吸水樹脂對粉狀乳化炸藥耐熱及爆炸性能影響*

林謀金，代永富，陸 路，薛 冰，馬宏昊，謝錢斌

(1.西南科技大學 環(huán)境與資源學院，綿陽 621010；2.中國科學技術(shù)大學 中國科學院材料力學行為和設(shè)計重點實驗室，合肥 230026；3.宏大爆破工程集團有限責任公司，長沙 410125)

我國西北地區(qū)的部分露天煤礦存在自燃現(xiàn)象，導致部分巖層存在溫度較高的問題(100℃～1000℃)。目前，上述高溫巖層仍需要通過爆破進行剝離，但傳統(tǒng)爆破器材在高溫環(huán)境中使用可能會發(fā)生早爆事故，進而威脅爆破作業(yè)人員的生命安全[1]，為此眾多研究人員對高溫爆破中的民用爆破器材展開研究。傅建秋等認為起爆體膏狀乳化炸藥中插有的電雷管在長時間高溫作用下會自爆[2]，但膏狀乳化炸藥不能被引爆；李戰(zhàn)軍等指出銨油炸藥和乳化炸藥在80℃炮孔中放置數(shù)小時后，仍能用雷管正常起爆[3]；上述研究對高溫爆破提供有益參考，但都限定在爆破器材原有的耐熱性能上，不能滿足高溫爆破需求。因此，郭子如等人對銨油炸藥進行改性得到耐熱型銨油炸藥[4,5]，但銨油炸藥遇水可能失效，限制其用于注水降溫的炮孔中。林謀金等人將爆破器材處于水環(huán)境中[6-8]，可實現(xiàn)爆破器材能較長時間保持在安全溫度的環(huán)境中；另外，為了避免液體水在施工過程中流失，通過吸水樹脂將液體水轉(zhuǎn)換成沒有流動性的膠凝水[9]，結(jié)果表明：膠凝水與液體水防護性能基本一致。本文利用粉狀乳化炸藥(PEE)有一定抗水性[10]，將吸水后的吸水樹脂(Super Absorbent Polymer，SAP)添加到粉狀乳化炸藥中制成耐熱型炸藥，觀察其在高溫炮孔中溫度變化情況，同時研究吸水樹脂含量與粒徑對粉狀乳化炸藥爆速的影響，其結(jié)果可為露天煤礦火區(qū)高溫爆破提供參考。

1 實驗部分

1.1 耐高溫混合炸藥制備

采用的吸水樹脂是一種新型功能高分子材料，它具有吸收比自身重百倍水的高吸水功能，并且保水性能優(yōu)良。實驗時，將不同粒徑(d)吸水樹脂加入水中，其質(zhì)量比為吸水樹脂∶水=1∶20，吸水后的吸水樹脂粒徑變?yōu)閐1。實驗用的粉狀乳化炸藥產(chǎn)自湖北帥力化工，其主要配方與傳統(tǒng)膏狀乳化炸藥基本一致，但含水量更低。將吸水后的吸水樹脂與粉狀乳化炸藥按不同體積比均勻混合，如圖1所示，進而得到不同配比的耐高溫混合炸藥，其編號見表1。由于吸水樹脂與粉狀乳化炸藥混合后會泌水，因此將粉狀乳化炸藥和濕的粉狀乳化炸藥作為對比組C1、C2。

圖 1 混合炸藥制備流程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of preparation process of mixed explosives

1.2 溫升實驗

高溫爆破施工過程中需要注水降溫，注水降溫后的炮孔溫度一般不超過100℃，因此，本文選取的炮孔環(huán)境溫度為100℃左右，直徑為100 mm。為了分析炸藥中不同位置的溫升情況，在炸藥中布置了3個熱電偶，熱電偶外層采用不銹鋼進行鎧裝，其直徑為2 mm，使用的最高環(huán)境溫度為1100℃。炸藥中間位置的熱電偶編號為1，邊緣位置的熱電偶編號為3，測量炮孔溫度的熱電偶編號為4，如圖2所示。溫度記錄儀型號為YC-747U(4通道)，測溫精確度為0.1%。

表 1 不同炸藥的實驗參數(shù)

圖 2 炸藥中熱電偶位置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of thermocouple in different explosives

1.3 爆速實驗

為了考慮爆破中炮孔約束作用對爆速的影響，本文在露天臺階爆破中的炮孔(φ=100 mm)對不同配比的混合炸藥進行爆速測試實驗。爆速實驗設(shè)備包含有多段智能爆速測量儀2BS-110與網(wǎng)線，其中，網(wǎng)線中含有8根線(4對)，每對依次在1、2、3、4處剪斷作為探針，探針間距為0.5 m，如圖3所示，因此，每次實驗可以獲得混合炸藥的3個爆速數(shù)據(jù)。實驗時，炮孔下部裝有粉狀乳化炸藥，上部裝有待測爆速的混合炸藥，待測爆速的混合炸藥裝藥長度不少于2.5 m，而且探針1距離兩種炸藥的界面不少于0.5 m。另外，網(wǎng)線剪斷位置必須位于待測爆速的混合炸藥中，而且網(wǎng)線放入炮孔中需要拉直，進而確保測量精度。測量時爆速測量儀的時基調(diào)至0.1 μs，將帶有導爆管雷管的起爆藥包(膏狀乳化炸藥)放置在孔底，保證爆轟波從孔底向孔口傳播。

圖 3 露天礦山爆速測試實驗示意圖Fig. 3 Schematic diagram of detonation velocity experiment in open pit mining

2 結(jié)果與討論

2.1 混合炸藥的耐熱性

通過讀取溫度記錄儀得到不同配比混合炸藥內(nèi)部不同位置的溫度變化曲線，然后進行比較分析，如圖4所示。

由圖4可知，粉狀乳化炸藥(C1)最外層部分的溫度上升速度相對較快，而內(nèi)部溫度上升相對較為緩慢，即存在炸藥內(nèi)部受熱不均問題，其原因主要與粉狀乳化炸藥是散體結(jié)構(gòu)而導致其導熱系數(shù)較低有關(guān)。粉狀乳化炸藥(C1)在高溫炮孔中放置為90 min后達到93℃，與炮孔溫度較低(110℃)以及硝酸銨具有較大的比熱容有關(guān)。隨著不同粒徑吸水樹脂含量不斷增加，高溫炮孔中的混合炸藥達到93℃所需的時間從90 min增加到300 min左右，而且能較長時間保持在安全溫度(100℃以下)，其原因主要是水的比熱容較大。另外，由于吸水樹脂與粉狀乳化炸藥混合后會泌水，并且水的導熱系數(shù)較高，使混合炸藥整體受熱比較均勻。因此，在露天煤礦自燃火區(qū)中，高溫炮孔普遍存在某一局部溫度較高情況，本文提供的混合炸藥能夠較好避免炸藥局部溫度過高的問題，從而在本質(zhì)上提高高溫爆破作業(yè)的安全性。

圖 4 不同配比混合炸藥內(nèi)部不同位置的溫度歷史曲線Fig. 4 The temperature history curves at different internal positions of mixed explosives

2.2 混合炸藥的爆速

通過露天臺階爆破現(xiàn)場測得不同配比的耐高溫混合炸藥爆速如圖5所示，為了便于比較，將濕的粉狀乳化炸藥爆速平均值作為參考線也繪于圖中。

圖 5 吸水樹脂含量對混合炸藥爆速的影響Fig. 5 Effect of SAP content on detonation velocity of mixed explosive

由實驗數(shù)據(jù)可知，粉狀乳化炸藥(C1)爆速平均值為3733 m·s-1。濕的粉狀乳化炸藥(C2)爆速平均值為3980 m·s-1，其相對于粉狀乳化炸藥提高了6.6%，說明即使水在爆轟過程中會吸收部分熱量，但粉狀乳化炸藥在水的影響下，其堆積密度得到提高，從而提高濕的粉狀乳化炸藥爆速。

編號為Ⅰ-10%混合炸藥的密度為1.10 g·cm-3，明顯高于濕的粉狀乳化炸藥，其爆速平均值為4157 m·s-1，相對于粉狀乳化炸藥提高了11%，相對于濕的粉狀乳化炸藥提高了4.4%。編號為Ⅰ-20%、Ⅰ-30%的混合炸藥密度高于濕的粉狀乳化炸藥，但出現(xiàn)拒爆，其原因見下文分析。

編號為Ⅱ-10%的混合炸藥密度為1.06 g·cm-3，高于濕的粉狀乳化炸藥，其爆速平均值為3983 m·s-1，相對于粉狀乳化炸藥提高了6.6%，與濕的粉狀乳化炸藥相當。編號為Ⅱ-20%的混合炸藥密度為1.08 g·cm-3，高于濕的粉狀乳化炸藥，其爆速平均值降至2234 m·s-1，相對于粉狀乳化炸藥降低了40%，相對于濕的粉狀乳化炸藥降低了43.8%。編號為Ⅱ-30%的混合炸藥密度高于濕的粉狀乳化炸藥，但也出現(xiàn)拒爆。

編號為Ⅲ-10%的混合炸藥密度為1.02 g·cm-3，略高于濕的粉狀乳化炸藥，其爆速平均值為3966 m·s-1，相對于粉狀乳化炸藥提高了6.2%，相對于濕的粉狀乳化炸藥降低了0.4%。編號為Ⅲ-20%的混合炸藥密度為1.04 g·cm-3，略高于濕的粉狀乳化炸藥，但爆速平均值為3773 m·s-1，相對于濕的粉狀乳化炸藥降低了5.2%，相對于粉狀乳化炸藥提高了1.1%。編號為Ⅲ-30%的混合炸藥密度為1.07 g·cm-3，高于濕的粉狀乳化炸藥，其爆速平均值為2727 m·s-1，相對于粉狀乳化炸藥降低了26.9%，相對于濕的粉狀乳化炸藥降低了31.5%。

編號為Ⅳ-10%的混合炸藥密度為0.9 g·cm-3，小于濕的粉狀乳化炸藥，其爆速平均值為3530 m·s-1，相對于粉狀乳化炸藥降低了5.4%，相對于濕的粉狀乳化炸藥降低了11.3%。編號為Ⅳ-20%的混合炸藥密度為0.96 g·cm-3，與濕的粉狀乳化炸藥相當，其爆速平均值為1882 m·s-1，相對于粉狀乳化炸藥降低了49.5%，相對于濕的粉狀乳化炸藥降低了52.7%。編號為Ⅳ-30%的混合炸藥密度略高于濕的粉狀乳化炸藥，但也出現(xiàn)拒爆。

綜上所述，吸水后粒徑為10 mm的吸水樹脂添加到粉狀乳化炸藥中未出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象，而其它粒徑的吸水樹脂爆速下降較快，而且更容易出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象，因此，吸水樹脂的粒徑對粉狀乳化炸藥的爆速影響顯著。對于吸水樹脂含量為10%的混合炸藥，小粒徑吸水后的吸水樹脂與粉狀乳化炸藥混合后會大量泌水，從而使混合炸藥的密度高于濕的粉狀乳化炸藥，即使吸水樹脂在爆轟反應過程中會吸收熱量以及阻礙爆轟波傳播，但混合炸藥的爆速仍高于濕的粉狀乳化炸藥或者兩者相當；大粒徑吸水后的吸水樹脂與粉狀乳化炸藥混合后會少量泌水，從而使混合炸藥的密度小于濕的粉狀乳化炸藥，但高于粉狀乳化炸藥，由于吸水樹脂阻礙爆轟波傳播作用，該混合炸藥的爆速低于粉狀乳化炸藥。對于吸水樹脂含量為20%與30%的混合炸藥，吸水后的吸水樹脂與粉狀乳化炸藥混合后會大量泌水，使混合炸藥的密度高于濕的粉狀乳化炸藥，但由于吸水樹脂含量過高，增強其在爆轟反應過程中阻礙爆轟波傳播作用，并且在爆轟反應過程中吸收大量熱量，使爆速大幅下降甚至出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象。

為了判斷混合粒徑吸水樹脂對粉狀乳化炸藥影響，將粒徑為10 mm與粒徑為17 mm的吸水樹脂按1∶1比例混合后，再與粉狀乳化炸藥按10%比例混合，其密度為0.97 g·cm-3，與濕的粉狀乳化炸藥相當，其爆速平均值為3720 m·s-1，即相當于編號Ⅲ-10%的混合炸藥與編號Ⅳ-10%的混合炸藥的平均值，說明混合粒徑的吸水樹脂對粉狀乳化炸藥的影響相當于綜合不同粒徑吸水樹脂對粉狀乳化炸藥的影響。

3 結(jié)論

為了解決高溫爆破中民用爆破器材的耐高溫問題，將吸水后的吸水樹脂與粉狀乳化炸藥混合后得到耐熱型混合炸藥，通過測溫與爆速實驗探討吸水樹脂對粉狀乳化炸藥耐熱及爆炸性能的影響，得到的主要結(jié)論有：

(1)隨著不同粒徑吸水樹脂含量不斷增加，高溫炮孔中的混合炸藥達到93℃所需的時間從90 min增加到300 min左右，而且能較長時間保持在安全溫度(100℃以下)。另外，由于吸水樹脂與粉狀乳化炸藥混合后會泌水，并且水的導熱系數(shù)較高，使混合炸藥整體受熱比較均勻，避免局部位置溫度過高的情況，從而在本質(zhì)上提高高溫爆破作業(yè)的安全性。

(2)由于吸水樹脂與粉狀乳化炸藥混合后會泌水，且泌水量受吸水樹脂的粒徑與含量的影響，使混合炸藥的密度高于粉狀乳化炸藥，即使吸水樹脂在爆轟反應過程中會吸收熱量以及阻礙爆轟波傳播，但含10%吸水樹脂(不含17 mm粒徑)的混合炸藥的爆速相對于粉狀乳化炸藥仍提高了6%～11%，并與濕的粉狀乳化炸藥相當。隨著吸水樹脂含量逐漸增加，混合炸藥的爆速大幅下降甚至出現(xiàn)拒爆。

(3)在不同粒徑吸水樹脂添中，吸水后粒徑為10 mm的吸水樹脂添加到粉狀乳化炸藥中未出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象，而且爆速隨著含量增加下降較為緩慢，因此，建議高溫爆破施工采用此規(guī)格的吸水樹脂，另外可根據(jù)泌水量混合一些其它粒徑的吸水樹脂，但吸水樹脂總含量控制在10%左右。