高海拔壓力環(huán)境對炸藥猛度影響的實驗研究

高玉剛，趙曉莉，徐 龍，夏 斌，吳國群，

（1.煤炭科學研究總院爆破技術研究所，安徽 淮北，235039；2.煤炭科學研究總院沈陽研究院，遼寧 撫順，113001）

炸藥爆炸時粉碎和破壞與其接觸介質(zhì)的能力稱為炸藥的猛度[1]。炸藥爆炸作用在和炸藥接觸或與炸藥接近的部位，在這些部位爆炸產(chǎn)物壓力和能量密度都很大，隨著距爆炸點距離的增加，破壞作用迅速減弱。炸藥的猛度對于武器設計和工程爆破均具有實際意義。由于巖體或礦體的堅硬程度以及性質(zhì)不同，在工程爆破中，為獲得一定塊度的礦巖，應根據(jù)礦巖的性質(zhì)來選用合適猛度的炸藥，否則可能造成巖石的過份粉碎或較高的大塊率，甚至一些大塊需二次爆破，造成一定的安全隱患及爆破成本增加。

我國西部地區(qū)資源豐富，因此需要在西部高原地區(qū)修建鐵路、公路和開采礦山，以促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和方便人們出行。如青藏鐵路的修建[2-3]。但西部地區(qū)海拔較高，海拔大部分在3 000m以上，由于不少工程項目需要采用爆破，因此對爆破器材與技術有了特殊的要求。目前關于海拔高度對炸藥做功能力影響的研究很少，因此研究高原地區(qū)的炸藥爆炸能量具有重要的理論和實踐意義。根據(jù)物理學原理，在海拔 5 000m以下，大氣壓力每降低100Pa，海拔升高9.5m[4]，由于在高海拔環(huán)境進行實驗不容易，因此依據(jù)此規(guī)律分別模擬海拔500m、1 500m、2 500m、3 500m、4 500m高度，探究不同海拔高度對炸藥猛度的影響。

1 相關理論及實驗方案設計

1.1 猛度的測試

炸藥猛度的測試方法主要有鉛柱壓縮法、銅柱壓縮法、平板炸孔試驗和猛度彈道擺試驗。其中鉛柱壓縮法[5]又稱黑斯猛度試驗法，于1876年提出。該方法要求在規(guī)定參量(質(zhì)量、密度和幾何尺寸)條件下，炸藥裝藥爆炸對鉛柱進行壓縮，以壓縮值來衡量炸藥的猛度。鉛柱壓縮按式（1）計算：

式（1）中：△h為鉛柱壓縮值，mm；h0為試驗前鉛柱平均高度值，mm；h1為試驗后鉛柱平均高度值，mm。

1.2 高海拔條件的模擬

本文通過模擬高海拔環(huán)境，研究高原環(huán)境對不同工業(yè)炸藥（乳化炸藥和粉狀炸藥）猛度的影響。

1.2.1 海拔高度與大氣壓力的關系

海拔與所對應的大氣壓力呈線性關系，由于各處溫度、重力加速度的不同，導致不同資料中顯示的數(shù)據(jù)略有不同，但出入較小，都遵循海拔升高9.5m 氣壓降低 100Pa 這一規(guī)律[4]，故本文實驗采用這一標準。圖1是氣壓與海拔關系對照圖（由于原始數(shù)據(jù)只提供了2 500m 以下的氣壓值，分析這些數(shù)據(jù)是呈線性關系，相關系數(shù)r2=0.998 6；2 500～4 500m 的數(shù)據(jù)為外推值）。

圖1 海拔高度與大氣壓力關系Fig.1 The relationship between altitude and air pressure

1.2.2 實驗方案的設計

本文選用了膨化硝銨炸藥和三級煤礦許用乳化炸藥為研究對象。根據(jù)物理學原理，在海拔 5 000m以下，大氣壓力每降低100Pa，海拔升高9.5m。依據(jù)此規(guī)律，采用如圖2所示的爆炸容器，以抽取彈筒內(nèi)氣壓的形式模擬不同海拔高度。在實驗中抽取的氣壓分別為5 300 Pa、15 900Pa、26 500Pa、37 100Pa、47 700Pa，分別模擬海拔500m、1 500m、2 500m、3 500m、4 500m高度。實驗裝置的布置如圖3所示。

圖2 爆炸容器裝置實物圖Fig.2 Photo of explosion container

圖3 測試裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of testing device

2 炸藥猛度測試與分析

2.1 模擬高海拔下炸藥猛度測試條件

測試場所：爆炸容器（容積不小于50L的爆炸彈筒密閉彈筒，見圖2）。

游標卡尺：分度值0.02mm；天平：感量0.1g；鋼板尺：長度1m，分度值1mm。

真空泵：抽氣速率為3.6m3/h，極限壓力為2Pa。

真空表：精度為1.5級，滿足實驗抽取壓力精度要求。

2.2 猛度測試程序

（1）試樣準備。稱取(50±0.1)g炸藥，裝入自制直徑為40mm的紙筒中，然后將紙筒放入專用銅模中進行壓藥，膨化硝銨炸藥密度控制在(1.00±0.03)g/cm3。用直徑為7.5mm的專用沖子，在裝藥中壓一個深15mm的小孔，用于插入雷管。

（2）測量鉛柱。在鉛柱一橫斷面處，通過圓心鉛筆輕輕畫十字線，并注明序號，用游標卡尺沿十字線依次測量，取4個值的算術平均值作為試驗前鉛柱高度，用h0表示（精確到0.02mm）。

（3）按圖3所示安放裝置，鋼底座放于模擬高海拔爆炸容器中，依次放置鉛柱、鋼片、炸藥裝藥，使系統(tǒng)在同一軸線上，用線將裝置系統(tǒng)固定在鋼底座上，插入8號雷管，雷管腳線引出，密封爆炸容器。

（4）用真空泵抽取爆炸容器中的空氣，通過真空壓力表顯示的數(shù)據(jù)，達到模擬海拔高度所需的真空度，迅速關閉真泵及各閥門，確認系統(tǒng)連接完好后，立即進行起爆。

（5）打開爆炸容器，將取出的鉛柱擦拭干凈用游標卡尺測量高度，并將系統(tǒng)的有毒氣體排出。對4個方向的鉛柱高度取算術平均值，用h1表示（精確到0.02mm）。

（6）重復操作1～5，進行其它海拔高度的猛度試驗。

2.3 測試結果處理與分析

模擬不同海拔高度對兩種工業(yè)炸藥分別進行猛度測試，將測試結果按公式（1）進行計算，得到膨化硝銨炸藥與三級煤礦許用乳化炸藥猛度實驗數(shù)據(jù)，分別見表1和表2。

表1 不同海拔高度下膨化硝銨炸藥猛度Tab.1 Brisance of expanded ammonium nitrate explosive at different elevation

表2 不同海拔高度下三級乳化炸藥猛度Tab.2 Brisance of class 3 coal mine permissible emulsion explosive at different elevation

圖4 不同模擬海拔高度下膨化硝銨炸藥猛度Fig.4 Brisance of expanded ammonium nitrate explosive at different simulated elevation environment

對表1數(shù)據(jù)進行擬合處理，結果見圖4。從圖4可見，在模擬海拔4 500m內(nèi)，膨化硝銨炸藥的猛度隨著模擬海拔高度的增加，始終在13mm左右浮動，不超過0.5mm，并沒有明顯的變化趨勢。這與膨化硝銨炸藥的結構及其生產(chǎn)工藝有一定的聯(lián)系。膨化炸藥的生產(chǎn)工藝是依據(jù)減壓蒸發(fā)原理將膨化硝銨進行膨化結晶的過程，通過改變硝酸銨的晶型結構，增大比表面積，提高顆粒表面的“粗糙”程度，并使其含有一定的“空隙”或“氣穴”，以提高自身敏化程度[6-7]。膨化硝銨炸藥的起爆機理符合“熱點”起爆機理，膨化硝銨是一種晶體畸形、結構蓬松、表面粗糙、多孔穴、多裂紋、多孔隙的“蜂窩”片狀晶體。這種晶體結構包含了適量微小氣泡，從而形成了爆炸反應所需要的足夠多的“熱點”[7-8]。

本文通過降低密閉爆炸容器中壓力達到模擬高海拔環(huán)境，由于膨化炸藥自身生產(chǎn)工藝的特點，此時密閉容器中壓力的減小對膨化炸藥的性能影響很小，所以隨著密閉容器壓力的降低，即模擬海拔高度的增加，膨化炸藥的猛度值變化不明顯。

對表2數(shù)據(jù)進行擬合處理，結果見圖5。從圖5可見，在模擬海拔4 500m內(nèi)，三級煤礦許用乳化炸藥的猛度隨著模擬海拔高度的增加而增大，通過線性曲線擬合，得線性方程為其線性相關系數(shù)r2為0.947 8，三級乳化炸藥與海拔高度呈線性關系。三級乳化炸藥的猛度隨海拔高度的增大而增大，這與乳化炸藥的爆轟機理有關。當常壓下敏化的炸藥放置在負壓（低于常壓）環(huán)境下時，大量小于熱點最小半徑的氣泡有所增大，使此乳化炸藥的熱點增多，單位質(zhì)量的炸藥釋放的能量增大，從而提高了炸藥的猛度。因此，隨著海拔高度的增加，達到熱點半徑的氣泡增多，乳化炸藥的猛度出現(xiàn)逐漸增大的趨勢。根據(jù)實驗結果，在高原地區(qū)進行工程爆破時，炸藥單耗要稍微降低或者加強防護，擴大安全距離，以防出現(xiàn)安全事故，此結果對工程爆破具有實踐價值。

圖5 不同模擬海拔高度下三級乳化炸藥猛度Fig.5 Brisance of class 3 coal mine permissible emulsion explosive at different simulated elevation environment

3 結論

通過模擬不同海拔高度研究兩種工業(yè)炸藥的猛度變化，得出以下結論：

（1）海拔高度對兩種不同性質(zhì)的工業(yè)炸藥猛度影響呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。

（2）膨化炸藥的猛度值隨海拔高度的增加基本不發(fā)生變化，這與膨化炸藥本身結構及生產(chǎn)工藝有一定聯(lián)系。

（3）乳化炸藥猛度值隨海拔高度的增加而增大。由于海拔高度增加，炸藥熱點增多，炸藥猛度增大。

（4）在高海拔環(huán)境，乳化炸藥猛度增大，因此在進行爆破參數(shù)設計時，炸藥單耗可以稍微減小或加強防護，并擴大安全距離。

[1]汪旭光.乳化炸藥[M]北京:冶金工業(yè)出版社,2008．

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