Nghiên cứu xây dựng mô hình máy tính dự đoán thành phần sản phẩm nổ và các thông số quan trọng khác của thuốc nổ công nghiệp

Trong lĩnh vực nghiên cứu tổng hợp thuốc nổ mới hay thiết kế đơn thành phần thuốc nổ hỗn hợp, việc xác định các đặc trưng năng lượng của thuốc nổ thành phần sản phẩm nổ, nhiệt lượng nổ,

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN NGỌC HIỂN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY TÍNH DỰ ĐOÁN THÀNH PHẦN SẢN PHẨM NỔ VÀ CÁC THÔNG SỐ QUAN TRỌNG

KHÁC CỦA THUỐC NỔ CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành : Kỹ thuật Hóa học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

1 Những nội dung trong Luận văn do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của

02 Thầy giáo là TS Nguyễn Văn Xá - Đại học Bách khoa Hà Nội và TS Đàm Quang Sang – Học viện Kỹ thuật Quân sự

2 Kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực, chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới TS Nguyễn Văn Xá - Đại học Bách khoa Hà Nội và TS Đàm Quang Sang – Học viện Kỹ thuật Quân sự là hai Thầy giáo đã giao đề tài, trực tiếp chỉ bảo kiến thức chuyên môn, định hướng nghiên cứu cho tôi

và hơn hết là truyền cho tôi lòng đam mê khoa học và tinh thần tự giác trong học tập và nghiên cứu Tạo điều kiện, giúp đỡ tôi thực hiện luận văn trong điều kiện ở xa vẫn thực hiện nhiệm vụ chuyên môn trên đơn vị

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể cán bộ, giảng viênViện Hóa học – Đại học Bách khoa Hà Nội và tập thể cán bộ, giảng viên Bộ môn Thuốc phóng thuốc nổ - Khoa Vũ khí – Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tận tình giúp đỡ tôi, dạy tôi kiến thức mới, cho tôi nhiều lời khuyên bổ ích cũng như hỗ trợ rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn

Tôi gửi lời cảm ơn tới Thường vụ Đảng ủy, chỉ huy đơn vị và các anh chị em đồng nghiệp đang công tác tại Nhà máy Z113 – Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng đã cho phép, tạo điều kiện về thời gian, hỗ trợ kinh phí cho tôi được đi học cao học

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè, những người luôn bên tôi, giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận văn này

TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Ngọc Hiển

MỤC LỤC

CÁC KÝ HIỆU 5

LỜI NÓI ĐẦU 7

Chương 1 9

MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ THUỐC NỔ CÔNG NGHIỆP VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG NĂNG LƯỢNG NỔ CỦA THUỐC NỔ CÔNG NGHIỆP 9

1.1.TỔNG QUAN VỀ THUỐC NỔ CÔNG NGHIỆP 9

1.1.1 Thuốc nổ ANFO 9

1.1.2 Thuốc nổ ANFO chịu nước 10

1.1.3 Thuốc nổ chứa nước (Watergel/Slurry EXPLOSIVES) 10

1.1.4 Thuốc nổ nhũ tương (emulsion EXPLOSIVES) 11

1.1.5 Thuốc nổ ANFO nặng - nhũ tương dạng rời (heavy ANFO) 12

1.2.CÁC ĐẶC TRƯNG NĂNG LƯỢNG NỔ CỦA THUỐC NỔ 21

1.2.1 Công thức phân tử của chất nổ, cân bằng oxi 21

1.2.2 Thành phần sản phẩm nổ và thể tích riêng sản phẩm khí 22

1.2.3 Nhiệt lượng nổ và nhiệt độ nổ 24

1.2.4 Áp suất nổ 27

1.2.5 Tốc độ nổ 27

1.2.6 Đường kính giới hạn và đường kính tới hạn của liều nổ hình trụ 27

1.2.7 Khả năng sinh công của thuốc nổ 28

1.3.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG NĂNG LƯỢNG NỔ CỦA THUỐC NỔ 29

1.3.1 Phương pháp Avakian 29

1.3.2 Phương pháp Churbanov 33

1.3.3 Phương pháp Kamlet và Jacobs 34

1.3.4 Phương pháp L.R Rothstaine và R Petersen 35

Chương 2 37

TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT NỔ ỔN ĐỊNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NHIỆT ĐỘNG HỌC XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG NĂNG LƯỢNG NỔ CỦA THUỐC NỔ 37

2.1.MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA LÝ THUYẾT NỔ ỔN ĐỊNH 37

2.1.1 Lý thuyết thủy động lực học quá trình nổ ổn định 37

2.1.2 Các phương trình trạng thái áp dụng với sản phẩm nổ 40

2.2.PHƯƠNG PHÁP NHIỆT ĐỘNG HỌC CÂN BẰNG XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG NĂNG LƯƠNG NỔ CỦA THUỐC NỔ 42

2.2.1 Phương pháp xác định thành phần cân bằng hóa học của hệ dị thể đa cấu tử 42

2.2.2 Thuật toán xác định các thông số nổ của thuốc nổ 46

2.2.3 Đường kính tới hạn và đường kính giới hạn 53

Chương 3 56

CHƯƠNG TRÌNH MÁY TÍNH EXPLOSIVES DỰ ĐOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG QUAN TRỌNG CỦA THUỐC NỔ 56

3.1 GIAO DIỆN VÀ CÁC CHỨC NĂNG CỦA CHƯƠNG TRÌNH EXPLOSIVES 56

3.1.1 Thẻ “Lựa chọn cấu tử thuốc nổ” (hình 3.1) 56

3.1.2 Thẻ “Sản phẩm nổ & Thiết lập chế độ tính toán” (hình 3.2) 57

3.1.3 Thẻ “Kết quả tính” (hình 3.3) 58

3.2.CƠ SỞ DỮ LIỆU NHIỆT ĐỘNG CẤU TỬ THUỐC NỔ VÀ SẢN PHẨM NỔ 59

3.2.1 Cơ sở dữ liệu nhiệt động học các cấu tử thuốc nổ 59

3.2.2 Cơ sở dữ liệu nhiệt động học các cấu tử sản phẩm nổ 60

3.3.SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ NỔ THEO CHƯƠNG TRÌNH EXPLOSIVES VÀ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 60

3.3.1 So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm thông số nổ trên mặt phẳng C-J của một số loại thuốc nổ quân sự điển hình 61

3.3.2 So sánh kết quả tính toán với một số loại TNCN đang được sử dụng tại Việt Nam 66

KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC 77

PHỤ LỤC A: BÀI BÁO 77

PHỤ LỤC B: MÃ NGUỒN CHƯƠNG TRÌNH 78

CÁC KÝ HIỆU

, , ;  – các hằng số trong phương trình trạng thái BKW;

M – số nguyên tố hóa học trong thuốc nổ;

V – thể tích riêng của thuốc nổ;

X i – số mol của cấu tử thứ i sản phẩm nổ;

Y i – giá trị của Xi tại vòng lặp trước đó;

i,k – các phần tử trong ma trận thành phần nguyên tố của sản phẩm nổ (i = 1, , NT; k

G i – năng lượng tự do toàn phần của chất rắn;

'

s

F , E s', S s', E g' ,S g' - tương ứng là lượng bổ chính cho năng lượng tự do, enthalpy, entropy của chất rắn, enthalpy và entropy của chất khí do tính tới điều kiện thực;

E g – enthalpy toàn phần của các cấu tử khí;

E si – enthalpy toàn phần của cấu tử rắn thứ i;

MOLWT – khối lượng phân tử cấu tử rắn sản phẩm nổ;

AMOLWT – khối lượng phân tử sản phẩm nổ;

E tol – năng lượng toàn phần (cal/mol);

V tol – thể tích riêng mol toàn bộ sản phẩm nổ (cm3/g);

VPG – thể tích riêng của thuốc nổ (cm3/g);

E0 – nhiệt tạo thành của thuốc nổ ở 300 K từ các nguyên tố của thuốc nổ ở 0 K;

U s – tốc độ sóng xung kích;

U p – vận tốc hạt sản phẩm nổ sau mặt sóng nổ;

C v – nhiệt dung riêng (cal/g/K);

LỜI NÓI ĐẦU

Thuốc nổ công nghiệp có vai trò rất quan trọng trọng việc phát triển kinh tế Trong lĩnh vực nghiên cứu tổng hợp thuốc nổ mới hay thiết kế đơn thành phần thuốc nổ hỗn hợp, việc xác định các đặc trưng năng lượng của thuốc nổ (thành phần sản phẩm nổ, nhiệt lượng

nổ, tốc độ nổ, áp suất và nhiệt độ trên mặt sóng nổ, đường kính giới hạn, đường kính tới hạn, khả năng sinh công v.v…) đóng vai trò đặc biệt quan trọng vì các đặc trưng đó là yếu

tố quyết định tới khả năng ứng dụng sản phẩm trong thực tế

Hiện nay, người ta có thể xác định những thông số trên bằng phương pháp thực nghiệm, tuy nhiên việc tiến hành các thí nghiệm đó thực sự khó khăn, nguy hiểm và tốn kém do quá trình nổ diễn ra rất nhanh trong điều kiện nhiệt độ, áp suất cao, thành phần sản phẩm nổ đa dạng Ngoài ra, trong thực tế nghiên cứu còn thường xuyên vấp phải vấn đề nan giải là yêu cầu phải biết được các đặc trưng của thuốc nổ trong khi không thể xác định chúng bằng thực nghiệm do lượng mẫu tạo ra quá ít, thậm chí là chưa được tổng hợp (chỉ mới biết công thức hóa học) Ví dụ để xác định nhiệt lượng nổ cần lượng mẫu tối thiểu 10 g Chính vì vậy, trên thế giới phương pháp tính toán lý thuyết dự đoán các đặc trưng của thuốc

nổ đã được phát triển và sử dụng rộng rãi nhằm định hướng, tiết kiệm và tăng hiệu quả nghiên cứu (rút ngắn thời gian và chi phí)

Cho tới nay, số công trình nghiên cứu lý thuyết xác định các đặc trưng của thuốc nổ đã công bố khá nhiều và vẫn tiếp tục tăng thêm Tạm thời chúng ta có thể phân chia thành hai nhóm: nhóm phương pháp đơn giản [1-8] và nhóm phương pháp chính xác [9-11] Nhóm phương pháp đơn giản sử dụng các công thức thực nghiệm tương đối đơn giản nên kết quả nhận được không đầy đủ (chỉ đánh giá được một số đặc trưng của thuốc nổ) và độ chính xác không cao Bản chất của nhóm phương pháp thứ hai là xây dựng mô hình toán học phản ánh quá trình nổ ổn định của thuốc nổ theo lý thuyết cân bằng hóa học và lý thuyết thủy động lực học với giả thuyết gần với thực tế nên đã được phát triển và sử dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu nổ trên thế giới dưới dạng các chương trình máy tính như: TIGER, FORTRAN BKW, STRETCH BKW, RUPY, LA MINEUR, ARPEGE, EXPLO5

Ở nước ta, nhiều đơn vị đang tích cực triển khai đầu tư dây chuyền mới và nghiên cứu đơn pha chế sản xuất thuốc nổ công nghiệp dựa trên dây chuyền có sẵn (chủ yếu là thiết kế đơn thành phần thuốc nổ hỗn hợp) nhằm đáp ứng nhu cầu mới của thị trường Tuy nhiên, do

khó khăn tài chính nên các đơn vị vẫn chưa được trang bị đầy đủ hệ thống thiết bị thí nghiệm nên nhu cầu cần thiết là có chương trình máy tính trợ giúp nghiên cứu

Từ nhu cầu thực tế nêu trên, tác giả đề xuất luận văn với đề tài: “Nghiên cứu xây dựng mô hình máy tính dự đoán thành phần sản phẩm nổ và các thông số quan trọng khác của thuốc nổ công nghiệp”

Nội dung nghiên cứu:

 Lý thuyết tính thành phần cân bằng hóa học trên cơ sở nhiệt động học cân bằng;

 Lý thuyết thủy động lực học quá trình nổ ổn định;

 Các phương trình trạng thái áp dụng cho thành phần sản phẩm nổ dạng khí và dạng rắn được sử dụng phổ biến hiện nay;

 Thành lập thuật toán và xây dựng chương trình dự đoán một số đặc trưng năng lượng nổ cơ bản của thuốc nổ;

 So sánh đánh giá sự phù hợp giữa kết quả tính toán lý thuyết với số liệu thực nghiệm;

Chương 1

MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ THUỐC NỔ CÔNG NGHIỆP VÀ CÁC ĐẶC

TRƯNG NĂNG LƯỢNG NỔ CỦA THUỐC NỔ CÔNG NGHIỆP

1.1 TỔNG QUAN VỀ THUỐC NỔ CÔNG NGHIỆP

Thuốc nổ là những hợp chất hóa học hoặc hỗn hợp của chúng có khả năng biến đổi

hóa học tự lan truyền với tốc độ rất nhanh đồng thời tỏa nhiệt và tạo ra sản phẩm khí

Thuốc nổ có thể tồn tại ở trạng thái rắn, lỏng, khí, trong đó có cả dạng huyền phù, nhũ tương, dung dịch keo, dạng hạt lơ lửng chất rắn và lỏng trong chất khí Loại thuốc nổ được

sử dụng phổ biến nhất hiện nay có trạng thái rắn hoặc lỏng – thuốc nổ ngưng tụ

Thuốc nổ sử dụng trong quân sự hay trong công nghiệp được gọi tên tương ứng là

thuốc nổ quân sự và thuốc nổ công nghiệp Thuốc nổ công nghiệp có rất nhiều chủng loại

khác nhau, tuy nhiên cho đến nay chỉ có thuốc nổ trên cơ sở amoni nitrat [12, 13]: ANFO, amonit, watergel, nhũ tương, nhũ tương dạng rời v.v là được sử dụng phổ biến hơn cả nhờ tính kinh tế, an toàn (với con người và môi trường) và tiện lợi trong sản xuất, vận chuyển và

sử dụng (khả năng cơ giới hóa cao)

1.1.1 Thuốc nổ ANFO

ANFO là hỗn hợp của amoni nitrat (AN) dạng hạt xốp và dầu (FO) được sử dụng trong công tác nổ vào giữa những năm 1950 Tỷ lệ khối lượng giữa amoni nitrat và dầu FO thường được lấy là 94,5/5,5 Với tỷ lệ này, ANFO sẽ cho nhiệt lượng nổ cao, đồng thời giảm được hàm lượng khí độc do toàn bộ oxi được dùng để oxi hóa các nguyên tố cháy là C

và H

Từ khi ra đời cho đến nay, ANFO được sử dụng rất phổ biến vì những ưu điểm sau:

 Nguyên liệu phong phú và rẻ tiền, giá thành hạ;

 Chế tạo đơn giản (có thể thực hiện ngay tại bãi mìn);

 Sức công phá không quá thấp;

 Khi nổ tạo ra cỡ hạt đất đá đều;

 An toàn trong sản xuất, bảo quản và sử dụng;

 Dễ cơ giới hóa khâu nạp mìn;

 Không ô nhiễm môi trường

Bên cạnh những ưu điểm trên thì ANFO cũng có một số nhược điểm như:

 Không sử dụng được trong môi trường nước;

 Đối với đất đá có độ cứng cao thì nổ kém hiệu quả

 Thuốc nổ ALANFO

ALANFO là hỗn hợp của ANFO với bột nhôm Hàm lượng nhôm trong ALANFO thường dùng từ 10 – 15 % Nhờ có nhôm bên trong mà nhiệt lượng nổ của ALANFO cao hơn đáng kể so với ANFO Ví dụ, hỗn hợp chứa 9,9% nhôm, 87,6% amoni nitrat và 2,5% dầu FO có phản ứng biến đổi nổ như sau:

6NH4NO3 + (CH2) + 2Al = Al2O3 + 6N2 + 13H2O + CO2 + 1320 kcal/kg

Mật độ đong và khả năng chịu nước của của ALANFO tăng không đáng kể khi tăng hàm lượng nhôm Thực tế, khả năng chịu nước của ALANFO không tốt hơn so với ANFO

1.1.2 Thuốc nổ ANFO chịu nước

Để tăng khả năng chịu nước của ANFO, người ta đưa gel chịu nước vào thành phần thuốc nổ ANFO Lúc này các hạt ANFO sẽ được gel bao bọc hoàn toàn, khi ANFO gặp nước, lớp gel bền ngoài sẽ bị hydrat hóa thành lớp keo ngăn không cho nước xâm nhập vào bên trong hạt ANFO Gel chịu nước thường được chọn là một số loại gôm thực vật có khả năng hydrat hóa cao như gôm Guar Ngoài ra cũng có thể sử dụng natricacboxymetyl xenlulo hoặc polyacrylamid, tinh bột sắn, tinh bột khoai tây để làm chất tạo keo nhưng chúng không tốt bằng gôm Guar

Khi sử dụng gôm Guar làm chất tạo keo, người ta thường thêm vào muối canxi nitrat đóng vai trò chất oxi hóa nhằm bảo đảm gôm Guar sẽ không phải lấy oxi của ANFO, đồng thời tăng tỷ trọng của thuốc nổ Tỷ lệ ANFO và keo trong ANFO chịu nước được lấy là 94/6

1.1.3 Thuốc nổ chứa nước (Watergel/Slurry EXPLOSIVES)

Thuốc nổ chứa nước là hỗn hợp của muối nitrat (như amoni nitrat và natri nitrat), chất nhạy cháy (gồm cả thuốc nổ và chất không nổ) và một lượng nước khác nhau, ngoài ra người ta còn bổ sung thêm chất tăng nhạy Mặc dù chứa một lượng lớn amoni nitrat nhưng thuốc nổ chứa nước vẫn có khả năng chịu nước nhờ sử dụng gôm, sáp và các tác nhân liên kết Các chất nhạy cháy thường được sử dụng là: chất cháy cacbon, nhôm và các amin nitrat Chất tăng nhạy có thể là amoni bicromat

Dưới đây là thành phần của một loại thuốc nổ chứa nước sử dụng tinh bột sắn làm chất tạo gel:

Thuốc nổ chứa nước có ưu điểm nổi bật so với thuốc nổ amonit và ANFO đó là:

 Sử dụng hiệu quả trong môi trường ngập nước;

 Tỷ trọng nạp mìn cao, chất lượng nổ mìn tốt hơn (hiệu quả phá vỡ đất đá cao hơn);

 Phá đước các loại đất đá có độ cứng khác nhau;

 Thao tác nạp mìn đơn giản;

 An toàn trong sản xuất, bảo quản và sử dụng;

 Ít độc hại

1.1.4 Thuốc nổ nhũ tương (emulsion EXPLOSIVES)

Thuốc nổ chứa nước tuy có nhiều ưu điểm so với amonit nhưng vẫn còn nhiều nhược điểm là:

 Tính ổn định lý, hóa không cao;

 Trong thành phần có TNT nên ảnh hưởng xấu tới con người và môi trường;

 Độ an toàn chưa cao;

oxi hóa vô cơ (đóng vai trò là pha phân tán) và chất cháy dạng lỏng (đóng vai trò là pha nền) Tỷ lệ chất oxi hóa và chất cháy trong thuốc nổ nhũ tương xấp xỉ là 10:1

Chất oxi hóa thường dùng là: muối nitrat, clorat và perclorat của amoni, kim loại kiềm

và nguyên tố đất hiếm Trong đó phổ biến nhất là amoni nitrat hoặc hỗn hợp của nó với các muối nitrat khác Hàm lượng tối ưu của chất oxi hóa trong hỗn hợp là 60 – 85 %, còn nước chiếm 8 – 16 % Chất cháy lỏng là các loại nhiên liệu hữu cơ (dầu khoáng, sáp, diezen v.v ) hoặc hỗn hợp của chúng Hàm lượng tối ưu của chất cháy là 3 – 7 % Để tăng đặc trưng năng lượng, đôi khi người ta đưa vào thành phần thuốc nổ nhũ tương các chất cháy dạng rắn như: lưu huỳnh, nhựa đường cứng, bột nhôm Để phân bố mịn dung dịch chất oxi hóa có cỡ hạt từ phần mười tới 1- 10 m, trong pha nền người ta sử dụng chất nhũ hóa Chất nhũ hóa

là thành phần quan trọng của thuốc nổ nhũ tương bởi vì hiệu quả sử dụng của nó phụ thuộc vào độ ổn định nhũ tương kiểu “nước trong dầu” trong điều kiện tỷ lệ lệ tích của pha nền chỉ

là 5 – 7 % còn pha phân tán chiếm tới 93 – 95 % Chất nhũ hóa có hiệu quả nhất là các este axit béo (stearic, oleic), ngoài ra còn có este của glyxerin, các muối vô cơ của các ankylamin bậc cao

Để bảo đảm nhạy với kíp nổ, người ta đưa vào trong thành phần thuốc nổ nhũ tương – dùng trong lỗ khoan có đường kính không lớn - các phụ gia đặc biệt (muối tan trong nước của một số kim loại, TNT, TEN và các thuốc nổ khác) Hiện nay, người ta sử dụng vật liệu xốp tăng nhạy và các bóng khí nitơ hình thành do phản ứng hóa học của muối natri nitrit với thiure khi làm mát nhũ tương Tuy nhiên phương pháp tăng nhạy phổ biến nhất là sử dụng vi cầu thủy tinh hoặc bột đá trân châu (peclit) với hàm lượng trong thuốc nổ không quá 4 % Ngoài loại thuốc nổ nhũ tương thường, người ta còn chế tạo thuốc nổ nhũ tương an toàn bằng cách sử dụng muối NaCl dưới dạng khô đặt giữa hai lớp vỏ của thỏi thuốc hoặc

sử dụng thành phần dập lửa đặc biệt

1.1.5 Thuốc nổ ANFO nặng - nhũ tương dạng rời (heavy ANFO)

Thuốc nổ ANFO nặng ra đời nhằm thay thế cho ANFO chịu nước Thành phần của ANFO nặng thực chất chính là hỗn hợp của ANFO với nhũ tương nền (chưa phải là thuốc nổ) Khi đó lỗ trống giữa các hạt ANFO sẽ được lấp đầy bởi nhũ tương nền, nhờ đó mật độ nạp mìn của ANFO nặng cao hơn hẳn so với ANFO đồng thời độ nhạy của nó cũng cao hơn

so với ANFO ANFO nặng có nhiều ưu điểm so với ANFO chịu nước:

 Tỷ trọng nạp mìn cao;



 Sức công phá lớn;

 Nổ tốt ở các loại đất đá khác nhau;

 Xét về tổng thể thì hiệu quả kinh tế cao hơn ANFO chịu nước

Trong bảng 1.1 đưa ra danh mục một số loại thuốc nổ công nghiệp sản xuất trong nước

và nhập khẩu hiện đang được sử dụng ở nước ta

Bảng 1.1 Danh mục một số loại thuốc nổ công nghiệp hiện đang được sử dụng ở nước ta

TT Tên sản phẩm Chỉ tiêu Quy cách Nguồn

gốc

A Sản phẩm vật liệu nổ công nghiệp sản xuất trong nước

Nhà máy Z113; Z114; Z121; Z131, Z115

- Độ nhậy nổ với kíp nổ số 8 Nổ hết thuốc

- Thời hạn bảo quản, tháng 6

2 Thuốc nổ nhũ tương (NT14 - WR)

- Tốc độ nổ, m/giây ≥ 4.500 - Đóng thỏi (mm):

Ф32, Ф60 ÷ Ф 180 + Ф 32: Vỏ giấy tráng paraphin

+ Ф 60 ÷ Ф180: Bao hai lớp PE

+ PP

- Đóng hộp: 25 kg/hộp

Nhà máy Z114

- Khối lượng riêng, g/cm³ 1,05 ÷ 1,25

- Khả năng sinh công theo phương

pháp bom chì, cm³ 300 ÷ 340

- Khả năng sinh công bằng con lắc

xạ thuật, %TNT tiêu chuẩn 105 ÷ 120

- Độ nén trụ chì, mm ≥ 14

- Khoảng cách truyền nổ, cm ≥ 4

- Độ nhậy nổ với kíp nổ số 8 Nổ hết thuốc

- Khả năng chịu nước, giờ ≥ 12

- Thời hạn bảo quản, tháng 6

- Khối lượng riêng, g/cm³ 1,05 ÷ 1,25

- Khả năng sinh công bằng con lắc

xạ thuật, % TNT tiêu chuẩn

1,05 ÷ 1,20

- Khả năng giãn nở bom chì, ml 300 ÷ 340 Ф 120x202mm, 2,5 kg

- Khả năng chịu nước, giờ ≥ 12

- Tốc độ nổ, m/s 3.800 ÷ 4.500 Φ32x230mm: 200g

Φ50x240mm: 500g Φ60x320mm: 1,0kg Φ70x240mm: 1,0kg Φ75x340mm: 1,5kg Φ80x380mm: 2,0kg Φ85x350mm: 2,0kg Φ90x290mm: 2,0kg Φ100x280mm: 2,5kg Φ100x330mm: 3,0kg Φ120x250mm: 3,0kg Φ120x340mm: 4,0kg Φ130x220mm: 3,0kg Φ140x180mm: 3,0kg Φ180x200mm: 5,0kg Φ180x370mm: 10kg Φ200x220mm: 7,0kg

Nhà máy Z131

- Khối lượng riêng, g/cm³ 1,03 ÷ 1,27

- Khả năng sinh công, ml 290 ÷ 330

- Độ nén trụ chì, mm 14 ÷ 16

- Khả năng chịu nước, giờ 24

- Khả năng chịu nhiệt, ºC -20 ÷ +40

- Thời hạn sử dụng, tháng 06

6 Thuốc nổ nhũ tương rời NTR 05

- Tốc độ nổ trong lỗ khoan, m/s 4.300 ÷ 4.700 Bơm trực tiếp xuống lỗ

khoan

MICCO

- Khối lượng riêng, g/cm³ 1,1 ÷ 1,25

- Khả năng chịu nước - sâu > 1 mét

nước, giờ

24

- Phương tiện kích nổ Mồi nổ

7 Thuốc nổ nhũ tương rời NTR 06

- Tốc độ nổ trong lỗ khoan, m/giây 4.100 ÷ 4.600 - Bao PE Φ 90 - 200

- Phương tiện kích nổ Mồi nổ

8 Thuốc nổ nhũ tương rời NTR 07

- Tốc độ nổ trong lỗ khoan, m/s 4.000 ÷ 5.000 Bơm trực tiếp xuống lỗ

- Thời hạn đảm bảo trong lỗ khoan 15 ngày

- Phương tiện kích nổ Mồi nổ

9 Thuốc nổ nhũ tương lò đá (NTLĐ)

- Khả năng sinh công bằng bom chì

(cm³); hoặc quy đổi

310 ÷ 340

- Khả năng chịu nước, giờ ≥ 12

- Khả năng sinh công bằng con lắc

xạ thuật (so sánh với TNT chuẩn),

%

115 ÷ 125 (tương đương 330

 350 cm³ thử bằng bom chì)

- Khả năng sinh công bằng con lắc

xạ thuật (so sánh với TNTN chuẩn),

%

95 ÷ 105 (tương đương 280

 300 cm³ thử bằng bom chì)

- Khối lượng riêng, g/cm³ 1,05 ± 0,05

- Khoảng cách truyền nổ, cm ≥ 4

- Khả năng chịu nước, giờ ≥ 12

- Nổ an toàn trong môi trường có

khí Mê tan

10 phát không gây cháy nổ

MICCO

- Phương tiện kích nổ Theo HDSD

- Thời hạn bảo quản 03

- Khả năng sinh công, cm³ 300 ÷ 310 Đóng gói định dạng

theo yêu cầu khách hàng

MICCO

- Tốc độ nổ, m/giây 3.500 ÷ 3.800

- Độ nén trụ chì trong ống thép, mm 14 ÷ 17

- Tỷ trọng rời, g/cm³ 0,85 ÷ 0,9

- Phương tiện kích nổ Theo HDSD

- Thời hạn bảo quản, tháng 03

16 Thuốc nổ Sofanit15 (AFST-15A)

- Tốc độ nổ, m/giây 2.900 ÷ 3.500 - Các loại bao gói dạng

17 Thuốc nổ TFĐ-15 (Watergel)

- Tốc độ nổ, m/s

- Khối lƣợng riêng, g/cm³

4.000 ÷ 4.400 1,05 ÷ 1,25

Bao 25 và 50 kg

Nhà máy Z115

- Khả năng sinh công, cm³ 320 ÷ 340

PE

* Đóng thùng (Kg): 20

Nhà máy Z115

- Khả năng sinh công, cm³ 350÷360

Viện Thuốc phóng

- Khối lƣợng riêng, g/cm³ 1,15 ± 0,05

- Khả năng sinh công, % TNT 110 ÷ 115

- Độ nén trụ chì, mm 12,5 - Φ90 x 440mm; khối

lượng: 3,0 kg

- Φ170 x 200mm; khối lượng: 5,0 kg

Thuốc nổ

- Khoảng cách chuyền nổ, cm

- Phương tiện kích nổ

6 Theo HDSD

- Thời hạn bảo quản, tháng 12

- Khối lượng thỏi thuốc, gam 380

- Điều kiện sử dụng Công trình ngầm

không có khí và bụi nổ

2 Thuốc nổ nhũ tương Emulex 400

- Năng lượng nổ, MJ/kg 2,67 Thỏi tròn, Φ 32 x 200

mm

Nhập khẩu của hãng Tenaga – Malaysia (MICCO nhập)

- Thời hạn bảo quản, tháng 12

- Khối lượng thỏi thuốc, gam 193

- Điều kiện sử dụng Các mỏ hầm lò có

khí và bụi nổ

3 Thuốc nổ Senatel Pulsar (tên cũ

ND Lào Nhập khẩu: GAET

ND Lào Nhập khẩu: GAET

- Tốc độ nổ, m/giây 3.600-3.900

- Sức nén trụ chì, mm 16-18

- Thời hạn sử dụng, tháng 03

1.2 CÁC ĐẶC TRƯNG NĂNG LƯỢNG NỔ CỦA THUỐC NỔ

Các đặc trưng năng lượng nổ của thuốc nổ bao gồm [14, 15]:

 Khả năng sinh công của thuốc nổ

1.2.1 Công thức phân tử của chất nổ, cân bằng oxi

* Công thức phân tử của chất nổ:

Phần lớn các chất nổ đơn được tạo thành từ 4 nguyên tố cơ bản: cacbon (C), hiđro (H), oxi (O), nitơ (N) và tạo nên công thức phân tử CaHbOcNd với a, b, c, d là các hệ số ứng

với số nguyên tử gam của các nguyên tố tương ứng có trong phân tử chất nổ Khi đó phân tử lượng của chất nổ đơn sẽ là:

d 14 c 16 b a 12

Nếu chất nổ là hỗn hợp (hợp chất) của một số chất nổ đơn thì thành phần cơ bản của

hỗn hợp được biểu thị bằng công thức hoá học giả định của 1 mol, của 1 kg hoặc của 1 phân

tử hợp chất

Nếu chất nổ là hệ đa cấu tử, tạo ra từ nhiều đơn chất thì thành phần của nó được cho nhờ công thức phân tử giả định

* Cân bằng oxi, hệ số oxi:

Khi nổ, diễn ra quá trình oxi hoá nội phân tử các nguyên tố chất cháy (cacbon và hiđro) nhờ oxi có ngay trong phân tử chất nổ Đây là quá trình toả nhiệt Rõ ràng lượng nhiệt toả ra và thành phần sản phẩm nổ không những chỉ phụ thuộc vào thành phần cơ bản của chất nổ mà còn phụ thuộc vào tương quan giữa chất cháy và chất oxi hoá.Tương quan

đó được đặc trưng bằng cân bằng oxi hoặc bằng hệ số oxi.Các đại lượng đó cho thấy mối liên hệ về lượng giữa lượng oxi cần thiết để oxi hoá hoàn toàn các hợp phần chất cháy và lượng oxi sẵn có trong thành phần chất nổ

Cân bằng oxi (hệ số cân bằng oxi) là tỷ lệ phần trăm giữa hiệu giữa khối lượng oxi

chứa trong thuốc nổ và lượng oxi cần thiết để oxi hóa hoàn toàn các nguyên tố chất cháy có trong thành phần của nó và khối lượng phân tử thuốc nổ Khi đó có thể giả định rằng, nitơ chứa trong phân tử thuốc nổ được giải phóng ra dưới dạng tự do N2

Ví dụ phản ứng nổ của chất nổ có công thức phân tử là: CaHbOcNd

CaHbOcNd + [c-(2a+b/2)]O2 = aCO2 + b/2H2O + d/2N2

Hệ số cân bằng oxi được tính theo công thức:

% 100 M

2

b a 2 c 16

Như vậy Kb phụ thuộc vào phân tử lượng M của chất nổ Kb có thể có giá trị dương,

giá trị âm hoặc bằng không Nếu trong thuốc nổ, lượng oxi có đủ để oxi hóa hoàn toàn các thành phần nguyên tố cháy của nó (cacbon, hydro), thì cân bằng oxi của nó bằng không Nếu lượng oxi dư thì cân bằng oxi có giá trị dương, còn nếu lượng oxi không đủ thì cân bằng oxi âm

Giá trị cân bằng oxi có vai trò rất lớn tới phương trình biến đổi nổ và các đặc trưng năng lượng khác của thuốc nổ Chính vì vậy, trong thiết kế thành phần thuốc nổ (đặc biệt là thuốc nổ công nghiệp), cân bằng oxi cần phải tính trước tiên và người ta thường cố gắng lựa chọn thành phần sao cho cân bằng oxi xấp xỉ bằng không (bảo đảm khả năng tỏa nhiệt lớn nhất và ít tạo khí độc)

* Hệ số oxi

Hệ số oxi là tương quan phần trăm giữa lượng oxi chứa trong chất nổ và lượng

oxi cần thiết để oxi hoá hoàn toàn các hợp phần cháy:

% 100 2

b a 2

c A

c





 được gọi là hệ số dư oxi

Ta nhận thấy hệ số oxi luôn dương hoặc bằng 0 (nếu trong thành phần chất nổ

không chứa oxi)

1.2.2 Thành phần sản phẩm nổ và thể tích riêng sản phẩm khí

Tất cả các đặc trưng năng lượng nổ của thuốc nổ trước tiên đều phụ thuộc vào phản ứng biến đổi nổ của thuốc nổ, tức là khi nổ sẽ tạo ra những sản phẩm thế nào Lượng sản phẩm khí sinh ra sẽ ảnh hưởng tới khả năng chuyển hóa năng lượng của thuốc nổ thành công cơ học, thuốc nổ càng tạo nhiều sản phẩm khí thì hiệu suất chuyển hóa thành công cơ học càng cao

Do thành phần chế tạo thuốc nổ công nghiệp rất đa dạng nên sản phẩm nổ của nó cũng rất phức tạp Bên cạnh những sản phẩm phổ biến đối với thuốc nổ nói chung (chứa 4 nguyên

tố chính là C, H, O và N) như: CO2, CO, H2O, H2, N2, O2, NOx v.v thì khi nổ thuốc nổ công nghiệp còn tạo ra các sản phẩm rắn khác như: Al2O3, Na2CO3, CaCO3, K2CO3, NaCl,

Na2SiO3 Nếu trong thành phần thuốc nổ có clo, flo, lưu huỳnh thì sản phẩm nổ chứa HF,

CF4, F2, HCl, CCl4, Cl2, SO2, H2S v.v Sau khi tạo thành giữa các sản phẩm khí có thể xảy

ra các phản ứng khác nhau Các phản ứng quan trọng nhất trong số đó là:

1) Phản ứng phân li khí cacbonic: 2CO2 2COO2

2) Phản ứng phân li hơi nước: 2H2O2H2 O2

3) Phản ứng khí nước : COH2OCO2C

4) Phản ứng Buđuara : 2COCCO2

5) Phản ứng tạo oxit nitơ : N2O2 2NO

Vai trò của các phản ứng quyết định tới thành phần cuối cùng của sản phẩm nổ phụ thuộc vào thành phần nguyên tố chất nổ (cụ thể là giá trị hệ số oxi) và các điều kiện nổ khác

Nếu chất nổ có cân bằng oxi dương hoặc bằng không, thì hướng của phản ứng chuyển hoá nổ tuân thủ nguyên tắc nhiệt toả ra cực đại: trong sản phẩm nổ sẽ chứa chủ yếu là các sản phẩm oxi hoá hoàn toàn các nguyên tố cháy (CO2, H2O) và khí O2, N2 Phản ứng tạo oxit nitơ và phân li hơi nước đối với một loại chất nổ nhất định không có vai trò đáng kể Tuy nhiên, phản ứng phân li cacbonic có thể có vai trò đáng kể và ta cần phải tính tới ảnh hưởng của nó

Khi nổ chất nổ có cân bằng oxi âm thuộc về nhóm 2 (nhưng oxi đủ để chuyển hóa toàn bộ cacbon thành chất khí CO2 và CO, tức là c  b/2 + a), các phản ứng đóng vai trò đáng kể quyết định tới thành phần sản phẩm nổ cần phải tính tới là phản ứng phân li khí cacbonic, phản ứng phân li hơi nước Liên quan tới điều này, sản phẩm nổ của một chất nổ nào đó, ngoài các sản phẩm oxi hoá hoàn toàn, còn chứa các khí CO, H2 Tỷ lệ giữa các thành phần sản phẩm nổ: CO2, CO, H2O và H2 trong trường hợp này được điều tiết bởi phản ứng khí nước

Nếu chất nổ có cân bằng oxi âm thuộc về nhóm 3 (nhưng oxi không đủ để chuyển hóa toàn bộ cacbon thành khí CO, tức là c < b/2 + a) thì khi tính thành phần sản phẩm nổ thì ngoài phản ứng khí nước còn phải tính tới cả phản ứng Buđuara

Do thành phần sản phẩm nổ phức tạp như vậy nên việc định lượng chúng theo tính toán đơn giản rất khó khăn mà phải sử dụng chương trình máy tính xác định theo điều kiện cân bằng hóa học

Bên cạnh vấn đề liên quan tới khả năng sinh công, sản phẩm nổ còn có thể nhiều khí độc như cacbon đioxit và oxi nitơ Độc tính của oxit nitơ mạnh hơn oxit cacbon nên khi tính tổng hàm lượng khí độc (quy đổi ra oxit cacbon) thì hàm lượng của oxit nitơ được nhân với 6,5 Nồng độ an toàn giới hạn với người của oxit nitơ NO2 trong khí mỏ là 0,0002% (theo thể tích) hoặc 0,005 g/l quy đổi ra N2O5 Nồng độ an toàn giới hạn của oxit

cacbon trong khí mỏ là 0,0016% (theo thể tích) Trong không gian kín, nồng độ này là 0,03 mg/l Nồng độ này có thể tăng lên 0,05 mg/l nếu thời gian làm việc trong môi trường

đó không vượt quá 1 h, tăng lên 0,1 mg/l khi thời gian làm việc không quá 30 phút và 0,2 mg/l khi làm việc 15  20 phút

Thực nghiệm chỉ ra rằng, lượng và tỷ lệ oxi cacbon và oxit nitơ trong sản phẩm nổ phụ thuộc khá nhiều vào thành phần thuốc nổ Thuốc nổ có cân bằng oxi càng âm thì lượng oxit cacbon tạo ra càng nhiều và oxit nitơ càng ít Hàm lượng khí độc tạo ra sẽ là tiêu chuẩn để cho phép sử dụng thuốc nổ đó trong môi trường hầm lò hay không

Tóm lại, yêu cầu với thuốc nổ mới thiết kế là phải bảo đảm khả năng sinh khí cao (thể tích riêng sản phẩm khí lớn) và ít tạo khí độc (đặc biệt là khi nổ trong hầm lò) Các biện pháp giảm hàm lượng khí độc phải kể đến là điều chỉnh thành phần thuốc nổ sao cho cân bằng oxi của nó tiến sát tới giá trị “0”, tẩy rửa gương lò bằng nước hoặc dung dịch kiềm trước khi nổ, thông gió cho hầm lò

Thể tích và thành phần sản phẩm nổ được xác định bằng thực nghiệm bằng cách nổ một lượng thuốc nổ nhất định trong bom thép kín sau khi đã hút chân không Thể tích sản phẩm nổ (ở điều kiện tiêu chuẩn) sẽ được tính thông qua đo áp suất và nhiệt độ bom Còn thành phần sản phẩm nổ sẽ được xác định qua phương pháp phân tích khí khi cho khí sản phẩm nổ lần lượt đi qua các chất hấp thụ phù hợp Ví dụ, khí cacbonic được hấp thụ bằng dung dịch kiềm, oxi nitơ – dung dịch sắt II sunphat, cacbon đioxit – dung dịch amoniac của đồng clorua Ngoài ra, người ta còn có thể xác định thành phần sản phẩm nổ theo phương pháp sắc ký dựa trên sự phân tách các cấu tử của hỗn hợp khí nhờ các chất hấp thụ và hấp phụ phù hợp rồi tiến hành xác định hàm lượng của từng khí bằng các phương pháp hóa – lý khác nhau

1.2.3 Nhiệt lượng nổ và nhiệt độ nổ

Nhiệt lượng nổ là lượng nhiệt tỏa ra khi nổ 1 kg (hoặc 1 mol) thuốc nổ Thuốc nổ có

nhiệt lượng nổ càng lớn thì khả năng sinh công càng cao Như vậy, người ta có thể đánh giá hiệu quả của thuốc nổ theo giá trị nhiệt lượng nổ của nó Biết nhiệt lượng nổ, người ta có thể xác định nhiệt độ sản phẩm nổ (nhiệt độ nổ) Nhiệt lượng nổ có thể xác định bằng tính toán lý thuyết hoặc bằng thực nghiệm

Việc tính toán nhiệt lượng nổ được tiến hành dựa vào định luật Hess: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối cùng của các chất mà không phụ thuộc vào các giai đoạn trung gian của quá trình

Định luật Hess có một hệ quả hết sức quan trọng: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hoá học bằng tổng nhiệt tạo thành của các chất nhận được trừ đi tổng nhiệt tạo thành của các chất ban đầu

Do vậy, nhiệt lượng nổ được tính theo công thức:

v spn tn

Q  Q  Q Trong đó: Q spn – nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của sản phẩm nổ; Q tn – nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của thuốc nổ

Như vậy, muốn tính được nhiệt lượng nổ cần phải biết nhiệt tạo thành của sản phẩm

nổ, mà giá trị này lại phải xác định được thành phần của nó

Để xác định bằng thực nghiệm, người ta sử dụng bom nhiệt lượng nổ Lượng thuốc nổ

được đặt trong bom và kích nổ bằng kíp nổ điện sau khi đã hút chân không hoặc điền đầy khí nitơ vào lòng bom Nhiệt lượng nổ được xác định thông qua đo chênh lệch nhiệt độ của

hệ bom – nước (bao ngoài thân bom) trước và sau khi nổ Nhiệt lượng nổ đo được theo phương pháp trên tương ứng với điều kiện khi nước ở thể lỏng Giá trị nhiệt lượng nổ phản ánh chính xác hơn khả năng sinh công của thuốc nổ là khi nước ở thể hơi (vì nước cũng tham gia quá trình giãn nở sinh công ở thể hơi)

Theo phương pháp thực nghiệm này, nhiệt lượng biến đổi nổ được tính theo công thức:

3

10

a

t B

t  

trong đó: t K - nhiệt độ của thiết bị sau biến đổi nổ;

t H - nhiệt độ của thiết bị trước biến đổi nổ

Nhiệt lượng nổ thực tế (xác định bằng thực nghiệm hoặc tính toán) là những đại lượng tùy biến mà không phải là hằng số Nó phụ thuộc vào mức độ giãn nở sản phẩm khí Bởi vậy, khi tính toán nhiệt lượng nổ cần đặt ra trước trạng thái cuối cùng nào đó của sản phẩm

nổ, trạng thái này ứng với thời điểm kết thúc quá trình giải phóng nhiệt lượng ra khỏi sản phẩm nổ Điều kiện đó có thể là áp suất sản phẩm nổ bằng với áp suất môi trường nơi quá trình nổ diễn ra, tức là thời điểm sản phẩm nổ giãn nở hoàn toàn

Trong số rất nhiều giá trị có thể của nhiệt lượng nổ người ta thường lựa chọn hai giá trị ứng với hai điểm trạng thái đặc trưng của sản phẩm nổ: trên mặt sóng nổ (khi kết thúc quá trình phân hủy thuốc nổ) và khi sản phẩm khí giãn nở tới áp suất môi trường xung

quanh (không khí, nước, đất) Hai giá trị này lần lượt được gọi là nhiệt lượng nổ “ổn định”

và nhiệt lượng nổ “phá” Tuy nhiên, chúng cũng không được coi là các hằng số của thuốc

nổ (chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học) Nhiệt lượng nổ “ổn định” có thể thay đổi tùy thuộc vào áp suất trên mặt sóng nổ, trong khi bản thân áp suất được quyết định rất nhiều bởi mật độ liều nổ Còn nhiệt lượng nổ “phá” thay đổi theo áp suất môi trường và điều kiện khí động lực học của quá trình giãn nở sản phẩm nổ

Mức độ chênh lệch giữa giá trị nhiệt lượng nổ “ổn định” và nhiệt lượng nổ “phá” có thể nhiều hay ít tùy thuộc vào thành phần hóa học của thuốc nổ Giá trị này nhỏ đối với những thuốc nổ có lượng oxi đủ để oxi hóa hoàn toàn các nguyên tố chất cháy thành oxit cao nhất (cân bằng oxi dương), và lớn đối với thuốc nổ không đủ oxi (cân bằng oxi âm)

Nhiệt độ nổ là nhiệt độ lớn nhất của sản phẩm nổ được nung nóng do nhiệt lượng nổ

tạo ra, giá trị này chính là nhiệt độ trên mặt sóng nổ

Nhiệt độ nổ phụ thuộc vào thành phần sản phẩm nổ Giá trị này càng cao khi nhiệt lượng nổ càng lớn và nhiệt dung sản phẩm nổ càng nhỏ Do vậy, để giảm nhiệt độ nổ (khi muốn tạo thuốc nổ an toàn hầm lò), người ta đưa một số loại muối trơ vào thành phần thuốc

nổ nhằm tăng tổng nhiệt dung sản phẩm nổ

Để xác định nhiệt độ nổ bằng thực nghiệm, người ta chỉ có cách sử dụng phương pháp quang phổ - so sánh màu ánh sáng phát ra khi nổ với màu ánh sáng phát ra từ một nguồn

nhiệt đã biết trước nhiệt độ

Ở đây chúng ta cần chú ý, trong nhiều tài liệu [13-15], người ta đưa ra cách tính nhiệt

độ nổ dựa trên giả thuyết coi rằng toàn bộ năng lượng nổ (nhiệt lượng nổ) được dùng để nung nóng sản phẩm nổ trong điều kiện đẳng tích Rõ ràng quan niệm này là không chính xác vì năng lượng nổ khi đó thực tế không chỉ bao gồm phần năng lượng nhiệt (phẩn ánh qua nhiệt độ) mà còn một phần lớn thế năng do áp suất sản phẩm nổ khi đó rất cao nên giữa các phân tử tồn tại các lực hút, đẩy rất mạnh Như vậy, giá trị nhiệt độ nổ tính được theo phương pháp mà các tài liệu đó đưa ra sẽ cao hơn nhiệt độ nổ thực tế

1.2.4 Áp suất nổ

Áp suất nổ hay chính xác hơn là áp suất trên mặt sóng nổ - thông số có ảnh hưởng lớn tới khả năng phá vỡ đất đá của thuốc nổ Vì vậy trong các tài liệu tiêu chuẩn kỹ thuật sản phẩm của thuốc nổ công nghiệp thì đây là thông số có vai trò quan trong không kém so với tốc độ nổ Giá trị áp suất nổ có thể lên tới vài chục nghìn tới vài trăm nghìn atm Chúng ta cũng cần phân biệt áp suất này với áp suất trung bình của sản phẩm nổ tạo ra trong hốc mìn thường được dùng trong tính toán công tác nổ

Một trong các phương pháp thực nghiệm xác định áp suất nổ được áp dụng là đo tốc

độ chuyển động của đĩa kim loại (được đặt tiếp xúc với một đầu liều nổ hình trụ - đầu kia được gắn kíp nổ) Dựa trên các mối quan hệ giữa tốc độ chuyển động của đĩa kim loại với các thông số nổ, người ta có thể xác định được giá trị áp suất nổ, tốc độ sản phẩm nổ Bên cạnh thực nghiệm, hiện nay có nhiều chương trình máy tính xác định giá trị áp suất nổ với

độ chính xác khá cao

1.2.5 Tốc độ nổ

Tốc độ nổ là một trong những thông số nổ quan trọng nhất, nó phản ánh khả năng đập

vỡ đất đá của thuốc nổ Giá trị tốc độ nổ trước tiên phụ thuộc vào nhiệt lượng nổ, đồng thời cũng thay đổi theo đường kính và mật độ thuốc nổ Với các loại thuốc nổ ngưng tụ thông thường, tốc độ nổ tỷ lệ thuận với căn bậc hai nhiệt lượng nổ của nó Tuy nhiên, điều này sẽ không còn đúng với thuốc nổ chứa nhôm do nhôm không kịp tham gia phản ứng hoàn toàn trên bề mặt sóng nổ và sự có mặt của nhôm làm thay đổi mạnh chỉ số đa biến sản phẩm nổ (thông số này cũng có ảnh hưởng rất lớn tới tốc độ nổ)

Khi mật độ tăng, tốc độ nổ của thuốc nổ đơn tăng lên tới khi đạt giá trị cực đại ứng với mật độ đơn tinh thể Còn với các loại thuốc nổ amoni nitrat hoặc các thuốc nổ đơn rất yếu như đinitrotoluen, đinitrophenol thì tốc độ nổ chỉ tăng khi mật độ đạt tới giá trị nhất định, khi tiếp tục tăng mật độ thì tốc độ nổ lại giảm đi và quá trình nổ bị dừng lại

Đo tốc độ nổ bằng thực nghiệm khá đơn giản bằng nhiều phương pháp khác nhau và cho kết quả chính xác cao

1.2.6 Đường kính giới hạn và đường kính tới hạn của liều nổ hình trụ

Khi tăng đường kính liều nổ hình trụ, tốc độ nổ tăng lên và tiệm cận tới một giá trị

không đổi của mỗi loại thuốc nổ ở mật độ xác định được gọi là tốc độ nổ lý tưởng

Đường kính nhỏ nhất của liều nổ, mà ở đó tốc độ nổ có cùng giá trị với tốc độ nổ của

thuốc nổ đó ứng với đường kính vô hạn, được gọi là đường kính giới hạn

Khi giảm đường kính, tốc độ nổ giảm xuống, nguyên nhân là vì áp suất trong sóng xung kích bị yếu đi (do chịu tác động sóng giãn từ mặt biên liều nổ) nên khả năng kích thích phản ứng hóa học ở lớp thuốc nổ tiếp theo giảm Tới mức nào đó, sóng xung kích không còn khả năng kích thích phản ứng hóa học nữa và quá trình nổ bị dừng lại

Đường kính lớn nhất của liều nổ mà khi đó quá trình truyền nổ không thực hiện được

gọi là đường kính tới hạn Đường kính tới hạn nổ ổn định phản ánh mức độ khả năng

truyền nổ của thuốc nổ Đường kính này càng nhỏ thì khả năng truyền nổ của thuốc nổ càng cao

Đường kính tới hạn của một loại thuốc nổ có thể thay đổi trong một khoảng giới hạn rộng tùy thuộc vào trạng thái thuốc nổ và điều kiện nổ - kích cỡ hạt, chất lượng gia công, sự

có mặt của vỏ bọc

Để xác định đường kính giới hạn và đường kính tới hạn của thuốc nổ, người ta thường

sử dụng phương pháp thực nghiệm, xác định tốc độ nổ của thuốc nổ ở một vài đường kính khác nhau rồi sử dụng phương pháp hồi quy tìm các hệ số trong phương trình biểu diễn sự phụ thuộc của tốc độ nổ vào đường kính

1.2.7 Khả năng sinh công của thuốc nổ

Khi nổ, thế năng của thuốc nổ chuyển hóa thành nhiệt năng của sản phẩm nổ, qua quá trình giãn nở nhiệt năng sẽ chuyển thành cơ năng sản phẩm nổ và năng lượng của sóng xung kích lan truyền vào môi trường

Ở vị trí tiếp xúc trực tiếp với liều nổ, tác dụng nổ lên môi trường xung quanh chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ nổ và biểu hiện ở quá trình làm vỡ các lớp đất đá tiếp giáp liều nổ hay làm biến dạng dẻo Tác dụng nổ loại này (còn gọi là tác dụng đập vụn hay tác dụng tại chỗ của vụ nổ) phụ thuộc vào tốc độ nổ, tức là phụ thuộc vào áp suất trên mặt sóng nổ

Để xác định khả năng sinh công (độ phá) của thuốc nổ, người ta có thể sử dụng phép thử Trauzl (phương pháp giãn nở bom chì) hoặc con lắc xạ thuật Trong phép thử Trauzl, lượng thuốc nổ được lấy là 10 g và được kích nổ bằng kíp nổ Với các loại thuốc nộ có độ nhạy thấp, người ta đưa thêm vào khối thuốc TEN hoặc tetryl khối lượng 5 g trước khi đo Khi đó kết quả của phép đo chỉ được dùng để so sánh khả năng sinh công giữa các loại thuốc nổ có khả năng nổ ổn định tương tự nhau

Thực tế thử nghiệm cho thấy, công giãn nở của sản phẩm khí trong trường hợp sử dụng con lắc xạ thuật thường nhỏ hơn so với trường hợp bom chì Ví dụ, nếu như thuốc nổ amonal 80/20 có nhiệt lượng nổ cao gấp rưỡi so với zecno, khi thử nghiệm bằng bom chì

cho thấy khả năng sinh công cao hơn 1,32 lần nhưng khi thử nghiệm bằng con lắc xạ thuật thì khả năng sinh công chỉ cao hơn 1,03 lần Nguyên nhân của điều này là do tổn thất nhiệt động trong quá trình giãn nở khí của thuốc nổ chứa nhôm cao hơn nhiều so với thuốc nổ khác

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG NĂNG LƯỢNG

nổ có cân bằng oxi khác nhau

Các bước tính toán theo phương pháp Avakian như sau:

1) Thiết lập công thức giả định của thuốc nổ: CaHbOcNd;

2) Tính khối lượng phân tử giả định:

Trong đó: p – số electron dùng chung một phần hoặc hoàn toàn trong phân tử (các liên kết

C – O và O – H); i – bổ chính nhiệt lượng, bằng sự thay đổi năng lượng của chất do thay đổi cấu trúc electron (sự phân cực) gây ra bởi sự có mặt mới một nhóm chức hay liên kết;

10) Tính thành phần sản phẩm nổ và viết phương trình phản ứng biến đổi nổ:

a) Viết phương trình phản ứng biến đổi nổ dưới dạng

Khi A < 100

 

2 40.6

Khi A < 100

 2 

y c   x  z ; Khi A  100 và c – z > a + x

y a x   ; f) Tính số mol cacbon tự do C

cn tb

ở đây: n i, Cvi – tương ứng là số mol và nhiệt dung trung bình sản phẩm nổ thứ i

Tính nhiệt dung trung bình của từng sản phẩm nổ theo công thức Medar

 

1000

290 K

v h v

Q T

v

Q T

0 2

10.4 10 5 1 1

d tb

T D

n n

55.5 10 3.75

d tb

1

D p



 ; 0

1

n n

i   lD

Trong đó: 0 – mật độ liều nổ, g/cm3; l – chiều dài liều nổ, cm

27) Độ phá theo phép thử bom chì có thể sử dụng công thức kinh nghiệm sau

26

f V

1.3.2 Phương pháp Churbanov

Về cơ bản, trình tự các bước tính theo phương pháp Churbanov [2] khá giống với phương pháp Avakian Tuy nhiên, để tính thành phần sản phẩm nổ, tác giả chia thuốc nổ

thành 3 nhóm dựa theo giá trị của hệ số oxi A

Nhóm 1: (A  1) toàn bộ hydro bị oxi hóa thành nước, còn cacbon bị oxi hóa thành cacbonic, lượng oxi còn lại và nitơ tách ra dạng tự do, tức là:

Nhóm 2: (A < 1 nhưng oxi đủ để chuyển hóa toàn bộ cacbon thành chất khí CO2 và

CO, tức là c  b/2 + a) Như vậy sản phẩm nổ sơ cấp sẽ gồm: CO2, CO, H2O, N2 Sau đó giữa các sản phẩm này sẽ xảy ra các phản ứng thứ cấp, mà đóng vai trò quan trọng là phản ứng khí nước:

2 2 2

Nhóm 3: (A < 1 nhưng oxi không đủ để chuyển hóa toàn bộ cacbon thành khí CO,

tức là c < b/2 + a) Sản phẩm nổ sơ cấp gồm: CO, C, H2O, N2 Cũng tương tự như đối với nhóm 2, giữa các sản phẩm này xảy ra phản ứng thứ cấp làm thay đổi thành phần cuối cùng của sản phẩm nổ Trong phương pháp này, phản ứng thứ cấp được xem xét là phản ứng khí nước như đã nói ở trên

Như vậy, đối với thuốc nổ nhóm 2 và 3, để xác định được thành phần sản phẩm nổ cần phải tính tới cân bằng của phản ứng khí nước tức là phải biết giá trị hằng số cân bằng của phản ứng đó Bản thân hằng số cân bằng của phản ứng khí nước là hàm của nhiệt độ

nổ, nhưng nhiệt độ nổ lại phụ thuộc vào nhiệt lượng nổ, tức là phụ thuộc vào thành phần sản phẩm nổ Do vậy, để xác định thành phần sản phẩm nổ cũng như các đặc trưng khác,

ta cần phải tiến hành tính toán theo vòng lặp với giá trị nhiệt độ nổ ước đoán ban đầu nào

đó

1.3.3 Phương pháp Kamlet và Jacobs

Theo Kamlet và Jacobs [3], các yếu tố chính ảnh hưởng tới thông số nổ của thuốc nổ

là: N – số mol sản phẩm khí tính cho 1 kg thuốc nổ; M tb – khối lượng phân tử trung bình

sản phẩm khí (g/mol); Qmax – nhiệt lượng nổ cực đại Tùy thuộc vào cân bằng oxi (Kb),

các đại lượng trên được tính như sau:

Ưu điểm của phương pháp này là chỉ cần biết thành phần nguyên tố, mật độ và nhiệt

tạo thành của thuốc nổ

1.3.4 Phương pháp L.R Rothstaine và R Petersen

Để tính các thông số nổ, L.R Rothstaine và R Petersen [4] không chỉ sử dụng thành phần nguyên tố mà còn cả công thức cấu tạo của thuốc nổ Các yếu tố quyết định tới thông

số nổ ổn định là: thuốc nổ có chứa vòng thơm hay không, trạng thái thuốc nổ (rắn hay lỏng), số lượng và kiểu liên kết hóa học Các yếu tố đó được biểu diễn thông qua đại

G = 0.4 đối với thuốc nổ lỏng, G = 0 đối với thuốc nổ rắn;

A = 1 đối với thuốc nổ vòng thơm, ngược lại A = 0

n(O) – số nguyên tử oxi;

n(E) – số nhóm nitrat tồn tại trong thuốc nổ như nitrat este hoặc muối của axit

nitric (ví dụ hydrazin mononitrat);

MW – khối lượng phân tử thuốc nổ

Khối lượng phân tử và thành phần nguyên tố đối với thuốc nổ hỗn hợp được tính theo nguyên tắc trung bình

Tốc độ nổ ứng với mật độ cực đại:

Ngoài các phương pháp trên, một số tác giả khác cũng đề xuất phương pháp dự đoán nhanh tốc độ nổ và áp suất nổ của thuốc nổ như Aizenshtadt [5], Krivchenko [7], Wu Xiong [6] v.v

Chương 2

TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT NỔ ỔN ĐỊNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NHIỆT ĐỘNG

HỌC XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG NĂNG LƯỢNG NỔ CỦA THUỐC NỔ

2.1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA LÝ THUYẾT NỔ ỔN ĐỊNH

2.1.1 Lý thuyết thủy động lực học quá trình nổ ổn định

Nổ ổn định là quá trình sóng trong môi trường phản ứng hóa học (phản ứng biến đổi

nổ), sự lan truyền của quá trình này được duy trì nhờ sóng xung kích Nếu tốc độ phản ứng

vô cùng lớn và cân bằng hóa học được thiết lập, thì sẽ tồn tại vị trí truyền nổ ổn định, khi đó tốc độ lan truyền nổ chỉ được xác định bằng các định luật nhiệt động học và thủy động lực học

Hình 2.1 Các đường đoạn nhiệt Hugoniot

Ta hãy xem xét một mẫu thuốc nổ phá dạng rắn đang trong quá trình nổ ổn định

Thuốc nổ nằm dưới áp suất 1 bar và có thể tích riêng V0 (0 = 1/V0 – mật độ ban đầu) Trong

liều nổ, bề mặt sóng xung kích lan truyền với vận tốc D Sóng xung kích nén thuốc nổ tương

ứng với đoạn nhiệt Hugoniot (đoạn nhiệt va đập), đưa thể tích riêng của nó đạt giá trị V1

nhờ áp suất tăng lên giá trị P1 (hình 2.1) đồng thời kích thích phản ứng hóa học Phản ứng hóa học diễn ra trong vùng có bề dày từ một vài am-strông đến vài mi-li-mét Sau khi kết

thúc phản ứng, áp suất và thể tích riêng nhận giá trị (P2, V2) tương ứng với điểm trên đoạn

nhiệt Hugoniot của sản phẩm phản ứng Sau đó, sản phẩm phản ứng giãn nở (sóng Taylor)

ứng với đoạn nhiệt đi qua điểm (P2, V2) Các điểm (P0, V0), (P1, V1), (P2, V2) cùng nằm trên một đường thẳng, vì rằng góc nghiêng giữa hai đoạn liền kề nhau được quyết định bởi tốc

độ mặt sóng xung kích và vận tốc giới hạn mặt sau vùng phản ứng, ở trạng thái ổn định giá

trị của chúng bằng nhau Các điểm chỉ ra ở trên tạo thành đường thẳng Rayleigh (còn gọi là đường thẳng Mikhenxon) đối với quá trình nổ ổn định

Từ định luật bảo toàn khối lượng và động lượng khi đi qua mặt sóng xung kích ta có các hệ thức sau:

Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và kết hợp cùng với các hệ thức nhận được ở

trên, ta có phương trình mang tên đoạn nhiệt Hugoniot

1 2

E E   P P V   V , (2.3)

ở đây, E0 – nội năng riêng phần của thuốc nổ rắn tại điểm (P0, V0), E – nội năng riêng phần của sản phẩm nổ tại điểm (P, V) Nhờ phương trình trạng thái sản phẩm phản ứng (thường được gọi là phương trình trạng thái của thuốc nổ phá dạng rắn), năng lượng E có thể được biểu diễn như một hàm của P và V Sau khi đặt hàm này vào (2.3) ta nhận được phương

trình đoạn nhiệt Hugoniot đối với sản phẩm nổ

Giả thuyết của Chapman và Jouguet thừa nhận rằng, đối với sóng nổ dạng mặt phẳng,

đường thẳng nối các điểm (P0, V0) và (P, V) tiếp xúc với đoạn nhiệt Hugoniot của sản phẩm

nổ Điểm tiếp xúc (P, V) đó được gọi là điểm Chapman-Jouguet (viết tắt là C-J) Tốc độ

mặt sóng phẳng (thỏa mãn điều kiện Chapman-Jouguet), được ký hiệu là DCJ