水浴防护下敏化剂对乳化炸药爆炸威力的影响

李战军， 林谋金， 马宏昊， 王 飞， 刘 翼

(1.宏大爆破有限公司，广州 510623； 2.中国科学技术大学 中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，合肥 230026)

为了使普通爆破器材能够用于自燃煤矿高温爆破，主要采取的措施有炮孔降温、爆破器材的隔热防护以及缩短装药施工时间等[1]，但爆破器材仍受到炮孔温度的影响。有研究表明爆破器材受到外界影响(温度、压力)容易出现能量下降、早爆以及拒爆等情况，其中，压力对爆破器材影响的研究相对较多，而温度对爆破器材影响的研究相对较少，如陈东梁等[2-3]研究表明乳化炸药的爆炸威力在动态压力作用下产生衰减；吴红波等[4-5]研究表明玻璃微球敏化的乳化炸药抗动压性能优于膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药；颜事龙等[6]通过水下爆炸性能参数表征压力对乳化炸药爆炸能量的影响程度；傅建秋等[7]研究表明电雷管在温度高于130℃时发生自爆；李战军等[8]研究表明乳化炸药在80℃炮孔中放置数小时后仍能用雷管正常起爆，但在130℃的高温作用6 h后失效。目前，不同敏化剂敏化的乳化炸药爆炸威力经水浴加热后的变化情况在国内相关文献中公开报道较少，本文采用水浴恒温箱对乳化炸药进行水浴加热来模拟高温炮孔中的水浴防护下的乳化炸药的环境温度，然后采用水下爆炸实验方法研究温度作用下不同敏化剂对乳化炸药爆炸威力的影响，其结果可为火区高温爆破器材选择提供参考。

1 药卷制备与实验装置

将乳胶基质分别采用膨胀珍珠岩(Perlite)、玻璃微球(Glass Microballoon, GMB)以及亚硝酸钠(NaNO2)敏化成乳化炸药，其中，乳胶基质中水含量为12%。乳化炸药所添加的不同类型敏化剂含量为目前广泛所采用的配比，即膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药配比为乳胶基质 ∶膨胀珍珠岩=96 ∶4，其中，膨胀珍珠岩的粒度为90%以上在20 ～80目，墩实密度<0.07 g·ml-1；玻璃微球敏化的乳化炸药配比为乳胶基质 ∶玻璃微球=97 ∶3，其中，玻璃微球为美国3M公司产品，其粒径为20～50 μm，堆积密度为0.22 g·cm-3；亚硝酸钠敏化的乳化炸药配比为乳胶基质 ∶NaNO2=99.75 ∶0.25，其中，NaNO2的纯度为99%，密度为2.19 g·cm-3。制备乳化炸药时将乳胶基质与敏化剂混合均匀，水下爆炸实验所制成的药包为球状，即将乳化炸药用塑料包装成球状，其质量为30 g，直径约为1.84 cm，密度为1.1～1.2 g·cm-3。采用水浴恒温箱对药包进行100℃水浴加热，加热时间分别为0 h、1 h、2 h、3 h以及6 h，其中，采用膨胀珍珠岩与玻璃微球敏化的乳化炸药在水浴加热前后密度变化不大，而采用NaNO2敏化的乳化炸药在水浴加热前后密度变化较大，如图1所示。

图1 不同敏化剂敏化的乳化炸药Fig.1 The emulsion explosives with different sensitizers

水下爆炸测试方法是通过测定炸药的水中冲击波能和气泡能而得到做功能力数据，该数值与评价工业炸药威力的爆力值呈良好线性关系，已逐步成为评价炸药做功能力的重要手段[9]，因此本文将含有不同敏化剂的乳化炸药经水浴加热不同时间后采用水下爆炸实验测定其爆炸威力的衰减情况。水下爆炸实验采用的爆炸罐直径5 m，水深5 m，测试装置包括恒流源(482A22)、泰克示波器(TEKDSO8064A)、水下压力传感器(PCB，ICPW138A25)。另外，为了满足冲击波和气泡脉动的测试要求，测量时将球形药包和传感器置于水面下3 m处，药包与传感器的距离为120 cm。

爆速实验设备包含有多段智能爆速测量仪2BS-110，空中爆炸罐、细漆包线制成的探针、电线以及φ32 mmPVC管，探针间距为4 cm，测量时将乳化炸药装入PVC管，其质量约为200 g，时基调至0.1 μs。

2 实验结果与讨论

2.1 压力时程曲线

不同敏化剂敏化的乳化炸药经水浴加热不同时间后在水下爆炸后产生的典型冲击波压力时程曲线如图2所示。

图2 冲击波压力时程曲线Fig.2 Pressure-time curve for shock wave

由图2可得，乳化炸药经水浴加热不同时间后在水下爆炸后产生的压力时程曲线变化明显，同时得到的压力时程曲线较为理想，因此实验数据满足水下爆炸参数计算与分析的要求。

2.2 爆炸威力参数计算

通过分析计算压力时程曲线得到含有不同敏化剂的乳化炸药在水浴加热前后的压力峰值、冲量、比冲击波能、比气泡能，并对它们之间的变化进行分析，其中，柯克伍德(Kirkwood)和贝蒂(Bethe)通过对压力时程曲线进行积分得到冲击波冲量的计算公式为[10]

(1)

式中：i为冲击波冲量，MPa·s；Δp(t)为冲击波压力随时间变化函数；θ为衰减时间常数，指压力从峰值pm衰减到pm/e所需的时间,ms。通过计算得到的不同敏化剂敏化的乳化炸药压力峰值、冲击波冲量与水浴加热时间关系如图3所示。

图3 含有不同敏化剂的乳化炸药的压力峰值与冲量Fig.3 The peak pressure and impulse of emulsion explosives with different sensitizers

由图3可得，不同敏化剂敏化的乳化炸药压力峰值与冲击波冲量总体上随着水浴加热时间增加而降低，其中不同敏化剂敏化的乳化炸药变化规律基本一致，即在前3 h的下降速度较快，但在3 ～6 h区间的下降速度相对较为平缓。实验得到的数据相对离散，因此根据冲击波压力峰值与冲量无法直观判断出敏化剂对乳化炸药水浴加热后能量下降的影响情况。另外NaNO2敏化的乳化炸药在水浴加热2 h以及6 h后均出现无法用8号雷管起爆的情况，即其散失了雷管感度，其原因是乳化炸药中的基质黏度在水浴加热后降低，NaNO2产生的小气泡慢慢聚集后成为大气泡，生成的大气泡再从乳胶基质中逃逸，使化学敏化的乳化炸药容易散失雷管感度。Bjarnholt等[11-12]得到的水下爆炸比冲击波能与比气泡能的计算公式为

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Es为比冲击波能，MJ·kg-1；R为药包离传感器的距离，m；W为炸药质量，kg；Cw为水中声速，m·s-1；ρw为水的密度，kg·m-3；Eb为比气泡能,MJ·kg-1；C为边界效应的校正系数；Tb为气泡第一次脉动周期，s；Ph为测点处流体总静水压力，Pa；a,b为一定试验条件下的固有常数，其可根据(Tb，W1/3)数据进行最小二乘法近似拟合计算，实验前取不同质量的乳化炸药(15～50 g)在同等条件下进行实验后拟合得到a=0.238 6，b=-0.018 9，C=-0.331 986 884 s-1，其拟合相关系数为0.999 89，说明拟合效果较理想。根据上述相应的计算公式计算得到不同敏化剂敏化的乳化炸药比冲击波能与比气泡能与水浴加热时间关系如图4所示。

图4 含有不同敏化剂的乳化炸药的比冲击波能与比气泡能Fig.4 Specific shock energy and specific bubble energy of emulsion explosives with different sensitizers

由图4可得，不同敏化剂敏化的乳化炸药比冲击波能与比气泡能随着水浴加热时间增加而降低，其中玻璃微球与NaNO2敏化的乳化炸药实验数据离散性相对较大，但膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药实验数据重复性较理想，说明水浴加热不仅对乳胶基质产生影响，也对敏化剂的敏化效果产生影响。

Bjarnholt认为炸药水下爆炸的总能量可以看作初始比冲击波能与比气泡能之和，即炸药总能量计算公式为

E=Kf(μEs+Eb)

(7)

(8)

pCJ=ρ0D2/4×109

(9)

式中：E为总能量，MJ·kg-1；Kf为炸药的形状参数，对于球形取1.00，对于非球形取1.02～1.10；μ为冲击波损失系数，其由Bjarnholt根据实验值拟合得到，pCJ为C-J压力，GPa；ρ0为药包的密度，kg·m-3；D为炸药的爆速，m·s-1。由炸药总能量计算公式可得，计算初始冲击波能的损失系数需要相应炸药的爆速，因此由爆速实验得到的不同敏化剂敏化的乳化炸药爆速平均值以及根据上述计算公式计算的总能量与水浴加热时间的关系如图5所示。由于NaNO2敏化的乳化炸药在水浴加热后容易散失雷管感度，因此进行爆速实验时需要采用未水浴的NaNO2敏化乳化炸药进行端部引爆。

图5 含有不同敏化剂的乳化炸药爆速与总能量Fig.5 Detonation velocity and total energy of emulsion explosives with different sensitizers

由图5可得，不同敏化剂敏化的乳化炸药爆速与总能量总体上随着水浴加热时间增加而降低，其中NaNO2敏化的乳化炸药爆速与总能量在水浴加热后降低幅度相对较大，而玻璃微球与膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药爆速在水浴加热不同时间后下降幅度相对较小，其原因除了乳胶基质受到水浴加热后出现破乳析晶现象而影响炸药的能量，基质中NaNO2敏化气泡因水浴加热更容易失效也是其中原因，另外膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药实验数据重复性较好而玻璃微球敏化的乳化炸药实验数据重复性较差，其原因是玻璃微球为封闭球形，其表面比较光滑，在加热后的基质中易于移动，因此玻璃微球在水浴加热后乳胶基质(黏度变小)中的分布位置发生变化，即玻璃微球在基质中的分布变得不够均匀，从而影响玻璃微球敏化的乳化炸药爆炸威力。膨胀珍珠岩有部分开放孔隙，表面比较粗糙并具有许多棱角，在加热后的基质中不易移动，因此膨胀珍珠岩在水浴加热后乳胶基质中的分布位置比较稳定，从而使水浴加热前后的敏化效果比较稳定。

2.3 敏化剂对爆炸威力影响

将Et/E0定义为不同敏化剂敏化的乳化炸药在水浴加热后的能量保有率，其中Et为含有不同敏化剂的乳化炸药在水浴加热t小时后的炸药总能量。将不同敏化剂敏化的乳化炸药在不同水浴加热下的比冲击波能Es、比气泡能Eb、总能量E以及气泡的第一次脉动周期Tb平均值列于表1，从而分析不同敏化剂敏化后的乳化炸药各个爆炸参数随着水浴加热时间增加而变化情况。

表1 含有不同敏化剂的乳化炸药的爆炸参数

由表1可得，膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药的能量衰减速度较小，GMB敏化的乳化炸药的能量衰减速度次之，NaNO2敏化的乳化炸药的能量衰减速度最快，即NaNO2敏化的乳化炸药总能量在水浴加热1 h后降低量大于10%，说明水浴加热不仅可以使乳胶基质出现破乳析晶情况，也可使气泡敏化效果发生变化。NaNO2敏化的乳化炸药因气泡逸出容易散失雷管感度而出现拒爆情况，另外NaNO2敏化的乳化炸药在水浴加热后其体积变化较大，因此NaNO2等化学敏化的乳化炸药不适用于高温爆破中。物理敏化的乳化炸药总能量在水浴加热1 h后降低量小于5%，另外物理敏化的乳化炸药在水浴加热后无明显体积变化，因此物理敏化的乳化炸药比较适用于高温爆破。

采用GMB与NaNO2敏化的乳化炸药计算的总能量接近3.096 MJ·kg-1(爆热)，而采用膨胀珍珠岩敏化的炸药计算的总能量略低于3.096 MJ·kg-1(爆热)，说明敏化剂对炸药爆热产生影响以及敏化剂添加量也会影响最终的总能量。不同敏化剂敏化的乳化炸药中比气泡能占总能量的比例有所不同，采用GMB与NaNO2敏化的乳化炸药的爆速相近并远高于采用膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药，说明采用GMB与NaNO2敏化的乳化炸药爆轰反应速率相近并远高于采用膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药，从而使采用GMB与NaNO2敏化的乳化炸药的比冲击波能所占的比例(39.16%，39.41%)相近并高于采用膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药(35.82%)。未水浴加热的乳化炸药(物理敏化)比气泡能占总能量的比例略小于水浴加热后的乳化炸药比气泡能占总能量的比例，其原因可能是水浴加热后敏化剂周围的乳胶基质的油包水结构遭到破坏，从而降低水浴加热后乳化炸药的爆轰反应速率，因此使比气泡能的比重得到微小提升。物理敏化的乳化炸药比气泡能占总能量的比例在水浴加热前后变化较小，即膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药中比气泡能占总能量的比例约为0.65，GMB敏化的乳化炸药中比气泡能占总能量的比例约为0.62，而NaNO2敏化的乳化炸药比气泡能占总能量的比例在水浴加热前后变化较大。

3 结 论

(1) 不同敏化剂敏化的乳化炸药爆速、压力峰值、冲量、比冲击波能、比气泡能以及总能量总体上随着水浴加热时间增加而降低，其中NaNO2敏化的乳化炸药在水浴加热后容易散失了雷管感度，而物理敏化的乳化炸药不存在散失雷管感度现象。

(2) 玻璃微球与NaNO2敏化的乳化炸药实验数据离散性相对较大，但膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药实验数据重复性较理想，说明敏化气泡的特性影响其在水浴加热后的乳胶基质中的分布情况，从而影响水浴加热后的乳化炸药爆炸威力。

(3) NaNO2敏化的乳化炸药总能量在水浴加热1 h后降低量大于10%，物理敏化的乳化炸药总能量在水浴加热1 h后降低量小于5%，另外NaNO2敏化的乳化炸药在水浴加热后体积膨变化较大，物理敏化的乳化炸药在水浴加热后无明显体积变化，因此NaNO2敏化的乳化炸药不适用于高温爆破中，而物理敏化的乳化炸药比较适用于煤矿火区高温爆破。

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