水浴加熱對乳化炸藥爆炸威力的影響

林謀金, 劉 暢, 馬宏昊, 王 飛, 王佩佩

(1. 宏大爆破有限公司, 廣東 廣州 510623; 2. 中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 安徽 合肥 230026)

1 引 言

我國露天煤礦的覆蓋層硬度普遍比較大,因此需要通過深孔松動(dòng)爆破進(jìn)行剝離。煤礦火區(qū)導(dǎo)致的高溫炮孔環(huán)境可能使爆破器材發(fā)生早爆而威脅爆破作業(yè)人員的生命安全,另外高溫環(huán)境也可能使工業(yè)炸藥加快熱分解而降低炸藥性能或者產(chǎn)生拒爆,從而影響爆破作業(yè)整體效果并留下安全隱患[1],因此迫切需要對高溫爆破存在的相關(guān)問題進(jìn)行研究。目前,研究人員對熱作用下的爆破器材性能變化情況進(jìn)行了廣泛研究,其中傅建秋[2]研究電雷管在高溫作用下的性能變化,結(jié)果表明電雷管在溫度高于130 ℃時(shí)發(fā)生自爆; 李戰(zhàn)軍[3]研究表明2號巖石乳化炸藥在80 ℃炮孔中放置數(shù)小時(shí)后仍能用雷管正常起爆,在130 ℃的高溫作用下經(jīng)過6 h后失效; 廖明清[4]研究表明受熱后的導(dǎo)爆索爆速不變且能起爆防自爆藥包。上述研究結(jié)論主要是將未防護(hù)的爆破器材直接放置在高溫炮孔中得出的,而林謀金[5]提出的全孔蓄水施工方法以及套筒隔熱防護(hù)都是將爆破器材處于水環(huán)境中進(jìn)行防護(hù),從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)炸藥與起爆器材較長時(shí)間保持在安全溫度的環(huán)境中。水下爆炸測試方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)炸藥的做功能力測試,其通過測定炸藥的沖擊波能和氣泡能而得到做功能力數(shù)據(jù),并與通常評價(jià)工業(yè)炸藥威力的爆力值呈良好的線性關(guān)系,已逐步成為評價(jià)炸藥做功能力的重要手段,其做功能力數(shù)值通常很接近用爆熱彈測量炸藥爆轟所釋放出的化學(xué)能(爆熱),可以用于比較各種炸藥的做功能力[6]。目前乳化炸藥的爆炸威力在水浴加熱后的變化情況在國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)中公開報(bào)道較少,本研究對乳化炸藥采用水浴恒溫箱進(jìn)行水浴加熱(以下簡稱“水浴加熱”)來模擬高溫炮孔中乳化炸藥(水浴防護(hù)下)的環(huán)境溫度,同時(shí)采用水下爆炸實(shí)驗(yàn)測定水浴加熱前后的乳化炸藥爆炸威力的衰減情況，其結(jié)果可為煤礦火區(qū)高溫爆破提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 樣品制備

采用珍珠巖敏化乳膠基質(zhì)(水含量為12%)，其比例為乳膠基質(zhì)∶珍珠巖=96∶4，敏化溫度為60 ℃,其中膨脹珍珠巖的粒度90%以上為20～80目,墩實(shí)密度小于0.07 g·mL-1。將乳化炸藥用塑料包裝成球狀藥包,其質(zhì)量為30 g,直徑約為1.84 cm,密度為1.13～1.18 g·cm-3。采用水浴恒溫箱對藥包進(jìn)行100 ℃水浴加熱,加熱時(shí)間分別為0,1,2,3,6 h,分別得到不同受熱時(shí)間的樣品。

2.2 水下爆炸實(shí)驗(yàn)

水下爆炸實(shí)驗(yàn)采用爆炸罐的直徑為D為5 m,水深H為5 m,測試裝置包括水下壓力傳感器(PCB,ICPW138A25)、恒流源(482A22)以及泰克示波器(TEKDSO8064A),如圖1所示。為了滿足沖擊波和氣泡脈動(dòng)的測試要求,將藥包和傳感器置于水面下3 m處,藥包與傳感器的距離為120 cm,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

圖1 水浴加熱與水下爆炸實(shí)驗(yàn)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of underwater explosion experimental system and water-bath heating

2.3 炸藥爆速測試實(shí)驗(yàn)

采用圖1所示裝置對水浴加熱不同時(shí)間后的乳化炸藥進(jìn)行水下爆炸爆速實(shí)驗(yàn)。爆速實(shí)驗(yàn)設(shè)備包含有多段智能爆速測量儀2BS-110、空中爆炸容器、細(xì)漆包線制成的探針、電線以及Φ32 mm PVC管,探針間距為4 cm,炸藥質(zhì)量約為200 g,測量時(shí)將爆速測量儀的時(shí)基調(diào)至0.1 μs。水浴加熱前需要將乳化炸藥裝入聚氯乙烯(PVC)管后進(jìn)行密封處理,防止其在加熱過程中膨脹溢出。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 沖擊波與氣泡脈動(dòng)壓力時(shí)程曲線

水浴加熱不同時(shí)間的乳化炸藥在水下爆炸后產(chǎn)生的典型沖擊波壓力時(shí)程曲線與氣泡脈動(dòng)壓力時(shí)程曲線如圖2所示，為了便于比較，將圖2中水浴加熱不同時(shí)間的沖擊波壓力時(shí)程曲線起跳點(diǎn)適當(dāng)往后調(diào)整。

由圖2可得，乳化炸藥的沖擊波壓力峰值(圖2a)隨著水浴加熱時(shí)間的增加而下降，其原因是乳化炸藥水浴加熱后出現(xiàn)破乳析晶現(xiàn)象，從而使水浴加熱后的乳化炸藥的爆炸威力降低。乳化炸藥的氣泡脈動(dòng)周期(圖2b)隨著水浴加熱時(shí)間的增加而下降，脈動(dòng)壓力峰值也是隨著水浴加熱時(shí)間的增加而下降。

3.2 水浴加熱時(shí)間對水下爆炸參數(shù)的影響

柯克伍德(Kirkwood)和貝蒂(Bethe)通過對壓力時(shí)程曲線進(jìn)行積分得到?jīng)_擊波沖量的計(jì)算公式為[7]：

(1)

a. shock wave

b. bubble pulse

圖2 沖擊波壓力時(shí)程曲線與脈動(dòng)壓力時(shí)程曲線圖

Fig.2 Pressure-time curves for shock wave and bubble pulse

式中,i為沖擊波沖量，MPa·s; Δp(t)為沖擊波壓力隨時(shí)間變化函數(shù)，MPa；θ為衰減時(shí)間常數(shù)，其是壓力從峰值pm衰減到pm/e所需的時(shí)間，s。G.Bjarnholt得到的水下爆炸參數(shù)計(jì)算公式為[8-9]:

(2)

(3)

(4)

Tb=aW1/3+bW2/3

(5)

C=b/a2

(6)

E=Kf(μEs+Eb)

(7)

(8)

pCJ=ρ0D2/4×109

(9)

式中,Es為比沖擊波能,MJ·kg-1;R為藥包與傳感器的距離,m;W為炸藥質(zhì)量,kg;ρw為水的密度,kg·m-3;Cw為水中聲速,m·s-1;θ為衰減時(shí)間常數(shù),ms;Eb為比氣泡能,MJ·kg-1;Tb為氣泡第一次脈動(dòng)周期,s;ph為測點(diǎn)處流體總靜水壓力,Pa;E為總能量,MJ·kg-1;μ為沖擊波能損失系數(shù),由G.Bjarnholt根據(jù)實(shí)驗(yàn)值擬合得到;Kf為炸藥的形狀參數(shù),對于球形取1.00,對于非球形取1.02～1.10;ρ0為藥包的密度,kg·m-3;D為炸藥的爆速,m·s-1;pCJ為C-J壓力,GPa。a,b為一定試驗(yàn)條件下的固有常數(shù),其可根據(jù)(Tb,W1/3)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法近似擬合計(jì)算,C為邊界效應(yīng)的校正系數(shù)。實(shí)驗(yàn)前取不同質(zhì)量的乳化炸藥(15～50 g)在同等條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后擬合得到a=0.239,b=-0.019,C=-0.332 s-1,擬合過程考慮了起爆雷管的影響,其擬合相關(guān)系數(shù)為0.99989,說明擬合效果較理想。根據(jù)上述相應(yīng)的計(jì)算公式對水浴加熱不同時(shí)間后的乳化炸藥水下爆炸參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,得到的水下爆炸參數(shù)與水浴加熱時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。

a. specific shock energy b. specific bubble energy c. total energy

d. shock impulse e. detonation velocity f. the percentage of specific bubbleenergy in total energy

圖3 水浴加熱對乳化炸藥水下爆炸參數(shù)的影響

Fig.3 Effect of water-bath heating on the explosion parameter of emulsion explosives

由圖3可得,乳化炸藥的比沖擊波能(圖3a)、比氣泡能(圖3b)、總能量(圖3c)、沖擊波沖量(圖3d)以及爆速(圖3e)隨著水浴加熱時(shí)間的增加而出現(xiàn)下降,其中乳化炸藥的比氣泡能與總能量隨著水浴加熱時(shí)間增加呈近似線性降低,另外乳化炸藥比氣泡能占總能量的比例(圖3f)隨著水浴加熱時(shí)間增加而變化較小,其比例保持在65%左右。煤礦火區(qū)高溫爆破施工中的乳化炸藥處于水浴加熱時(shí)間一般不超過1 h,因此本文重點(diǎn)關(guān)注爆破施工中最不利情況下的爆炸威力衰減情況,即重點(diǎn)關(guān)注乳化炸藥在水浴加熱1 h后爆炸威力變化。水浴加熱1 h后的乳化炸藥總能量平均值2.808 MJ·kg-1比未水浴加熱的乳化炸藥總能量平均值2.901 MJ·kg-1降低了3.17%,沖擊波沖量平均值降低了2.54%,比沖擊波能平均值降低了5.32%,比氣泡能平均值降低了1.33%,即水浴加熱1 h后的乳化炸藥爆炸威力下降較小,同時(shí)乳化炸藥的油包水結(jié)構(gòu)使大直徑藥卷內(nèi)部溫度低于水沸點(diǎn)溫度,因此水浴防護(hù)后的乳化炸藥對煤礦火區(qū)爆破效果的影響可以忽略,即火區(qū)爆破的孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)可以采用常溫區(qū)爆破的孔網(wǎng)參數(shù)。

3.3 能量衰減率計(jì)算

目前水下爆炸能量的計(jì)算公式主要有G.Bjarnholt計(jì)算公式[8]與Cole計(jì)算公式[10],G.Bjarnholt計(jì)算公式計(jì)算精度較好而被廣泛應(yīng)用,但需要另外進(jìn)行爆速實(shí)驗(yàn)得到炸藥的爆速參與計(jì)算,而Cole計(jì)算公式則不需要另外進(jìn)行爆速實(shí)驗(yàn)且計(jì)算過程簡單方便,但需要滿足炸藥的比氣泡能占總能量的比值保持不變的條件。由上文計(jì)算結(jié)果可知珍珠巖敏化的乳化炸藥中比氣泡能占總能量的比例(圖3f)在水浴加熱前后變化較小,因此也可采用Cole計(jì)算公式快速計(jì)算乳化炸藥水浴加熱后的總能量。根據(jù)Cole理論,炸藥在水下爆炸后第一次脈動(dòng)周期的計(jì)算公式為[10-11]:

(10)

(11)

在特定的實(shí)驗(yàn)條件下(水域大小、水深以及炸藥類型等保持不變),可假定β是固定不變,從而得到水浴加熱前后的乳化炸藥總能量計(jì)算表達(dá)式為:

Et=(Tbt/β)3/W

(12)

式中,Tbt為水浴加熱t(yī)小時(shí)后第一次脈動(dòng)周期,s;Et為乳化炸藥在水浴加熱t(yī)小時(shí)后的總能量,MJ·kg-1;β值可通過改變特定炸藥(未水浴加熱)的質(zhì)量可標(biāo)定。為了確定實(shí)驗(yàn)的β值,取不同質(zhì)量的乳化炸藥(15～50 g)在同等條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),根據(jù)式(11)對進(jìn)行擬合,擬合過程也考慮了起爆雷管的影響,其擬合的結(jié)果為β=0.162,擬合相關(guān)系數(shù)為0.99996,擬合效果較理想,如圖4所示。

圖4 脈動(dòng)周期線性擬合計(jì)算

Fig.4 The linear fit calculation of bubble periods

將β=0.162代入式(12)后對水浴加熱后的乳化炸藥總能量進(jìn)行計(jì)算,并與G.Bjarnholt能量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果見表1。為了得到乳化炸藥水浴加熱后的爆炸能量衰減情況,將乳化炸藥在水浴加熱后的能量衰減率定義為η=1-Et/E0,分別由G.Bjarnholt公式與Cole公式計(jì)算得到乳化炸藥經(jīng)過水浴加熱不同時(shí)間后的能量衰減率見表1。

表1 Cole與G.Bjarnholt公式計(jì)算的總能量

Table 1 The total energy calculated by formula of Cole and G.Bjarnholt

time/hTb/msG.BjarnholtEt/MJ·kg-1G.Bjarnholtη/%ColeEt/MJ·kg-1Coleη/%074.272.93403.0480173.942.8453.033.0081.31273.422.765.932.9443.41372.932.7087.72.8855.35670.162.41317.762.56915.72

Note: The data are average values of experimental results.

由表1可得,分別由G.Bjarnholt公式與Cole公式計(jì)算得到的能量衰減率都隨著水浴加熱時(shí)間增加呈近似線性增加,其與乳化炸藥的破乳析晶程度隨著水浴加熱時(shí)間增加而加重有關(guān)。兩種公式計(jì)算得到乳化炸藥經(jīng)過水浴加熱不同時(shí)間后的總能量比較接近,其最大的相對誤差約為6%,因此采用Cole公式計(jì)算乳化炸藥水浴加熱不同時(shí)間后的總能量是可行的。

4 結(jié) 論

(1) 乳化炸藥的爆速、沖擊波沖量、比沖擊波能、比氣泡能以及總能量均隨著水浴加熱時(shí)間的增加而出現(xiàn)下降,其中乳化炸藥的比氣泡能與總能量隨著水浴加熱時(shí)間增加呈近似線性降低。

(2) 100 ℃水浴加熱1 h后的乳化炸藥總能量平均值2.808 MJ·kg-1,比未水浴加熱的乳化炸藥總能量平均值2.901 MJ·kg-1只降低了3.17%,另外煤礦火區(qū)爆破施工中的乳化炸藥處于水浴加熱時(shí)間一般不超過1 h,同時(shí)乳化炸藥的油包水結(jié)構(gòu)使大直徑藥卷內(nèi)部溫度低于水沸點(diǎn)溫度,因此水浴防護(hù)后的乳化炸藥對煤礦火區(qū)爆破效果的影響可以忽略。

(3) 乳化炸藥比氣泡能占總能量的比例隨著水浴加熱時(shí)間增加而變化較小,其滿足采用Cole公式計(jì)算乳化炸藥水浴加熱不同時(shí)間后總能量的前提條件,因此也可采用Cole公式計(jì)算炸藥總能量。

參考文獻(xiàn):

[1] 許晨, 李克民, 李晉旭, 等. 露天煤礦高溫火區(qū)爆破的安全技術(shù)探究[J]. 露天采礦技術(shù), 2010 (4): 73-75+89.

XU Chen, LI Ke-min, LI Jin-xu, et al. Security technology research on high-temperature fire area blasting in surface mine[J].OpencastMiningTechnology, 2010 (4): 73-75+89.

[2] 傅建秋, 李戰(zhàn)軍, 蔡建德, 等. 膠狀乳化炸藥和電雷管的耐高溫性能試驗(yàn)研究[J]. 爆破, 2008, 25(4): 7-10+27.

FU Jian-qiu, LI Zhan-jun, CAI Jian-de, et al. Experimental research on resistance to elevated temperatures of colloidal emulsion explosive and electric detonator[J].Blasting, 2008, 25(4): 7-10+27.

[3] 李戰(zhàn)軍, 鄭炳旭. 礦用火工品耐熱性現(xiàn)場試驗(yàn)[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 32(10): 1498-1500.

LI Zhan-jun, ZHENG Bing-xu. On-site heat resistant experiments of permissible explosive materials[J].JournalofHefeiUniversityofTechnology(NaturalScience), 2009, 32(10): 1498-1500.

[4] 廖明清, 孫孚锜. 普通導(dǎo)爆索在高溫爆破中的應(yīng)用[J]. 爆破器材, 1991 (1): 19-21.

LIAO Ming-qing, SUN Fu-qi. Application of common detonating fuses in high-temperature blasting jobs[J].ExplosiveMaterials, 1991 (1): 19-21.

[5] 林謀金, 鄭炳旭, 李戰(zhàn)軍, 等. 高溫炮孔中乳化炸藥升溫規(guī)律分析[J]. 爆破器材, 2016, 45(1): 47-50.

LIN Mou-jin, ZHENG Bing-xu, LI Zhan-jun, et al. Temperature raising analysis of emulsion explosive in high temperature blast hole[J].ExplosiveMaterials, 2016, 45(1): 47-50.

[6] 汪旭光.乳化炸藥[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2008: 859-864.

WANG Xu-guang. Emulsion explosives [M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2008: 859-864.

[7] Kirkwood J G, Bethe H A. The pressure wave produced by an underwater explosion[R]. OSRD Rep, 1942,588.

[8] G.Bjarnholt. Suggestions on standards for measurement and data evaluation in the underwater explosion test[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics, 1980, 5(2): 67-74.

[9] 林謀金, 馬宏昊, 沈兆武, 等. 鋁薄膜含量對RDX基鋁薄膜炸藥水下爆炸威力影響[J]. 含能材料, 2014, 22(5): 678-683.

LIN Mou-jin, MA Hong-hao, SHEN Zhao-wu, et al. Effect of aluminum film content on underwater explosion performance of RDX-based aluminum film explosive[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2014, 22(5): 678-683.

[10] Cole R H. Underwater explosions[M]. Dover Publications New York, 1965.

[11] Willis H F. Underwater explosions: the time interval between successive explosions[R]. British Report, 1941, WA-47-21.