约束条件对乳化炸药爆速影响的实验研究

余宗杰，关佳佳，吴红波，夏曼曼，张 洪

（1.安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南232001；2.安徽省淮南市公安局，安徽淮南232001）

乳化炸药是以硝酸盐水溶液为氧化剂、碳质燃料为还原剂的一类油包水型乳胶体系，其特殊的结构和原料组成使其具有良好的抗水性和爆轰性能[1-3]，近年来在爆破工程中得到广泛应用。爆速是指爆轰波在炸药药柱中的传播速度，它是衡量炸药爆轰性能的重要参数，炸药的其他爆轰参数亦可通过爆速加以估算[4]。因此，研究装药直径对乳化炸药爆速的影响，对防止炸药拒爆，提高其爆轰威力及炸药的利用效率具有十分重要的意义。

高玉杰[5]研究了装药直径对工业炸药爆速的影响，发现装药直径越大，工业炸药达到稳定爆轰时的爆速越稳定。胡建华等[6]采用模型实验的方法研究了乳化炸药的临界爆轰直径，获得实验用乳化炸药的临界爆轰装药厚度为6 mm。赵海霞等[7]运用探针法测试了不同装药直径和约束条件对小直径装药爆速的影响，结果表明，小直径装药爆速随着装药直径和约束阻抗的增大而增大。

本实验采用不同直径的牛皮纸药卷和PVC管药卷进行装药，测量不同约束条件和装药直径下乳化炸药的爆速，通过数据分析等方法确定炸药的极限爆轰直径和临界爆轰直径，为实际施工应用中乳化炸药装药直径的确定提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

硝酸铵、硝酸钠（工业级，安徽淮化集团有限公司）；Span-80（化学纯，石家庄成达科技有限公司）；复合蜡（工业级）；新型树脂微球（工业级，四川雅化集团）；PVC塑料管；牛皮纸；漆包线等。

DDBS-20型多段时间隔测量仪（测时精度不低于0.1 μs，开封市精工仪表厂）；乳化器（上海昂尼仪器仪表有限公司）；100mL量筒、200mL烧杯（泰州市思齐教学仪器有限公司）；DB-XAB型加热板（力辰科技有限公司）。

1.2 药卷制备

乳化炸药配方如表1所示。

表1 乳化炸药配方

按表1组分配比称取硝酸铵、硝酸钠、水制备水相材料并加热溶解至115℃左右，乳化剂Span-80加入复合蜡构成油相，加热至95℃左右，开启乳化器，将水相缓慢倒入油相中，乳化器转速在1 300 r/min下搅拌2.5 min，制得乳胶基质；乳胶基质冷却至55℃，加入新型树脂微球，充分搅拌制得乳化炸药[8]。将制备好的炸药分别装入已准备好的牛皮纸药卷和PVC管中，制得实验用药卷备用。

1.3 药卷爆速测定

测定炸药爆速的具体试验方法有道特里什法（导爆索法）、高速摄影法、连续示波器法、埋入式压力探针法、光导纤维法和测时仪法等[9]。

本实验采用测时仪法，其实验原理如图1所示。当炸药起爆后，爆轰波沿药卷传播至A点，高温高压状态下爆轰波波阵面的产物电离为正、负离子，电离子的导电性使A点处相互绝缘的探针接通，转变为电信号；爆轰波达到B点处的情况与A点相同。测时仪法就是通过测出爆轰波经过A、B两点之间所需要的时间，求平均爆速值的方法。该方法所需药量较少、操作简单、测试精度高，是目前工程界最常应用的方法[10]。

图1 测时仪法实验原理图

2 实验结果与分析

2.1 爆速测量结果

实验制备的牛皮纸药卷直径分别为14 mm、15 mm、16 mm、18 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm；因实验选用的PVC管的尺寸是有国家标准规定的，无法做到跟牛皮纸药卷尺寸完全一样，所以本实验选用 PVC管的内径分别为 15 mm、20 mm、28 mm、35 mm、40 mm，尽量与牛皮纸药卷直径相接近。表2、表3分别为不同装药直径下牛皮纸药卷和PVC管药卷爆速测定结果。

表2 牛皮纸装药爆速测试结果

表3 PVC管装药爆速测试结果

由表2数据可知，装药直径为15 mm炸药未爆，当装药直径调整为20 mm时，乳化炸药爆轰速度达到4 115 m·s-1。由表3可知，采用PVC管装药时，装药直径为14 mm、15 mm时测时仪均未测得数据，且剩余大量残药，炸药出现了拒爆现象。当装药直径为16 mm时，测得其中一段炸药的爆速为3 571 m·s-1，另一段有残药剩余；当装药直径为18 mm时，药卷正常爆轰，说明约束条件为牛皮纸的情况下乳化炸药的临界爆轰直径接近18 mm，因此可以认为，装药条件为牛皮纸的乳化炸药的临界爆轰直径为18 mm左右。

2.2 装药直径对乳化炸药爆速的影响

为了直观地分析装药直径对乳化炸药爆速的影响，将表2、表3通过Origin加以作图，得到爆速—装药直径图，如图2、图3所示。

图2 牛皮纸装药直径与爆速的关系曲线

图3 PVC管装药直径与爆速的关系曲线

由图2和图3可知，乳化炸药爆速随装药直径变化而变化，装药直径在一定范围内，随着装药直径的增大，乳化炸药爆速提高；当装药直径小于某一值时，乳化炸药不能产生爆轰，发生拒爆，当装药直径大于某一值时，乳化炸药爆速随装药直径的变化不再变化，乳化炸药形成稳定爆轰，即乳化炸药存在一个临界装药直径和极限装药直径。对于牛皮纸装药，装药直径在16~35 mm之间时，爆速变化很大；当装药直径大于35 mm后，爆速基本保持不变，因此可认为其极限直径为35 mm左右。而对于PVC管装药，装药直径在15～28 mm之间时，爆速变化最大，装药直径大于35 mm时爆速变化趋于平缓，可认为其极限直径也为35 mm左右。

以上现象说明，装药直径越接近临界直径时对爆速的影响越大，反之装药直径越接近极限直径时对爆速的影响越小。造成该现象的原因是药卷在非密闭状况下起爆后产生的高温、高压气体发生径向膨胀，从而引起径向稀疏波，径向稀疏波把圆柱形的化学反应区分成侧向扩散影响区和有效反应区，药卷直径愈小，有效反应区厚度就愈小，有效反应区释放出用以维持爆轰波稳定传爆的能量就愈少，炸药爆速和爆轰波压力也就相应降低。当装药直径小于临界装药直径时，侧向扩散很快影响到药卷中心，有效反应区变得很小，释出能量不足以维持稳定传爆，形成不稳定传爆，甚至爆轰中断。

2.3 约束条件对乳化炸药爆速的影响

为进一步研究约束条件对乳化炸药爆速的影响，将不同装药方式的炸药爆速和装药直径数据加以处理作图4。

图4 不同约束条件下炸药爆速和装药直径的关系

从图4中曲线可以看出，约束条件不同，乳化炸药的临界装药直径不同，极限直径相近，采用牛皮纸装药的药卷临界直径接近20 mm，采用PVC管装药的药卷临界直径在18 mm左右，两者极限装药直径接近35 mm；同一装药直径下，不同约束条件下炸药爆速不同，采用牛皮纸装药的药卷爆速要低于采用PVC管装药的药卷爆速。这种情况说明约束条件影响乳化炸药爆速，约束条件的存在减少了径向稀疏波造成的反应区能量损耗，提高了乳化炸药爆速，与牛皮纸相比，PVC管对炸药的约束更好一些。

3 结论

（1）乳化炸药爆轰过程中存在一个临界直径和极限直径，装药直径小于临界直径时，乳化炸药不能产生爆轰，产生拒爆现象；当装药直径大于极限直径时，乳化炸药爆速随装药直径的变化不再变化，乳化炸药形成稳定爆轰。

（2）在本实验条件下采用牛皮纸装药，乳化炸药的药卷临界直径为20 mm左右，PVC管装药的药卷临界直径为18mm左右，两者极限装药直径均为35mm左右。

（3）炸药爆轰的临界直径和极限直径除了与炸药本身的性质相关外，约束条件对临界直径和炸药的极限直径也有一定的影响，这主要是由不同的约束条件下造成的侧向稀疏波的能量损耗不同所致。