混装乳化炸药爆轰参数理论计算

黄胜松(贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550000)

0 引言

《民用爆炸物品行业发展规划》(2016-2020年)明确指出截止到2020年现场混装炸药占工业炸药比重突破30%(现场混装炸药在工业炸药中占比由2010年的14.82%增加到2015年的22.45%)提出研发依据爆破现场作业参数实时调整配方的现场混装炸药产品，因此对混装炸药的爆轰性能进行理论计算对研发和改进混装炸药配方具有重要的指导意[1]。

炸药的爆轰参数是评价炸药优劣的重要依据，研究炸药爆轰相关参数计算及实验测试，对于进一步发展炸药爆炸理论及设计炸药具有重要意义。工业炸药爆炸参数的计算对于炸药爆轰参数主要有爆热(QV)、爆速(D)、爆温(T)、爆容(V0)等，其计算主要有两种方法一种是经验算法，如Kamlet法，另一种是理论方法，即根据爆轰产物状态方程来计算各项参数[2]。本文采用理论计算方法计算混装炸药的爆热(QV)、爆温(T)、爆速(D)、爆容(V0)。

1 爆轰参数计算理论

1.1 爆热(QV)计算理论

1mol炸药爆轰时所放出的热量叫爆热。在实际使用中，爆热是指在定容下所测的单位质量炸药的热效应，用QV表示。炸药的爆热是炸药对其周围的介质进行破碎和破坏的能源，爆热值愈大，炸药的爆炸性能指标愈高。

爆热计算的理论基础是炸药变化爆炸变化反应式和盖斯定律(见图1)，即通过炸药的生成热。盖斯定律指出反应的热效应与反应进行的途径无关，只与系统的最初状态有关[3]，也就是说，如果同一物质经不同途径得到同一最终产物时，则在这些途径中的热效应和是相等的。图中状态1(初态)、状态2和状态3(终态)分别代表元素、炸药、爆炸产物。根据盖斯定律，系统沿第一条途径由状态1转变到状态3时，反应热的代数和等于系统沿第二条路径转变时所放出的热量，即炸药的定容爆热Q2-3(假设爆炸时环境温度为25℃)为：

图1 盖斯三角形

式中：Q2-3为炸药的定容爆热(kJ/kg)；Q1-2为炸药各原料组分的定容生成热之和(kJ/kg)；Q1-3为炸药爆炸产物的定容生成热之和(kJ/kg)。

爆热计算步骤：

第一步：确定炸药的爆轰产物，建立爆炸反应方程式；

第二步：利用盖斯定律计算爆热。

爆轰产物的确定通常采用B-W 规则，利用它计算炸药的爆热简单易行。B-W规则[3]见表1：

表1 B-W规则

1.2 爆温(T)计算理论

爆温是炸药爆炸时所放出的热量将爆炸产物加热到的最高温度。其取决于炸药的爆热和爆炸产物组成[4]。计算时假设炸药爆炸在定容下进行的绝热过程，爆炸过程中所放出的热量全部加热爆炸产物。即：

式中：Qv为定容下的爆热(J/mol)；t为炸药爆温(℃)；为在温度由0到t范围内全部爆轰产物的平均热容量(J/mol)；a，b为待定测定常数。

计算爆轰产物的热容量非常困难，在实际运算时通常使用列卡斯的平均分子热容量式，见表2。

表2 利卡斯平均分子热容量式

1.3 爆容计算理论

炸药的爆容是指1kg炸药爆炸后形成的气态爆轰产物在标准状态下的体积，用Vo表示，单位L/kg。是评价炸药做功能力的重要参数，爆容越大，表明炸药爆炸做功效率越高，爆容通常根据爆炸反应方程式来计算：

式中：Vo为爆容(L/kg)；n为爆轰产物中气态组分的总摩尔数；M为爆炸反应方程中炸药的质量kg；22.4为标准状况下，气体的摩尔体积。

1.4 爆速计算理论

混装乳化炸药的理想爆速通常采用爆轰流体动力学理论的近似理论方程计算[5]：

式中：D为理想爆速(m/s)；Qv为理想爆热(kJ/kg)；γ1为爆轰产物局部等熵指数。

γ1通过下式确定：

式中：iγ为爆轰产物中第i成分的多方绝热指数；iχ为爆轰产物中第i成分的摩尔分数。

2 混装乳化炸药爆轰参数计算

取1kg炸药为计算基准，根据计算炸药中各组分物质的量，并根据B-W法则建立爆炸反应方程式。根据表3中各组分物质的量以及B-W法则确定混装乳化炸药的爆炸反应方程式：C4.348H62.042O37.458N20.68→31.021H2O+2.089CO2+2.259CO+10.34N2

表3 炸药中各组分物质的量

2.1 混装乳化炸药爆热Qv计算

在计算爆热时需炸药各组分的定容生成焓、爆轰产物的定容生成焓，具体数值见表4。

表4 各物质定容生成焓

根据盖斯定律计算出炸药爆热Qv：

2.2 混装乳化炸药爆温计算

根据公式(2)、(3)、(4)以及表2中的数值对混装乳化炸药各组分物质热容量进行计算：

水(气态)：

二氧化碳：

2.089 ×(37.7+24.3×104t)=78.7553+50.7627×104t

一氧化碳、氮气：

(2.259+10.34)×(20.1+18.8×104t)

=253.2399+236.8612×104t

50.0459 +3079.5139×104t由此可以得出a=850.046；b=0.308，根据公式(4)可以计算出爆温。

2.3 混装乳化炸药爆容计算

根据公式(5)可以直接计算出混装乳化炸药的爆容Vo：

2.4 混装乳化炸药爆速理论计算

根据2.1计算出混装乳化炸药的爆热Qv=2932.49k/kg，根据公式(6)、(7)以及爆炸反应方程式对混装乳化炸药的爆速进行计算。

混装乳化炸药的爆速相对于爆热、爆温、爆容等参数来说易于检测，经实际检测现用混装乳化炸药的爆速为3774m/s，低于理论值。理想状态下爆速应是一个常量，但实际检测总是低于理想爆速，影响爆速的主要因素有被检测药柱直径、约束条件、密度等有关。在一定条件下，当被检测药径一定时爆速随着炸药密度的增加而变大。根据这一特性可以根据岩石特性适当提高或降低炸药爆速使炸药能量更好的与岩石匹配，从而达到提高爆破效果降低生产成本的目的。

3 结语

通过现用混装乳化炸药爆轰参数进行计算对开展混装乳化炸药性能与岩石匹配性方面的研究具有一定的实际意义。针对不同的现场作业参数及时对炸药组分配比进行调整，对提高爆破效果降低生产成本具有一定指导作用。通过以上计算可得出以下结论：

(1)经计算现用混装乳化炸药理论爆轰性能如下：

爆热Qv=2932.49KJmol；

爆速D=4862m/s；

爆温t=2000.2℃；

爆容Vo=1023.88L/kg；

(2)经实际检测出现用混装乳化炸药的爆速为3774m/s，与理论值较为接近；

(3)根据爆轰性能的计算结果在进行与岩石匹配时可进行针对性的调整。如需要提高炸药做功能力的可适当提高爆温和爆容。