Технология и безопасность взрывных работ

Москва 2019

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ 
 
Кафедра физических процессов горного производства 
и геоконтроля

В.А. Белин
М.Г. Горбонос
Р.Л. Коротков

ТЕХНОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ 
ВЗРЫВНЫХ РАБОТ

Учебное пособие

Утверждено Методическим советом НИТУ МИСиС

№ 3363

УДК 622.233:622.235 
 
Б43

Р е ц е н з е н т 
д-р техн. наук К.С. Коликов

Белин В.А.
Б43  
Технология и безопасность взрывных работ : учеб. пособие / 
В.А. Белин, М.Г. Горбонос, Р.Л. Коротков. – М. : Изд. Дом НИТУ 
«МИСиС», 2019. – 74 с.
ISBN 978-5-907061-08-8

Содержит сведения, необходимые для выполнения письменных работ для 
студентов заочной и дистанционной форм обучения по дисциплине «Технология и безопасность взрывных работ».
Для каждой письменной работы приведены необходимые теоретические 
и справочные материалы, методика выполнения самостоятельных работ, порядок оформления и варианты заданий.
Предназначено для студентов по специальности подготовки 21.05.04 «Горное дело», дипломникам при подготовки специальных частей выпускных квалификационных работ (ВКР).

УДК 622.233:622.235

 В.А. Белин
М.Г. Горбонос
Р.Л. Коротков, 2019
ISBN 978-5-907061-08-8
 НИТУ «МИСиС», 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ..............................................................................................4
1. Самостоятельная работа 1. Расчет кислородного баланса 
и кислородного коэффициента, теплоты взрыва и объема 
газообразных продуктов взрыва (ПВ) взрывчатого вещества (ВВ) .....5
1.1. Методические указания по выполнению письменной работы  ... 5
1.2. Пример расчета термодинамических характеристик 
трехкомпонентного ВВ .......................................................................... 16
1.3. Варианты задания ........................................................................... 18
2. Самостоятельная работа 2. Расчет параметров скважинных  
зарядов при взрывании на карьерах ......................................................20
2.1. Методические указания по выполнению письменной  
работы ...................................................................................................... 20
2.2. Последовательность расчета и требования к оформлению 
письменной работы  ............................................................................... 47
2.3. Варианты задания для расчета параметров буровзрывных  
работ (БВР) .............................................................................................. 57
3. Самостоятельная работа 3. Расчет параметров БВР  
при проведении подготовительных выработок  
и составление паспорта БВР ..................................................................58
3.1. Методические указания по выполнению письменной  
работы  ..................................................................................................... 58
3.2. Пример расчёта параметров БВР при проведении  
подземных выработок ............................................................................ 66
3.3. Варианты задания ........................................................................... 71
Библиографический список ...................................................................72

ПРЕДИСЛОВИЕ

Целью освоения дисциплины «Технология и безопасность взрывных работ» является подготовка будущих специалистов (горных инженеров) в области техники, технологии, организации и безопасности 
взрывных работ, позволяющая после завершения обучения овладеть 
комплексом компетенций, предусмотренных в сфере производственно-технологической, 
организационно-управленческой, 
научно-исследовательской и проектной деятельности, и получение права технического руководства взрывными работами при добыче твердых 
полезных ископаемых и строительстве подземных объектов в различных горно-геологических условиях.
При изучении дисциплины предусматривается выполнение двух 
письменных самостоятельных работ.
Самостоятельная работа 1. «Расчет кислородного баланса, теплоты взрыва и объема газообразных продуктов взрыва (ПВ) взрывчатого 
вещества (ВВ). 
Для специальностей «Горное дело»:
 – «Открытые горные работы». 
 – «Маркшейдерское дело». 
 – «Горнопромышленная экология». 
 – «Горные машины и оборудование».
 – «Электрификация и автоматизация горного производства».
Самостоятельная работа 2. «Расчет параметров скважинных зарядов при взрывании на карьерах»
Для специальностей «Горное дело»:
 – «Подземная разработка пластовых месторождений».
 – «Подземная разработка рудных месторождений».
 – «Шахтное и подземное строительство». 
 – «Технологическая безопасность и горноспасательное дело».
Самостоятельная работа 3. «Расчет параметров БВР при проведении подземных выработок и составление Паспорта БВР».

1. Самостоятельная работа 1

РАСЧЕТ КИСЛОРОДНОГО БАЛАНСА 
И КИСЛОРОДНОГО КОЭФФИЦИЕНТА, 
ТЕПЛОТЫ ВЗРЫВА И ОБЪЕМА 
ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ ВЗРЫВА (ПВ) 
ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА (ВВ)

1.1. Методические указания по выполнению 
письменной работы 

Кислородный баланс ВВ (Кб) и кислородный коэффициент (αк) характеризуют наличие избытка или недостатка кислорода в составе ВВ 
по сравнению с количеством, необходимым для полного окисления 
горючих элементов [1].
Под полным окислением понимается окисление водорода в воду 
(H2O), углерода в углекислый газ (CO2), алюминия в Al2O3.
Реакции полного окисления основных горючих элементов ВВ выглядят следующим образом: 

C + 2O = CO2 + 396 кДж/моль,

2Al +3О = Al2О3 + 1666 кДж/моль;

для жидкого агрегатного состояния воды

2H + O = H2O + 283 кДж/моль,

для парообразного состояния воды

2H + O = H2O + 241 кДж/моль.

Индивидуальные ВВ типа химических соединений. ВВ, состоящие 
из углерода, водорода, азота и кислорода, можно представить в виде 
так называемой условной (брутто) формулы вида СaНbNcOd, тогда 
кислородный баланс можно определить по формуле

 
Кб 

[
(2
0,5 )] 16 100
б
ВВ
K
d
a
b
M
−
+
⋅
=
⋅
%. 
(1.1)

где a, b, c, d – количество грамм-атомов углерода, водорода, азота и 
кислорода в составе ВВ (в брутто-формуле) соответственно;
 
MВВ - молекулярная масса, г-моль.

Кислородный коэффициент определяется по формуле

 
2
/ 2
к
d
a
b
α =
+
. 
(1.2)

Пример. 
Определить 
Кб 
для 
тринитротолуола 
(тротила) 
С7Н5(NO2)3, молекулярная масса которого Мвв = 227 г-моль.
Приводя химическую формулу к виду «условной» - С7Н5N3O6, 
определяем кислородный баланс 

Кб 

[6
(2 7
0,5 5)] 16 100 %
74 %
227
б
K
⋅
+
⋅
⋅
=
= −
−
⋅
.

Определяем кислородный баланс аммиачной селитры NH4NO3, 
молекулярная масса которой М = 80 г-моль:

Кб 

[3
(2 0
0,5 4)] 16 100 %
20 %
80
б
K
⋅
+
⋅
⋅
=
= +
−
⋅
.

Как видно из расчета, аммиачная селитра содержит избыток кислорода Кб > 0, вследствие чего она используется в большинстве промышленных смесевых ВВ как окислитель.
Для смесевых многокомпонентных ВВ, содержащих также алюминиевую пудру, обычно используется последовательность расчета:
 – определяется количество г-молей компонент ВВ в 1 кг;
 – вычисляется количество каждого из элементов, содержащихся в 
1 кг смеси (в г-атомах);
 – составляется условная брутто-формула ВВ вида Сa Нb Nc Od Ale.
С учетом окисления алюминия в оксид Al2O3, рассчитывается Кб:

Кб 

[
(2
0,5
1,5 )] 16 100 %
1000
б
K
d
a
b
e
+
+
⋅
=
⋅
−
,

2
0,5
1,5
к

d
a
b
e
α =
+
+
.

Пример. Определить Кб и αк для смесевого трехкомпонентного ВВ, 
состоящего из 80 % аммиачной селитры, 15 % тротила и 5 % алюминия.
Рассчитаем элементарный состав 1 кг такого ВВ. Согласно процентному содержанию в 1 кг ВВ содержится 800 г аммиачной сели

тры, 150 г тротила, 50 г алюминия, откуда получаем состав для 1 кг 
ВВ (левая часть реакции взрывчатого превращения): 

800/80 ⋅ NH4 NO3 + 150/227 ⋅ C7H5(NO2)3 + 50/27 ⋅ Al

или

10,0 ⋅ NH4 NO3 + 0,661 ⋅ C7H5(NO2)3 + 1,852 ⋅ Al.

где М = 80 – молекулярная масса аммиачной селитры, г-моль;
 
М = 227 – молекулярная масса тротила, г-моль;
 
М = 27 – атомная масса алюминия.

Откуда

∑N = 10 ⋅ 2 + 0,661 ⋅ 3 = 21,98;

∑C = 0,661 ⋅ 7 = 4,63;

∑H = 10 ⋅ 4 + 0,661 ⋅ 5 = 43,3;

∑O = 10 ⋅ 3 + 0,661 ⋅ 6 = 33,966;

∑Al = 1,852.

Условная (брутто) формула для рассматриваемого ВВ имеет вид

С4,63H43,3N21,98O33,97Al1,85.

Проверяется суммарная масса элементарной (брутто) формулы, 
которая должна быть равна 1000 ±2 г (1 кг):

4,63 12
43,3
21,98 14
33,97 16
1,85 27
1000,05
ВВ
M
=
⋅
+
+
⋅
+
⋅
+
⋅
=
г 

Кислородный баланс ВВ 

[33,96
(2 4,63
0,5 43,3 1,5 1,85)] 16 100%
0,6
1000

б
K
⋅
+
⋅
+
⋅
⋅
=
⋅
= +
−
%.

Кислородный коэффициент ВВ

33,96
1,009
2 4,62
0,5 43,3 1,5 1,85
к
α =
=
⋅
+
⋅
+
⋅
.

При известных значениях Кб для компонентов ВВ кислородный 
баланс смеси может быть определен по известному процентному соотношению компонентов.

Пример. Определить Кб граммонита 30/70, состоящего из 30 % аммиачной селитры, Кб = +20 % и 70 % тротила, Кб = -74 %:

30 ( 20)
70 ( 74)
45,8%,
100

б
K
⋅ +
+
⋅ −
=
= −

или, выражая содержание компонентов в долях, получаем

Кб 
0,3 ( 20)
0,7 ( 74)
45,8
б
K =
⋅ +
+
⋅ −
= −
%.

Можно решать обратную задачу. Задаваясь нужным кислородным 
балансом для смесевого ВВ, по известным значениям Кб для компонентов ВВ определяется их процентное соотношение.
Определим процентное соотношение компонентов ВВ с нулевым 
кислородным балансом (Кб = 0), состоящего из аммиачной селитры 
(Кб = +20 %) и тротила (Кб = -74 %).
Принимаем за х процентное содержание тротила в ВВ, тогда аммиачной селитры в составе ВВ будет (100 – х) %, откуда записываем 
следующее уравнение:

Кб 

(100
) ( 20)
( 74)
0
100
б
K
x
x
−
⋅ +
+
⋅ −
=
=
%

или

2000 – 20х – 74х = 2000 – 94х = 0.

Решая данное уравнение, находим состав ВВ:
х = 21 % - содержание тротила в составе ВВ;
100 - х = 79 % - содержание аммиачной селитры.
Такому составу соответствуют два типа ВВ: порошкообразный аммонит 6ЖВ и гранулированный граммонит 79/21: в числителе - содержание аммиачной селитры, в знаменателе – содержание тротила.
Соотношение компонентов, отвечающих нулевому кислородному 
балансу смеси, называют стехиометрическим.
По величине кислородного баланса, в зависимости от соотношения между a, b и d, все промышленные ВВ принято подразделять на 
три группы.
Первая группа - ВВ с положительным или нулевым Кб, т.е. с количеством кислорода в составе ВВ, достаточным для полного окисления горючих элементов:
d ≥ 2a + b/2, откуда Кб ≥ 0, aк ≥ 1.

В этом случае в составе ПВ в основном содержатся газообразные 
СО2, H2О, N2 и частично продукты диссоциации углекислого газа и 
воды (водяных паров):

2CO2 ↔ 2CO + O2;

2H2O ↔ 2H2 + O2.

При значительном избытке кислорода возможно образование оксидов азота NO, NO2 и др., имеющих характерный желто-бурый цвет 
(NO2):

N + О → NO - 90 кДж/моль.

Типичным представителем ВВ данной группы является нитроглицерин (глицеринтринитрат) – C3H5(ОNO2)2, Кб = +3,5 %.
ВВ с отрицательным Кб, т.е. с количеством кислорода, недостаточным для полного окисления горючих элементов, Кб < 0, aк < 1.
Вторая группа - ВВ с отрицательным Кб, но с количеством кислорода, достаточным для полного газообразования:

a + b/2 ≤ d < 2a + b/2.

Как правило, в этом случае образуются следующие ПВ: СО2, СО, 
H2О, H2, N2.
Третья группа - ВВ с существенно отрицательным Кб, при котором в составе ПВ может присутствовать чистый углерод (С) в виде 
сажи (исследования показывают, что в составе ПВ может содержаться 
некоторое количество H2 и СО2):

d < a + b/2.

При d < a образование свободного углерода неизбежно и ПВ состоят в основном из СО, С, H2О, H2, N2.
У ВВ с нулевым кислородным балансом образуется минимальное 
количество ядовитых газов и выделяется максимальная энергия при 
взрыве. При недостатке кислорода вместо СО2 образуется ядовитый 
оксид углерода СО, (угарный газ) причем образование этого соединения идет с меньшим выделением тепла:

2С + О → 2СO + 109 кДж/моль,

С + 2O → СО2 + 394 кДж/моль.

Поэтому при составлении рецептур ВВ стремятся обеспечить нулевой кислородный баланс путем регулирования количества горючих и 
кислородсодержащих компонентов таким образом, чтобы недостаток 
кислорода в одних компонентах компенсировался избытком его в других.
Промышленные ВВ обычно имеют незначительный положительный кислородный баланс 2…3%. Избыток кислорода расходуется на 
окисление бумажных оболочек и парафинового покрытия патронированных ВВ.
Величина Кб взрывчатого вещества в значительной степени определяет характер реакции взрывчатого превращения ВВ, т.е. состав ПВ 
и, следовательно, значение термодинамических характеристик, таких 
как теплота, температура, объем и давление газообразных продуктов 
взрыва и др.
Значения термодинамических характеристик определяются как составом ВВ, так и составом конечных продуктов взрыва (детонации), 
который, в свою очередь, зависит от величины кислородного баланса Кб.

Составление реакций взрывчатого превращения ВВ

Для ВВ с нулевым или положительным кислородным балансом  
Кб ≥ 0.
Для ВВ с Кб ≥ 0 реакции взрывчатого превращения составляются исходя из образования высших оксидов всех горючих элементов, 
содержащихся в ВВ, а именно СО2, Н2О, А12О3. Избыток кислорода 
выделяется в виде О2 или расходуется на образование оксидов азота: 
NO, NO2, N2O5 и др.
Составление реакции взрывчатого превращения (правой части реакции) для таких ВВ не представляет сложности.
В качестве примера рассмотрим взрыв нитроглицерина с положительным Кб, реакция взрывчатого превращения которого имеет вид:

C3H5(ONO2)3 = 3CO2 + 2,5H2O + 0,25O2 + 1,5N2.

Для ВВ с отрицательным кислородным балансом Кб < 0.
Более сложно составить реакции взрывчатого превращения для 
ВВ, имеющих отрицательный кислородный баланс. В этом случае 
для менее точных оценок и решения ряда прикладных задач взрывного дела пользуются приближенными методами расчета термодина

мических характеристик ВВ, основанных на различных принципах 
определения состава ПВ.
В этих методах предусматривается различная последовательность 
расходования кислорода в составе ВВ на окисление горючих компонентов, а также возможность протекания ряда равновесных реакций 
в ПВ.
На практике для составления реакций взрывчатого превращения 
достаточно широко применяется метод Бринкли-Вильсона. При составлении правой части реакции взрывчатого превращения по этому 
методу распределение кислорода происходит следующим образом. 
В составах, не содержащих алюминиевую пудру, кислород сначала 
окисляет весь водород в H2O и углерод в СО, а оставшаяся часть кислорода используется на доокисление СО в СО2.
Для алюмосодержащих ВВ сначала алюминий окисляется в Al2O3, 
а водород в H2O, углерод С в СО. Оставшийся кислород идет на доокисление CO в CO2.
По этой методике реакция взрывчатого превращения для ТЭНа 
(Кб = -10,1 %) имеет вид

C5H8N4O12 → 4H2O + 3CO2 + 2CО + 2N2.

При существенно отрицательном кислородном балансе (Кб << 0) 
кислорода не хватает для полного окисления С в СО и выделяется 
свободный углерод (С). Примером может быть реакция взрывчатого 
превращения тротила (Кб = -74 %)

C7H5(NO2)3 → 2,5H2O + 3,5CO + 3,5C + 1,5N2.

Пример. Составить реакцию взрывчатого превращения 1 кг 
(1000 г) алюмотола (Кб < 0), представляющего собой гранулированный сплав тротила: 85 % (850 г) и 15 % (150 г) алюминиевой пудры.
Молекулярное уравнение (левая часть) имеет вид

7
5
2 3
7
5
2 3
850
150
С H (NO ) +
Al=3,74C H (NO ) +5,56Al
227
27
.

Определяем поэлементный состав (условную или брутто формулу) 
ВВ

∑N = 3,744 ⋅ 3 = 11,23;

∑C = 3,744 ⋅ 7 = 26,21;