Работа и баланс энергии взрыва

Работа заряда взрыва проявляется во многих формах :

- полезных, с целью которых производят взрыв.

-бесполезных, представляющих потери, также вредным воздействием на законтурный массив. В зависимости от условий взрыва и его целей работы, КПД взрыва будет меняться. При взрывных работах в скальных породах наибольшее значение имеет работа дробления и перемещения пород а в рыхлых – простреливание (образование полостей) и выброс на определенную высоту и расстояние.

Энергия , затраченная при взрыве на разрушение, перемещение горной массы, образование сейсмических и воздушных волн, нагревание породы и воздуха, характеризует полную работу взрыва.

Работа взрыва совершается за счет теплоты, выделившейся при взрыве , поэтому общая энергия взрыва

E = Eу*Q;

где: Eу – удельная теплота взрыва; кдж/кг;

Q – масса заряда ВВ, кг;

Работу произведенную взрывом по разрушению и перемещению массива породы ,называют полезной работой взрыва ( Ап ). Полезная работа взрыва составляет часть полезной энергии( теплоты ) взрыва.

Ап = Е*h_п;

где - h_п - к.п.д. взрыва = 0.7- 0.8 ;

Однако отдельные виды виды работы могут изменяться.

Так, если взрыв произведен на поверхности массива, то полная работа остается прежней, работа по разрушению среды и сейсмическая волна в массиве уменьшится, а на образование воздушной волны увеличится.

Максимальная работа взрыва (Ап), которую могут совершить газы взрыва (при расширении до атмосферного давления) при условии перехода всей внутренней энергии газов в механическую работу, называют идеальной работой взрыва.

Приняв приближенно, что при определенном взрыве к.п.д. действия различных ВВ примерно одинаковы, можно сравнивать их эффективность по теплотам взрыва этих ВВ.

Схема баланса взрыва

В качестве исходной, взята потенциальная химическая энергия В.В.

Из-за возможности разброса непрореагировавшего ВВ, недостаточной полноты взрывчатого превращения фактическая теплота взрыва меньше на величину химических потерь.

Фактическая теплота взрыва не может быть превращена в работу даже при идеальном ходе процесса разрушения, т.к. происходит нагревание разрушаемой среды продуктами взрыва.

Разность между фактической теплотой и полной называют тепловыми потерями.

Общая величина полной работы взрыва находится в этих пределах, но она может расходоваться на те, или иные формы общего, бризантного или местного действия взрыва.

Большая часть полной работы проявляется в виде общего (фугасного) действия.

Формы работы взрыва и методы их определения

Работа взрыва совершается за счет тепловой энергии, выделяющейся при взрыве заряда ВВ. Исходя из законов термодинамики, М. П. Чельцов в 1880 г. впервые оценил величину работы взрыва и предложил формулу

где А_п — полная идеальная работа газов взрыва при расширении их до атмосферного давления; Q — теплота взрыва; V_o и V₁ — начальный и конечный объемы газов; р₀ — начальное давление газов взрыва; к — показатель адиабаты.

Полная энергия, выделяемая при взрыве, равна произведению теплоты взрыва Q на массу заряда с. Таким образом, теплота взрыва является одной из важнейших характеристик взрывчатой системы. Однако полная теплота взрыва не может быть полностью преобразована в механическую работу даже при идеальном ходе химической реакции взрывчатого превращения ВВ. Разность между полной теплотой взрыва и полной работой называют тепловыми потерями.

При взрыве заряда в горной породе происходят дробление и пластическая деформация среды, примыкающей к заряду, возникновение и развитие трещин, смещение частиц породы в результате распространения в ней волновых возмущений, упругие колебания среды и, наконец, выброс породы из воронки взрыва и образование воздушных ударных и звуковых волн. Не все из перечисленных видов работы взрыва являются полезными. Такие виды работ, как переизмельчение и пластические деформации среды, вблизи заряда являются ненужными с точки зрения технологии взрывной отбойки.

В зависимости от условий взрыва доля энергии, идущая на производство той или иной формы работы, может меняться. Полная теплота взрыва при условии завершения реакции взрывчатого превращения остается неизменной. Величина полезной работы взрыва составляет около 60—70% потенциальной энергии ВВ. В то же время коэффициент полезного действия взрыва (отношение полезных форм работы взрыва к теплоте взрыва) относительно невелик и составляет всего несколько процентов. Наиболее наглядно баланс энергии (работы) взрыва можно представить в виде поточной диаграммы, предложенной М. А. Садовским и А. Ф. Беляевым, которые объяснили физическую сущность различных форм работы взрыва.

Согласно этим представлениям, формы механической работы взрыва в среде условно разделяются на бризантное (или дробящее) и фугасное (или общее) действие. Бризантным действием называют те формы работы взрыва, которые осуществляются в непосредственной близости от поверхности заряда. Они составляют сравнительно малую часть общей работы взрыва и в значительной степени зависят от скорости детонации ВВ. Теоретические попытки оценки бризантного действия взрыва пред­принимались многими авторами. Одни предлагали оценивать бризантность величиной кинетической энергии продуктов взрыва (Бихель), количеством движения (Редль), мощностью или работой, совершаемой единицей массы за­ряда ВВ в единицу времени (Гесс) или мощностью, выделяемой единицей объема ВВ (Каст). Однако во все формулы, предложенные этими исследователями, входило произведение плотности ВВ на скорость детонации ρD или на квадрат скорости ρD². Поэтому бризантное действие взрыва скорей всего определяется величиной начального давления газов взрыва или импульсом. Если давление детонации невелико, то дробящее действие будет весьма незначительным, даже при взрывании заряда ВВ, имеющего большую энергию. М. А. Садовский и А. Ф. Беляев считали, что бризантное действие определяется не полным импульсом взрыва, а его головной частью, которую в пределе можно считать пропорциональной мак­симальному детонационному давлению:

Большую часть полной работы взрыва представляют общие, или фугасные, формы, которые проявляются в образовании котло­вых полостей, дроблении породы в пределах зоны разрушения, т. е. на значительном расстоянии от заряда.

Критерием оценки фугасного действия ВВ является величина энер­гии ВВ, отнесенная к единице массы заряда ВВ, т. е. теплота взрыва.

Разрушающее действие открытого заряда, имеющего контакт с горной породой, будет относительно малым по сравнению с объемом разрушения при взрывании того же заряда внутри этой породы. В первом случае характер разрушения среды зависит от активной массы заряда и его скорости детонации, во втором — от полной энергии, т. е. от всей массы ВВ, умноженной на его удельную тепло­творную способность (теплоту взрыва). Таким образом, для оценки бризантных форм работ, необходимо замерять разрушение (деформцию) среды при контактных взрывах наружных зарядов, а для фугасных — те же характеристики разрушения, но при взрыве внутренних зарядов.

Это положение послужило основой для создания различных проб (методов испытаний) для определения бризантности и фугасности ВВ.

Так как фугасные формы работы взрыва являются превалирующими в общем балансе энергии ВВ, то пробы для их определения называют пробами на работоспособность ВВ. Существует множество различных проб, определяющих бризантность и работоспособность ВВ. Однако наиболее распространенными и общепризнанными являются классические (проба Гесса на бризантность и проба Трауцля на работоспособность), в которых мерой бризантности и работоспособности ВВ являются пластиче­ская деформация свинцового цилиндрика в первой или раздутие канала свинцового блока (бомбы) во второй.