乳化炸藥的高原環(huán)境適應(yīng)性研究?

吳紅波 高郁凱 李 鵬 張 續(xù)

安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院(安徽淮南，232001)

引言

乳化炸藥是一種油包水型工業(yè)炸藥，能應(yīng)用于多種復(fù)雜的環(huán)境之中，有良好的爆炸性能和安全性，目前仍是礦山開采、隧道開挖等工程中使用最為廣泛的一類炸藥[1]。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，資源的開采重心慢慢傾向于我國新疆、西藏等西部地區(qū)，在這些地區(qū)使用乳化炸藥也越來越頻繁[2-3]。而這些地區(qū)皆為高原、高海拔地區(qū)，在使用過程中，乳化炸藥往往會出現(xiàn)爆速下降、半爆或拒爆等現(xiàn)象，存在爆破后巖石塊度大、爆破施工效率低下等問題。目前，對于高海拔地區(qū)乳化炸藥性能的研究相對較少。趙曉莉等[4]模擬了高原環(huán)境對炸藥爆速的影響得出，由于生產(chǎn)工藝不同，海拔高度的增加對粉狀乳化炸藥和乳化炸藥性能的影響程度不同。李志敏等[5]研究了負壓環(huán)境對炸藥爆炸沖擊波的影響得出，在近真空環(huán)境下，爆炸沖擊波主要以爆轟產(chǎn)物作為傳播介質(zhì)，波速提高受限于爆轟產(chǎn)物運動速度，強度弱，衰減迅速，沖擊波超壓隨爆炸環(huán)境負壓的降低而降低。高玉剛等[6]研究了高海拔環(huán)境下壓力對炸藥猛度的影響，得出膨化炸藥的猛度隨海拔高度的增加基本不發(fā)生變化。目前，對于高原環(huán)境中乳化炸藥的性能研究主要探討了其受環(huán)境壓力的影響。而在實際使用過程中，乳化炸藥不僅受大氣壓力影響，也受環(huán)境溫度以及時間的影響。

本文中，模擬不同溫度、不同氣壓下乳化炸藥的性能變化，使其更接近于實際使用過程中的環(huán)境條件，研究乳化炸藥在高海拔地區(qū)使用時發(fā)生爆轟性能下降、半爆或拒爆現(xiàn)象的原因，擬提高爆破的安全性以及爆破施工的效率。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

實驗材料:2＃巖石乳化炸藥，淮南舜泰化工有限責(zé)任公司，直徑為32 mm。

實驗儀器:真空泵；BSW-3A型智能五段爆速儀，湖南湘西州奇搏礦山儀器廠；JA30003B電子天平，上海越平科學(xué)儀器有限公司；XSP-86系列無限遠生物顯微鏡，上海田瞳光學(xué)科技有限責(zé)任公司；KHSB可程式高低溫試驗箱，合肥安科環(huán)境試驗設(shè)備有限公司。

1.2 高原環(huán)境的溫度、壓力的確定

查閱2 500 m以下的海拔與氣壓關(guān)系的相關(guān)文獻[7-8]，利用Origin對文獻中的數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到以海拔為x、大氣壓力為y的線性方程

由其擴展，可得到海拔為3 500、4 500 m的氣壓。海拔每上升100 m，溫度下降0.6℃，確定不同海拔處的溫度[9]。參考新疆、西藏等高海拔地區(qū)的冬季平均溫度，若取海拔為0 m時，溫度為0℃，不同海拔條件下氣壓和溫度如表1所示。

1.3 炸藥爆炸性能的測試

將乳化炸藥靜置于壓力容器中，根據(jù)表1中提供的氣壓，用真空泵抽取至模擬氣壓并靜置12 h，隨后按照表1中的溫度，放置于高低溫循環(huán)試驗箱12 h，取出乳化炸藥。根據(jù)GB/T 13228—2015《工業(yè)炸藥爆速測定方法》測量其爆速[10]；根據(jù)GB 12440—1990《炸藥猛度試驗 鉛柱壓縮法》測量其猛度。

表1 不同海拔條件下的氣壓和溫度Tab.1 Pressure and temperature at different altitudes

2 結(jié)果及分析

2.1 不同海拔和不同溫度

在不同的海拔和溫度下測試乳化炸藥的爆速和猛度，如表2、表3所示。

由表2及表3可知，溫度隨著海拔高度的升高而降低。表2中:在海拔500 m及以下時，乳化炸藥的爆速變化不大；在海拔1 500m及以上時，爆速迅速降低。從表3可知，乳化炸藥的猛度隨著海拔高度的升高而降低。與爆速相似的是:在海拔500 m以下時，乳化炸藥的猛度并沒有太大的變化；海拔1 500 m及以上時，隨著海拔高度的逐漸升高，猛度明顯降低。在海拔3 500 m、溫度為-21℃時，乳化炸藥的猛度下降明顯，相對于2 500 m、-15℃時性能有了較大的下降，即在2 500～3 500 m之間乳化炸藥猛度性能有較為明顯的降低過程。

表2 不同高原環(huán)境下乳化炸藥的爆速Tab.2 Detonation velocity of emulsion explosives in different plateau environments

表3 不同高原環(huán)境下乳化炸藥的猛度Tab.3 Brisance of emulsion explosives in different plateau environments mm

另外，實驗還發(fā)現(xiàn)，隨著海拔的升高、溫度的降低，乳化炸藥爆炸后炮煙的生成量明顯增加，這表明隨著海拔的增加、氣壓和溫度的降低，乳化炸藥出現(xiàn)不完全爆轟現(xiàn)象。

2.2 不同海拔和同一溫度

為了進一步研究乳化炸藥性能降低的原因，在同一溫度(0℃)、不同海拔對應(yīng)氣壓下，將乳化炸藥靜置12h后進行爆速以及猛度測試。結(jié)果見表4、表5。

表4 0℃時不同氣壓下乳化炸藥的爆速Tab.4 Detonation velocity of emulsion explosives under different pressures at 0℃

由表4可知:環(huán)境溫度恒定為0℃，在海拔2 500 m及以下，隨著海拔的升高，乳化炸藥爆速下降并不明顯；在海拔2 500～3 500 m時才有了較為明顯的下降。與海拔為4 500 m、溫度為-27℃、乳化炸藥爆速為2 964 m/s相比，環(huán)境溫度0℃、海拔高度4 500 m時，乳化炸藥的爆速為3 509 m/s，仍大于GB 18095—2000《乳化炸藥》中2＃巖石乳化炸藥的爆速。因此，乳化炸藥在高原爆破中出現(xiàn)使用效率低下、單耗高、半爆或者拒爆，是由于低溫和負壓共同作用，使其爆炸性能達不到國家標(biāo)準(zhǔn)。2＃巖石乳化炸藥的爆速隨溫度變化關(guān)系如圖1所示。可以看出，在海拔高度為2 500 m以下時，變溫爆速下降速率明顯高于恒溫爆速下降速率。因此，海拔在2 500 m以下時，溫度的改變是乳化炸藥爆速發(fā)生變化的主要因素。

圖1 乳化炸藥在同一大氣壓、不同溫度下的爆速曲線Fig.1 Detonation velocity of emulsion explosives under the same pressure at different temperatures

由表5可以看出:海拔高于2 500 m時，乳化炸藥的猛度迅速下降；在環(huán)境溫度不變時，其猛度隨著海拔下降的速率明顯低于不同溫度下乳化炸藥猛度的下降速率。

表5 0℃時不同海拔高度下乳化炸藥的猛度Tab.5 Brisance of emulsion explosives under different altitudes at 0℃mm

2.3 乳化炸藥的微觀結(jié)構(gòu)分析

為研究乳化炸藥爆轟性能變化的原因，采用XSP-86系列無限遠生物顯微鏡觀察溫度與氣壓共同作用下乳化炸藥的微觀結(jié)構(gòu)，放大倍率為100倍。

通常認為乳化炸藥中氣泡直徑為100 μm以下為有效氣泡，能形成爆炸所需的熱點[11]。從圖2(a)中可以看出，在海拔為0 m、環(huán)境溫度為0℃時，乳化炸藥里包含許多規(guī)則小氣泡，最大氣泡直徑為52.38 μm。圖2(b)海拔為500 m時，有效氣泡數(shù)目變化不大，形狀相對于0 m、0℃時仍較為規(guī)則，但可以看出乳化炸藥中的小氣泡已經(jīng)開始產(chǎn)生聚集的趨勢。當(dāng)海拔為1 500 m時，圖2(c)中氣泡的直徑普遍增加，數(shù)量開始減少，但氣泡直徑仍在100 μm以下。當(dāng)海拔為2 500 m時，從圖2(d)中可以看出，氣泡直徑明顯增加，氣泡數(shù)量有所減少。當(dāng)海拔從2 500 m到3 500 m時，這一過程是氣泡最大直徑從87 μm轉(zhuǎn)變?yōu)?00 μm以上的過程，氣泡的數(shù)目減少，這種減少在一定程度上會導(dǎo)致炸藥內(nèi)的熱點減少，化學(xué)反應(yīng)速率降低，爆轟反應(yīng)區(qū)增長，最終使得爆炸性能降低。從圖2(e)和圖2(f)可以看出，由于氣泡強烈的聚集作用，氣泡相對于低海拔高原環(huán)境時呈完全不規(guī)則狀，小氣泡數(shù)量明顯減少，乳化炸藥表面部分區(qū)域產(chǎn)生了因氣泡逃逸而出現(xiàn)的空洞，最大氣泡直徑已遠遠大于100 μm，相同大小區(qū)域的熱點數(shù)目急劇減少，爆速與猛度急劇下降。因此，當(dāng)海拔超過2 500 m時，化學(xué)敏化的乳化炸藥便有了一定的局限性，物理敏化的乳化炸藥或表現(xiàn)更好。

圖2 不同高原環(huán)境下乳化炸藥的微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure images of emulsion explosives in different plateau environments

究其本質(zhì)，隨著海拔高度的增加，氣壓的降低會導(dǎo)致乳化炸藥內(nèi)的敏化氣泡所承受的氣壓逐漸減小，使得氣泡直徑增加，氣泡破裂、聚集、逃逸、敏化氣泡數(shù)量減少，波后反應(yīng)化學(xué)區(qū)的反應(yīng)寬度增加；同時，在低壓作用下，乳化炸藥的密度逐漸降低，導(dǎo)致爆炸時能量不集中，爆炸性能降低，且沖擊波超壓隨爆炸環(huán)境氣壓的降低而降低，導(dǎo)致其做功能力隨著海拔升高而降低。由于本次實驗中所用乳化炸藥的水相析晶點為65℃，隨著海拔升高，環(huán)境溫度與水相析晶點溫差逐漸增大，使得乳化炸藥的穩(wěn)定性降低，乳化炸藥的水相析晶將會愈發(fā)嚴(yán)重，導(dǎo)致油相與水相之間接觸面減少，不利于反應(yīng)進行。并且由于炸藥本身溫度較低，會使炸藥達到反應(yīng)溫度所需的能量加大，爆炸時能量釋放速度變慢。最終，在一定的低溫、低壓共同作用下，乳化炸藥的性能有了明顯的降低。

3 結(jié)論

利用2＃巖石乳化炸藥進行實驗，對不同海拔下的氣壓以及溫度進行模擬，分別對乳化炸藥的爆速、猛度、微觀結(jié)構(gòu)進行實驗研究，得出以下結(jié)論:

1)若環(huán)境溫度為0℃不變，海拔高度不超過2 500 m時，乳化炸藥的爆速、猛度性能基本無變化；海拔為2 500～3 500 m時，乳化炸藥性能會急劇下降。

2)當(dāng)環(huán)境溫度隨著海拔的增加而降低時，乳化炸藥的爆速、猛度迅速降低，海拔在2 500 m以下時，溫度是影響乳化炸藥性能的主要因素。

3)隨著海拔的增加，乳化炸藥內(nèi)部氣泡聚集、逃逸的現(xiàn)象將會越發(fā)嚴(yán)重。海拔為2 500～3 500 m時，化學(xué)敏化的乳化炸藥敏化氣泡開始轉(zhuǎn)變?yōu)闊o效氣泡。