含水炸药在静压作用下爆炸特性的实验研究

2012-07-07胡坤伦梁鎏鎏

火工品 2012年2期

胡坤伦，梁鎏鎏，沈东

（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）

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。

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

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：

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：

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

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2～3所示。由图2～3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2～3可知：乳化炸药的猛度值随外界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

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4～5。

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4～5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4～5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。