深水靜壓作用下含水炸藥爆炸性能的研究

汪 齊，胡坤倫，王 猛，曹 杰，韓體飛，楊 帆

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深水靜壓作用下含水炸藥爆炸性能的研究

汪 齊1，胡坤倫1，王 猛1，曹 杰1，韓體飛1，楊 帆2

（1.安徽理工大學(xué)，安徽淮南，232001；2安徽江南爆破工程有限公司，安徽宣城，242300 ）

為得到含水炸藥的爆速隨靜態(tài)壓力變化的規(guī)律，采用特制的爆炸性能測試裝置，通過改變靜水表面的壓力來模擬深水裝藥環(huán)境，對不同靜壓作用下兩類含水炸藥（乳化炸藥和煤礦許用水膠炸藥）的爆速進行測試。實驗結(jié)果表明：含水炸藥的爆速隨著壓力的增大而降低；乳化炸藥受靜態(tài)壓力的影響較大，在靜壓力為0.3MPa下會發(fā)生拒爆，水膠炸藥爆速下降率比較平緩穩(wěn)定。同時，通過擬合得到了乳化炸藥的爆速與壓力和加壓時間之間的關(guān)系式。本研究為含水炸藥在水下爆破中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

含水炸藥；靜壓；爆炸性能；爆速

我國的水下爆破在近年來發(fā)展非常迅速，1986年葛洲壩水電站兩道混泥土防滲心墻的水下爆破拆除成功，創(chuàng)下我國多段微差爆破新技術(shù)。三峽工程上游圍堰的爆破拆除規(guī)模巨大，拆除難度高，仍然全部1次爆破拆除成功，標(biāo)志著我國水下爆破技術(shù)又上了1個新的臺階[1-2]。但是，在水下爆破或含水深孔爆破中，由于水壓力的作用或炸藥自重的影響，炸藥的爆速和猛度等爆炸性能都會隨之下降，不僅如此，還會使炸藥密度變大，炸藥起爆感度和傳爆感度都會降低。因此，研究深水作用下含水炸藥爆炸性能，對于水下爆破施工、深孔爆破、含水炸藥的研制都有一定的指導(dǎo)意義。

1 實驗方法

1.1 實驗原理及方案

水下裝藥所受到的總壓力等于靜水表面的大氣壓和水壓力之和，本實驗使用自行設(shè)計的爆炸裝置，如圖1所示。通過改變靜水表面的壓力來模擬深水裝藥環(huán)境，并采用電測時儀法進行含水炸藥受壓狀態(tài)的爆速測試。

圖1 爆速測試裝置

結(jié)合水下爆破工程實際并經(jīng)過一系列的考察試驗，并考慮到實驗工作量，最終確定含水炸藥抗壓性能的試驗方案：（1）對水膠炸藥壓力點取0、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa，0.6MPa，每個壓力點爆速分別測試3次；（2）對乳化炸藥壓力點取0、0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa，每個壓力點爆速分別測試3次；（3）對乳化炸藥壓力點取0、0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa，并將每個壓力點下的乳化炸藥放置1h、2h、3h、4h、5h，每個壓力下、不同放置時間后分別測試3次爆速。

由于實驗是在自行設(shè)計的爆炸容器中進行，測試爆速除按照國標(biāo)要求進行的同時，還要注意以下幾點：（1）進行炸藥爆炸性能測試時應(yīng)保證裝置的氣密性；（2）測試時藥卷應(yīng)正向起爆，雷管腳線和探針線應(yīng)分別從爆炸裝置頂部和底部中引出，防止爆轟波傳播過程中探針被破壞。

1.2 爆炸性能的表征方法

用爆速值來計算含水炸藥受靜壓后爆炸性能的下降程度，下降率用式（1）表示：

=(0-)/0（1）

式（1）中：為表示含水炸藥爆炸性能下降程度，變化范圍為0～1，數(shù)值越大說明炸藥爆炸性能下降程度越大；0為靜壓作用前炸藥爆速值；為靜壓作用后炸藥爆速值。

受靜水壓力前與拒爆時：

0=(0-)/0=0 （2）

1=(0-拒爆)/0=(0-0)/0=1 （3）

式（2）中：0表示靜壓作用前炸藥爆炸性能下降程度，此時下降程度最小，其值為0；式（3）中：1表示炸藥受壓拒爆時炸藥爆炸性能下降程度，此時下降程度最大，其值為1[3]。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 水膠炸藥與乳化炸藥抗壓性能對比

乳化炸藥和水膠炸藥的爆速隨壓力變化的測試結(jié)果分別見表1~2。

表1 乳化炸藥靜壓下爆速測試結(jié)果 (m·s-1)

under the static pressure

Tab.1 Detonation velocity results of the emulsion explosive

表2 水膠炸藥靜壓下爆速測試結(jié)果 (m·s-1)

Tab.2 Detonation velocity results of the water-gel explosive under the static pressure

對表1、表2試驗數(shù)據(jù)利用式 ( 1 )進行處理，根據(jù)處理結(jié)果做相關(guān)圖及表，見表3~4及圖2~3。

表3 乳化炸藥爆炸性能下降率

Tab.3 Decline rate of detonation velocity of emulsion explosive

表4 水膠炸藥爆炸性能下降率

Tab.4 Decline rate of detonation velocity of water-gel explosive

由表1~2、圖2可知：0～0.25MPa靜水壓力作用范圍內(nèi)，乳化炸藥的爆炸性能隨著壓力的增大逐漸降低，當(dāng)壓力達到0.3MPa時開始出現(xiàn)半爆或拒爆。在乳化炸藥起爆過程中，敏化劑充當(dāng)著熱點的作用，本實驗用的乳化炸藥屬于化學(xué)敏化，對于化學(xué)敏化的乳化炸藥，氣泡的穩(wěn)定性至關(guān)重要。當(dāng)炸藥受靜水壓力的作用時，有效的敏化氣泡體積會縮小而失去敏化作用，“熱點”大大的減少，未反應(yīng)的炸藥受爆轟波前端激波壓縮作用而導(dǎo)致的溫度增加值減少，化學(xué)反應(yīng)區(qū)內(nèi)反應(yīng)速率減緩，同時反應(yīng)效率也會降低，直接導(dǎo)致炸藥爆轟性能下降。此外，在靜水壓力作用下，大量的有效氣泡縮小，兩相界面的接觸面積變小，通過對乳化炸藥爆轟機理的分析，這也將導(dǎo)致乳化炸藥的爆轟性能降低[4]。

圖2 兩種炸藥爆速值與靜態(tài)壓力關(guān)系

圖3 兩種炸藥爆炸性能下降率與靜態(tài)壓力關(guān)系

由圖2可知，三級煤礦許用水膠炸藥在0~0.1MPa (即從不受靜態(tài)壓力到受靜態(tài)壓力轉(zhuǎn)變)下，水膠炸藥的爆速有一個增大的過程。這是因為對于以氧化物和可燃物為主要組成的工業(yè)炸藥，通常存在一個最佳密度，在最佳密度時，裝藥的爆速達到最大值，其它密度時，爆速都減小。在直徑一定時，它們的爆速先隨密度增大而增加[5-6]。當(dāng)壓力從0增大到0.1MPa時，水膠炸藥的密度增大，爆速增大；當(dāng)壓力繼續(xù)增大時，即在0.1~0.6MPa下水膠炸藥的爆速隨著壓力的增大而降低，大于0.4MPa后，爆速值低于國標(biāo)規(guī)定的三級煤礦許用水膠炸藥的水平[7]。這是因為水膠炸藥的膠凝劑是線性高分子化合物，遇氧化劑水溶液溶脹水合后與交聯(lián)劑形成立體形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[8]，在靜壓力作用下，凝膠體系具有的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，導(dǎo)致炸藥性能下降。

由表3~4、圖3可知：乳化炸藥的爆速下降率大于水膠炸藥的爆速下降率，即乳化炸藥受靜態(tài)壓力的影響較大，水膠炸藥受靜態(tài)壓力的影響較小，造成這種不同主要是因為乳化炸藥和水膠炸藥的組分、結(jié)構(gòu)存在差異。

2.2 乳化炸藥抗壓性能分析

乳化炸藥在不同的壓力點下放置不同時間測得的爆速結(jié)果見表5。

表5 不同壓力下放置不同時間后乳化炸藥爆速測試結(jié)果 (m·s-1)

Tab.5 Detonation velocity results of the emulsion explosive after laying different time in different pressure

由表5可見，當(dāng)放置時間相同時，乳化炸藥的爆速隨著壓力的增大而減小，在同一壓力點下，乳化炸藥的爆速隨著加壓時間的變化沒有明顯的變化規(guī)律。并且，通過對比分析可發(fā)現(xiàn)，壓力因素相對于放置時間而言，壓力的變化對乳化炸藥的爆速影響更為明顯。將乳化炸藥的爆速記為，靜態(tài)壓力記為，加壓后的放置時間記為。將表5中的實驗結(jié)果非線性曲面擬合得到方程：

擬合出來的函數(shù)圖像如圖4所示。

圖4 擬合的函數(shù)圖像

Fig.4 Fitting function image

從圖4可以看出，壓力和加壓時間均會影響乳化炸藥的爆速，爆速值隨著壓力的變化趨勢更為明顯，當(dāng)乳化炸藥所受的靜態(tài)壓力較大且受壓時間越長時，爆速下降的趨勢更加顯著。

3 結(jié)論

（1）隨著靜荷載壓力的增加，含水炸藥的爆速值呈遞減趨勢。其中水膠炸藥在0～0.1MPa下爆速有一個增加的過程，壓力大于0.4MPa后，爆速值低于國標(biāo)規(guī)定的三級煤礦許用水膠炸藥的水平；乳化炸藥在靜態(tài)壓力達到0.3MPa后會出現(xiàn)半爆或拒爆。

（2）隨著靜荷載壓力的增加，含水炸藥的爆速下降率呈遞增趨勢，并且乳化炸藥爆速受靜壓影響更為明顯。水下爆破中含水炸藥的抗壓性能的優(yōu)劣對爆破效果有很大的影響，因此，利用含水炸藥進行水下爆破施工時，必須對含水炸藥的抗壓性能予以重視，并且應(yīng)根據(jù)含水炸藥抗壓能力的不同考慮選用不同種類的含水炸藥。

（3）含水炸藥的爆炸性能會受到靜態(tài)壓力和加壓時間等因素的影響，并且壓力的變化對其影響更為明顯，因此在工程實踐中應(yīng)綜合考慮各因素的影響，合理設(shè)計方案。

[1] 胡坤倫,梁鎏鎏,沈東.含水炸藥在靜壓作用下爆炸特性的實驗研究[J].火工品,2012(2):22-25．

[2] 高建華.淺水中爆炸及其破壞效應(yīng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010．

[3] 劉磊,汪旭光,張成良.受靜壓作用乳化炸藥的實驗研究[J].爆破,2014,31(2):139-143．

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[5] 張立.爆破器材性能與爆炸效應(yīng)測試[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2006．

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[7] GB 18094-2000水膠炸藥[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000．

[8] 汪旭光,聶森林,云主惠,等.漿狀炸藥的理論與實踐[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1985．

Experimental Study on the Explosive Performance of Water-bearing Explosives under the Static Pressure

WANG Qi1，HU Kun-lun1，WANG Meng1，CAO Jie1，HAN Ti-fei1，YANG Fan2

（1.Anhui University of Science and Technology, Huainan, 232001;2.Anhui Jiangnan Blasting Engineering Co.Ltd.,Xuancheng,242300）

To summarize the rule of the water-bearing detonation velocity changing with static pressure, the detonation velocity of two types of explosive (emulsion explosive and coal mine permissible water-gel explosive) under different static pressure were tested by a special explosion testing device, the deep water charging environment was simulated by changing the pressure under water. The experimental results showed that detonation velocity of water-bearing explosives was decreased with the increase of static pressure. The detonation velocity of emulsion explosive was affected obviously, it occurred failure explosive when the static pressure value reached 0.3MPa,while the curve decline rate of detonation velocity for water-gel explosive was relatively flat and stable. At the same time, the relation equation between detonation velocity, pressure and pressure time of emulsion explosive was fitted out. The study provides technique support for the application of water-bearing explosives in under water blasting.

Water-bearing explosive；Static pressure；Explosive performance；Detonation velocity

1003-1480（2017）03-0041-04

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.011

2017-04-11

汪齊（1992-），男，碩士研究生，從事工程爆破、爆炸力學(xué)研究。

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（51604009）。