含水炸药在静压作用下爆炸特性的实验研究.pdf

火 工 品 INITIATORS PYROTECHNICS 文章编号1003-1480（2012）02-0022-04 含水炸药在静压作用下爆炸特性的实验研究 胡坤伦 1，梁鎏鎏1，沈 东2 （1.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南，232001；2.浙江物产长鹏化工实业有限公司，浙江 湖州，313100） 摘 要用特制的爆炸测试装置对不同静态压力作用下的两类含水炸药（乳化炸药和煤矿许用水胶炸药）的猛度 进行测试。实验结果表明不同的敏化方式和敏化剂对乳化炸药在静压作用下的爆炸性能有显著的影响。其中化学敏 化的乳化炸药的猛度受静态压力影响最大，其在静压力为 0.6MPa 下拒爆，而玻璃微球敏化的乳化炸药的爆炸性能最 好；膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药和水胶炸药在静压力为0.1～0.6MPa 范围内猛度值下降差值较小，水胶炸药的猛度下 降率曲线比较平缓稳定。 关键词含水炸药；静态压力；爆炸性能；猛度 中图分类号TQ564 文献标识码A Experimental Study on the Explosion Characteristic of Water-bearing Explosives under the Static Pressure HU Kun-lun1，LIANG Liu-liu1，SHEN Dong2 （1.School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan, 232001；2.Zhejiang Materials Industry , Changpeng Civil Explosives Industry Co. , Ltd, Huzhou, 313100） AbstractThe brisance of two types of explosive emulsion explosive and coal mine permissible water-gel explosive under different static pressure were tested by a special explosion testing device. The experimental results showed that sensitive manner and sensitizer had a significant impact on explosion characteristic of emulsion explosives under the static pressure. The brisance of emulsion explosive with chemical sensitizer was affected the most, it occurred failure explosive when the static pressure value reached 0.6MPa, while the explosion characteristic of the emulsion explosive with glass microspheres sensitizer was the best. The decline rate of brisance of emulsion explosives with expanded pearlite sensitizer and water-gel explosive was similar, when the static pressure value was from 0.1MPa to 0.6MPa. The curve of decline rate of brisance for water-gel explosive was relatively flat and stable. Key wordsWater-bearing explosive；Static pressure；Explosion characteristic；Brisance 我国的水下爆破在近 20 多年来发展非常迅速， 1986 年葛洲坝水电站两道混泥土防渗心墙的水下爆 破拆除成功，创下我国多段微差爆破新技术。三峡工 程上游围堰的爆破拆除规模巨大，拆除难度高，仍然 全部一次爆破拆除成功， 标志着我国水下爆破技术又 上了一个新的台阶[1-2]。 但是， 炸药在水中受到静水压 力会使炸药的爆炸性能明显下降，出现压力减敏现 象，给爆破施工的安全造成很大的危害。本文在不同 静态压力作用下对两种含水炸药 （乳化炸药和水胶炸 药）爆炸性能的变化进行测试分析，其中乳化炸药采 用不同敏化方式和敏化剂。 实验测试结果对深孔爆破 和水下爆破参数的确定有一定的参考价值。 2012 年04 月 2012 年第2 期 收稿日期2012-02-14 作者简介胡坤伦（1962-），男，教授，主要从事爆炸材料、爆炸技术的研究和教学工作。 基金项目安徽理工大学博士基金资助（11092）。 火 工 品 2012 年04 月 23 1 实验原理和设计 1.1 样品的配制 实验所选用乳化炸药的主要组分是硝酸铵、硝 酸钠、尿素和水为水相；复合蜡为油相；斯盘-80 为 乳化剂；化学敏化是加入 0.2亚硝酸钠溶液和适量 促进剂， 物理敏化是以膨胀珍珠岩和玻璃微球为敏化 剂，含量均为 2.5。采用简化计算法求算氧平衡， 得到所制备的物理和化学敏化炸药氧平衡分别为 0.006 9 和0.000 696。实验所用的乳化炸药基本配方 见表 1。实验中选用的水胶炸药为二级煤矿许用水胶 炸药，由淮南舜泰化工有限公司提供。 表 1 乳化炸药基本组成 Tab.1 The quality percentage of emulsion explosive 名称 硝酸铵 硝酸钠 水 尿素 复合蜡 Span-80 w 77 5 11 1 4 2 1.2 装置的设计及操作 实验测试装置各个组成部分的材料、尺寸、密闭 性以及耐压强度都是经过一系列的试验研究最终确 定的，具有安全性、可靠性和实用性。图 1 为猛度试 验装置的剖面图。 在实验中将准备好的猛度试验装置轻轻放入钢 筒底部，用胶水与钢法兰固定，将雷管脚线从上口引 出，夹在橡胶垫片 a、b 之间，安装螺母和上口钢法 兰，最后安装三通阀门和压力表。用高压充气筒向钢 筒内充气至所需压力。 采用泡沫水检查橡胶垫圈和三 通阀门的密闭性，确保装置密闭不漏气，装药爆炸后 测量猛度数据，记录实验结果。 1.3 爆炸性能的表征方法 用猛度值来计算含水炸药受静压后爆炸性能下 降程度时，下降率用式（1）表示 η （H0-H） / H0 （1） 式（1）中η 表示含水炸药爆炸性能下降程度， 变化范围为 0～1， 数值越大说明含水炸药爆炸性能下 降程度越大； H0为静压前炸药猛度； H 为静压后炸药 猛度。 受静压前与拒爆时 0 0000 −HHHη （2） 10 00001 −−HHHHH 拒爆 η （3） 式 （2） 中 η0表示静压前炸药爆炸性能下降程度， 此时下降程度最小，其值为 0；式（3）中 η1表示炸 药拒爆时炸药爆炸性能下降程度，此时下降程度最 大，其值为 1。 图 1 猛度测试装置剖面图 Fig.1 Sectional drawing of testing device of brisance 2 实验结果与分析 2.1 乳化炸药抗压性能分析 本文中分别把由玻璃微球、膨胀珍珠岩以及化学 敏化的乳化炸药称为 1、2、3。对装药进行抗压性 能测试，结果见表 2（1、2、3分别在 0、0.1 MPa、 0.3 MPa、0.6MPa 4 个不同压力下进行猛度测试） 。 表 2 乳化炸药静压下猛度测试结果 Tab.2 Testing results of the emulsion explosive brisance under the static pressure 对表 2 中的数据利用公式（1）计算分析处理， 对结果做相关曲线图， 如图 23 所示。 由图 23 可见， 猛度值和猛度下降率与静态压力呈相反趋势， 即采用 猛度下降率这种表征方法是可行的， 能够较好地反映 乳化炸药猛度这一参数随静态压力的变化情况。 由表 2、图 23 可知乳化炸药的猛度值随外界 1 2 3 压力 /MPa H1 H2 H3 H4 H1 H2 H3 H4 H1 H2 H3 H4 0 13.86 14.24 14.46 13.82 18.94 19.52 18.28 17.32 18.46 15.28 17.86 15.62 0.1 13.28 13.36 13.52 12.08 15.24 16.72 16.32 16.26 13.06 12.72 10.58 11.16 0.3 12.34 10.36 12.04 12.78 15.94 15.58 15.24 15.28 7.64 8.16 8.42 7.72 0.6 8.78 9.70 9.64 9.58 15.28 13.72 14.74 15.86 拒爆 螺 杆 钢法兰b 压力表 充气嘴 钢法兰a 带螺纹钢管 螺 母 钢筒体 脚 线 橡胶垫片a 铅 柱 钢 片 雷 管 螺 母 炸药试样 三通阀门 橡胶垫片b 节气阀 胡坤伦等含水炸药在静压作用下爆炸特性的实验研究 24 2012 年第2 期 静态压力增大而逐渐降低， 猛度下降率则是随压力增 大而逐渐增大；在0～0.1MPa 压力范围内，3 类乳化 炸药猛度值下降较小，差值不大；在 0.1～0.6MPa 范 围内，玻璃微球敏化的乳化炸药的猛度值下降最小， 爆炸性能几乎保持不变； 而化学敏化的炸药猛度值下 降最为明显；3 种炸药抗压性能由强到弱的顺序1炸 药、2炸药、3炸药。 图2 乳化炸药猛度值和静态压力关系 Fig. 2 The relation between the brisance value of emulsion explosive and the static pressure 图3 乳化炸药爆炸性能下降率与静态压力关系 Fig.3 The curve of relation between decline rate of emulsion explosive brisance and the static pressure 在乳化炸药起爆过程中， 敏化剂充当着热点的作 用。在静压力下，化学敏化的乳化炸药中的气泡体积 减小，气泡温度升高，热量散失到乳胶基质中，导致 炸药爆炸性能下降， 聂树林认为气泡尺寸缩小是其压 死的主要原因[3]。物理敏化的乳化炸药中，玻璃微球 和膨胀珍珠岩在静压下都会被压碎， 热点减少且破坏 两相界面膜，使得分散相液滴出现聚结变大、析晶的 现象，导致炸药爆轰性能变差。但是由于玻璃微球的 强度比膨胀珍珠岩的大，在同一压力下，膨胀珍珠岩 被压破的较多，而且膨胀珍珠岩的外形不规则，具有 较多的棱角，对界面膜破坏更显著[4]。 2.2 水胶炸药与乳化炸药抗压性能对比 对水胶炸药进行静压力分别为 0、0.1MPa、 0.2MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8MPa 下的猛度实验， 测试水胶炸药静压作用下胶体的稳定性能， 并对比由 膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药静压稳定性能的优劣。 按照公式（1）的计算方法，将两种实验样品进 行数据处理并对比，见图 45。 图 4 两种炸药猛度值与静态压力关系 Fig.4 The relation between brisance value of two types of explosives and the static pressure 图 5 两种炸药爆炸性能下降率与静态压力关系 Fig.5 The relation between decline rate of brisance and static pressure for two types of explosive 图 45 显示， 在 0～0.1MPa即不受静态压力到受 静态压力转变下，二级煤矿许用水胶炸药的猛度值 下降较明显；在静压力小于 0.6MPa 时，其猛度值下 降较慢，大于 0.6MPa 后猛度值下降明显，猛度值低 于国标规定的二级煤矿许用水胶炸药的水平[5]。从图 45 中发现由膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药初始猛度值 小于水胶炸药， 在静态压力增大过程中呈逐渐变小的 趋势；而水胶炸药在 0.1～0.6MPa 压力范围内，猛度 下降率变化较小， 当压力达到 0.8MPa 时呈突跃下降。 上述不同主要是因为乳化炸药和水胶炸药的组 分、结构存在差异。水胶炸药的胶凝剂是线性高分子 化合物， 遇氧化剂水溶液溶胀水合后与交联剂形成立 体形网状结构， 其各组分处于网络结构产生的彼此隔 离的各个小 “巢穴” 内， 被连续的水凝胶介质所包围， 各组分分布均匀而不致离析分层；另外，该体系是一 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 静态压力/MPa 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 猛度值/mm 玻璃微球敏化 （1炸药） 膨胀珍珠岩敏化 （2炸药） 化学敏化（3炸药） 0 0.1 0.2 0.30.4 0.5 0.6 静态压力/MPa 0.2 0 0.4 0.6 0.8 1.0 爆炸性能下降率 化学敏化 膨胀珍珠岩敏化 玻璃微球敏化 00.10.20.30.4 0.5 0.6 静态压力/MPa 6 8 10 12 14 16 猛度值/mm 乳化炸药 水胶炸药 0.7 0.8 静态压力/MPa 00.2 0.4 0.6 乳化炸药 水胶炸药 0.2 0 0.3 0.6 0.5 0.7 爆炸性能下降率 0.8 0.1 0.4 火 工 品 2012 年04 月 25 个高密度的连续凝胶体系， 交联后的凝胶剂分子间又 存在着较强的吸引力， 因此这种体系具有相当大的内 聚力和抗渗透能力[6-7]。 通过对水胶炸药微观结构的分 析可知， 水胶炸药胶体稳定性受长期储存过程中外界 因素的影响，从而出现析晶、液体渗出和发软变稀等 现象，爆炸性能降低。在静压力作用下，凝胶体系内 聚力和抗渗透力遭到破坏， 凝胶体系网络结构的各个 小“巢穴”所包围的均匀不可压缩介质由于过饱和从 小“巢穴”中渗出，导致胶体稳定性能下降，炸药爆 炸性能急剧地下降。 比较 3 种乳化炸药与二级煤矿许用水胶炸药得 到玻璃微球敏化的乳化炸药爆炸性能最为稳定，化 学敏化的乳化炸药受静态压力的影响最大；在压力 0.1～0.6MPa 范围内，膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药与 水胶炸药受静态压力的影响差别较小， 猛度值保持在 9～14mm 范围内。 3 结论 （1） 对3 种不同敏化方式敏化的乳化炸药进行 抗静荷载作用的研究，表征乳化炸药稳定性。随着静 荷载压力的增加，猛度值出现递减趋势，通过在同一 压力作用下比较得知，3 种炸药抗压性能由强到弱的 顺序为1炸药（玻璃微球敏化） 、2炸药（膨胀珍珠 岩敏化） 、3炸药（化学敏化） 。 （2） 对于 1、2和 3样品，随着静荷载压力的 增加，猛度下降率 η 出现递增趋势，化学敏化乳化炸 药的 η 最大。 （3） 二级煤矿许用水胶炸药在 0～0.1MPa即从 不受静态压力到受静态压力转变下，水胶炸药的猛 度值下降较明显；在静压力小于 0.6MPa 时，其猛度 值下降较小，大于 0.6MPa 后猛度值下降明显，猛度 值低于国标规定的二级煤矿许用水胶炸药的水平。 （4）比较 3 种乳化炸药与二级煤矿许用水胶炸 药得到玻璃微球敏化的乳化炸药爆炸性能最为稳 定，化学敏化的乳化炸药受静态压力的影响最大；在 压力0.1～0.6MPa 范围内，膨胀珍珠岩敏化的乳化炸 药与水胶炸药受静态压力的影响差别较小， 猛度值保 持在9～14mm 范围内。 参考文献 [1] 高建华.浅水中爆炸及其破坏效应[M].北京国防工业出 版社,2010. [2] 张正宇,赵根,吴新霞,等.长江三峡水利枢纽三期上游碾压 混泥土围堰爆破拆除[C]//中-日炸药爆破技术委员会成立 暨第一次学术交流会.宜昌中日炸药爆破技术委员会, 2006. [3] 聂树林.化学气泡敏化的乳化炸药压死过程的实验和模拟 研究[J].国外金属矿山,1999249-56. [4] 王尹军,汪旭光.敏化方式对乳化炸药压力减敏作用的影响 [J].火炸药学报,2005,28341-44. [5] GB 18094-2000 水胶炸药[S].中国标准出版社,2000. [6] 汪旭光,聂森林,云主惠,等.浆状炸药的理论与实践[M].北 京冶金工业出版社,1985. [7] 李彦.浅谈水胶炸药的抗水性[J].煤矿爆破,2006130-32.