现场混装炸药爆速测试技术改进方法探讨.pdf

第 36 卷 第 2 期 2019 年 6 月 爆 破 BLASTING Vol. 36 No. 2  Jun. 2019 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2019. 02. 019 现场混装炸药爆速测试技术改进方法探讨* 王园园 1， 2， 康 强2， 3， 伞冰冰3， 周桂松4， 李荣且5 （1. 贵州建设职业技术学院 建筑工程学院， 贵阳 551400； 2. 保利新联爆破工程集团有限公司 贵州省爆破工程技术研究中心， 贵阳 550002； 3. 河海大学 土木与交通学院， 南京 210098； 4. 中国葛洲坝集团易普力股份有限公司， 重庆 401121； 5. 中交一公局集团有限公司 第四工程有限公司， 南宁 530000） 摘 要 针对现有的国家标准仅针对孔外爆速测试， 并未对爆速测试的所有重要细节做出详细指导， 实际 的现场爆速测试存在失败率高、 数据有效性差的问题， 开展了爆速测试试验研究。总结了试验研究中暴露出 的关键细节问题， 提出了意见与解决措施。对比了孔内、 孔外炸药爆速测试数据， 结果显示孔外、 孔内爆速数 据差异明显， 可见孔内爆速不适合直接作为工程爆破设计的参考指标； 进行了多段爆速测试， 数据表明炸药 不稳定爆轰对爆速显著影响， 提出宜采用多段测试避免影响； 探讨了装药容器破片对爆速测试成功率的重要 影响及作用机理， 指出了避免破片破坏测试线路的合理的布线方法； 分析了线路固定、 电磁干扰对测试线路 可靠性的影响， 提出孔内测试应采用坚固装置固定线路及尽可能采用电磁屏蔽线减小电磁干扰。上述研究 成果有利于提高现场爆速测试试验的成功率与数据的可靠性。 关键词 现场混装炸药；炸药爆速；测试技术；现场试验；改进措施 中图分类号 TD235. 1 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2019） 02 -0126 -05 Discussion on Improvement of Detonation Velocity Testing Technology for Site Mixed Explosives WANG Yuan-yuan1， 2， KANG Qiang2， 3， SAN Bing-bing3， ZHOU Gui-song4， LI Rong-qie5 （1. School of Civil Engineering， Guizhou Polytechnic of Construction， Guiyang 551400，China； 2. Guizhou Engineering Technology Research Center for Blasting， Poly Guizhou Xinlian Blasting Engineering Group Co Ltd， Guiyang 550002，China； 3. College of Civil and Traffic Engineering， Hohai University， Nanjing 210098，China； 4. China Gezhouba Group Explosive Co Ltd， Chongqing 401121， China； 5. The Fouth Engineering Co Ltd of CCCC First Highway Engineering Co Ltd， Nanning 530000， China） Abstract Detonation velocity is one of the most commonly used parameters for explosive. The existing national standards are just applied for the detonation outside of blasting hole. More importantly，these standards do not pro- vide all necessary guidance on the explosive detonation test. To deal with problems like high failure rate and poor da- ta validity on site detonation velocity test，the detonation test research was carried out. The key defects exposed in the test were summarized，and the corresponding solutions were put forward. The detonation velocity in-hole and out- side-of-hole were obtained with obvious difference. As a result， the in-hole detonation velocity is not suitable as a ref- erence for engineering blasting design. Previous data indicates that the unstable detonation affected the detonation ve- locity a lot. The multi-segment test is given to avoid the influence of unstable detonation. The importance of the frag- mentation of charging container to the detonation velocity test were discussed. The reasonable wiring to avoid the damage of fragmentation was proposed， and the influence of the fixed line and electromagnetic interference on the 万方数据 reliability of the test line was also analyzed. The hole test should be fixed with a solid device and the electromagnetic shielding wire should be used as possibly to reduce the influence of electromagnetic interference. Key words site mixed explosive；detonation velocity；testing technology；field test；improvement 收稿日期 2019 -01 -10 作者简介 王园园 （1987 - ） ， 女， 讲师、 硕士， 从事安全工程方面的研 究与教学工作，（E-mail） 554776306 qq. com。 通讯作者 康 强 （1987 - ） ， 男， 高级工程师、 硕士， 从事岩土力学与 爆破动力学研究，（E-mail） 609991197 qq. com。 基金项目 黔科合支撑 ［2016］ 2312 （高稳定性乳胶基质研究及工程 应用） 炸药爆炸性能的主要指标包括了爆速、 爆力、 猛 度等 ［1-4］。在这些指标当中， 如爆力、 猛度都必须使 用专门制作的金属容器装置进行测试 ［2-4］， 测试成 本较高、 测试难度较大。爆速相对而言是一种最容 易获取的炸药性能指标， 不需要专门的金属容器装 置， 测试技术成熟， 测试成本低。除了相对容易获取 的优势外， 爆速与炸药爆炸压力、 猛度等性能直接相 关， 是爆轰物理学理论的主要参数 ［4］， 不单是足以 反映炸药整体性能的指标， 也是爆破效果优化必不 可少的一个核心参数。因此， 爆速成为了民爆行业 中使用最普遍的炸药性能指标。 爆速测试方法主要有电测法、 高速摄影法、 导爆 索法等 ［1-4］。电测法利用炸药爆炸在测试电路中激 发的断路信号或导通信号测速， 原理简单且测试精 度高， 专用的测试设备也并不昂贵， 因此成为了使用 最广泛的测试方法。目前， 国内民爆行业的产品爆 速测试遵循的国家标准 GB/ T 132282015 工业炸 药爆速测定方法 即采用的电测法 ［5］。 现场混装炸药是民爆行业技术进步的方向， 是 国家政策主推的先进产品。现场混装炸药可以适应 精细化爆破的需要， 在现场实时调整配方， 灵活改变 性能参数。对现场混制的炸药进行爆速实测， 根据 实测数据优化配方， 是现场混装炸药精细化应用的 首选方式。然而， 如果仅仅依据现有国家标准， 测得 的爆速实际上在测试成功率和参考价值上均难以满 足精细化爆破的要求。一方面， 国家标准是为工业 炸药标称爆速值的标准化测定而制定的， 严格限定 了测试条件， 而基于阻抗匹配等理论的爆破优化技 术需要的是炸药在工作环境下的实际爆速， 而基于 国标的爆速标称值与实测值显然存在差异 ［6］。另 一方面， 虽然国家标准给出了爆速测试材料、 主要步 骤等的细节要求， 但作为提纲挈领的规范文件， 并未 对所有方面做出详细的规定。技术人员在遵循国家 标准的前提下依然需要自行设计完善爆速测试系统 与流程。然而， 国家标准未涉及的部分中依然存在 着对爆速测试的成功率与数据可靠性有显著影响的 细节问题， 这些问题的处理对于爆速测试工作有重 要意义。 课题组在大量现场混装炸药爆速测试试验的基 础上， 总结了爆速测试的经验教训， 主要分析了现场 混装炸药爆速测试中有显著影响而国家标准未涉及 或未具体规定的一些问题， 并针对性的提出了改进 措施， 研究成果有助于提高炸药爆速测试的成功率 与数据可靠性， 为现场混装炸药的爆速实测提供技 术参考。 1 试验设计 课题组在贵州省开展了大量现场混装炸药爆速 测试的研究实践。爆速测试仪器为图 1 所示的 CA- 5 型五段爆速仪， 该仪器共有 6 个信号输入接口， 最 多可一次测得 5 个爆速数据。该设备可以采用通断 式或断通式两种测试方法， 也即检测断路信号或接 通信号测试爆速。课题组在试验中采用的是国家标 准规定的断通式， 即将漆包线作为探针插入炸药， 当 炸药爆轰进入电离态时导通测试电路产生接通信 号， 仪器记录探针间传递信号的时差， 探针距离已 知， 于是可计算得到炸药在两探针间爆速。图 2 所 示为炸药孔外测试所用装置， 试验采用了不同孔径 的 PVC 管作为炸药外部约束。除了孔外试验， 课题 组也开展了多组孔内爆速测试试验。测试材料主要 为混装乳化炸药、 混装铵油炸药， 统一采用包装乳化 炸药制作起爆药包。 图 1 CA-5 型爆速仪 Fig. 1 CA-5 detonation velocity tester 2 炸药爆速测试方法研究 2. 1 约束条件的影响 众所周知， 炸药装药的约束条件对于爆速有显著 影响。在有外壳约束的条件下， 炸药的临界直径、 极 限直径都可以显著减小。以往研究显示， 具有较大临 721第 36 卷 第 2 期 王园园， 康 强， 伞冰冰， 等 现场混装炸药爆速测试技术改进方法探讨 万方数据 界直径的铵油炸药， 如果置于钢制管中爆炸时， 临界 直径可以减小到 7 mm。理论分析认为 当炸药置于 有限厚度的薄壁容器中时， 由于炸药爆轰过程压力远 大于材料强度， 因此材料强度的影响并不大， 而是主 要受到外壳质量的影响； 当炸药的外部约束厚度远大 于爆轰作用范围的情况下时， 爆速才受到约束材料强 度的显著影响 ［4， 6］， 最典型的即岩石钻孔爆破。根据 理论与试验研究， 孔外测试与孔内测试由于约束条件 不同， 测得爆速存在差异 ［7， 8］。国家标准规定的方式 仅为孔外测试， 有必要考虑孔外孔内爆速测试数据差 异的程度， 如果这种差异较大， 毫无疑问会影响孔外 测试数据在实际使用中的参考价值。 图 2 孔外爆速测试试验 Fig. 2 Detonation velocity test outside the borehole 表 1、 图 3 所示为现场混装铵油炸药的孔外、 孔 内爆速测试数据， 装药直径均同为 90 mm。数据表 明， 在相同装药直径下， 相比孔外试验， 孔内试验的 平均爆速显著提升。炮孔与容器外壳的不同约束， 使炸药爆速有明显的差距， 这意味着孔外爆速测试 数据并不适合直接应用于工程爆破设计。 图 3 孔外、 孔内爆速比较 Fig. 3 Comparison of detonation velocity 2. 2 起爆药包、 测点位置与测点数量的影响 以往研究表明， 炸药并不是在起爆后立即就达 到稳定爆轰状态， 而是传爆一定距离后， 炸药爆轰反 应才达到稳定状态， 之后爆轰波才以恒定爆速稳定 传播。这一理论表明， 炸药装药在不同位置的爆速 不同， 因此对于炸药进行性能测试时， 需要有针对性 的进行设计， 避开不稳定爆轰区域， 确保测试数据能 够反映炸药的稳定爆轰性能。 表 1 混装铵油炸药爆速测试数据 （90 mm 装药直径） Table 1 Detonation velocity data of ANFO（90 mm charge diameter） 编号类型平均爆速/ （ms -1） 01孔内4190. 8 02孔内3828. 7 03孔内4021. 4 04孔内3809. 5 05孔内3963. 4 06孔外3503. 3 07孔外3458. 4 08孔外3147. 0 09孔外3301. 0 10孔外3436. 4 表 2、 图 4 所示为不同柴油配比、 不同装药直径 混装炸药爆速测试中得到的不同测点的爆速数据， 其中测点 1 最靠近起爆点， 距离为 30 cm。显然， 图 4 中临近起爆药包的测点测得爆速值是小于较远测 点的。由于在起爆点近距离的一段范围内炸药爆轰 尚未达到稳定状态， 因此靠近起爆点的测点爆速不 能作为稳定爆轰的爆速数据。为了避免这种问题， 显然有必要采用较长的装药长度进行测试， 从而保 证炸药测试中可以达到稳定爆轰状态。同时， 可以 看到测点 2 至测点 5 的数据的差异， 这意味着设置 多测点测试更为适宜。多测点爆速测试可以通过数 据对比排查无效值， 多数据求均值可得到更为准确 可靠的炸药爆速值。 表 2 混装铵油炸药多测点爆速数据 Table 2 ANFO detonation velocity data of multiple measuring points 序号柴油配比/ ％装药直径/ mm测点 1测点 2测点 3测点 4测点 5 16. 0903095. 23409. 13432. 53405. 53455. 8 25. 0903232. 83432. 53456. 23473. 23416. 6 34. 5903099. 23167. 93322. 33371. 03432. 2 44. 51003108. 83340. 73401. 83397. 33401. 4 54. 01003225. 83282. 83311. 23303. 93333. 3 除了合理设计装药长度与测点位置外， 还应注 意起爆药包的统一设计。起爆药包影响炸药爆速达 到稳定爆轰的过程， 起爆威力越大， 炸药的爆炸初速 越高， 达到稳定爆轰的时间也越短， 因此显然对爆速 821爆 破 2019 年 6 月 万方数据 测试数据存在影响。 GB/ T 132282015 工业炸药 爆速测定方法 中对起爆药包有具体规定， 技术人 员在现场混装装药实测孔外爆速时应参照国家标准 设计起爆药包， 并采用同厂同批次炸药制作。 图 4 爆速随测点变化规律 Fig. 4 Detonation velocity changes with measuring points 2. 3 导线布置形式的影响 导线布置形式的影响是一个简单然而重要的细 节问题。研究组早期的爆速测试试验的成功率很 低， 在最初的十余次试验中尽管采用了五段测试， 但 是大部分测试却未能取得数据， 或者取得的数据明 显无效， 试验的总体成功率极低。经过分析， 发现问 题主要在于未对导线的布置形式进行控制。 在孔外爆速测试试验中， 使用的 PVC 管在炸药 爆炸高压作用下产生高速破片飞散， 破片可能提前 破坏导线。军事工业中测得的炮弹金属破片初速通 常为 600 2000 m/ s ［9］。试验采用的塑料外壳在圆 柱形装药爆破作用下的破片初速度可以采用经典理 论 Gurney 公式计算 ［9， 10］。 v ＝2 槡E ms me ＋ 1 2 -1/2 式中 2 槡E为炸药 Gurney 常数， 2槡E ＝ 0. 52 ＋ 0. 28D， D 为炸药爆速， mm/ μs； ms/ me为外壳与炸药 质量之比。 依据现场试验情况， 可取混装铵油炸药爆速 D ＝3. 5 mm/ μs， 110 mm 外径 PVC 管每米质量 ms＝ 2. 95 kg， 装填铵油炸药质量按密度 850 kg/ m3取 me＝5. 4 kg， 计算得到破片平均初速为 1466. 5 m/ s。 由于 Gurney 公式计算的是破片整体的理论均速， 而 实际上的破片初速是有较大差异的， 部分破片速度 可以超过 2000 m/ s。破片的速度与破片至导线的 距离决定了破片是否可能在爆轰波抵达测点前破坏 导线。 图 5 展示了影响爆速测试成功率的两种导线布 置形式。导线为 B 型布置时， 导线靠近先爆区域， 先爆区域中飞散破片与导线的距离小于爆轰波至测 点距离， 因此即使破片速度小于爆轰波也依然可能 在爆轰波抵达测点前便切断导线， 导致试验失败。 A 型布置的导线远离先爆区域， 破片至导线距离一 定大于爆轰波至测点距离， 初速小于爆轰波的破片 不可能提前于爆轰波破坏导线， 因而可以确保测试 系统发挥作用。 图 5 导线布置方向的影响 Fig. 5 Effects of wire arrangement 课题组在早期试验中由于未认识到导线布置问 题的影响， 试验中随意布置的导线常呈现为图 5 中 的 B 型布置方式， 于是导致了极高的失败率。在分 析出该问题后， 试验中严格采用 A 型导线布置形 式， 爆速测试试验的成功率极大提升， 有效数据由不 足 20％提升至 85％以上。 2. 4 线路可靠性 在进行孔内爆速测试试验时， 需要制作装置固 定导线与探针， 然后将连接好线路的装置放入炮孔 内。由于装药过程中倾倒炸药、 填塞捣实等作业的 影响， 如果线路的连接不牢固、 线路固定装置不够坚 固， 将很容易出现导线松脱、 装置弯折等问题， 导致 数据无效甚至试验失败。课题组的孔内测试试验的 成功率因此受到较大影响， 有效数据不足 50％， 远 小于孔外测试成功率。因此， 在孔内爆速测试时应 采用坚固材料固定孔内测试线路， 并采用可靠的方 式牢固连接导线， 使用导线的质量也应充分保证。 多段爆速测试的导线较多且接近， 信号容易受 到电磁干扰的影响 ［11］。为了减弱电磁干扰， 试验时 导线间应保持距离， 尽量避免交叉。在可能的情况 下， 尽可能多的采用电磁屏蔽线作为测试导线。孔 内爆速测试由于孔内空间狭小， 导线十分接近， 电磁 干扰更为严重， 应当尽可能在孔内使用屏蔽线。 3 结论 在总结现场混装炸药爆速实测试验经验教训的基 础上， 对爆速测试技术提出了多项建议与改进措施 （1） 炸药爆速受到约束的显著影响， 孔外、 孔内 爆速测试数据有显著差异。 （2） 为了避免炸药起爆药包差异及起爆后不稳 定爆轰数据的影响， 炸药爆速测试应保证以统一参数 制作起爆药包， 足够长的装药， 并获取多段测试数据。 （3） 分析了爆速测试时导线布置方式、 线路连接、 电磁干扰等细节问题的影响， 并提出了针对性的措施。 （4） 相比孔内爆速测试， 孔外测试的成功率、 数 921第 36 卷 第 2 期 王园园， 康 强， 伞冰冰， 等 现场混装炸药爆速测试技术改进方法探讨 万方数据 据可靠性较低， 试验难度更大， 但孔内爆速数据对于 工程爆破设计施工的参考价值更高。 参考文献 （References） ［1］ 王玉杰， 梁开水. 爆破工程 ［M］ . 武汉 武汉理工大学 出版社， 2018 34-44. ［2］ 吕春绪. 工业炸药理论 ［M］ . 北京 兵器工业出版社， 2003 25-37. ［3］ 陆 明. 工业炸药配方设计 ［M］ . 北京 北京理工大学 出版社， 2002 115-130. ［4］ 张宝坪. 爆轰物理学 ［M］ . 北京 兵器工业出版社， 2006 170-193. ［5］ 中华人民共和国国家标准. 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