингибиторов). Их действие сводится к разрушению “активных центров” (в основном на поверхности частиц) вплоть до полного прекращения реакции окисления метана, т. е. к обрыву цепи.