3.8. Технологическая характеристика взрывчатых веществ

Взрывчатыми веществами (ВВ) называют химические соединения или смеси веществ, способные под влиянием внешнего воздействия чрезвычайно быстро превращаться в газообразные продукты с высокими температурой и давлением.

Возникновение и распространение взрыва связаны с передачей через заряд мощного сжатия, приводящего к быстрому и сильному нагреванию ВВ. Процесс передачи взрыва волной сжатия именуют детонацией, а волну сжатия, распространяющуюся со скоростью 1200–9000 м/с и сопровождаемую возникающей за фронтом волны реакцией взрывчатого превращения, – детонационной волной [27].

Для удобства описания и дальнейшего использования ВВ по условиям применения, хранения и физико-химическим свойствам их подразделяют на основные типы и объединяют в группы.

Промышленные ВВ классифицируют по химическому составу, физическому состоянию, по наиболее характерным особенностям их свойств или рецептурного состава, по области и условиям применения.

Все ВВ по химическому составу подразделяют на индивидуальные химические соединения и механические смеси, компоненты которых вступают в реакцию химического взаимодействия при взрыве. По индивидуальным особенностям ВВ подразделяют на инициирующие и бризантные.

Инициирующие ВВ легко взрываются от удара, огня, или искры, благодаря чему их используют для возбуждения (инициирования) процесса детонации и передачи его в виде детонационной волны другим менее чувствительным ВВ. В чистом виде их не применяют, а используют только в структуре средств инициирования – капсюлях-детонаторах (КД) и электродетонаторах (ЭД). Основными инициирующими ВВ являются: гремучая ртуть, азид свинца, тенерес.

Бризантные ВВ включают нитросоединения (тротил, тетрил, гексоген) и нитроэфиры (нитроглицерин, ТЭН). Их них на взрывных работах самостоятельно используют только тротил в виде гранулотола, литых и прессованных тротиловых шашек – детонаторов. Остальные применяют в качестве компонентов промышленных ВВ для повышения их мощности и детонационной способности (гексоген) или в средствах инициирования (тетрил, ТЭН, реже – гексоген).

Принципиальное отличие нитросоединений от нитроэфиров состоит в том, что молекулы первых содержатся нитрогруппы NO₂, а нитроэфиры – нитратные группы ONO₂.

К бризантным ВВ принято относить также все виды взрывчатых смесей, получивших наибольшее распространение на карьерах. В качестве основного компонента в них входит аммиачная селитра.

В зависимости от рецептурного и гранулометрического составов, а также физического состояния в составе смесевых ВВ принято выделять следующие группы [26]:77

- порошкообразные и гранулированные ВВ на основе плотной аммиачной селитры (аммонит 6 ЖВ, все граммониты, гранулиты М, АС-8, АС-4В, игданит и др. (табл.3.7);

- водосодержащие ВВ суспензионного типа (акватолы, акваниты, акваналы, карбатолы, ифзаниты и др.) (табл. 3.9);

- эмульсионные ВВ суспензионного типа (табл. 3.10–3.11).

Особую группу составляют ВВ, разработанные из утилизированных взрывчатых материалов (боеприпасов и твердого ракетного топлива) (табл.3.12).

Порошкообразные ВВ в зависимости от состава смешиваемых материалов подразделяют на смеси на основе аммиачной селитры и тротила (аммониты), нитроэфирсодержащие (детониты) и предохранительные ВВ. Последние предназначены для ведения взрывных работ в забоях шахт и рудников, опасных по выделению горючих газов и взрывчатой угольной (сланцевой) пыли.

В состав гранулированных ВВ входят основные компоненты (тротил и аммиачная селитра) в виде гранул, а также добавки из невзрывчатых материалов: масла, древесной муки, алюминия. В эту же группу перечнем промышленных ВВ включены гранулированный тротил (гранулотол) и сплав гранулированного тротила с алюминиевым порошком (алюмотол).

Взрывотехническая характеристика порошкообразных и гранулированных ВВ дана в таблице 3.7.

В сухих скважинах особенно эффективны гранулированные ВВ на основе пористой аммиачной селитры (ПАС): тротиловые (граммотол, амматол) и бестротиловые (гранулиты РП, Т, ПМ, ПФ, гексонит П). Отличительной особенностью новых ВВ является наличие в составе различных видов твердых взрывчатых и невзрывчатых горючих добавок в обязательном сочетании с жидким углеводородным горючим. Их детонационная способность и работоспособность выше, чем у штатных гранулированных ВВ на плотной селитре (табл.3.8).

По данным Б.Н. Кутузова, стоимость новых ВВ на основе ПАС снижена за счет: уменьшения содержания в них тротила, например, до 5–15 % в граммотоле вместо 21 % в граммоните 79/21; использование сравнительно недорогих невзрывчатых горючих компонентов, например, порошка ферросилиция (5 %) в гранулите ПФ и в гранулите АС-8 вместо дорогостоящей алюминиевой пудры (8 %). НТО «Взрывтехнология» созданы принципиально новые типы ВВ на основе ПАС с низкой чувствительностью к механическим воздействиям – амметол на основе тротила и ферросилиция и гексонит П с использованием 5–15 % нефлегматизированного гексогена.

В зависимости от технологии изготовления различают водонаполненные и растворонаполненные водосодержащие ВВ. Вода с селитрой в составе таких ВВ образуют насыщенный раствор, составляющий жидкую фазу суспензии. Кроме того, присутствуют пластифицирующие добавки и загустители. Большинство водосодержащих ВВ изготавливают вблизи мест их применения. Взрывотехнические характеристики водосодержащих ВВ даны в таблице 3.9.

Таблица 3.7. Основные взрывотехнические характеристики порошкообразных и гранулированных ВВ на основе плотной аммиачной селитры

Наименование ВВ	Переводной коэффициент ВВ	Теплота взрыва, ккал/кг	Концентрация энергии, ккал/дм3	Насыпная плотность, г/см3	Скорость детонации, км/с
Аммонит 6ЖВ (порошок в мешках)	1,0	1030	876	0,85–09	3,6–4,8
Аммонал скальный №1 (патронированный)	0,80	1343	1343	0,95–1,0	4,0–4,5
Детонит М (патронированный)	0,83	1200	1380	1,0–1,25	3,9–5,3
Граммонит 79/21	1,0	1030	876	0,8–0,85	3,0–3,6
Граммонит 82/18	1,01	1010	859	0,85–0,9	3,0–3,4
Граммонит 50/50	1,01	880	792	0,85–0,9	3,6–5,6
Граммонит 30/70	1,14	911	820	0,85–0,9	3,8–6,0
Гранулит М	1,13	920	828	0,9	2,5–3,6
Гранулит АС-8	0,89	1242	1118	0,87–0,92	3,0–3,6
Гранулит АС-4В	0,98	1080	918	0,8–0,85	2,6–3,2
Игданит	1,13	920	820	0,8–0,9	2,2–2,7
Гранулотол	1,20	980	980	1,0	5,0–5,2
Алюмотол	0,97	1260	1260	0,95–1,0	5,5–6,0

Эмульсионные взрывчатые вещества основаны на эмульсиях типа «вода в масле». В основном они состоят из водного раствора неорганического окислителя, который в виде мелких капелек представляет дисперсную фазу, и жидкого горючего, являющегося непрерывной фазой. Соотношение окислителя и горючего в эмульсионной смеси составляет приблизительно 10:1.

Таблица 3.8. Основные взрывотехнические характеристики ПВВ нового поколения на основе пористой аммиачной селитры

Наименование ПВВ	Насыпная плотность, г/см3	Теплота взрыва, ккал/кг	Объемная концентрация энергии, ккал/дм3	Объем газообразных продуктов взрыва, л/кг	Кислородный баланс, %	Критический диаметр детонации, мм	Скорость детонации, км/с	Чувствительность к механическим воздействиям		Коэффициент относительной работоспособности по воронке взрыва (эталон-аммонит 6ЖВ)
								удар, %	трение, МПа
Гранулит РП РП-1 РП-2 РП-3	0,7–0,8 0,8–0,85 0,85–0,9	907 907 907	635–726 726–771 771–816	980–990 980–990 980–990	–0,35 –0,35 –0,35	60–70 80–90 60–70	3,0–3,2 2,9–3,2 3,3–3,5	0 0 0	300 300 300	1,05–1,1 1,1–1,15 1,0–1,05
Гранулит Т	0,75–0,8	886	709–797	969	–0,33	50–60	3,0–3,2	0	>600	1,03–1,06
Гранулит ПМ	0,8–0,85	1092	874–928	896	–0,12	40–60	3,1–3,3	0	>450	0,9–1,0
Гранулит ПФ	0,78–0,82	1030	803–845	893	–0,32	50–60	2,9–3,2	0	493	0,95–1,0
Амметол тип 1 тип 2	0,78–0,81 0,78–0,82	1056 1083	824–855 845–888	874 854	–0,25 –0,17	40–50 40	3,0–3,3 3,2–3,5	0 0	493 493	0,95–1,0 0,93–0,98
Граммотол-5 -10 -15 -20	0,75–0,8 0,75–0,85 0,75–0,85 0,75–0,85	924 947 963 980	693–739 710–758 722–819 735–833	955 938 926 914	–0,12 –0,42 –1,45 –2,47	50 50 40–50 40	3,0–3,3 3,2–3,4 3,3–3,5 3,4–3,7	4–16 4–16 4–16 4–16	290 290 290 245	1,05–1,1 1,0–1,05 0,95–1,0 0,9–0,95
Гексонит П тип 2 тип 3 тип 4	0,8-0,85 0,75-0,85 0,7-0,8	988 957 929	790–840 716–813 650–743	943 954 963	–0,2 –0,32 –0,07	<40 <50 <60	3,3–3,5 3,2–3,4 3,1–3,3	0 0 0	>300 >300 >300	0,85–0,9 0,95–0,98 1,0–1,02

Таблица 3.9. Основные взрывотехнические характеристики водосодержащих ВВ

Наименование наименование ВВ	Переводной коэффициент ВВ	Теплота взрыва, ккал/кг	Концентрация энергии, ккал/дм3	Плотность, г/см3	Скорость детонации, км/с
Граммонит РЗ-30	1,19	862	1207	1,35–1,40	4,5–5,0
Акватол М-15	0,76	1470	1660	1,35–1,40	4,8–5,8
Акватол Т-20М	1,16	890	1380	1,5–1,6	4,6–5,0
Акватол Т-20 (ифзаниты Т-20, Т-60, Т-80)	1,16	890	1340	1,5–1,6	4,6–5,0
Ифзанит Т-40	1,15	880	1300	1,38–1,40	4,8–5,0
ГЛТ-20	1,15	880	1320	1,40–1,45	4,9–5,0
Акванал (ипконит)	0,97	1062	1460	1,40–1,45	3,8–4,6
Карбатол ГЛ-10В	0,8	1360	2108	1,55–1,60	4,5–5,1
Карбатол ГЛ-15Т	1,2	820	1230	1,4–1,6	4,5–4,8
Акванит КТ-Х	1,16	840	1260	1,45–1,50	5,0–5,5

В качестве окислителей в них наиболее часто используют аммиачную селитру отдельно или в смеси с другими селитрами. При этом оптимальное содержание окислителя в смеси составляет 60–85 %, а воды 8–16 %. Жидким горючим веществом в смесях обычно являются органические виды топлива (минеральные масла, дизельное топливо и т.д.) или их смеси. Оптимальным является содержание 3–7 % жидкого горючего. Для повышения энергетических характеристик в составы эмульсионных ВВ иногда добавляют твердое горючее: серу, алюминиевый порошок.

Для распределения мелких капелек раствора окислителя, имеющих размеры от десятых долей до 1–10 мкм, в непрерывной фазе жидкого горючего применяют эмульгаторы. Наиболее эффективными эмульгаторами являются эфиры сорбита и жирных кислот (стеариновой, олеиновой).

Благодаря тонкому диспергированию и большой поверхности контакта между окислителями и горючим эмульсионные ВВ способны без какой-либо другой сенсибилизации, кроме аэрирования, детонировать от мощного промежуточного детонатора.

Следует отметить, что эмульсии имеют повышенную взрывчатую способность, поскольку обе фазы у них жидкие, а дисперсные капельки раствора нитрата на несколько порядков меньше по величине, чем размеры частиц других взрывчатых веществ, кроме индивидуальных ВВ. Изменение размеров частиц от твердых гранул АС-ДТ до микрокапелек взрывчатой эмульсии приводит к росту скорости детонации с 3,2 до 5–6 км/с.

Главным образом это связано с увеличенным поверхностным контактом окислителя – горючего, что в свою очередь приводит к повышению эффективности реакции взрывчатого разложения смеси. При этом скорость детонации можно регулировать путем изменения степени смешения горючего и окислителя.

Вязкость и плотность взрывчатой эмульсии определяют обычно по физическим характеристикам органической горючей фазы, которая может быть представлена углеродистыми соединениями от тяжелого жидкого топлива до вязких восков.

В отличие от водосодержащих смесей эмульсии не загущаются и не желатинизируются.

Водоустойчивость эмульсионных ВВ выше, чем суспенизированных и водно-гелевых из-за того, что каждая капелька раствора окислителя покрыта тонкой пленкой жидкого горючего, предохраняющей от контакта с внешней водой и разбавления ею.

Перспективными направлениями в производстве ВВ являются изготовление концентрированных взрывчатых смесей из эмульсионных ВВ, аммиачной селитры и дизельного топлива, смешанных таким образом, чтобы эмульсия заполняла межгранульное пространство. В результате получают (отечественная торговая марка «Гранэмиты») взрывчатые составы, обладающие повышенной объемной концентрацией энергии, более высокой водоустойчивостью и меньшей стоимостью, чем собственно эмульсионные ВВ. Изменяя соотношение между отдельными компонентами, по данным компании «Амакс Коул Ко», можно оптимизировать размеры сетки скважин и увеличивать выход взорванной породы с одной скважины.

Отечественная промышленность освоила выпуск патронированных эмульсионных ВВ, которые могут быть использованы в качестве промежуточных детонаторов и для разрушения негабарита.

Взрывотехнические характеристики эмульсионных ВВ приведены в таблицах 3.10–3.11.

Наличие в России большой массы боеприпасов и твердотопливных ракет, которые вследствие значительного срока хранения потеряли свои боевые качества, заинтересовало специалистов в области производства промышленных ВВ. За последние годы разработаны и допущены к применению на горных предприятиях ВВ, изготовленные из утилизированных взрывчатых материалов (табл.3.12).

Таблица 3.10. Основные взрывотехнические характеристики эмульсионных ВВ

Наименование ВВ	Переводной коэффициент ВВ	Теплота взрыва, ккал/кг	Концентрация энергии, ккал/дм	Плотность, г/см3	Скорость детонации, км/с
Порэмит 1 ИМ-Н	1,49	689	861	1,25	4,9–5,2
Порэмит 1 ИМ-К	1,49	693	865	1,25	4,9–5,2
Порэмит 1 МТ-Н	1,45	709	885	1,25	4,9–5,2
Порэмит 1 МТ-К	1,42	726	908	1,25	4,9–5,2
Порэмит 1А	1,43	720	900	1,20	4,9–5,1
Порэмит М-4А	1,18	870	1130	1,30	4,8–5,1
Порэмит М-8А	0,99	1040	1400	1,35	4,9–5,3
Порэмит МК-8К	1,13	910	1230	1,35	4,8–5,2
Порэмит МК-8КА	1,14	900	1170	1,30	4,85,1
Гранэмит 30/70	1,29	800	1080	1,35	4,9–5,2
Гранэмит 50/50	1,23	835	1170	1,40	4,8–5,2
Гранэмит 70/30	1,18	870	1130	1,30	3,5–4,0
Сибирит 1000ИГ	1,41	729	911	1,20	4,8–5,4
Сибирит 2000ИГ	1,65	625	751	1,20	4,8–5,8
Эмулин Т	1,21	850	-	1,25	2,9–3,2
Эмулин П	1,21	850	-	1,10	3,0–3,6

Данные таблицы 3.12 свидетельствуют о том, что большинство таких ВВ обладают повышенной скоростью детонации и удельной мощностью по сравнению с аммонитом 6ЖВ, являющемся эталонным взрывчатым веществом.

К числу промышленных ВВ следует отнести и пороха. Они представляют собой твердые многокомпонентные системы, содержащие горючие вещества и окислители.

В горной промышленности применяют специально выпускаемый «минный порох», который является разновидностью дымного пороха и представляет собой зернистую массу с величиной зерен от 1,5 до 8,5 мм. Плотность действительная – 1,6–1,75 г/см³, насыпная – 0,9–1,0 г/см³.

Дымный порох состоит из калиевой селитры, древесного угля и серы. Его взрыв воздействует на массив горных пород менее жестко, чем взрыв бризантных ВВ. Поэтому этот порох применяют, главным образом, при добыче блоков облицовочного камня, а также для изготовления огнепроводных шнуров.

Таблица 3.11. Взрывотехнические характеристики патронированных эмульсионных ВВ

Наименование ВВ	Переводной коэффициент ВВ	Диаметр патронов, мм	Теплота взрыва, ккал/кг	Масса ВВ в патроне, кг	Плотность ВВ в патроне, г/см3	Скорость детонации, км/с
Порэмит ПГА -1	1	45, 60, 90	1025	1,0; 1,9; 4,3	1,4–1,6	5,0–6,0
Порэмит 5А, 1	1,06	90, 120, 180	975	3,5; 6,5; 15,0;	1,2–1,3	3,5–4,8
Порэмит 10А, 1	1,06	120, 180	975	6,5; 15,0	1,2–1,3	3,5–4,8
Порэмит ПП-1,11	1,42	32, 36, 45, 60, 90	725	0,2; 0,3; 0,5; 1,6; 3,6	1,1–1,25	3,5–4,2
Порэмит ПГ-4А	1,18	32, 36, 45	875	0,2; 0,3; 0,5	1,1–1,25	3,6–4,4
Порэмит ПГ-8А, II	1,06	32, 36, 45, 60,90	975	0,2; 0,3; 0,5; 1,6; 3,6	1,1–1,25	3,6–4,8
Эмульсолит П-Г	0,93	90, 120	1111	6,5; 10,0	1,3–1,4	4,2–4,8
Эмульсолит П-А-20	0,76	30, 120	1353	6,5; 10,0	1,3–1,4	4,8–5,0

Бездымные пороха изготавливают из нитратов целлюлозы с различным содержанием азота путем растворения их во взрывчатых и невзрывчатых растворителях. В состав таких порохов вводят пламегасящие добавки.

Различают пироксилиновые и нитроглицериновые пороха. Первые получают обработкой нитрата целлюлозы летучим растворителем, а вторые – слаболетучим нитроглицерином. Высокой детонационной способностью, особенно в воде, обладают пироксилиновые пороха.

Перечнем промышленных ВВ допущен к применению только дымный порох [26]. Для использования бездымного пороха нужны отдельные постановления Ростехнадзора.

Таблица 3.12. Взрывотехнические характеристики ВВ, разработанных из утилизируемых взрывчатых материалов

Наименование ВВ	Теплота взрыва, ккал/кг	Температура вспышки, °С	Плотность, г/см3	Скорость детонации, км/с	Переводной коэффициент ВВ
Тротил У	931	295–305	0,7–0,8 (насыпная)	5,0–5,5	1,1
Граммонит 30/70	899	315–320	0,8–0,9 (насыпная)	3,8–4,5	1,15
Граммонит 40/60	894	320–325	0,8–0,9 (насыпная)	3,7–4,4	1,15
Альгетол-15	ИЗО	210	0,9–1,0 (насыпная)	4,6	0,91
Альгетол-25	1190	210	0,9–1,0 (насыпная)	4,8	0,87
Альгетол-35	1190	210	0,9–1,0 (насыпная)	5,0	0,87
Эмульсен-Г	1024	230–240	1,45–1,48	5,4–6,0	1,0
Эмульсен-П	764	190	1,5	5,2–5,6	1,35
Гельпор-1	900	170–185	1,3–1,4	5,0–5,2	1,14
Гельпор-2	1000	175–185	1,3–1,4	4,5–5,3	1,03
Гельпор-3	850	170–185	1,3–1,4	5,1–5,3	1,21
Поротол	925	170–180	1,5	6,5	1,11
Гранипор ППФ	820	180–190	0,8–0,9	5,5-6,3	1,26

Согласно динамике потребления промышленных ВВ на территории России в 2003-2004 г.г. ведущее место (59 %) занимают ВВ, изготовленные на местах применения, в том числе: эмульсионные – 23,8 %, гранулированные безтротиловые – 23,7 %, водосодержащие ВВ – 11,5 %. Из ВВ заводского изготовления наиболее востребованы гранулированные тротилосодержащие неводостойкие ВВ (граммониты) – 20,4 %. Доля остальных групп ВВ в общем потреблении значительно меньше: гранулированные безтротиловые – 6 %, порошкообразные – 3,8 %, гранулированные тротилосодержащие водоустойчивые – 10,1 %, предохранительные – 0,7 %.

На ряде крупных горнодобывающих предприятий введены в строй собственные производства эмульсионных ВВ на основе отечественных или зарубежных технологий. Подобная ситуация обусловлена не только снижением затрат на взрывные работы, но и стремлением существенно повышать безопасность и эффективность взрывных работ в различных отраслях.

Для сравнительной оценки эффективности различных ВВ используют переводной коэффициент, представляющий собой отношение полной идеальной работы взрыва эталонного (аммонит 6ЖВ, граммонит 79/21) и сравниваемого ВВ.

Для выбора конкурентоспособных взрывчатых материалов, из числа которых будет выбран экономически наиболее целесообразный, можно также воспользоваться рекомендациями Р. Густаффсона: «Разрушение массива возможно только в том случае, если скорость детонации ВВ превышает скорость распространения продольных волн в массиве».

Большинство бризантных ВВ обладают пониженной чувствительностью. Для создания мощного первичного импульса в скважинных зарядах используют промежуточные детонаторы. Ими могут служить стандартные патроны аммонита или другого ВВ, специально изготовленные шашки-детонаторы – заряды стандартных форм и размеров.

Марку шашки – детонатора обычно обозначают буквами и числом. Буквы указывают наименование ВВ, а число – его массу. К постоянному применению в России допущены 15 наименований шашек-детонаторов [26]. Характеристика наиболее часто применяемых из них приведена в таблице 3.13.

В большинстве случаев для инициирования скважинного заряда достаточно одной шашки-детонатора массой 400–500 г. При взрывании зарядов из гранулотола или алюмотола общая масса промежуточного детонатора должна быть увеличена до 800–1000 г.