Съвременно моделиране на детонационен процес

Проследяването или предвиждането на цялостното протичане на детонацията е сложен процес, тъй като зависи от множество взаимовръзки, и най-вече, протича за изключително кратък момент от време. Затова изслед­ването обикновено започва с характеристиките на състава на взривното вещество, очакваните химични реакции и най-вече определяне на отделеното количество енергия. Особеността в протичането на детонационния процес, която го отличава от взривната реакция, е именно енергията, която се отделя под формата на ударна вълна, като тя значително превишава топлинната енергия и съответното количество газове под налягане, обусловени от екзотермичните реакции. В последствие се определят и зоните на действие на детонацията и степента, до която това е допустимо.

Когато не се отчитат емпиричните данни, моделирането се изгражда на базата на основни закономерности във физиката. Включването на експериментални резултати във формулния апарат при разработване на възможни сценарии на развитие на детонационния процес прави моделирането по-акуратно.

Условията на взаимодействие на компонентите като налягане, плътност и вътрешна енергия, които се изслед­ват, варират в широки граници. Тези термодинамични зависимости се обобщават в уравнение на състоянието, като всеки компонент или молекула имат собствено уравнение на състоянието, както имат и техните комби­нации. Зад фронта на детонация уравнението на състоянието непрекъснато се изменя, заради измененията в химичните структури между водород, азот, кислород, въглерод и добавени елементи. Взаимодействието на отделните молекули и атоми е това, което основно определя протичането на реакцията, но изследвания върху значението на пори в заряда и размер на отделните частици в структурата на взривното вещество за протичането на детонационния процес показват, че също са определящи.

Термодинамичната теория на Chapman-Jouguet се използва широко в теоретичните изследвания, но тя в същността си е едномерна и има достоверни резултати за чувствителните мощни взривни вещества. В нея се приема, че термодинамичното равновесие на продуктите на детонацията е достигнато внезапно и всички компоненти са взаимодействали помежду си. Модели­рането на бавни детонационни процеси не стои така идеализирано. Неидеалният детонационен процес на нечувствителните взривни вещества е значително по-сложен, първо, защото е тримерен, второ, някои химични реакции протичат по-бавно от други. В процеса на разлагане на съединенията в мощно взривно вещество протичат други химични реакции, които също трябва да бъдат отразени в уравнението на състоянието.

Често срещан в литературата е софтуерът CHEQ, който е изграден на базата на термохимичен код и предполага действието на взривното вещество. Термохимичният код използва статистическа механика и междумолекулните потенциали, за да даде уравнението на състоянието на реагиращите смеси, като той е обвързан и с химичната кинетика, за да могат да се приближат моделираните процеси до реалното протичане на реакциите. Примерна графика е следната:



Фиг. 1. Графика на развитие на скоростта на детонационния процес в заряда

Хидродинамичният код описва потока на материята, като решава законите за съхранение на масата, момента и енергията. Така комбинирани те дават един цялостен модел на химичните и физичните процеси, които протичат по време на детонацията.

По-съвременни софтуерни продукти за предвиждане на характеристиките на взривното въздействие са разработките на Protective Design Center, които са значително по-обхватни особено от гледна точка на различни критични за въздействието на ударната вълна случаи. Един от специализираните продукти предопределя външното и вътрешното въздействие на взрива. Заложеният код извършва изчисления за налягането на продуктите на детонацията на ударната вълна и в затворен обем. Програмата може да генерира и развитието на налягането, импулса и температурата на взрива в зависимост от времето в различни по обем и форма помещения, като може да се включат и неопределен брой отвори в стените на помещенията, което е разработено за случаи на евентуално инцидентно значително повишаване на тези параметри в околната среда.

За изчисляването на параметрите на детонация се използват основни зависимости в термодинамиката. Изображенията са представени чрез софтуерния продукт DPlot.


Фиг. 2. Графика на импулс и налягане при детонационен процес
Установената терминология в промишлеността разделя взривното действие главно като общо /фугасно/ и раздробяващо /бризантно/. Съответно така се разделят и взривните вещества, като съставът им в значителна сте­пен се определя от условията на употреба. Принципите, които се следват при създаването на определен тип състав са следните:

• 
  мощни бризантни състави, които в основата си съдържат хексоген или октоген, флегматизирани със съответните свързващи вещества, или, ако са пресовани – с допустимото количество тротил;
  
• 
  мощни фугасни състави, които в общия случай съдържат тротил, хексоген, алуминий и флегмати­затор, като окислител се добавя, когато се съблюдава стойността на кислородния баланс;
  
• 
  бризантно-фугасни състави, съдържащи гореспомена­тите компоненти, но в съотношение, което предполага по-високо енергоотделяне, както при образуването на осколки.
  

Следователно за смес с предопределено действие се предполага развитие на детонационен процес с определен профил. Като при това също трябва да се има предвид, че основно се разглежда разпространението на ударната вълна от открит или с поставен върху него инертен материал заряд във въздуха. Когато се извършват взривни работи чрез зарядни пространства, голяма част от енергията на ударната вълна се изразходва за разрушаване на скалната маса, а и в тези случаи се използват т. нар. слаби взривни вещества или взривни вещества, при които не се формира пик в налягането, характерен за ударната вълна при детонационния процес. Тези вещества отделят значително количество горещи газове под високо налягане за кратко време, които на практика са достатъчни, за да разрушат /надробят/ скалния масив. Примерно, нафтоселитрените взривни вещества /АНФО/ образуват по-високо налягане от взривни газове, отколкото детонационно налягане и ударна вълна.

Ако се моделира детонационен процес в последо­вателно взривявани (групи) заряди, то въздействието, което най-вече се съблюдава, е разлетът на скални късове. В този случай се изследват методи за управление на сравнително слабата детонационна вълна, с цел по-добро раздробяване и насочване на разлета на скални късове, примерно в случай на наличие на охраняеми обекти като пътни артерии в непосредствена близост. Това също така има голямо значение при работа в условия без открита повърхност, тъй като тогава взривното действие води до напукване на скалния масив и съответно до намаляване на якостта му. Затова параметърът, който е основната променлива в моделирането, е разпреде­лението на количествата взривно вещество във времето и пространството.

В това отношение най-голямо значение има практиката на взривяване, тъй като, докато моделирането на химична реакция или процес, който се развива по установени закономерности, може да даде резултати много близки до измерени стойности, то за въздействието на детона­цион­ната енергия върху скален масив се задават параметри, зависещи от вида на скалите, характеристиките на взривното вещество, количеството на взривяваните в един същи момент заряди и установени в практиката коефи­циенти.

Детонацията се определя като процес, развиващ се с максимална за съответните условия скорост. Тази скорост се обуславя от взаимодействието на отделните компоненти в заряда от взривно вещество. Характерно за моделирането на детонационен процес е определянето на максималната стойност на налягането /и съответстващия му импулс на действие/ върху обкръжаващата среда /свръхналягане/, което неизменно се достига на определено разстояние от заряда вследствие на отделената енергия, и се разпространява радиално под формата на ударна вълна. Пиковата стойност на налягането на ударната вълна отхвърля и/или разрушава обекти, до които достига, поради това периметърът на неговото действие е от голямо значение за безопасността при извършването на взривни работи.

Konya, С. J., Walter, E. J., 1991. Rock Blasting and Overbreak control. U.S. Department of transportation, 435 p.