坑道内爆炸条件下温压炸药的爆炸特性及其影响因素

摘要： 温压炸药在坑道内爆炸时会产生多种毁伤元，对坑道内人员和设备造成严重威胁。基于不同药量的温压炸药爆炸试验，对坑道内爆炸条件下温压炸药的爆炸特性开展了研究，分析了爆炸热效应演化特征、冲击波传播规律和氧浓度降低情况，讨论了坑道对铝粉后燃的约束作用规律以及形成高烈度后燃效应的药量条件。研究表明：温压炸药火球辐射亮度高于TNT，且其火球温度峰值超过TNT 温度峰值的1.3 倍。在火球演化过程中，火球在后燃阶段的温度峰值较火球形态刚稳定时提升超过10%。在冲击波传播规律方面，超压峰值与正压时间的TNT 当量系数分别约为1.4 与1.65。另外，铝粉后燃产生的压缩波对冲击波能够形成多种补充效果，陡峭升压的压缩波能够使冲击波峰值升高，持续时间长但升压速率慢的压缩波能够限制冲击波的衰减，延长整体正压作用时间。受坑道约束作用，温压炸药爆炸火球将与坑道壁面发生相互作用，进而提高铝粉的燃烧烈度。当温压炸药质量立方根与坑道直径的比值大于0.28 kg1/3/m 时，将产生高烈度后燃效应。

关键词： 温压炸药；坑道内爆炸；后燃反应；毁伤元；约束作用

中图分类号： O382; TJ41 国标学科代码： 13035 文献标志码： A

坑道作为一种重要的地下防护结构[1]，具有优良的结构抗力和掩蔽性。然而，当炸药在坑道内爆炸后，坑道壁面会对炸药爆炸过程形成约束作用[2-3]，使爆炸效应进一步加强。当炸药富含高活性铝粉时，铝粉燃烧产生的能量增益[4] 可以显著提高冲击波和热效应，也会产生耗氧窒息效应。因此，研究温压炸药在坑道内的爆炸特性及其受到的约束作用具有重要意义。

温压炸药爆炸释放的能量包含爆轰能和燃烧能[4]，Arnold 等结合多次试验结果和铝粉的二次反应观点[5]，将温压炸药的反应过程总结为无氧爆轰、无氧燃烧和有氧燃烧3 个阶段，整个释能过程受环境影响十分明显。有关温压炸药在开阔空间爆炸释能，研究人员主要对冲击波传播规律进行了研究。Hahma 等[6]以冲击波超压峰值为评价指标，获得了不同种类金属燃料有氧燃烧对温压炸药超压的作用规律。Mohamed 等[7] 对一种RDX 基温压炸药在开阔空间的冲击波传播过程进行了模拟，冲击波曲线表明金属燃料的后燃烧过程会大幅延长正压时间。

温压炸药在密闭空间内爆炸时，结构的约束效应能够使爆炸效应显著增强[8]，冲击波增强的同时，准静态压力也十分明显。Zhang 等[9] 在大型爆炸罐内进行了纯TNT 和TNT 基炸药的内爆炸试验，发现铝粉质量分数的提高能够产生更好的后燃烧能量释放效果。Peuker 等[10] 在不同氧含量气氛的密闭环境中进行了纯RDX 炸药和RDX 基温压炸药的爆炸试验，发现早期的铝粉释能可以增强爆炸波。数值计算方面，Kim 等[11] 围绕温压炸药铝粉在密闭空间中的后燃烧过程开发了一种Eulerian-Lagrangian 计算模型，计算结果表明合理的铝粉粒径对温压炸药的能量输出效果影响十分明显。李根等[12] 建立了一种有限差分-物质点耦合算法为核心的气固两相反应流模型，对密闭空间中温压炸药的冲击波二次波峰现象、准静态压力等进行了研究。

温压炸药在坑道中的爆炸效应方面，国内有关温压炸药在坑道内爆炸特性的研究主要集中在冲击波传播规律方面[13-15]。孔霖等[16] 在直坑道内开展了相同药量的温压炸药与TNT 爆炸实验研究，结果表明温压炸药冲击波正压持续时间高于TNT。李世民等[17] 研究了RDX 基温压炸药爆炸冲击波在直径0.4 m 的圆形坑道内的传播过程，发现温压炸药爆炸近区的冲击波超压峰值低于TNT，在之后的不断传播过程中，温压炸药的峰值逐渐超过同位置TNT 的峰值，最高当量达到了1.48 倍。苟兵旺等[14] 搭建了一种由爆炸塔连接直坑道和S 形坑道的复合坑道，研究了温压炸药在直坑道和S 形坑道内的空气冲击波超压演化过程，发现坑道内温压炸药爆炸冲击波超压、比冲量整体高于TNT。耿振刚等[13]、茅靳丰等[15]根据Autodyn 中的JWL-Miller 方程，对多种尺寸坑道内不同当量的温压炸药爆炸冲击波衰减规律进行了研究，计算结果显示温压炸药的超压峰值和正压时间都大于TNT 的。

目前对温压炸药在坑道内爆炸特性的研究仍然以温压炸药的冲击波传播规律为主[13-18]，对后燃引起的热效应演化特征和耗氧能力研究较少，导致对温压炸药的理解并不十分全面；坑道结构对冲击波传播、热效应演化和爆炸气体流动均会产生显著的约束作用，关于约束作用对炸药爆炸和燃烧规律及内在机理的研究未见报道。本文中根据以上问题进行试验设计，开展不同药量温压炸药的坑道口内爆炸试验，并与TNT 炸药坑道口内爆炸试验结果进行对比，在已有研究的基础上进一步挖掘温压炸药后燃效应的特征现象和形成机理，以期对温压炸药坑道内爆炸的多种毁伤元传播及演化规律模型提供支撑。