王 飛, 馬宏昊, 沈兆武

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系, 安徽 合肥 230027)

1 引 言

近年來(lái)在高溫火區(qū)煤礦爆破開(kāi)采過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生多起重大安全事故,原因皆是在爆破作業(yè)中子網(wǎng)路炮孔發(fā)生早爆、誤爆引發(fā)整個(gè)起爆網(wǎng)路誤爆,這些事故嚴(yán)重威脅了人員的生命安全、影響了礦產(chǎn)資源的開(kāi)采效率[1]。治理火區(qū)爆破已成為當(dāng)前的一項(xiàng)重要課題。為此,張杰等[2]研究了火區(qū)高溫炮孔分類及處理方法,總結(jié)了不同溫度范圍炮孔的不同降溫滅火技術(shù),根據(jù)具體情況處理一些危險(xiǎn)性較大的炮孔,在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)揮了良好的作用。廖明清等[3]、蔡建德等[4]研究了火工品在高溫環(huán)境下的耐熱性能,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)爆索芯藥黑索今熱穩(wěn)定性高,熔點(diǎn)高,在150 ℃炮孔內(nèi)受熱一定時(shí)間可以穩(wěn)定傳爆,是高溫爆破首選的起爆器材。史秀志等[5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)研究了高溫環(huán)境下爆破器材的隔熱保護(hù),采用石棉布、橡膠板、耐火泥、海泡石構(gòu)成的多層復(fù)合隔熱體系,使爆破器材可耐受400 ℃高溫10 min,為高溫環(huán)境下控制爆破爭(zhēng)取了有效的安全時(shí)間,并對(duì)高溫爆破中的起爆器材提供了安全保護(hù)。李建軍等[6]通過(guò)爆發(fā)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)和熱板實(shí)驗(yàn)得到了乳化炸藥基質(zhì)和粉狀炸藥5s爆發(fā)點(diǎn)和最低著火點(diǎn),為火區(qū)爆破的研究提供重要參考。關(guān)于高溫火區(qū)爆破領(lǐng)域,對(duì)于提高整個(gè)爆破網(wǎng)路的安全性研究較少。在子網(wǎng)路由于某處意外原因,如高溫、放電、刺穿等原因發(fā)生單個(gè)炮孔的早爆、誤爆引發(fā)整個(gè)爆破網(wǎng)路的誤起爆時(shí),孔內(nèi)導(dǎo)爆索與炸藥耐高溫性能相比更容易成為誤起爆的主因[4,6]。為此,本研究采用傳爆試驗(yàn)法[7]、燃燒法[8]、系統(tǒng)可靠性[9]研究了一種應(yīng)用于高溫火區(qū)爆破的新型不可逆起爆網(wǎng)路,其炮孔中使用耐溫金屬爆炸索,孔外采用一種類似于二極管原理的不可逆起爆元件與孔內(nèi)爆炸索相連。通過(guò)燃燒法對(duì)比研究的金屬爆炸索與一般工業(yè)導(dǎo)爆索的耐溫性能與傳爆性能,爆炸實(shí)驗(yàn)法驗(yàn)證了該元件傳爆方式,為高溫火區(qū)爆破的研究提供一條新型途徑。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品制備

2.1.1 金屬爆炸索

金屬爆炸索在小直徑下能夠穩(wěn)定傳遞爆轟,爆轟速度低、爆炸能量低,具備一定延時(shí)的作用,其關(guān)鍵是金屬爆炸索藥芯藥劑[10-11]。與塑料導(dǎo)爆索藥芯相比,實(shí)驗(yàn)采用感度適中的黑索今作為基本成分,添加鈍感添加劑,保持金屬爆炸索的穩(wěn)定爆轟、降低爆速、安全生產(chǎn)[12]; 根據(jù)炸藥熱點(diǎn)理論,外殼采用導(dǎo)熱性良好鋁管,避免金屬爆炸索在某一局部區(qū)域積累熱量形成高溫?zé)狳c(diǎn),而是沿管徑向均勻傳熱。為此,本實(shí)驗(yàn)選取炸藥成分質(zhì)量配比為黑索今85%,消焰劑10%,粘合劑5%,外徑16 mm,內(nèi)徑14 mm純鋁管。依據(jù)拉絲機(jī)拉拔規(guī)定[13]逐級(jí)拉制實(shí)驗(yàn)所需樣品直徑。金屬爆炸索見(jiàn)圖1。

圖1 金屬爆炸索

Fig.1 Metal detonating cord

2.1.2 不可逆起爆元件制備

不可逆起爆元件包括外殼、隔爆體、傳爆藥、密封件等部分,實(shí)驗(yàn)室自制。外殼和隔爆體由金屬材料(如鐵、鋁等)制成。外殼是兩端開(kāi)口的筒形,內(nèi)表面與隔爆體過(guò)盈配合。外殼兩端與鄰近端口的密封件之間留有足夠長(zhǎng)度的空腔,使導(dǎo)爆索插入外殼后留有足夠長(zhǎng)度與外殼過(guò)盈配合。隔爆體是一端開(kāi)口、一端封閉的敞口筒形,隔爆體與外殼之間通過(guò)過(guò)盈配合固連,隔爆體內(nèi)裝填傳爆藥,為避免傳爆藥在隔爆體內(nèi)流動(dòng),在傳爆藥上方壓蓋蠟紙等[14]。隔爆體中傳爆藥由激發(fā)裝置和不同密度分層鈍感裝藥構(gòu)成。所述密封件由橡膠、塑料等變形材料制作,為中空筒形結(jié)構(gòu),中心空孔內(nèi)分布倒齒形結(jié)構(gòu),使導(dǎo)爆索插入空孔中即可在倒齒作用下不可拔出,以此實(shí)現(xiàn)導(dǎo)爆索與不可逆起爆元件快速連接的目的。密封件分別位于隔爆體兩側(cè),與外殼過(guò)盈配合,即外殼內(nèi)從起爆方向向傳爆方向的結(jié)構(gòu)依次為,密封件,隔爆體,密封件,其中隔爆體壓蓋蠟紙為敞口端指向起爆方向,封閉端指向被起爆方向。見(jiàn)圖2所示:

圖2 不可逆起爆元件結(jié)構(gòu)示意圖

1,5—密封件, 2—密封蠟紙, 3—隔爆體, 4—圓筒形殼體, 6—傳爆端導(dǎo)爆索, 7—一次裝藥, 8—隔爆體外殼, 9—二次裝藥, 10—激發(fā)裝置, 11—卡口固定, 12—起爆端導(dǎo)爆索

Fig.2 Structure diagram of irreversible detonating component

1,5—sealing element, 2—sealing wax paper, 3—isolation from the explosion structure, 4—cylindrical shell, 6—the propagation end of detonating cord, 7—1st charge, 8—the inner shell, 9—2nd charge, 10—excitation device, 11—bayonet fixing, 12—the begining of detonating cord

圖2中3為不可逆起爆元件中隔爆體結(jié)構(gòu),隔爆體內(nèi)部由分層裝藥構(gòu)成見(jiàn)表1,底層7為高密度造粒鈍化后的太安,中層9為松散密度下造粒鈍化后的太安,上層10為激發(fā)裝置,由激發(fā)藥與鐵質(zhì)內(nèi)帽組成,激發(fā)藥組分為太安/石墨/鋁粉/氧化劑。

表1 分層裝藥結(jié)構(gòu)密度

Table 1 The layed structure charge density

layeredstructureignitioncharge2ndcharge1stchargechargePETN/graphite/Al/oxidantgranulationPETNgranulationPETNdensity/g·cm-30.80.9-1.01.2-1.3

2.2 實(shí)驗(yàn)

2.2.1 金屬爆炸索高溫下安全性實(shí)驗(yàn)

根據(jù)黃寅生等[8]關(guān)于鈍感猛炸藥金屬爆炸索安全性試驗(yàn)研究中提出的燃燒實(shí)驗(yàn)技術(shù),本實(shí)驗(yàn)中采取無(wú)基板情況下的燃燒實(shí)驗(yàn),將金屬爆炸索直接放置于高溫火源上進(jìn)行燃燒,分析爆炸索的安全性能。

采用無(wú)基板燃燒實(shí)驗(yàn)研究金屬爆炸索的耐溫性能,在一處四周空曠安全地帶,擇取一定長(zhǎng)度實(shí)驗(yàn)室自制金屬爆炸索(線裝藥密度2.3 g·cm-3,外徑2.4 mm)放置于高溫環(huán)境下加熱灼燒,實(shí)驗(yàn)灼燒所用燃料為煤油,火焰溫度采用香港?，斒殖质礁呔燃t外線測(cè)溫儀測(cè)量,將爆炸索橫置于油面上方10.0 cm,被灼燒長(zhǎng)度為12.0 cm左右,在安全距離外架起索尼高清攝像機(jī)觀察高溫灼燒環(huán)境下爆炸索的變化情況,以此來(lái)分析其在高溫環(huán)境下的安全性。實(shí)驗(yàn)如圖3所示。

圖3 金屬爆炸索的無(wú)基板燃燒實(shí)驗(yàn)

Fig.3 Burning experiment of metal detonating cord

2.2.2 不可逆起爆網(wǎng)路傳爆實(shí)驗(yàn)

以傳爆實(shí)驗(yàn)法為主,使用實(shí)驗(yàn)室制成不可逆起爆網(wǎng)路,模擬高溫火區(qū)爆破進(jìn)行傳爆性能測(cè)試。正向傳爆實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4a,主網(wǎng)路部分采用工業(yè)用導(dǎo)爆索,各個(gè)子網(wǎng)路模擬現(xiàn)場(chǎng)高溫炮孔,以金屬爆炸索模擬孔內(nèi)部分,不可逆起爆元件模擬孔外連接部分,將子網(wǎng)路金屬爆炸索固定在2 mm鋁板上作為實(shí)驗(yàn)端。將正向起爆網(wǎng)路整體部分放置于空中爆炸罐中,以一發(fā)8#工業(yè)雷管按圖示方向引爆主網(wǎng)路導(dǎo)爆索。研究不可逆起爆網(wǎng)路的正向傳爆可靠性[15]。同理進(jìn)行爆炸網(wǎng)路反向傳爆實(shí)驗(yàn),將反向起爆網(wǎng)路整體部分放置于空中爆炸罐中,以一發(fā)8#工業(yè)雷管引爆子網(wǎng)路金屬爆炸索,實(shí)驗(yàn)?zāi)M在高溫火區(qū)爆破實(shí)驗(yàn)中因某處意外原因(如高溫、放電、刺穿等)導(dǎo)致某一炮孔早爆、誤爆時(shí),在誤爆發(fā)生時(shí)不可逆起爆元件是否可以起到保護(hù)主網(wǎng)路的阻爆作用。見(jiàn)圖4b。

a. the positive explosive experiment

b. the reverse explosive experiment

圖4 雙向傳爆實(shí)驗(yàn)

Fig.4 The bidirectional explosive experiment

3 結(jié)果與討論

3.1 金屬爆炸索的耐熱分析

金屬爆炸索無(wú)基板燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。 由表2可以看出,金屬爆炸索在火焰平均溫度470 ℃條件下灼燒均未發(fā)生徑向爆轟傳播?；鹧嫒紵陆饘偎鞅蛔茻糠志徛郎?內(nèi)部鈍感藥芯在高溫下化學(xué)反應(yīng)加速直至發(fā)生爆炸熔斷。在火焰燃燒條件下小直徑爆炸索不會(huì)因誤起爆發(fā)生爆轟。如圖5。

金屬爆炸索在高溫條件下,鋁制外殼具有良好的導(dǎo)熱性將周圍熱量徑向均勻傳熱,不會(huì)快速在外表面形成局部熱量積累,引起爆炸; 同時(shí)內(nèi)部藥芯加入了消焰劑與粘合劑,增加了藥芯的熱分解溫度,比工業(yè)用導(dǎo)爆索有更高的爆發(fā)點(diǎn)。

圖5 金屬爆炸索未發(fā)生徑向爆轟

Fig.5 The metal detonation cord not occur as radial detonation

表2 金屬爆炸索的灼燒試驗(yàn)

Table 2 The burning experiment of metal detonation

No.flametemperature/℃burninglength/cmouterdiameter/mmlineardensity/g·m-3testphenomenon1468122.42.3notradialdetonation2472122.42.3notradialdetonation3469122.42.3notradialdetonation

3.2 不可逆起爆元件的機(jī)理探討

圖6為不可逆起爆網(wǎng)路的雙向傳爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖6a可以看出,金屬爆炸索固定端鋁板均有明顯傳爆痕跡,傳爆穩(wěn)定可靠,說(shuō)明正向傳爆時(shí)爆轟波可以順利從主網(wǎng)路經(jīng)過(guò)不可逆起爆元件傳爆至各子網(wǎng)路,滿足高溫火區(qū)常規(guī)爆破需求。圖6b為不可逆起爆網(wǎng)路的反向傳爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果,由其實(shí)驗(yàn)端鋁板的爆炸傳播痕跡與不可逆起爆元件損壞痕跡可以看出,元件順利阻止了爆轟波的傳播并且爆炸能力不破壞周圍的子網(wǎng)路,剩余網(wǎng)路部分可以正向順利起爆。說(shuō)明元件可以阻止因子網(wǎng)路誤起爆,進(jìn)而引發(fā)整個(gè)爆破網(wǎng)路的誤起爆。此元件工作原理類似于二極管,正向則導(dǎo)通,反向則阻斷。從而在高溫火區(qū)爆破中大大提高了爆破網(wǎng)路的安全性,給爆破網(wǎng)路增加一道安全底線。

如圖2元件結(jié)構(gòu),不可逆起爆元件中位于隔爆體敞口一側(cè)的導(dǎo)爆索被外部起爆后,爆轟波傳至隔爆體內(nèi)上層激發(fā)裝置,利用激發(fā)藥爆炸后產(chǎn)生的高溫高壓氣體與能量快速剪切激發(fā)裝置底部密封端形成高速運(yùn)動(dòng)撞擊片,產(chǎn)生大量熱點(diǎn)和強(qiáng)沖擊效應(yīng),極短時(shí)間內(nèi)壓縮第一層低密度鈍化裝藥,引起爆轟,引爆底層高密度鈍化裝藥進(jìn)行爆轟傳遞,傳爆過(guò)程中藥體的激發(fā)感度逐級(jí)降低,爆轟能量逐級(jí)增大,從而撞擊隔爆體封閉端一側(cè)的導(dǎo)爆索,使之爆炸,實(shí)現(xiàn)從隔爆體敞口一側(cè)的導(dǎo)爆索向密封一側(cè)的導(dǎo)爆索的傳爆。反之,位于隔爆體封閉端一側(cè)的金屬爆炸索被意外起爆后,爆轟波傳至隔爆體封閉端底部高密度鈍化裝藥時(shí),由于爆炸索直徑小、線密度低產(chǎn)生的爆轟能量較小,隔爆體底部封閉端有約束減弱爆轟波傳播能量,底層高密度鈍化裝藥熱點(diǎn)少、起爆感度低,爆轟波在隔爆體內(nèi)熄爆,無(wú)法引爆位于另一側(cè)(隔爆體敞口端)的導(dǎo)爆索,雖然外殼可能被導(dǎo)爆索破壞,但敞口端的導(dǎo)爆索無(wú)法被起爆,達(dá)到隔爆的目的(見(jiàn)圖6b)。

在實(shí)際爆破網(wǎng)路中,僅在某些需要單向傳爆的位置添加該元件,即可實(shí)現(xiàn)所期望的單向傳爆效果,使整體網(wǎng)路的不可逆?zhèn)鞅?相比較常規(guī)網(wǎng)絡(luò),提高了可靠性與安全性,保障人員安全。

a. positive explosive experiment

b. reverse explosive experiment

圖6 爆破網(wǎng)路雙向傳爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Fig.6 Results of the bidirectional detonation transmission for the blasting network

3.3 不可逆起爆網(wǎng)路安全可靠評(píng)價(jià)

根據(jù)系統(tǒng)可靠性標(biāo)準(zhǔn)[9],進(jìn)行100組不可逆起爆網(wǎng)路正向傳爆與反向阻爆實(shí)驗(yàn),100組正向?qū)嶒?yàn)全部傳爆,100組反向?qū)嶒?yàn)全部順利阻爆,以此分析系統(tǒng)可靠度。結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不可逆起爆網(wǎng)路的可靠性分析

Table 3 Reliability analysis of irreversible detonating network

experimentalnumbertestresultsreliability/%thepositivedirectionexplosive(100times)allsuccessblasting100%100thereversedirectionexplosive(100times)allstopblasting100%100

對(duì)爆破網(wǎng)路進(jìn)行安全性定量分析[9]。常規(guī)爆破網(wǎng)路,各子網(wǎng)路與主網(wǎng)絡(luò)之間連接相當(dāng)于串聯(lián)網(wǎng)路,任何單一炮孔子網(wǎng)路發(fā)生早爆、誤爆均可引發(fā)整個(gè)網(wǎng)路的誤爆。假設(shè)某個(gè)子網(wǎng)路的安全度為Pi,則各個(gè)子網(wǎng)路的安全度分別為P1,P2,P3……Pn。則爆破主網(wǎng)絡(luò)的安全度為:

(1)

在不可逆起爆網(wǎng)路中,每個(gè)不可逆起爆原件相當(dāng)于一個(gè)切斷開(kāi)關(guān),當(dāng)單一炮孔發(fā)生早爆、誤爆時(shí),主網(wǎng)絡(luò)不會(huì)發(fā)生誤爆,所以各個(gè)炮孔與主網(wǎng)絡(luò)之間相當(dāng)于并聯(lián)網(wǎng)路。則爆破主網(wǎng)絡(luò)的安全度為:

(2)

在實(shí)際爆破中,n即是子網(wǎng)路數(shù)量,在高溫火區(qū)中單個(gè)炮孔就是一個(gè)子網(wǎng)路。假設(shè)單一炮孔的安全度為0.9990,對(duì)比不同數(shù)量炮孔時(shí)常規(guī)爆破網(wǎng)路與不可逆爆破網(wǎng)路的安全度,見(jiàn)表4。

表4 兩種爆破網(wǎng)路安全度比較

Table 4 Comparing two kinds of blasting network safety

holenumberscommonnetworksafetyirreversibledetonatingnetworksafety10.99900.999020.99800.999940.99600.999980.99200.9999160.98410.9999320.96850.9999640.93800.9999

由以表4得知,不可逆起爆網(wǎng)路正向傳爆率達(dá)100%,金屬爆炸索傳爆可靠,滿足實(shí)際應(yīng)用要求; 反向傳爆阻斷率為100%,當(dāng)子網(wǎng)路發(fā)生早爆、誤爆時(shí)可以順利阻止爆轟波傳至主網(wǎng)絡(luò),避免整個(gè)網(wǎng)路誤起爆,減少重大事故的發(fā)生; 反向傳爆阻斷后的爆破網(wǎng)路可以順利正向傳爆,不影響爆破作業(yè)。通過(guò)與常規(guī)爆破網(wǎng)路安全度對(duì)比,當(dāng)炮孔數(shù)量達(dá)到64個(gè)時(shí),常規(guī)網(wǎng)路整體安全度為0.9380,不可逆起爆網(wǎng)路安全度為0.9999,安全性明顯比常規(guī)網(wǎng)路高,適合用于高溫火區(qū)爆破。

4 結(jié) 論

(1) 實(shí)驗(yàn)室制備了一種鋁制外殼式金屬爆炸索,比傳統(tǒng)導(dǎo)爆索擁有良好的耐高溫性能、較長(zhǎng)的受熱分解時(shí)間、熔斷后不發(fā)生徑向爆轟傳爆。

(2) 通過(guò)傳爆實(shí)驗(yàn)法,不可逆起爆元件正向傳爆率達(dá)100%; 反向傳爆時(shí),由于爆炸索直徑小、線密度低產(chǎn)生的爆轟能量較小,隔爆體底部封閉端有約束減弱爆轟波傳播能量并且底層高密度鈍化裝藥熱點(diǎn)少、起爆感度低,從而使得反向傳爆被阻斷。滿足特種工程爆破需要。

(3) 應(yīng)用系統(tǒng)可靠性法則分析,與常規(guī)爆破網(wǎng)路相比,當(dāng)炮孔數(shù)量達(dá)到64個(gè)時(shí),常規(guī)網(wǎng)路整體安全度為0.9380,新型網(wǎng)路安全度為0.9999,在大規(guī)模多炮孔爆破中安全性提升明顯。

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