BÀI 2 CHẤT nổ và một số đặc điểm cơ bản của nó

Khi nổ thuốc nổ, tốc độ phản ứng ôxy hóa xảy ra cực kỳ nhanh, hàng ngàn m/s, năng lượng giải phóng được tập trung cao trong thể tích nhỏ, không kịp phân tán ra môi trường xung quanh, nhờ

BÀI 2 CHẤT NỔ VÀ MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA NÓ

2.1 Chất nổ (thuốc nổ)

2.1.1 Khái niệm:

Chất nổ (thuốc nổ) là hợp chất hóa học hoặc hỗn hợp cơ học của nhiều chất

mà dưới tác dụng của các xung lực từ bên ngoài (va đập, ma sát, nhiệt ) có thể gây ra nổ

Trong thực tế có nhiều loại chất có khả năng gây ra hiện tượng nổ khi có những tác động đủ lớn từ bên ngoài

Ví dụ: hỗn hợp Mêtan + không khí với hàm lượng từ 3 ÷ 5 %

Hỗn hợp Axêtylen + Không khí

Các loại thuốc nổ thông thường như: TNT, AH1,AĐ1…

2.1.2 Các đặc điểm nổ của thuốc nổ:

Đa số các thuốc nổ, khi nổ xảy ra quá trình ôxy hóa các nguyên tố cháy là Hyđrô và Các bon để tạo thành nước và CO2, hoặc CO Khác với quá trình cháy của vật chất bình thường, ôxy được cung cấp để thực hiện phản ứng ôxy hóa từ không khí Khi nổ thuốc nổ ôxy được lấy trực tiếp trong thành phần thuốc nổ, nên

nổ thuốc nổ có các đặc điểm sau:

- Đặc điểm thứ nhất:

Tốc độ xảy ra cực kỳ nhanh Đây là đặc điểm quyết định của thuốc nổ Khi nổ thuốc nổ, tốc độ phản ứng ôxy hóa xảy ra cực kỳ nhanh, hàng ngàn m/s, năng lượng giải phóng được tập trung cao trong thể tích nhỏ, không kịp phân tán ra môi trường xung quanh, nhờ đó tạo lên sự chênh lệch rất lớn về áp suất và nhiệt độ Như vậy thuốc nổ có công suất rất lớn biểu thị bằng số năng lượng giải phóng trên một đơn vị thời gian rất lớn

Ví dụ: - Khi nổ, thuốc nổ giải phóng ra năng lượng : 1000Kcal/Kg với tốc độ

Ví dụ: Nổ thuốc nổ TNT: sinh ra 1000Kcal/kg, PENT: 1400Kcal/kg

- Đặc điểm thứ 3:

Sinh ra nhiều khí Đây là đặc điểm cần thiết của thuốc nổ, khi nổ thuốc nổ sinh ra lượng lớn các chất khí gọi là sản phẩm khí nổ, từ 600 ÷ 1000l/kg(ở điều kiện tiêu chuẩn: 00C và 760mmHg) Các chất khí gặp nhiệt độ cao sẽ giãn nở rất nhanh, tạo lên áp suất lớn Khi lượng khí này giảm áp sẽ có sự biến đổi nhanh chóng từ thế năng sang động năng và công cơ học phá vỡ môi trường xung quanh.

Ba đặc điểm nổ thuốc nổ có sự liên quan mật thiết với nhau, thúc đẩy nhau Nếu thiếu một trong ba đặc điểm trên sẽ không tạo thành hiện tượng nổ hóa học được.Vì vậy có thể gọi quá trình nổ thuốc nổ là:

- Sự tập trung năng lượng thể tích cao

- Tốc độ chuyển hóa lớn

- Qúa trình phát nhiệt lớn

- Các sản phẩm khí tạo thành lớn

2.1.3 Các dạng biến đổi hóa học của thuốc nổ:

Thuốc nổ có đặc điểm chung là biến đổi hóa học với phản ứng ôxy hóa Trong thực tế, tùy theo tốc độ biến đổi hóa học nhanh hay chậm, đặc tính lan truyền và tác động tới môi trường khác nhau, mà phân biệt ra các dạng biến đổi hóa học của thuốc nổ như sau:

- Sự nổ thuốc nổ: Có đặc trưng là tốc độ ôxy hóa xảy ra cực kỳ lớn, đến hàng

ngàn m/s Ví dụ: TNT nổ với tốc độ: 7000 m/s

TEN nổ với tốc độ: 8000 m/s

Sự nổ lan truyền và ổn định tốc độ nhờ sóng xung kích (sóng va đâp, sóng nén) ít phụ thuộc vào áp suất bên ngoài Với mỗi loại thuốc nổ và đường kính nhất định thì tốc độ lan truyền sóng nổ là không đổi, nó được duy trì bằng chính năng lượng nổ của các lớp thuốc nổ kế tiếp khi phản ứng

Trong trường hợp đặc biệt, do một nguyên nhân hoặc điều kiện nào đó, năng lượng nổ không đủ để duy trì tốc độ nổ, mà giảm dần và đến một giới hạn

nào đó sẽ chuyển thành cháy

Khi cháy trong điều kiện kín với khối lượng lớn nhiệt và khí sinh ra không được giải phóng; các chất khí dưới áp suất cao, ép sát vào bề mặt cháy, làm tốc độ

cháy tăng nhanh Để giảm tốc độ cháy phải có biện pháp thích hợp giảm áp suất và nhiệt độ môi trường.

- Sự nhiệt phân (phân hủy nhiệt):

Các thuốc nổ đều là chất kém bền vững, do vậy dễ dàng xảy ra hiện tượng phân hủy nhiệt Sự nhiệt phân được đặc trưng bởi tốc độ phản ứng ôxy hóa xảy ra với tốc độ rất chậm dưới nhiệt độ bùng cháy Trong điều kiện kín, khối lượng bị phân hủy nhiệt lớn, nhiệt sẽ bị tích tụ dần, thúc đẩy tốc độ phản ứng phân hủy nhiệt nhanh dần theo tốc độ tăng nhiệt độ, đến một giới hạn nào đó sẽ chuyển thành cháy hoặc nổ thuốc nổ

Trong các dạng biến đổi hóa học trên thì nổ thuốc nổ có hiệu quả khi sử dụng năng lượng của thuốc nổ để phá vỡ đất đá Phân hủy nhiệt có thể làm giảm chất lượng thuốc nổ hoặc gây cháy nổ kho trong quá trình bảo quản thuốc nổ

4 Các tính chất lý hóa và công nghệ của thuốc nổ:

* Tính chất lý học:

- Các thuốc nổ tồn tại ở các dạng rắn, dạng lỏng, dạng hạt, dạng bột, dạng hạt hoặc dạng keo, huyền phù…

- Đa số các thuốc nổ đều hút ẩm, ít tan trong nước nhưng tan trong các dung môi hữu cơ Các thuốc nổ có thành phần Nitrat Amôn thì hút ẩm mạnh và hòa tan trong nước

- Các thuốc nổ thường chịu được những nén ép nhất định, có thể chịu được lực nén tới 2000KG/cm2, vì vậy dễ dàng nén ép để định hình

- Tỷ trọng của thuốc nổ thường lớn hơn 1, trừ thuốc nổ ANFO có tỷ trọng 0,9 - 0,95

Ví dụ: Thuốc nổ TNT, tiếp xúc với kiềm mạnh có thể nổ ở nhiệt độ 800C

Fuminat Thủy ngân tiếp xúc với Axít Nitric thì bị phân hủy mạnh, khi tiếp xúc với axít Sunfuaric thì nổ

Thuốc nổ Nitrat Amôn, phân hủy mạnh với Sunfua, khi đó Nitrat Amôn sẽ phản ứng với Sunfua, sinh nhiệt và khí độc ôxít Nitơ Nhiệt độ ở trung tâm phản ứng đạt 11000C có thể gây cháy và nổ

- Các thuốc nổ đều dễ bị ánh sáng mặt trời phân hủy Thuốc nổ TNT khi gặp ánh sáng mặt trời sẽ chuyển từ màu vàng sang mầu nâu và độ nhậy nổ tăng lên.

- Nhiều thuốc nổ có khả năng tác dụng với Kim loại, tạo thành những chất mới

có độ nhậy cao hơn hoặc thấp hơn

Ví dụ: Azít chì tác dụng với đồng tạo thành chất kém nhậy hơn, do vậy kíp vỏ đồng không dùng thuốc nổ Azít chì

Fuminat Thủy ngân tác dụng với nhôm tạo thành chất mới nhậy hơn, do vậy kíp vỏ nhôm không dùng Fuminat Thủy ngân

* Tính chất công nghệ:

Trong quá trình tổ chức thi công các công tác nạp nổ mìn, thuốc nổ chịu nhiều các tác động khác nhau, có thể làm thay đổi tính chất của thuốc nổ Các tính chất công nghệ của thuốc nổ được đặc trưng bởi độ bền công nghệ Độ bền công nghệ

là khả năng của thuốc nổ giữ được chất lượng và các tính chất ban đầu của nó trong quá trình thực hiện các khâu công nghệ trong các điều kiện khác nhau: chuẩn

bị, vận chuyển và nạp

- Độ tơi: Là khả năng của thuốc nổ rơi tự do được qua lỗ tiêu chuẩn và chứa đầy trong thể tích kín xác định, thuốc nổ hạt có độ tơi, lớn hơn thuốc nổ bột, thuốc nổ bột mất tơi khi độ ẩm từ 1,2% ÷ 2%, cũng như bị nén, thuốc nổ hạt mất tơi khi độ ẩm ≥ 6%

Độ tơi có ý nghĩa rất lớn khi nạp thuốc nổ bằng cơ giới

- Tính phân tách: Là tính chất của loại thuốc nổ hỗn hợp trong quá trình nạp sẽ có những phân tử tự tách riêng ra, đặc biệt khi các phần tử đó có mật độ khác nhau

Ví dụ: Thuốc nổ Đinamôn bột khi sử dụng và nạp trong lỗ khoan sâu thẳng đứng ở lộ thiên, bột gỗ sẽ tách ra khỏi Amôn Nitrat tạo thành các lớp riêng biệt, không thể kích nổ hoặc duy trì kích nổ được

- Tính chảy: Là khả năng của thuốc nổ chứa nước, tự chảy ra khỏi thùng chứa

và dọc theo ống mềm dưới tác dụng của trọng lực hoặc áp lực dư.Tính chảy cao, hiệu quả nạp bằng cơ giới cao Tính chảy phụ thuộc vào nhiệt độ, thời hạn bảo quản và độ đặc ban đầu của thuốc nổ

- Tính hút ẩm: Là khả năng bị ẩm khi hấp thụ hơi nước từ không khí hoặc khi đưa nước vào thành phần của thuốc nổ Tính hút ẩm của thuốc nổ nhóm Nitrát Amôn phụ thuộc chủ yếu bởi tính hút ẩm của Nitrát Amôn Tính hút ẩm liên quan tới tính đóng cục và chất lượng của thuốc nổ

- Độ ổn định với nước: Là khả năng của thuốc nổ chống lại sự xâm nhập của nước vào lượng thuốc và khả năng ổn định kích nổ Với các dạng thuốc nổ khác nhau có khả năng ổn định khác nhau:

+ Đối với thuốc nổ dạng bột: độ ổn định với nước được đánh giá theo trị số áp lực cột nước cần thiết để nước xâm nhập vào thuốc nổ trong khoảng thời gian nhất định.

+ Đối với thuốc nổ dạng hạt: được đánh giá bằng khả năng không bị hòa tan và

ổn định kích nổ trong trạng thái chứa đầy nước

+ Đối với thuốc nổ chứa nước: Được xác định bằng khả năng hòa tan, mất tính liên tục, độ ổn định tốt với nước tĩnh và thường bị giảm với lỗ có nước động đối với thuốc nổ chứa nước

- Tính chất bụi: Là khả năng của thuốc nổ tơi khi sử dụng hoặc vận chuyển bị nghiền nát, các phần tử nhỏ xâm nhập vào không khí Bụi lớn nhất là các loại thuốc

nổ bột Để chống bụi có thể làm ẩm thuốc nổ từ 2% ÷ 6%

- Tính đóng cục: Là khả năng của thuốc nổ mất tính tơi và chuyển thành khối dính đặc có độ bền Thuốc nổ đóng cục khó khăn cho nạp thuốc và chất lượng giảm Do vậy trước khi sử dụng phải làm tơi thuốc nổ đã đóng cục Thuốc nổ được coi là không đóng cục khi bóp tơi được bằng tay

- Tính dẫn điện: Là khả năng của các phân tử họat tính của thuốc nổ lơ lửng trong dòng khí bị nhiễm điện (tích tụ tĩnh điện), có khả năng xảy ra cháy nổ hỗn hợp các phân tử nhỏ với không khí

Điện trở của vật chất càng lớn, càng dễ nhiễm điện Thuốc nổ có khả năng nhiễm điện lớn là các chất chứa kim loại; Hecxogen, Trôtyl; kém nhất là thuốc nổ không có Trôtyl như ANFO

- Độ bền hóa học: Là khả năng của thuốc nổ không bị thay đổi tính chât hóa học trong thời gian dài bảo quản hoặc vận chuyển Các thuốc nổ nhóm Nitrat Amôn có độ bền hóa học cao, còn nhóm Nitrô este lỏng có độ bền hóa học kém

2.1.4 Các đại lượng đặc trưng cho tính năng của thuốc nổ

2.1.4.1 Độ nhạy của thuốc nổ

a Xung ban đầu:

Thuốc nổ là vật chất kém bền vững về hóa học, khi có các tác động từ bên ngoài có thể xảy ra nổ hóa học Tuy nhiên, không phải bất cứ các tác động nào cũng có thể gây ra nổ được Các thuốc nổ khác nhau cần có các tác động và năng lượng nhất định để kích nổ nó

Xung ban đầu là số năng lượng nhỏ nhất từ bên ngoài đủ để kích nổ cho một

loại thuốc nổ Các dạng xung ban đầu bao gồm được hình thành bới các yếu tố: cơ

năng; nhiệt năng, sóng xung kích, sóng phát xạ, hóa năng )

b Độ nhạy của chất nổ:

Độ nhạy của thuốc nổ là khả năng chống đỡ lại các tác động từ bên ngoài (xung ban đầu) bằng cách tự bùng cháy và nổ

Độ nhậy có tính lựa chọn; các thuốc nổ khác nhau thích hợp với các xung ban đầu khác nhau; Ví dụ: TNT thích hợp (nhạy nổ) với sóng xung kích, đốt chỉ cháy khó nổ.

Thuốc nổ đen rất nhạy với tia lửa

* Các yếu tố ảnh hưởng tới độ nhậy: Độ nhậy của thuốc nổ thường không ổn định mà thay đổi theo từng trạng thái, điều kiện vật lý và hóa học khác nhau

- Độ nhậy phụ thuộc vào cấu tạo hóa học của thuốc nổ: Các thuốc nổ có cấu tạo hóa học khác nhau thì sẽ có độ nhậy khác nhau Sự khác nhau này là do liên kết hóa học giữa các nguyên tử trong phân tử thuốc nổ khác nhau Các liên kết nguyên

tử trong phân tử thuốc nổ càng kém bền vững thì thuốc nổ đó càng nhậy

- Độ nhậy phụ thuộc vào trạng thái vật lý của thuốc nổ: Các thuốc nổ khác nhau hoặc cùng một loại thuốc nổ ở các trạng thái vật lý khác nhau có độ nhậy khác nhau

+ Thuốc nổ ở trạng thái lỏng nhậy hơn trạng thái rắn

+ Thuốc nổ nén ép nhậy hơn ở trạng thái đúc

+ Thuốc nổ chưa hóa keo nhậy hơn đã hóa keo

+ Ở nhiệt độ cao nhậy nổ hơn nhiệt độ thấp

+Thuốc nổ khô nhậy hơn thuốc nổ ẩm

+ Thuốc nổ mạnh độ nhậy tăng khi mật độ tăng

+ Thuốc nổ yếu độ nhậy giảm khi mật độ tăng

+ Thuốc nổ dạng bột mịn nhậy hơn nổ dạng thô

+ Thuốc nổ hạt sắc cạnh nhậy hơn hạt tròn trơn

* Ý nghĩa của độ nhạy:

+ Khi nghiên cứu độ nhậy và xác định nó nhằm hạn chế và khai thác độ nhậy hợp lý trong từng công đoạn sản xuất thuốc nổ và phương tiện nổ

+ Đưa ra các quy định, quy trình, tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn trong quá trình bảo quản, vận chuyển và sử dụng vật liệu nổ công nghiệp đảm bảo chất lượng, an toàn

+ Lựa chọn phương tiện nổ phù hợp, tổ chức kỹ thuật nạp nổ hợp lý đảm bảo khi kích nổ thuốc nổ giải phóng năng lượng tối đa, từ đó sử dụng có hiệu quả năng lượng nổ của thuốc nổ

Tuy nhiên để xác định độ nhậy với so với sóng nổ, người ta sử dụng các kíp có cường độ nổ lớn dần từ số 1 đến số 10, kíp nào khởi nổ hoàn tòan thì số kíp đó được chọn tương ứng với độ nhậy độ nhậy của thuốc nổ.

+ Độ nhậy va đập: Được xác định trên dụng cụ đặc biệt (hình 2.1)

Hình 2-1 Sơ đồ xác định độ nhậy va đập.

Dùng 0,05g chất nổ, đặt giữa 2 bi thép, cho tải trọng có khối lượng nhất định rơi từ độ cao xác định xuống Tuỳ theo loại thuốc nổ mà sử dụng tải trọng có khối lượng G và độ cao H khác nhau

Cách đánh giá: Tìm năng lượng tối đá G x H để không làm nổ lần nào, hoặc để làm nổ một lần

+ Tìm năng lượng tối thiểu để 100% nổ trong nhiều lần thử

+ Xác định tần suất nổ: Giữ nguyên năng lượng G x H xác định tỷ lệ % số lần làm nổ thuốc nổ

+ Độ nhậy với xung nhiệt: được xác định bằng nhiệt độ bùng cháy Dùng 0,5g thuốc nổ trong ống nghiệm và đặt vào dung dịch có điểm sôi với nhiệt độ lớn, nâng dần nhiệt độ của dung dịch với tốc độ 50C/phút Khi thuốc nổ bùng cháy, dùng nhiệt kế để xác định nhiệt độ của dung dịch, đó là nhiệt độ bùng cháy của thuốc nổ Bảng 2-1 giới thiệu đặc tính nhậy của một số thuốc nổ

Bảng 2-1 Đặc tính nhậy của một số loại thuốc nổ

Loại thuốc nổ Nhiệt độ bùng

3

4

1- Bi thép 2- Mâm cặp

a Cơ sở lý thuyết kích nổ thuốc nổ:

Từ một điểm của khối thuốc nổ, được một kích thích thích hợp (xung ban đầu)

sẽ xảy ra chuyển hóa dưới dạng nổ Theo thuyết thủy động học thì nguyên nhân của sự kích nổ là do lan truyền sóng va đập trong khối thuốc nổ làm:

- Thuốc nổ bị sóng va đập đẩy cực mạnh, giữa các lớp thuốc nổ có sự chuyển động chảy nhớt, giữa các lớp có ma sát

- Các tinh thể hay hạt thuốc nổ cọ sát với nhau

- Các ổ khí trong khối thuốc nổ bị nén đoạn nhiệt

Sóng va đập gây ra áp lực, nhiệt độ và mật độ thuốc nổ thay đổi tăng vọt làm phản ứng xảy ra theo các lớp mỏng, quá trình được phát triển, duy trì bởi các phản ứng liên tục của các lớp thuốc nổ

Sóng va đập có vùng nén rất nhỏ (với Hecxôgen là 10-6 cm) và sóng ở gần vùng nén gọi chung là sóng kích nổ (sóng xung kích) Khi sóng va đập kích nổ hết khối thuốc nổ, năng lượng không được duy trì thì biên độ sóng giảm rất nhanh và trở thành sóng đập không khí và sóng âm khi ra ngoài không khí

Sóng đập khác sóng âm những điểm sau (hình 2-2)

- Tính độc biên và không đối xứng của biên độ áp lực

- Tốc độ lan truyền phụ thuộc vào độ lớn của biên độ

- Sự dịch chuyển của môi trường do sự dịch chuyển của mặt sóng

- Áp lực, mật độ và nhiệt độ thay đổi tăng vọt

Hình 2-2 Cấu tạo của sóng đập và sóng âm.

Nếu trong lượng thuốc sóng đập không được duy trì, có biên độ dưới giá trị giới hạn kích nổ thì nó sẽ lan truyền trong khối chất nổ như trong môi trường

• Tốc độ nổ của thuốc nổ:

Từ lý thuyết về kích nổ thuốc nổ có thể khái niệm về tốc độ nổ như sau: Tốc

độ nổ là tốc độ của sóng kích nổ lan truyền trong khối thuốc nổ làm chuyển hóa toàn bộ khối thuốc nổ dưới dạng nổ

Tốc độ nổ là ổn định đối với mỗi loại thuốc nổ và điều kiện nổ nhất định

2 Khả năng công nổ của thuốc nổ:

Khả năng công nổ là khả năng phá vỡ môi trường khi nổ thuốc nổ Khả năng công nổ phụ thuộc vào thể tích khí nổ, nhiệt lượng nổ và tốc độ kích nổ Do vậy khả năng công nổ là giá trị tương đối phản ánh khả năng phá vỡ môi trường của thuốc nổ Khả năng công nổ ký hiệu là e, đơn vị là cm3 Có nhiều phương pháp để xác định khả năng công nổ:

* Phương pháp xác định khả năng công nổ bằng nổ trong bom chì của Torausle Phương pháp này đơn giản và được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, nội dung được thể hiện trong hình (2 - 12)

1- Mẫu chì trước khi nổ 2- Mẫu chì sau khi nổ

Hình 2-12 Xác định khả năng công nổ của chất nổ trên mẫu chì.

Bom chì có dạng hình trụ Φ200 x 200mm, chính giữa có lỗ Φ25 x 125mm Dùng 10g thuốc nổ cần xác định khả năng công nổ, gói vào vỏ giấy Φ 24 mật độ 1g/cm3, lắp kíp và lắp vào lỗ bom chì, phía trên đổ đầy cát khô Sau khi nổ bom chì

bị phình ra dạng quả lê Khi đó khả năng công nổ được xác định:

Trong đó: V2- Là thể tích lỗ bom chì sau khi nổ, được đo bằng nước và dụng cụ đo

V1- Là thể tích của bom chì trước khi nổ V1 = 60 cm3

30- Là thể tích mở rộng của bom chì do kíp có cường độ nổ K8 tạo ra

Căn cứ vào khả năng công nổ A để lựa chọn loại thuốc nổ để nổ mìn phù hợp với tính chất cơ lý của đất đá và để chuyển đổi thuốc nổ sử dụng theo hệ số chuyển đổi:

A’- Khả năng công cổ của thuốc nổ thay thế

Khi đó lượng thuốc nổ được tính lại trên cơ sở tiêu hao thuốc nổ thực tế

2.1.4.3 Sức công phá của thuốc nổ: (Uy lực, mãnh lực).

Sức công phá của thuốc nổ là khả năng nghiền nát đất đá (hay các đối tượng khác) kề sát lượng thuốc hoặc cách nó một khoảng nhỏ hơn 2 -3 lần bán kính lượng thuốc khi nổ Sức công phá phụ thuộc vào tốc độ kích nổ và mật độ thuốc nổ

Có nhiều phương pháp xác định sức công phá, phổ biến nhất hiện nay là sử dụng phương pháp nổ trên trụ chì của Hec

Phương pháp được mô tả ở hình 2-14

3- Tấm thép 4- Lượng thuốc nổ

7- Dây chằng

8- Mẫu chì sau khi nổ

Hình 2-14 Thử sức công phá của thuốc nổ.

Dùng một trụ chì dẻo Φ40 x 60, phía trên đặt một tấm thép Φ41 x 10 trên tấm thép đặt lượng thuốc nổ thí nghiệm với khối lượng 50 g trong vỏ giấy Φ40 mật độ 1g/m3

Kíp điện cường độ nổ K8 để sâu trong thuốc nổ 15 mm tất cả đặt trên đế thép, dùng dây chằng buộc lại để đảm bảo cân bằng

654

72

13

8