乳化炸药的临界爆轰直径的实验研究.pdf

第3 2 卷第3 期 爆破 V 。1 ．3 2N o 3 2 0 1 5 年9 月B L A S T I N GS e p ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 3 ．0 2 8 乳化炸药的临界爆轰直径的实验研究冰 胡建华1 ，高宏伟1 ，张 立2 1 ．中南大学资源与安全工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．安徽理工大学化学工程学院，淮南2 3 2 0 0 1 摘要乳化炸药的临界爆轰直径是确定合理装药直径的重要参数，对乳化炸药的安全高效使用具有重要 的意义，是防止乳化炸药拒爆和提高其爆轰威力的重要控制参数。采用模型实验的方法，设计了楔形槽和聚 乙烯圆管模具并观察乳化炸药爆炸效果，实验分析确定乳化炸药的临界爆轰厚度，简单方便且直观地测定了 临界爆轰直径。研究结果表明通过实验观测爆轰终止点，确定了实验用乳化炸药的临界爆轰装药厚度为 6m m ；采用1 3m m 、1 6m m 、2 1m m 这三种直径圆管装药的验证实验表明三种直径的药管中的炸药均发生爆 轰，但均未达到理想爆轰；无管壳装药爆轰的验证实验中7m m 直径圆管中未发生爆轰，而1 0m m 直径中发 生了爆轰；楔形槽和验证实验综合分析判断在实验所用的乳化炸药临界爆轰直径为7 ～1 0m m 。 关键词乳化炸药；临界爆轰直径；临界爆轰厚度；楔形槽；爆速 中图分类号0 3 8 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 3 0 1 5 6 ～0 6 E x p e r i m e n t a lo fC r i t i c a lD e t o n a t i o nD i a m e t e ro fE m u l s i o nE x p l o s i v e H UJ i a n h u a l ，G A OH o n g ．w e i l ，Z H A N GL i 2 1 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ， H u a i n a n2 3 2 0 01 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec r i t i c a ld e t o n a t i o nd i a m e t e ro fe m u l s i o ne x p l o s i v ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e r ．T h er e a s o n a b l e c h a r g ed i a m e t e rc o u l db ed e t e r m i n e db yt h ec r i t i c a ld e t o n a t i o nd i a m e t e r ，w h i c hh a dv i t a ls i g n i f i c a n c ef o rt h es a f e t y u s eo fe m u l s i o ne x p l o s i v ea n da v o i d i n gm i s f i r ea n di m p r o v i n gt h ed e t o n a t i o np o w e ro ft h ee x p l o s i v e ．T h ec r i t i c a ld e t o - n a t i o nd i a m e t e rc o u l db ed e t e r m i n e ds i m p l ya n di n t u i t i v e l yb ya d o p t i n gt h em o d e le x p e r i m e n ta n dw e d g es h a p e d g r o o v e sa n dp o l y e t h y l e n ep i p e s ，t h ee m u l s i o ne p l o s i o ne f f e c ta n dt h ec r i t i c a ld e t o n a t i o nt h i c k n e s sw a so b s e r v e da n d d i s c u s s e d ．T h er e s u l t ss h o w e dt h at h ec r i t i c a ld e t o n a t i o nt h i c k n e s so fe m u l s i o ne x p l o s i v ew a s6m m ．T h r e ed i f f e r e n t p i p e sw i t hd i a m e t e ri n1 3m m ，1 6m ma n d2 1m l Y lw e r ev e r i f i e d ，a l lw h i c hw e r ed e t o n a t e db u tn o n eo ft h e mw a su pt o i d e a ld e t o n a t i o n ．R e s u l ts h o wt h a td e t o n a t i o nh a p p e n e di n1 0m md i a m e t e rp i p e ，w h i l en od e t o n a t i o ni n1 0m mp i p e ． B a s e do nw e d g es h a p e dg r o o v ea n dv e r i f i c a t i o ne x p e r i m e n t sc o m p r e h e n s i v e l y ，t h ec r i t i c a ld e t o n a t i o no fe m u l s i o ne x - p l o s i v ew a sv e f i f i e d e da s7 ～1 0m m ． K e yw o r d s e m u l s i o ne x p l o s i v e ；c r i t i c a ld e t o n a t i o nd i a m e t e r ；c r i t i c a ld e t o n a t i o nt h i c k n e s s ；w e d g es h a p e d g r o o v e s ；d e t o n a t i o nv e l o c i t y 近年来乳化炸药已经在国内获得广泛应用，是一 收稿日期2 0 1 5 0 6 1 4 作者简介胡建华 1 9 7 5 一 ，男，博士、副教授，主要从事高效安全采 矿技术与岩土工程稳定性的研究， E ．m a i l h u j h 2 1 1 2 6 ． c o mo 基金项目国家十二五科技支撑计划 N o ，2 0 1 3 B A B 0 2 8 0 5 种含水新型工业炸药，泛指一类用乳化技术制备的使 氧化剂盐类水溶液的微滴，均匀分散在含有分散气泡 或空心玻璃微珠等多孔物质的油相连续介质中，形成 一种油包水型 w ／o 的乳胶状含水工业炸药‘1 | 。乳 化炸药的优点在于密度高、爆速大、猛度高、抗水性能 万方数据 第3 2 卷第3 期 胡建华，高宏伟，张立乳化炸药的临界爆轰直径的实验研究 1 5 7 好、临界直径小、起爆感度好，小直径情况下具有雷管 敏感度，密度一般在0 ．9 5 ～1 ．3 0g ／c m 3 。影响其爆轰 性能的主要参数之一是临界爆轰直径。临界爆轰直 径是炸药稳定爆轰的最小装药直径，也是确定炸药 合理装药直径时应该考虑的重要参数和依据，既可 防止炸药拒爆，又可提高其爆轰威力及炸药的利用 效率，使炸药的使用更加安全、高效、经济。汪旭光 院士按照不同系列分别给出了乳化炸药的临界爆轰 直径，但是给出的参数仅能代表当时所使用的配方 及工艺条件生产的乳化炸药的临界爆轰直径的数 值旧J 。在不同的配方和不同的工艺条件及装药密 度下，该数值均是不同的。P l a s t i n i n 和Y u n o s h e v 等 通过实验研究了套管对于低爆速乳化炸药临界爆轰 直径的影响∞’4J ，得到了金属套管的临界直径只有 薄壁聚乙烯管的1 ／7 ；陈成光等分别用圆形和方形 爆轰管，通过改变惰性气体的比例和圆锥管道的锥 角对气态系统的爆轰临界直径进行实验研究，得到 不同稀释浓度管中爆轰波熄灭的临界直径“ 1 ；于国 强和刘玉存耦合了灰关联分析和神经网络方法，对 炸药临界直径的影响因素进行模型分析，并对 R D X 、P A 、T N T 三种炸药的临界直径进行了预 测∞川；冯志红通过软件分别对炸药的楔形装药和 圆柱形装药的临界直径进行了数值模拟旧1 ；高玉杰 通过对不同直径的乳化炸药和改性铵油炸药药卷进 行爆速测试得出装药直径与爆速呈正相关，且装药 直径接近于临界直径时会出现拒爆现象归o ；赵海霞 和张玉磊也分别通过实验研究了不同装药条件下的 装药直径与爆速以及约束条件的相互影响关 玄[ 1 0 ，1 1 ] ／q 、O 随着工业炸药配方和生产工艺的不断调整和完 善，临界爆轰直径也随之改变。然而，合理确定乳化 炸药的临界爆轰直径却缺乏简单直观且比较通用的 研究方法。采用楔形槽和聚乙烯圆管模具进行装 药，观察乳化炸药爆炸效果，实验分析确定乳化炸药 的临界爆轰直径，尝试一种新的实验方法。 1 实验机理 乳化炸药临界爆轰直径的传统测定方法是通过 对不同装药直径的乳化炸药药卷进行爆破实验，观 察其爆破效果，若装药直径接近临界直径，会出现拒 爆现象。然而此方法分组太多，过于繁琐，而且炸药 的临界直径有很多影响因素，使得此方法的不足之 处更加明显。 通过使用楔形槽装药结构厚度的连续性变化， 见图1 。利用不同装药厚度发生爆炸的差异性，特 别是装药厚度小于炸药的临界厚度时，爆轰波终止 传播的特点，利用模具底板的铝板的爆轰波传播轨 迹以及爆轰终止情况，识别临界爆轰装药厚度值；开 展临界爆轰直径的验证实验，利用识别的临界爆轰 厚度设置验证实验的装药直径，减少试验的数量和 范围，并通过观察乳化炸药的爆破效果，判别临界爆 轰直径区间与范围。 熬 弋曩黟’～ i ●_ i 鞫■●嘲一 图1 楔形槽模具 F i g ．1W e d g eg r o o v em o l d 当装药厚度小于炸药的临界厚度时，爆轰波终 止传播。乳化炸药爆炸后，可以从模具底部的铝板 上很直观的观察到其爆轰波的传播轨迹以及爆轰终 止情况，因而可以据此得到乳化炸药的临界爆轰厚 度。这个厚度相当于乳化炸药药卷的临界爆轰直 径，数值上也非常相近。建立临界爆轰装药厚度参 数进行验证实验，确定乳化炸药的临界爆轰直径区 间与范围。 2 实验设计 2 ．1 实验器材 采用楔形槽模具进行乳化炸药爆轰实验，使用 的器材主要包括楔形槽模具 六个 、同一批次规 格工艺完全相同的乳化炸药、8 号雷管、电子秤 精 度为0 ．0 lg 、钢锯以及直尺等。验证实验使用的器 材主要包括测速仪、内径为1 3h i m 、1 6m l n 、2 1m m 的聚乙烯圆管、内径为7m l n 的透明塑料圆管、乳化 炸药、8 号雷管、直尺等。 楔形槽模具共有六组，分四种式样，按起爆方式 的不同分轴向起爆和侧向起爆，每种方式又因模具 外部结构区别分为两种式样，模具使用的材料及规 格完全相同，以图2 方式命名以示区分。模具底板 的铝板规格为1 5 0m mx 5 0m m 长X 宽 ，四周使用 的有机玻璃的规格有两种，分别为1 5 0m mx4 0m m 底x 高 的三角板和5 0m mx 4 0m m 长X 宽 的矩 形板。为提高实验可信度，所有实验均是在无约束 或约束很弱的情况下进行。 万方数据 1 5 8爆破2 0 1 5 年9 月 a 轴向1 号和2 号 a A x i a lN o ．1a n dN o ．2 b 侧向1 号和2 号 b L a t e r a lN o ．1a n dN o ．2 e 轴向3 号 e A x i a lN o ．3 图2 几种式样的楔形槽模具 F i g ．2 S e v e r a ls t y l e so fw e d g eg r o o v em d d s 2 ．2 实验流程与数据 1 刻度标定。为了分析需要和准确记录实验 数据，在楔形槽模具装入乳化炸药之前，对其底部铝 板从模具插入雷管一侧开始，按1 0m i n 的间距进行 均匀标记，并测出每个标记所对应的装药高度，实验 记录数据见表1 。 表1 铝板刻度对应的装药高度 T a b l e1T h ec o r r e s p o n d i n gl o a d i n gh e i g h t o fa l u m i n u mp l a t ec a l i b r a t i o n 2 装药与称重。模具装药前后均要进行称 重，见表2 。注意乳化炸药要均匀装入，不可留空 隙，保持模具中的炸药与原炸药的密度相同。 3 起爆方式与爆破。待乳化炸药装填完毕后， 将电雷管从模具的有机玻璃板上的圆孔插入，由图 2 可知，轴向1 、2 、3 号的雷管是从模具后面插入，且 插入的总深度为1 5m m ；而侧向1 、2 、3 号的雷管是 d 侧向3 号 d L a t e r a lN o ．3 从侧面插入，总深度为3 3m m 。待准备工作做好后， 对楔形槽模具进行逐个爆破。 4 爆破效果检测。爆破后收集铝板残渣，并 观察爆轰情况，见图3 。 5 实验验证。获取乳化炸药的临界爆轰装药 厚度后，以临界爆轰厚度参数为基准，进行爆轰直径 的验证实验，分析确定临界爆轰直径的区间与范围。 3 结果分析 3 ．1 实验结果 通过观察铝板残渣上的爆轰波的传播轨迹，识别 爆轰终止点所对应标记的刻度数值，得出对应的装药 厚度见表2 ，综合六组实验的爆轰终止点的装药厚 度，分析得出实验所选择的乳化炸药的临界厚度的近 似数值。从表2 中数据得出，轴向1 、2 、3 号与侧向1 、 2 、3 号楔形槽爆轰实验得出的爆轰终止处的装药厚 度分别为4 ．2m l n 、4 ．7m i n 、6 ．7m i n 、4 ．6m i n 、4 ．9m m 、 6 ．5m ／n 。 3 ．2 影响因素分析 1 起爆方式影响。由实验数据可以看出，相同 模具下的侧向和轴向起爆方式，其发生爆轰的装药厚 度值接近，说明起爆方式对其影响不显著。对轴向 1 、2 号和侧向1 、2 号实验结果，取平均值得到爆轰条 件下的装药厚度，分别为4 ．4 5m n l 和4 ．7 5m l n 。 表2 每组楔形槽的装药量以及爆轰终止处的装药高度 T a b l e2 C h a r g e o fe a c hw e d g eg r o o v ea n dd e t o n a t i o nm e d i c i n eh e i g h ta tt h et e r m i n a t i o n 万方数据 第3 2 卷第3 期 胡建华，高宏伟，张立乳化炸药的临界爆轰直径的实验研究 1 5 9 a 轴向1 号 a l A x i a l N O ． b 轴向2 号 b l A x i a lN O2 t 轴向3 号 r iA x i a lN n ．3 l a 脚1 pJ1 l l ，川l ㈣二I }l 叫删州j j a L a t e r a lN o ．1 b L a t e r a lN o ．2 c L a t e r a lN o ．3 图3 六组实验的铝板残渣 F i g ．3 A l u m i n u mr e s i d u eo fs i xe x p e r i m e n t s 2 模具尺寸影响。轴向3 号和侧向3 号楔形槽 模具的边墙是由两个有机玻璃三角板相交布置组成 的，交点为模具底板宽度的中点，模具内的装药截面为 矩形。在爆轰终止处对应的装药截面中，两个模具的 装药宽度测量计算得分别为6 ．0 4m ms e n 5 ．9 8m m ，均小 于各自对应的装药厚度。试验研究表明结构上尺寸小 的更加接近于炸药的临界爆轰厚度，对轴向3 号和侧 向3 号数据修正分别取6 ．0 4m l n 和5 ．9 8m m 。 3 模具断面效应。轴向1 、2 号与侧向l 、2 号楔 形槽模具边墙平行布置，装药截面为矩形，爆轰终止处 装药截面的宽度远远大于高度，装药截面的宽度达到 5 0m m ，导致乳化炸药的爆轰波传播到装药厚度小于临 界厚度时，装药截面的宽度仍能支持其继续向前传播 一段距离，导致测得的临界厚度小于实际数值。 以上分析认为轴向3 号与侧向3 号楔形槽爆破 实验得出的数据更加接近乳化炸药的临界爆轰厚 度，即采用边墙相交布置的楔形槽进行爆破实验，得 出的爆轰终止处的装药厚度更加合理，建议实验选 择的乳化炸药的临界爆轰厚度取值6m m 。 3 ．3 验证实验1 为合理判断临界爆轰装药厚度与临界爆轰直径 的关系，采用聚乙烯圆管实验验证爆轰直径与装药 厚度的关联度。首先采用内径为1 3m m 、1 6m m 、 2 1i n t o 的聚乙烯圆管装入相同的乳化炸药进行实 验，实验分别采用2 组、2 组和l 组，按照内径大小 编为1 、2 、3 、4 、5 号，圆管的长度均取1 5 0m m 。1 、2 、 3 、4 号圆管均设置1 、2 、3 号测点的探针，5 号圆管设 置1 、2 号测点探针，见图4 。每组实验的1 号测点 布置在距雷管插入端管口2 0m m 加二倍内径处，各 测点间距见表3 。 I a J1 3 m Ⅱl I 勺径圆管l b j1 6 m u I 内径圆管～。．J 二l “儿n 内径圆崔’ a T h ep i p eo f13m md i a m e t e r b T h ep i p eo f16m md i a m e t e r c T h ep i p eo f21m md i a m e t e r 图4 三种内径的聚乙烯圆管模具 F i g ．4 T h r e ek i n d so fi n n e rd i a m e t e r s ’p o l y e t h y l e n ep i p em o l d s 万方数据 爆破 2 0 1 5 年9 月 爆炸实验过程中，利用测速仪和测点探针对炸的爆轰情况特征值‘1 2 ，1 3 1 ，见表3 。 药的爆速进行连续测定，得出五组实验的乳化炸药 表3 各圆管的爆轰情况及各点间爆速 T a b l e3E a c hp i p e ’sd e t o n a t i o ns i t u a t i o na n dd e t o n a t i o nv e l o c i t yb e t w e e ne a c hp o i n t 注。表示无此项 由表中测得的数据可以看出，五组圆管均能正 常爆轰，除了2 号圆管出现爆速3 9 3 7m ／s 异常之 外，其余圆管的爆速均分布在4 4 5 0 ～4 7 0 0m ／s 的区 间内，特别1 、3 、4 组实验，其1 _ 2 点间的爆速与2 3 问的爆速差均不大于1 5 0m ／s 。试验认为每组圆管 爆轰实验的爆轰过程速度稳定，即为稳定爆轰。对 比实验选用的乳化炸药药卷的爆速标准值5 5 0 0m ／s ， 说明实验中的五组圆管均未达到理想爆轰，这与学 者I s h i iK H 4 1 的研究结果相符，但均能够稳定爆轰， 表明其装药直径大于临界爆轰直径。 2 组实验异常分析2 组实验虽然出现了异常爆 速，但是爆轰波没有中断，且在传播过程中爆速逐步 增大，向着正常爆速发展，说明其也是稳定爆轰。前 端的异常爆速，可能原因是装药过程中操作不当，实 验装药不实或者空隙，导致装药密度过低产生。 3 ．4 验证实验2 聚乙烯圆管实验表明实验选用的乳化炸药的 临界爆轰直径小于1 3m m 。为了进一步验证楔形槽 模具实验得出的临界爆轰厚度与临界直径的关系， 并得出一个较合理的乳化炸药的临界直径的范围， 再设计2 组验证实验，分别为直径约为7m m 的透 明塑料圆管爆轰实验以及直径为1 0m m 的无管壳 爆轰实验，如图5 所示。 a j7n l l l l 实验前 b l7I I H I I 实验后 ㈩1 0I l l m 实验前 a B e f o r e t h e e x p e r i m e n to f 7 m m b A f t e r t h ee x p e r i m e n t o f 7 m m c B e f o r e t h ee x p e r i m e n t o f l o m m 图57 m m 和1 0 m m 爆轰实验图 F i g ．5 T h ed e t o n a t i o ne x p e r i m e n tf i g u r e so f7 m ma n dl O m m 直径为7m m 的透明塑料圆管爆轰实验后，导 爆管完好无损，说明圆管里的乳化炸药未发生爆轰 或者爆轰提前终止，认为乳化炸药的临界爆轰直径 大于7m m 。而直径为1 0m m 的无管壳装药爆轰实 验后，药柱发生爆轰，说明乳化炸药的临界爆轰直径 小于1 0m m ，见图5 。 综上实验结论，可知验证实验选用乳化炸药的 临界爆轰直径范围为7 1 0m m ，与楔形槽获得临界 爆轰厚度6m m 一致，该乳化炸药合理的临界爆轰 直径为7 1 0m m 。在实际应用中，可先通过楔形槽 模具实验测得炸药的临界爆轰厚度，再取与此参数 相近的几组数值作为装药直径进行爆轰实验，即可 得出其临界爆轰直径。 4 结论 实验选用的乳化炸药，经过楔形槽模具爆轰实 万方数据 第3 2 卷第3 期 胡建华，高宏伟，张立乳化炸药的临界爆轰直径的实验研究 1 6 1 验以及后续验证实验，认为将乳化炸药的临界爆轰 厚度作为测量其临界爆轰直径的重要参数和依据具 有一定的合理性，采用楔形槽模具实验加验证实验 的方法虽然存在一定的不足和实验误差，但总体来 说，还是能简单方便且直观的测出炸药的临界爆轰 直径，且适用性比较强。 1 楔形槽模具实验测得的乳化炸药的临界爆 轰厚度为6m m ，圆管验证实验的临界爆轰直径范围 为7 ～1 0m l T l ，二者数值接近。可以将临界爆轰厚度 作为测量临界直径下值的依据，通过取与临界厚度 相近的数值作为装药直径进行爆轰实验就可很快得 到临界直径。 2 楔形槽模具爆轰实验的影响因素主要有起 爆方式、模具尺寸和断面效应，分析认为起爆方式的 不同对实验结果的影响很小；主要影响因素为模具 尺寸和断面效应，当楔形槽模具底板的宽度与炸药 的临界直径相比很大时，采用模具边墙相交布置，装 药断面高度和宽度数值接近，得出的实验结果更加 准确合理。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] 致谢感谢安徽理工大学对实验的鼎力支持。 参考文献 R e f e r e n c e s 黄文尧，颜事龙．炸药化学与制造[ M ] ．北京冶金工 业出版社，2 0 0 9 1 6 9 1 7 6 ． H U A N GW e n - y a o ，Y A NS h i - l o n g ．E x p l o s i v e sc h e m i s t r y a n dp r o d u c t i o n [ M ] ．B e i j i n g M e t a l l u r g i c a lI n d u s t r y P r e s s ，2 0 0 9 1 6 9 ．1 7 6 ． i nC h i n e s e 汪旭光．乳化炸药[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 8 5 0 5 - 5 0 6 ． P L A S T I N I NAV ，B O R D Z I L O V S K I ISM ，S I L 7V E S T R O V VV ．C r i t i c a ld e t o n a t i o nd i a m e t e ro fal o wv e l o c i t ye m u l s i o ne x p l o s i v e [ J ] ．C o m b u s t i o nE x p l o s i o na n d S h o c k W a v e s ，2 0 1 0 ，4 6 6 7 0 8 - 7 1 1 ． Y U N O S H E VAS ，P L A S T I N I NAV ，S I L ’V E S T R O VVV ． E f f e c to fd e n s i t yo fa ne m u l s i o ne x p l o s i v eo nt h er e a c t i o n z o n ew i d t h [ J ] ．C o m b u s t i o n ，E x p l o s i o n ，a n dS h o c kW a v e s ， 2 0 1 2 ，4 8 3 3 1 9 - 3 2 7 ． 陈成光，陈志坚，吴宝国．气相爆轰波临界直径的实验 研究[ J ] ．爆炸与冲击，1 9 9 0 ，1 0 4 3 0 2 - 3 0 8 ． C H E NC h e n g - g u a n g ，C H E NZ h i - j i a n ，W UB a o g u o ．E x p 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i t yo fi n d u s t r i a l e x p l o s i v eu s i n gc o n t i n u o u sd e t o n a t i o nv e l o c i t ym e t h o d [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a l o fE n e r g e t i cM a t e r i a l s ，2 0 0 9 ，1 7 4 4 6 7 - 4 6 9 ． i nC h i n e s e I S H I IK ，M O N W A RM ．D e t o n a t i o np r o p a g a t i o nw i t hv e l o c i t yd e f i c i t si nn a r r o wc h a n n e l s [ J ] ．P r o c e e d i n g so ft h e C o m b u s t i o nI n s t i t u t e ，2 0 1 1 ，3 2 2 3 5 9 - 2 3 6 6 ． 万方数据