炸药在水介质中殉爆特性分析

刘晓文，高玉刚

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.北京北矿亿博科技有限责任公司，北京 100160；3.中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司，安徽 淮北 235000)

目前，国内工业炸药生产普遍采用连续生产工艺，炸药在制造、装药以及包装等工序间大多采用输送带输送，一些乳化炸药生产线上，制成的药卷还需要在水下输送以达到冷却药卷的目的。由于这些生产线的设计产能较大(很多在1万t/年以上)，输送带上的炸药量也较大(数百千克以上)，若不能采取有效防止殉爆发生的措施，一旦发生意外爆炸，可能导致整条输送带上的炸药发生殉爆，甚至波及相邻工序，势必会造成重大事故，亟需开展炸药在水中殉爆特性研究。在军事上，可通过炸药在水下爆炸殉爆摧毁敌方水下武器，分析水下兵器与来袭兵器安全距离和殉爆距离，可为水下兵器安全设计提供一定依据[1]。

有关炸药在空气介质中的殉爆特性研究测试开展的较多，余德运等[2]对现场混装铵油炸药(ANFO)在炮孔中进行殉爆试验，起爆体安装在下部装药中引爆，观察是否引起上部装药殉爆，试验结果表明在露天矿干燥钙质硅酸盐和覆盖砂层台阶爆破时，采用空气分段间隔装药，大孔径(311 mm)炮孔比小孔径(165 mm)炮孔的殉爆距离更大。李奇安[3]针对低温敏化乳化生产线，探讨了一种在双层连续敏化机与送药皮带间，对连续、无间隔的乳化炸药进行分割，防止乳化炸药在生产或敏化过程中发生传爆与殉爆的装置。岳纪炜等[4]针对炸药厂内各工序间距离受限，可能导致工业炸药与生产工房内存药发生殉爆的问题，研制出一种组合隔爆墙用来替代防爆土堤，该装置可有效起到抗爆、防殉爆效果。唐平等[5]通过查阅相关文献对国内外有关殉爆材料、防殉爆技术以及火工品运输贮存过程中防殉爆安全技术进行分析总结，得到防爆材料、防爆技术改进以及防爆装置低成本设计的一些方法。高玉刚[6]对乳化炸药生产线中的乳化基质平铺、敏化后的平铺及成箱药卷输送等5种情况分别进行殉爆试验，得到在不同情况下对应的殉爆距离。李启月等[7]采用无缝钢管模拟乳化炸药在炮孔约束条件下的殉爆试验研究，得到约束条件越强，乳化炸药的殉爆距离越小。施维等[8]通过改变乳化炸药的摆放方式，测试乳化炸药在不同摆放方式情况下的殉爆距离。而有关炸药在水介质中的殉爆特性研究还不多见，受试验条件所限，目前还未有系统的试验研究。本文结合现有文献，对炸药在水介质中的殉爆特性进行分析。

1 殉爆机理

炸药发生爆轰时，引起相邻炸药爆炸的现象叫殉爆。李铮等[9]通过试验发现，对于不敏感的炸药，主要是由于爆轰产物的冲击使被发炸药产生热点，从而导致爆炸或爆轰，爆轰产物是一种混合物，既有固体颗粒(如炭颗粒)，又有多种气体(如N2、CO2、CO、H2O、NOx等)；而敏感炸药殉爆主要是冲击波超压和正压作用时间的作用下引发爆轰。炸药殉爆要经历“燃烧—加速燃烧—爆炸”的反应过程，当被发装药受到主发装药爆炸产生的爆轰产物作用时，其表面温度升高直至发生局部分解，分解热引起炸药燃烧，燃烧放热进一步使温度升高，燃速加快，并沿着孔隙传递到炸药内部；同时，冲击波压缩孔隙内的空气，形成热点，进一步发生急剧的化学反应，发生加速燃烧直至整个炸药爆炸[10]。炸药在水介质中殉爆机理更为复杂，可能引发殉爆的原因有主发装药爆炸产生冲击波、爆轰产物直接作用、气泡、二次压力波等[1]。

2 引起殉爆的原因

2.1 主发装药的爆轰产物直接冲击被发装药[11]

当两装药之间的介质密度很小(如空气)，并且两装药间距离较近时，主发装药爆轰时产生的物质能直接作用在被发装药上，引起被发装药的爆轰。

2.2 主发装药爆轰时，抛射出的物体冲击被发装药[11-13]

当主发装药被金属材质的外壳包装时，在主发装药爆炸的高温高压作用下，金属材质的包装壳会被瞬间气化，形成金属射流作用在被发装药上引起被发装药爆轰。

2.3 主发装药爆轰时，在惰性介质中形成的冲击波冲击被发装药[14]

主发装药爆炸时压力急剧增大，作用于周围空气，形成空气冲击波超压。冲击波作用于被发装药上，就能引起被发装药爆轰。

在实际工程爆破中，引起殉爆的原因可能是以上某一原因，也可能是以上多种因素的综合。在水介质中，引起炸药殉爆的主要原因是冲击波的作用。

3 影响炸药殉爆特性的因素

影响殉爆的主要因素有炸药爆炸冲击波超压、温度、药量和装药直径、高温高压产物的冲击能量、被发装药的装药密度、感度、形状和摆放方式、惰性介质的性质等。

3.1 温度对殉爆的影响

炸药试样温度较高，越容易产生殉爆，对应的殉爆距离越大。因此，在炸药生产线输送带上的炸药药卷经水冷却后，理论上其殉爆距离将变小，即相同的药卷距离下发生殉爆的可能性将变小。文献[15]指出硝铵炸药在0 ℃条件下比常温下的殉爆距离稍低；乳化炸药在-15～-20 ℃条件下，殉爆距离比常温下下降10～20 mm，当温度降低至-25 ℃以下时，殉爆距离大幅度降低。

3.2 与药卷间惰性介质的性质有关

文献[11]表明，不同的惰性介质，在冲击波传输过程中由于其压缩性不同，对炸药的殉爆距离有很大影响。

试验样品：主发装药为苦味酸，纸质外壳装药，其药量为50 g，被发装药为苦味酸，装药密度相同的情况下，试验结果如表1所示。

表1 不同介质的殉爆距离

由表1可以看出，炸药在水中的殉爆距离比在空气中大。由于水介质的近似不可压缩性，水下冲击波衰减比空气慢，所以炸药在水中殉爆的可能性比在空气中大。

3.3 与药卷的摆放形式有关

炸药药包的摆放形式不同，其殉爆距离也不同。孙德勇等[14]测试乳化炸药、膨化硝铵炸药和改性铵油炸药3个不同品种炸药的轴向殉爆距离和径向殉爆距离，指出炸药摆放位置不同，被发装药接受主发装药爆炸时产生的冲击波面积不同，两药包平行正对摆放时更容易殉爆，错开摆放位置越大，其殉爆距离会减小。文献[16]指出，药包的摆放位置关系到爆炸冲击波和产物射流的冲击方向，对殉爆效果影响较大，轴向共线摆放时效果最佳，轴向垂直效果最差，殉爆距离会减少4～5倍。

3.4 与药卷质量(或药卷直径)有关

增加主发装药和被发装药的质量或增大装药直径，将使主发装药产生的爆炸冲击波强度增大、被发装药接受冲击波的面积增大，其径向殉爆距离也就增大。郑孟菊等[17]设计实验将一定质量的特定炸药，制成不同直径的药卷，试验结果表明，当药卷直径31 mm时殉爆距离为50 mm，当药卷直径为40 mm时，殉爆距离增大至110 mm。

根据文献[11]TNT的试验结果(见表2)可见，随着主发装药质量的增加，殉爆距离也显著增大。

表2 药量对殉爆距离的影响

4 水下殉爆特性试验方法

胡宏伟等[18]根据炸药在水中爆炸的特点，通过2种方式对炸药在水介质中的殉爆试验进行判断。实验原理如图1所示，通过压力传感器测得炸药在水下爆炸的冲击波超压值随时间变化信号，再通过示波器将传感器捕捉到的信号转化为波形图，进一步由专业软件分析得出水中冲击波压力上升的时间、最大压力值以及气泡脉动周期，从而判断是否发生殉爆。

方式一：殉爆距离指当主发装药爆轰时，可以将被发装药100%引爆的最大装药距离；殉爆安全距离指主发装药爆轰时，被发装药100%不被引爆的最小装药距离。

方式二：利用炸药在水中爆炸产生的冲击波和气泡周期来判断被发装药是否发生殉爆。设定2个装药与测点的距离，pm1表示主发装药产生的最大冲击波压力，tb1表示气泡周期；当被发装药殉爆时，pm2表示被发装药产生最大冲击波压力，tb2表示被发装药的气泡周期；若被发装药B发生半爆，测量到冲击波最大压力pm3和气泡脉动周期为tb3。判断是否发生殉爆的方法为：若pm2>pm1，tb2>tb1，则被发装药殉爆；若pm2>pm3>pm1，tb2>tb3>tb1，则被发装药半爆；若pm2=pm1，tb2=tb1，则被发装药未殉爆。

胡宏伟等[18]采用上述2种试验方法对水下爆破殉爆试验进行探究，试验结果表明该方法不仅能判断炸药是否发生殉爆现象，同时还可以定量反映殉爆的程度。通过这种试验方法，可以进一步研究水介质中主发装药与被发装药不同的摆放位置和不同药卷直径的殉爆距离。

Shigeru Itoh等[19]采用高速摄影与锰铜压阻法2种方法，对高威力炸药在水中的殉爆现象进行直观和定量的研究。采用高速摄影方法，以时间轴为参考系，用选定的时间间隔标尺，对殉爆过程进行高速摄影，分析主发装药爆炸产生水下冲击波到达的时间L1与被发装药产生水下冲击波到达的时间L2进行动态对比分析，以判断是否发生殉爆或是否完全殉爆；锰铜压阻法测量被发装药处的爆轰压力，原理是利用锰铜材料电阻率小，电阻的变化与冲击波压力呈线性关系，通过试验测量得到压力值，将测得的压力值与炸药正常爆炸的C-J面爆轰压力值进行比较，从而判断被发装药是否被殉爆。2种实验方法相互佐证，对炸药在水中殉爆研究提供了更多的研究方法。

5 水下冲击波界面效应对殉爆性能的影响

炸药的冲击波感度决定了其殉爆的难易程度，冲击波在水中和空气中的传播具有不同的性质，很多学者对此进行了研究，主要从冲击波传播的速度、峰值压力、冲量等物理参数进行对比分析。宁心等[20]设计实验，分别将0.2、0.5、1 kg TNT 在空气和水下爆炸, 布置传感器测得不同距离的爆炸特性参数；实验表明，测试距离相同的情况下，相同质量的TNT爆炸产生的水下冲击波的传播速度是空气冲击波传播速度的4倍左右；水下冲击波峰值压力是空气中峰值压力的230倍左右；水下冲击波正向压力作用时间短，其冲量是空气中的10倍左右。传播介质密度不同，冲击波的传播速度和峰值压力都不同，水下冲击波比空气中传播的速度更快，传播的距离更远，冲击波峰值压力更大，产生的破坏效应更显著。

由于界面效应的作用，爆炸冲击波会发生反射、折射、透射，如果主发装药和被发装药间存在不同的介质，必然对殉爆距离产生影响。张社荣等[21]通过数值模拟的方式分别构建水下和空气中自由场，研究了自由界面对2种介质下产生的爆炸冲击波传播特性的影响。研究结果表明，冲击波受空气与水界面作用，炸药在自由面水下起爆时，界面反射波比透射波强度大，在反射冲击波与入射波的共同作用下，产生气穴现象；炸药在自由面空中起爆时，界面透射波强度大于反射波，在反射冲击波与入射波的共同作用下，冲击波在近界面处有增强效应。王奕鑫等[22]通过计算得出，在一定应用范围内，浅水爆炸中无机械杂质的水可承受约60 MPa的负压，出现空蚀现象，然后压力迅速降低，产生冲击波的截断效应；进一步设计实验以单发雷管在浅水下起爆，距雷管不同水平距离和深度布置传感器，测得冲击波压力在某一时刻明显减小，有截断现象；受反射波的影响，测点深度越浅，反射波与透射波之间的夹角越小，对透射波的峰值和上升沿影响越大。

6 结论

1)炸药在水中的殉爆距离比在空气中大，即在水中的殉爆可能性比在空气中大。

2)增加主发装药的质量，将明显提高被发装药的殉爆可能性。

3)在相同炸药量，距炸药药包中心相同距离情况下，在水中爆炸时产生的冲击波峰值压力远大于在空中爆炸产生的冲击波峰值压力。

4)炸药爆炸产生的冲击波在空气与水界面影响下，冲击波会发生反射和透射，从而影响炸药的殉爆距离。

尽管文献显示炸药在水中的殉爆可能性比在空气中大，但应当看到，由于试验条件与炸药生产实际存在差异，还需通过一系列的模拟试验研究并进行进一步的分析才能客观评估炸药在水介质中的殉爆特性。