乳化炸药动压减敏装置的优化设计和试验研究 .pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2015. 05. 007 乳化炸药动压减敏装置的优化设计和试验研究 ❋ 程扬帆① 颜事龙① 汪 泉① 郭子如① 沈兆武② ①安徽理工大学化学工程学院安徽淮南,232001 ②中国科学技术大学工程科学学院安徽合肥,230027 [摘 要] 针对传统动压减敏装置在乳化炸药动压减敏研究中存在的不足,对传统动压减敏装置进行了优化设 计。 本文详细介绍了改进后动压减敏装置的结构、功能以及试验方法,并利用该装置研究了玻璃微球型和 NaNO2 型乳化炸药的抗动压减敏性能,从而对其功能进行了验证。 结果表明改进后的乳化炸药动压减敏装置能够很好地 满足延迟爆破模拟试验的要求,可为后续乳化炸药动压减敏的深入研究提供参考。 [关键词] 压力减敏;敏化剂;乳化炸药;延迟爆破;水下爆炸 [分类号] TD235. 2 +1;O389 引言 工程爆破中延期起爆技术是常用的手段,具有 爆破质量好、地震效应小、爆破规模大等优点。 但延 期爆破会造成先起爆乳化炸药产生的冲击波对尚未 起爆炸药的动态荷载问题,使其敏化效果遭到破坏, 从而导致后爆乳化炸药的爆炸性能下降[1]。 这种 现象发生在煤矿井下时,会造成盲炮、药卷爆燃以及 瓦斯、煤尘爆炸等事故[2]。 乳化炸药的这种动压减 敏现象,已受到国内外炸药领域专家学者的广泛关 注[3 ̄9]。 Khasainov 等 [3 ̄4]研究了玻璃微球的粒径对 乳化炸药冲击波感度的影响。 美国学者 Wietand[5] 通过设计一个能炸毁的喷管装置,研究了许用炸药 对于动压钝化的相对感度。 Nie[6]分别研究了玻璃 微球敏化乳化炸药和化学敏化乳化炸药的抗动压减 敏特性,并进行了比较。 国内颜事龙等[2]研究了动 态压力对乳化炸药分散相粒径变化和减敏效应的影 响。 王尹军等[7]研究了乳化炸药密度对其压力减 敏的影响。 吴红波等[8]研究了动压作用下乳化剂 含量对乳化炸药破乳程度的影响。 如何在试验室条件下合理设计延期爆破的模拟 试验,对研究乳化炸药的动压力减敏研究至关重要。 前人开创性的工作为乳化炸药动压减敏的研究提供 了大量的理论和试验指导,但是随着研究的深入,传 统乳化炸药动压减敏装置已不能很好地满足现有试 验的要求。 本文对乳化炸药的动压减敏装置进行了优化设 计,并且利用水下爆炸试验对其功能进行了验证。 1 传统模拟试验装置 1. 1 试验方法与原理 通过调研国内外有关乳化炸药动压减敏的文献 发现,乳化炸药动压减敏试验主要使用水下爆炸 法[7 ̄9],该方法将引爆的主发药作为动压发生器,水 作为传压介质。 传统动压减敏装置如图 1 所示,通过引爆主发 药压装 RDX 在水中形成冲击波,对单个乳化炸药样 品进行动压加载,从而模拟延迟爆破中乳化炸药的 动压减敏现象;然后,利用水下爆炸试验测试受压乳 化炸药的爆轰性能,并与未受压乳化炸药的爆轰性 能进行比较,得到动压加载对乳化炸药爆轰性能的 影响程度。 1 - 水平面;2 - 支架;3 - 钢丝; 4 - 导爆管;5 - 乳化炸药;6 - 雷管;7 - 压装 RDX 图 1 传统的冲击波动压减敏试验原理图 Fig. 1 Schematic diagram of traditional dynamic pressure desensitization experiment 722015 年 10 月 乳化炸药动压减敏装置的优化设计和试验研究 程扬帆,等 ❋ 收稿日期2015 ̄04 ̄09 基金项目国家自然科学基金项目1150211,51374189;安徽省高校自然科学研究重点项目KJ2015A074 作者简介程扬帆1987 ,男,博士,讲师,主要从事含能材料的试验和数值模拟研究。 E ̄mailcyf518@ mail. ustc. edu. cn 1. 2 不足之处 传统动压减敏装置使乳化炸药动压减敏的研究 在试验室小药量情况下得以实现,并且操作简单,为 前期动压减敏的研究作出了重要贡献。 但是随着研 究的深入,传统动压减敏装置也开始表现出了一些 不足。 该装置在实际操作中,无法保证主发药和乳化 炸药样品处于同一水平线上正向受压,并且一个 主发药每次试验只能得到一个受压乳化炸药的样 品,不仅增加了试验成本,而且不能保证受压乳化炸 药在横向比较相同受压距离的不同配方乳化炸 药和纵向比较不同受压距离的相同配方乳化炸 药时试验条件的均一性,从而导致试验的误差较 大。 因此,有必要对该装置进行一些优化设计。 2 模拟试验装置的优化设计 2. 1 装置介绍 该装置的主体结构为矩形钢架,主发药包动 压源被固定在矩形钢架的中心,在主发药的两边 将乳化炸药样品分别用钢丝不同距离地绑在矩形钢 架上距离可调,并使乳化炸药样品和主发药的中 心处于同一水平线上,如图 2 所示;然后将该装置完 全浸没在水中,通过引爆主发药在水中形成冲击波, 对不同距离的乳化炸药样品进行不同强度的动压加 载,从而模拟延迟爆破中乳化炸药的动压减敏现象。 图 2 改进后的冲击波动压减敏装置 Fig. 2 Improved device for dynamic pressure desensitization 2. 2 改进之处与功能简介 改进后的冲击波动压减敏装置,一个主发药可 以同时获得多个受压的乳化炸药样品,不仅节约了 因主发药而产生的试验成本,而且加快了试验进度, 同时保证了试验条件的均一性,减小了试验误差;通 过调整乳化炸药样品和主发药的距离,可以研究乳 化炸药抗动压减敏性能与受压强度的关系及规律 纵向比较;通过改变主发药两边乳化炸药的配 方,可以研究在相同冲击强度下不同配方的乳化炸 药抗动压减敏性能横向比较。 3 动压减敏模拟试验 为了验证改进后冲击波动压减敏装置的性能, 利用该装置图 3对常用的两种乳化炸药的抗动压 减敏性能进行了研究。 1 - 水平面;2 - 支架;3 - 钢丝;4 - 导爆管;5 - 乳化炸药; 6 - 雷管;7 - 压装 RDX;8 - 钢丝;9 - 钢架 图 3 改进后的冲击波动压减敏试验原理图 Fig. 3 Schematic diagram of improved dynamic pressure desensitization experiment 3. 1 炸药配方与防水处理 该装置中的主发药由 RDX 和石蜡按质量比 100︰5 压装而成,密度为 1. 65 g/ cm3,质量为 10 g; 乳化炸药的配方见表 1。 首先将试验中所使用的主 发药和乳化炸药套上聚乙烯塑料袋,然后用防水胶 布缠紧,封口处涂上凡士林,从而达到防水的目的。 表 1 乳化炸药的配方质量分数 Tab. 1 Formulations of different emulsion explosives % 乳化炸药乳化基质 玻璃微球 外加 NaNO2 外加 玻璃微球型10040 NaNO2型10000. 2 3. 2 受压乳化炸药微观结构图 图4分别是距离主发药50 cm处的玻璃微球型 和NaNO2型乳化炸药受压前后的微观结构图。由 a玻璃微球型 bNaNO2型 图 4 乳化炸药受压前后微观结构 SEM 图 Fig. 4 SEM for micrograms of emulsion explosives before and after compression 82 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 44 卷第 5 期 图 4 可知,当受到动压过载作用以后,玻璃微球型乳 化炸药中的部分玻璃微球会被压碎,而 NaNO2型乳 化炸药中的敏化气泡会被压缩变形,这些都会影响 乳化炸药的敏化效果,从而导致乳化炸药的爆轰性 能下降。 3. 3 水下爆炸试验结果 利用水下爆炸测试系统对受压乳化炸药的爆轰 性能进行了研究,并与未受压乳化炸药进行了比较, 水下爆炸试验条件和试验方法见文献[10]。 图 5 是玻璃微球型乳化炸药和 NaNO2型乳化 炸药不同距离受压后的水下爆炸压力时程曲线。 由 图 5 可知,2 种乳化炸药受冲击波压缩后,水下爆炸 冲击波峰值压力下降,并且降低程度与受压距离成 反比;同时随着受压距离的减小,2 种乳化炸药水下 爆炸冲击波的波宽亦减小。 相同测试条件下,测得 2 次雷管水下爆炸冲击波峰值压力分别为5. 92 MPa 和 6. 08 MPa,均值为 6. 00 MPa。 表 2 为玻璃微球型乳化炸药和 NaNO2型乳化 炸药在不同距离受压后,水下爆炸冲击波峰值压力 的结果。 a玻璃微球型 bNaNO2型 图 5 受压乳化炸药压力时程曲线 Fig. 5 Shock wave pressure ̄time curves of compressed emulsion explosives 3. 4 分析与讨论 乳化炸药受压后爆轰性能的影响程度通常用减 敏率来表示,减敏率的计算方法见文献[11 ̄12],减 表 2 不同距离受压后乳化炸药水下 爆炸冲击波压力峰值 Tab. 2 Shock wave peak pressures of emulsion explosives compressed at different distances 受压距离/ cm 冲击波压力峰值/ MPa 玻璃微球型NaNO2型 254. 55. 7 405. 96. 0 506. 67. 2 607. 18. 8 758. 012. 1 未受压13. 613. 3 敏率越小表示乳化炸药的抗动压减敏性能越强。 表 3 是 2 种乳化炸药不同距离受压后的减敏 率,为了更加清晰地表示乳化炸药减敏率与受压距 离的关系和规律,将表 3 中的数据用图 6 中的关系 曲线表示。 表 3 乳化炸药不同距离受压后的减敏率 Tab. 3 Desensitization ratios of emulsion explosives compressed at different distances 受压距离/ cm 减敏率/ % 玻璃微球型NaNO2型 25100. 0087. 85 4085. 9384. 14 5079. 0271. 06 6072. 5452. 43 7562. 1713. 66 图 6 乳化炸药减敏率与受压距离的关系 Fig. 6 Relationships between desensitization ratio and compression distance of emulsion explosives 从图 6 可以看到,随着受压距离的增大,2 种乳 化炸药的减敏率都呈现出下降的趋势,并且在相同 受压距离下相同冲击压缩强度,NaNO2型乳化炸 药的减敏率要小于玻璃微球型乳化炸药,说明 NaNO2型乳化炸药的抗动压减敏能力强于玻璃微 球型乳化炸药。 922015 年 10 月 乳化炸药动压减敏装置的优化设计和试验研究 程扬帆,等 4 结论 与传统动压减敏装置相比,改进后的动压减敏 装置,一个主发药能获得多个受压乳化炸药,不仅加 快了试验进度,节约了试验成本,同时保证了试验条 件的均一性,减小了试验误差;玻璃微球型和 NaNO2 型乳化炸药的动压减敏试验结果表明,改进后的动 压减敏装置能够很好地模拟延迟爆破,可为后续乳 化炸药动压减敏的深入研究提供参考。 参 考 文 献 [1] 王尹军,吕庆山,汪旭光. 冲击波对含水炸药减敏作用 的试验研究[J]. 爆炸与冲击,2004,246558 ̄562. 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Optimal Design and Experimental Research of Dynamic Pressure Desensitization Device of Emulsion Explosives CHENG Yangfan①, YAN Shilong①, WANG Quan①,GUO Ziru①, SHEN Zhaowu② ①School of Chemical Engineering,Anhui University of Science and Technology Anhui Huainan, 232001 ②School of Engineering Science,University of Science and Technology of ChinaAnhui Hefei, 230027 [ABSTRACT] Based on the problems that traditional dynamic pressure desensitization device of emulsion explosive is disadvantageous to its utilization, optimal design of such device is implemented. Structure, function and experimental method of the improved device were introduced in detail, and anti ̄pressure ability of glass micro ball sensitized and NaNO2 sensitized emulsion explosives were studied. Experimental results show that improved dynamic pressure desensitization device of emulsion explosive can meet the requirements of delay blasting simulation experiment, and may provide reference for further research of dynamic pressure desensitization of emulsion explosive. [KEY WORDS] pressure desensitization; sensitizer; emulsion explosives; delay blasting; underwater explosion 03 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 44 卷第 5 期