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.中國科學技術大學 中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室，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以及縮短裝藥施工時間等[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，壓力對爆破器材影響的研究相對較多，而溫度對爆破器材影響的研究相對較少，如陳東梁等[2-3]研究表明乳化炸藥的爆炸威力在動態(tài)壓力作用下產生衰減；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]通過水下爆炸性能參數(shù)表征壓力對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內相關文獻中公開報道較少，本文采用水浴恒溫箱對乳化炸藥進行水浴加熱來模擬高溫炮孔中的水浴防護下的乳化炸藥的環(huán)境溫度，然后采用水下爆炸實驗方法研究溫度作用下不同敏化劑對乳化炸藥爆炸威力的影響，其結果可為火區(qū)高溫爆破器材選擇提供參考。

1 藥卷制備與實驗裝置

將乳膠基質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 ∶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 ∶玻璃微球=97 ∶3，其中，玻璃微球為美國3M公司產品，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 ∶NaNO2=99.75 ∶0.25，其中，NaNO2的純度為99%，密度為2.19 g·cm-3。制備乳化炸藥時將乳膠基質與敏化劑混合均勻，水下爆炸實驗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。采用水浴恒溫箱對藥包進行100℃水浴加熱，加熱時間分別為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

水下爆炸測試方法是通過測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)值與評價工業(yè)炸藥威力的爆力值呈良好線性關系，已逐步成為評價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)水浴加熱不同時間后采用水下爆炸實驗測定其爆炸威力的衰減情況。水下爆炸實驗采用的爆炸罐直徑5 m，水深5 m，測試裝置包括恒流源(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的測試要求，測量時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。

爆速實驗設備包含有多段智能爆速測量儀2BS-110，空中爆炸罐、細漆包線制成的探針、電線以及φ32 mmPVC管，探針間距為4 cm，測量時將乳化炸藥裝入PVC管，其質量約為200 g，時基調至0.1 μs。

2 實驗結果與討論

2.1 壓力時程曲線

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

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

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

2.2 爆炸威力參數(shù)計算

通過分析計算壓力時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，并對它們之間的變化進行分析，其中，柯克伍德(Kirkwood)和貝蒂(Bethe)通過對壓力時程曲線進行積分得到?jīng)_擊波沖量的計算公式為[10]

(1)

式中：i為沖擊波沖量，MPa·s；Δp(t)為沖擊波壓力隨時間變化函數(shù)；θ為衰減時間常數(shù)，指壓力從峰值pm衰減到pm/e所需的時間,ms。通過計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間關系如圖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)間的下降速度相對較為平緩。實驗得到的數(shù)據(jù)相對離散，因此根據(jù)沖擊波壓力峰值與沖量無法直觀判斷出敏化劑對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)無法用8號雷管起爆的情況，即其散失了雷管感度，其原因是乳化炸藥中的基質黏度在水浴加熱后降低，NaNO2產生的小氣泡慢慢聚集后成為大氣泡，生成的大氣泡再從乳膠基質中逃逸，使化學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為邊界效應的校正系數(shù)；Tb為氣泡第一次脈動周期，s；Ph為測點處流體總靜水壓力，Pa；a,b為一定試驗條件下的固有常數(shù)，其可根據(jù)(Tb，W1/3)數(shù)據(jù)進行最小二乘法近似擬合計算，實驗前取不同質量的乳化炸藥(15～50 g)在同等條件下進行實驗后擬合得到a=0.238 6，b=-0.018 9，C=-0.331 986 884 s-1，其擬合相關系數(shù)為0.999 89，說明擬合效果較理想。根據(jù)上述相應的計算公式計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間關系如圖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間增加而降低，其中玻璃微球與NaNO2敏化的乳化炸藥實驗數(shù)據(jù)離散性相對較大，但膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥實驗數(shù)據(jù)重復性較理想，說明水浴加熱不僅對乳膠基質產生影響，也對敏化劑的敏化效果產生影響。

Bjarnholt認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)，對于球形取1.00，對于非球形取1.02～1.10；μ為沖擊波損失系數(shù)，其由Bjarnholt根據(jù)實驗值擬合得到，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。由炸藥總能量計算公式可得，計算初始沖擊波能的損失系數(shù)需要相應炸藥的爆速，因此由爆速實驗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)上述計算公式計算的總能量與水浴加熱時間的關系如圖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，因此進行爆速實驗時需要采用未水浴的NaNO2敏化乳化炸藥進行端部引爆。

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間后下降幅度相對較小，其原因除了乳膠基質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驗數(shù)據(jù)重復性較好而玻璃微球敏化的乳化炸藥實驗數(shù)據(jù)重復性較差，其原因是玻璃微球為封閉球形，其表面比較光滑，在加熱后的基質中易于移動，因此玻璃微球在水浴加熱后乳膠基質(黏度變小)中的分布位置發(fā)生變化，即玻璃微球在基質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放孔隙，表面比較粗糙并具有許多棱角，在加熱后的基質中不易移動，因此膨脹珍珠巖在水浴加熱后乳膠基質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爆炸參數(shù)隨著水浴加熱時間增加而變化情況。

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%，說明水浴加熱不僅可以使乳膠基質出現(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算的總能量略低于3.096 MJ·kg-1(爆熱)，說明敏化劑對炸藥爆熱產生影響以及敏化劑添加量也會影響最終的總能量。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高于采用膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥，說明采用GMB與NaNO2敏化的乳化炸藥爆轟反應速率相近并遠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的油包水結構遭到破壞，從而降低水浴加熱后乳化炸藥的爆轟反應速率，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 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敏化的乳化炸藥實驗數(shù)據(jù)離散性相對較大，但膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥實驗數(shù)據(jù)重復性較理想，說明敏化氣泡的特性影響其在水浴加熱后的乳膠基質中的分布情況，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。

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