水浴防護(hù)下敏化劑對(duì)乳化炸藥爆炸威力的影響

李戰(zhàn)軍， 林謀金， 馬宏昊， 王 飛， 劉 翼

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

為了使普通爆破器材能夠用于自燃煤礦高溫爆破，主要采取的措施有炮孔降溫、爆破器材的隔熱防護(hù)以及縮短裝藥施工時(shí)間等[1]，但爆破器材仍受到炮孔溫度的影響。有研究表明爆破器材受到外界影響(溫度、壓力)容易出現(xiàn)能量下降、早爆以及拒爆等情況，其中，壓力對(duì)爆破器材影響的研究相對(duì)較多，而溫度對(duì)爆破器材影響的研究相對(duì)較少，如陳東梁等[2-3]研究表明乳化炸藥的爆炸威力在動(dòng)態(tài)壓力作用下產(chǎn)生衰減；吳紅波等[4-5]研究表明玻璃微球敏化的乳化炸藥抗動(dòng)壓性能優(yōu)于膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥；顏事龍等[6]通過(guò)水下爆炸性能參數(shù)表征壓力對(duì)乳化炸藥爆炸能量的影響程度；傅建秋等[7]研究表明電雷管在溫度高于130℃時(shí)發(fā)生自爆；李戰(zhàn)軍等[8]研究表明乳化炸藥在80℃炮孔中放置數(shù)小時(shí)后仍能用雷管正常起爆，但在130℃的高溫作用6 h后失效。目前，不同敏化劑敏化的乳化炸藥爆炸威力經(jīng)水浴加熱后的變化情況在國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)中公開(kāi)報(bào)道較少，本文采用水浴恒溫箱對(duì)乳化炸藥進(jìn)行水浴加熱來(lái)模擬高溫炮孔中的水浴防護(hù)下的乳化炸藥的環(huán)境溫度，然后采用水下爆炸實(shí)驗(yàn)方法研究溫度作用下不同敏化劑對(duì)乳化炸藥爆炸威力的影響，其結(jié)果可為火區(qū)高溫爆破器材選擇提供參考。

1 藥卷制備與實(shí)驗(yàn)裝置

將乳膠基質(zhì)分別采用膨脹珍珠巖(Perlite)、玻璃微球(Glass Microballoon, GMB)以及亞硝酸鈉(NaNO2)敏化成乳化炸藥，其中，乳膠基質(zhì)中水含量為12%。乳化炸藥所添加的不同類型敏化劑含量為目前廣泛所采用的配比，即膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥配比為乳膠基質(zhì) ∶膨脹珍珠巖=96 ∶4，其中，膨脹珍珠巖的粒度為90%以上在20 ～80目，墩實(shí)密度<0.07 g·ml-1；玻璃微球敏化的乳化炸藥配比為乳膠基質(zhì) ∶玻璃微球=97 ∶3，其中，玻璃微球?yàn)槊绹?guó)3M公司產(chǎn)品，其粒徑為20～50 μm，堆積密度為0.22 g·cm-3；亞硝酸鈉敏化的乳化炸藥配比為乳膠基質(zhì) ∶NaNO2=99.75 ∶0.25，其中，NaNO2的純度為99%，密度為2.19 g·cm-3。制備乳化炸藥時(shí)將乳膠基質(zhì)與敏化劑混合均勻，水下爆炸實(shí)驗(yàn)所制成的藥包為球狀，即將乳化炸藥用塑料包裝成球狀，其質(zhì)量為30 g，直徑約為1.84 cm，密度為1.1～1.2 g·cm-3。采用水浴恒溫箱對(duì)藥包進(jìn)行100℃水浴加熱，加熱時(shí)間分別為0 h、1 h、2 h、3 h以及6 h，其中，采用膨脹珍珠巖與玻璃微球敏化的乳化炸藥在水浴加熱前后密度變化不大，而采用NaNO2敏化的乳化炸藥在水浴加熱前后密度變化較大，如圖1所示。

圖1 不同敏化劑敏化的乳化炸藥Fig.1 The emulsion explosives with different sensitizers

水下爆炸測(cè)試方法是通過(guò)測(cè)定炸藥的水中沖擊波能和氣泡能而得到做功能力數(shù)據(jù)，該數(shù)值與評(píng)價(jià)工業(yè)炸藥威力的爆力值呈良好線性關(guān)系，已逐步成為評(píng)價(jià)炸藥做功能力的重要手段[9]，因此本文將含有不同敏化劑的乳化炸藥經(jīng)水浴加熱不同時(shí)間后采用水下爆炸實(shí)驗(yàn)測(cè)定其爆炸威力的衰減情況。水下爆炸實(shí)驗(yàn)采用的爆炸罐直徑5 m，水深5 m，測(cè)試裝置包括恒流源(482A22)、泰克示波器(TEKDSO8064A)、水下壓力傳感器(PCB，ICPW138A25)。另外，為了滿足沖擊波和氣泡脈動(dòng)的測(cè)試要求，測(cè)量時(shí)將球形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。

爆速實(shí)驗(yàn)設(shè)備包含有多段智能爆速測(cè)量?jī)x2BS-110，空中爆炸罐、細(xì)漆包線制成的探針、電線以及φ32 mmPVC管，探針間距為4 cm，測(cè)量時(shí)將乳化炸藥裝入PVC管，其質(zhì)量約為200 g，時(shí)基調(diào)至0.1 μs。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 壓力時(shí)程曲線

不同敏化劑敏化的乳化炸藥經(jīng)水浴加熱不同時(shí)間后在水下爆炸后產(chǎn)生的典型沖擊波壓力時(shí)程曲線如圖2所示。

圖2 沖擊波壓力時(shí)程曲線Fig.2 Pressure-time curve for shock wave

由圖2可得，乳化炸藥經(jīng)水浴加熱不同時(shí)間后在水下爆炸后產(chǎn)生的壓力時(shí)程曲線變化明顯，同時(shí)得到的壓力時(shí)程曲線較為理想，因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足水下爆炸參數(shù)計(jì)算與分析的要求。

2.2 爆炸威力參數(shù)計(jì)算

通過(guò)分析計(jì)算壓力時(shí)程曲線得到含有不同敏化劑的乳化炸藥在水浴加熱前后的壓力峰值、沖量、比沖擊波能、比氣泡能，并對(duì)它們之間的變化進(jìn)行分析，其中，柯克伍德(Kirkwood)和貝蒂(Bethe)通過(guò)對(duì)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[10]

(1)

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)；θ為衰減時(shí)間常數(shù)，指壓力從峰值pm衰減到pm/e所需的時(shí)間,ms。通過(guò)計(jì)算得到的不同敏化劑敏化的乳化炸藥壓力峰值、沖擊波沖量與水浴加熱時(shí)間關(guān)系如圖3所示。

圖3 含有不同敏化劑的乳化炸藥的壓力峰值與沖量Fig.3 The peak pressure and impulse of emulsion explosives with different sensitizers

由圖3可得，不同敏化劑敏化的乳化炸藥壓力峰值與沖擊波沖量總體上隨著水浴加熱時(shí)間增加而降低，其中不同敏化劑敏化的乳化炸藥變化規(guī)律基本一致，即在前3 h的下降速度較快，但在3 ～6 h區(qū)間的下降速度相對(duì)較為平緩。實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)相對(duì)離散，因此根據(jù)沖擊波壓力峰值與沖量無(wú)法直觀判斷出敏化劑對(duì)乳化炸藥水浴加熱后能量下降的影響情況。另外NaNO2敏化的乳化炸藥在水浴加熱2 h以及6 h后均出現(xiàn)無(wú)法用8號(hào)雷管起爆的情況，即其散失了雷管感度，其原因是乳化炸藥中的基質(zhì)黏度在水浴加熱后降低，NaNO2產(chǎn)生的小氣泡慢慢聚集后成為大氣泡，生成的大氣泡再?gòu)娜槟z基質(zhì)中逃逸，使化學(xué)敏化的乳化炸藥容易散失雷管感度。Bjarnholt等[11-12]得到的水下爆炸比沖擊波能與比氣泡能的計(jì)算公式為

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Es為比沖擊波能，MJ·kg-1；R為藥包離傳感器的距離，m；W為炸藥質(zhì)量，kg；Cw為水中聲速，m·s-1；ρw為水的密度，kg·m-3；Eb為比氣泡能,MJ·kg-1；C為邊界效應(yīng)的校正系數(shù)；Tb為氣泡第一次脈動(dòng)周期，s；Ph為測(cè)點(diǎn)處流體總靜水壓力，Pa；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，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=0.238 6，b=-0.018 9，C=-0.331 986 884 s-1，其擬合相關(guān)系數(shù)為0.999 89，說(shuō)明擬合效果較理想。根據(jù)上述相應(yīng)的計(jì)算公式計(jì)算得到不同敏化劑敏化的乳化炸藥比沖擊波能與比氣泡能與水浴加熱時(shí)間關(guān)系如圖4所示。

圖4 含有不同敏化劑的乳化炸藥的比沖擊波能與比氣泡能Fig.4 Specific shock energy and specific bubble energy of emulsion explosives with different sensitizers

由圖4可得，不同敏化劑敏化的乳化炸藥比沖擊波能與比氣泡能隨著水浴加熱時(shí)間增加而降低，其中玻璃微球與NaNO2敏化的乳化炸藥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性相對(duì)較大，但膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性較理想，說(shuō)明水浴加熱不僅對(duì)乳膠基質(zhì)產(chǎn)生影響，也對(duì)敏化劑的敏化效果產(chǎn)生影響。

Bjarnholt認(rèn)為炸藥水下爆炸的總能量可以看作初始比沖擊波能與比氣泡能之和，即炸藥總能量計(jì)算公式為

E=Kf(μEs+Eb)

(7)

(8)

pCJ=ρ0D2/4×109

(9)

式中：E為總能量，MJ·kg-1；Kf為炸藥的形狀參數(shù)，對(duì)于球形取1.00，對(duì)于非球形取1.02～1.10；μ為沖擊波損失系數(shù)，其由Bjarnholt根據(jù)實(shí)驗(yàn)值擬合得到，pCJ為C-J壓力，GPa；ρ0為藥包的密度，kg·m-3；D為炸藥的爆速，m·s-1。由炸藥總能量計(jì)算公式可得，計(jì)算初始沖擊波能的損失系數(shù)需要相應(yīng)炸藥的爆速，因此由爆速實(shí)驗(yàn)得到的不同敏化劑敏化的乳化炸藥爆速平均值以及根據(jù)上述計(jì)算公式計(jì)算的總能量與水浴加熱時(shí)間的關(guān)系如圖5所示。由于NaNO2敏化的乳化炸藥在水浴加熱后容易散失雷管感度，因此進(jìn)行爆速實(shí)驗(yàn)時(shí)需要采用未水浴的NaNO2敏化乳化炸藥進(jìn)行端部引爆。

圖5 含有不同敏化劑的乳化炸藥爆速與總能量Fig.5 Detonation velocity and total energy of emulsion explosives with different sensitizers

由圖5可得，不同敏化劑敏化的乳化炸藥爆速與總能量總體上隨著水浴加熱時(shí)間增加而降低，其中NaNO2敏化的乳化炸藥爆速與總能量在水浴加熱后降低幅度相對(duì)較大，而玻璃微球與膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥爆速在水浴加熱不同時(shí)間后下降幅度相對(duì)較小，其原因除了乳膠基質(zhì)受到水浴加熱后出現(xiàn)破乳析晶現(xiàn)象而影響炸藥的能量，基質(zhì)中NaNO2敏化氣泡因水浴加熱更容易失效也是其中原因，另外膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性較好而玻璃微球敏化的乳化炸藥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性較差，其原因是玻璃微球?yàn)榉忾]球形，其表面比較光滑，在加熱后的基質(zhì)中易于移動(dòng)，因此玻璃微球在水浴加熱后乳膠基質(zhì)(黏度變小)中的分布位置發(fā)生變化，即玻璃微球在基質(zhì)中的分布變得不夠均勻，從而影響玻璃微球敏化的乳化炸藥爆炸威力。膨脹珍珠巖有部分開(kāi)放孔隙，表面比較粗糙并具有許多棱角，在加熱后的基質(zhì)中不易移動(dòng)，因此膨脹珍珠巖在水浴加熱后乳膠基質(zhì)中的分布位置比較穩(wěn)定，從而使水浴加熱前后的敏化效果比較穩(wěn)定。

2.3 敏化劑對(duì)爆炸威力影響

將Et/E0定義為不同敏化劑敏化的乳化炸藥在水浴加熱后的能量保有率，其中Et為含有不同敏化劑的乳化炸藥在水浴加熱t(yī)小時(shí)后的炸藥總能量。將不同敏化劑敏化的乳化炸藥在不同水浴加熱下的比沖擊波能Es、比氣泡能Eb、總能量E以及氣泡的第一次脈動(dòng)周期Tb平均值列于表1，從而分析不同敏化劑敏化后的乳化炸藥各個(gè)爆炸參數(shù)隨著水浴加熱時(shí)間增加而變化情況。

表1 含有不同敏化劑的乳化炸藥的爆炸參數(shù)

由表1可得，膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥的能量衰減速度較小，GMB敏化的乳化炸藥的能量衰減速度次之，NaNO2敏化的乳化炸藥的能量衰減速度最快，即NaNO2敏化的乳化炸藥總能量在水浴加熱1 h后降低量大于10%，說(shuō)明水浴加熱不僅可以使乳膠基質(zhì)出現(xiàn)破乳析晶情況，也可使氣泡敏化效果發(fā)生變化。NaNO2敏化的乳化炸藥因氣泡逸出容易散失雷管感度而出現(xiàn)拒爆情況，另外NaNO2敏化的乳化炸藥在水浴加熱后其體積變化較大，因此NaNO2等化學(xué)敏化的乳化炸藥不適用于高溫爆破中。物理敏化的乳化炸藥總能量在水浴加熱1 h后降低量小于5%，另外物理敏化的乳化炸藥在水浴加熱后無(wú)明顯體積變化，因此物理敏化的乳化炸藥比較適用于高溫爆破。

采用GMB與NaNO2敏化的乳化炸藥計(jì)算的總能量接近3.096 MJ·kg-1(爆熱)，而采用膨脹珍珠巖敏化的炸藥計(jì)算的總能量略低于3.096 MJ·kg-1(爆熱)，說(shuō)明敏化劑對(duì)炸藥爆熱產(chǎn)生影響以及敏化劑添加量也會(huì)影響最終的總能量。不同敏化劑敏化的乳化炸藥中比氣泡能占總能量的比例有所不同，采用GMB與NaNO2敏化的乳化炸藥的爆速相近并遠(yuǎn)高于采用膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥，說(shuō)明采用GMB與NaNO2敏化的乳化炸藥爆轟反應(yīng)速率相近并遠(yuǎn)高于采用膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥，從而使采用GMB與NaNO2敏化的乳化炸藥的比沖擊波能所占的比例(39.16%，39.41%)相近并高于采用膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥(35.82%)。未水浴加熱的乳化炸藥(物理敏化)比氣泡能占總能量的比例略小于水浴加熱后的乳化炸藥比氣泡能占總能量的比例，其原因可能是水浴加熱后敏化劑周圍的乳膠基質(zhì)的油包水結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而降低水浴加熱后乳化炸藥的爆轟反應(yīng)速率，因此使比氣泡能的比重得到微小提升。物理敏化的乳化炸藥比氣泡能占總能量的比例在水浴加熱前后變化較小，即膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥中比氣泡能占總能量的比例約為0.65，GMB敏化的乳化炸藥中比氣泡能占總能量的比例約為0.62，而NaNO2敏化的乳化炸藥比氣泡能占總能量的比例在水浴加熱前后變化較大。

3 結(jié) 論

(1) 不同敏化劑敏化的乳化炸藥爆速、壓力峰值、沖量、比沖擊波能、比氣泡能以及總能量總體上隨著水浴加熱時(shí)間增加而降低，其中NaNO2敏化的乳化炸藥在水浴加熱后容易散失了雷管感度，而物理敏化的乳化炸藥不存在散失雷管感度現(xiàn)象。

(2) 玻璃微球與NaNO2敏化的乳化炸藥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性相對(duì)較大，但膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性較理想，說(shuō)明敏化氣泡的特性影響其在水浴加熱后的乳膠基質(zhì)中的分布情況，從而影響水浴加熱后的乳化炸藥爆炸威力。

(3) NaNO2敏化的乳化炸藥總能量在水浴加熱1 h后降低量大于10%，物理敏化的乳化炸藥總能量在水浴加熱1 h后降低量小于5%，另外NaNO2敏化的乳化炸藥在水浴加熱后體積膨變化較大，物理敏化的乳化炸藥在水浴加熱后無(wú)明顯體積變化，因此NaNO2敏化的乳化炸藥不適用于高溫爆破中，而物理敏化的乳化炸藥比較適用于煤礦火區(qū)高溫爆破。

[ 1 ] 鄭炳旭. 中國(guó)高溫介質(zhì)爆破研究現(xiàn)狀與展望[J]. 爆破, 2010, 27(3): 13-17.

ZHENG Bingxu. Current status and prospect of high-temperature blasting research in china[J]. Blasting, 2010, 27(3): 13-17.

[ 2 ] 陳東梁, 顏事龍, 劉義,等. 動(dòng)壓作用下乳化炸藥微結(jié)構(gòu)變化的實(shí)驗(yàn) [J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2006, 31(3): 287-291.

CHEN Dongliang, YAN Shilong, LIU Yi, et al. Experimental on the microstructure changing of emulsion explosives under dynamic pressure [J]. Journal of China Coal Society, 2006, 31(3): 287-291.

[ 3 ] 王尹軍, 汪旭光. 乳膠基質(zhì)抗沖擊波性能研究 [J]. 兵工學(xué)報(bào), 2005, 26(5): 697-701.

WANG Yinjun, WANG Xuguang. A study on the anti-shockwave performance of emulsion matrix[J]. Acta Armamentarii, 2005, 26(5): 697-701.

[ 4 ] 吳紅波, 顏事龍, 劉鋒. 動(dòng)壓作用下敏化劑對(duì)乳化炸藥破乳程度的影響 [J]. 含能材料, 2008, 16(3): 247-250.

WU Hongbo, YAN Shilong, LIU Feng. Effect of sensitizing agent on demulsification degree of emulsion explosive under dynamic pressure[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2008, 16(3): 247-250.

[ 5 ] 顏事龍, 吳紅波, 劉鋒. 動(dòng)壓作用下敏化劑對(duì)乳化炸藥析晶量的影響 [J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2011, 36(11): 1836-1839.

YAN Shilong, WU Hongbo, LIU Feng. Influence of sensitizing agent on crystallization quantity of emulsion explosive under dynamic pressure [J]. Journal of China Coal Society, 2011, 36(11): 1836-1839.

[ 6 ] 顏事龍, 王尹軍. 沖擊波作用下乳化炸藥壓力減敏的表征方法 [J]. 爆炸與沖擊, 2006, 26(5): 441-447.

YAN Shilong, WANG Yinjun. Characterization of pressure desensitization of emulsion explosive subjected to shock wave [J]. Explosion and Shock Waves, 2006, 26(5): 441-447.

[ 7 ] 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.

FU Jianqiu, LI Zhanjun, CAI Jiande, et al. Experimental research on resistance to elevated temperatures of colloidal emulsion explosive and electric detonator [J]. Blasting, 2008, 25(4): 7-10.

[ 8 ] 李戰(zhàn)軍, 鄭炳旭. 礦用火工品耐熱性現(xiàn)場(chǎng)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 Zhanjun, ZHENG Bingxu. On-site heat resistant experiments of permissible explosive materials [J]. Journal of Hefei University of Technology(Natural Science), 2009, 32(10): 1498-1500.

[ 9 ] 汪旭光. 乳化炸藥[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2008: 541-542.

[10] KIRKWOOD J G, BETHE H A. The pressure wave produced by an underwater explosion [R]. Office of Scientific Research and Development, 1942: 588.

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

[12] 林謀金, 馬宏昊, 沈兆武, 等. RDX基鋁薄膜炸藥與鋁粉炸藥水下爆炸性能比較[J]. 化工學(xué)報(bào), 2014, 65(2): 752-758.

LIN Moujin, MA Honghao, SHEN Zhaowu, et al. Difference between RDX based aluminum film explosive and aluminum particle explosive on underwater detonation [J]. CIESC Journal, 2014, 65(2): 752-758.