高海拔压力环境对炸药猛度影响的实验研究

2013-10-11高玉刚赵晓莉吴国群

火工品 2013年5期

高玉刚，赵晓莉，徐龙，夏斌，吴国群，

（1.煤炭科学研究总院爆破技术研究所，安徽淮北，235039；2.煤炭科学研究总院沈阳研究院，辽宁抚顺，113001）

炸药爆炸时粉碎和破坏与其接触介质的能力称为炸药的猛度[1]。炸药爆炸作用在和炸药接触或与炸药接近的部位，在这些部位爆炸产物压力和能量密度都很大，随着距爆炸点距离的增加，破坏作用迅速减弱。炸药的猛度对于武器设计和工程爆破均具有实际意义。由于岩体或矿体的坚硬程度以及性质不同，在工程爆破中，为获得一定块度的矿岩，应根据矿岩的性质来选用合适猛度的炸药，否则可能造成岩石的过份粉碎或较高的大块率，甚至一些大块需二次爆破，造成一定的安全隐患及爆破成本增加。

我国西部地区资源丰富，因此需要在西部高原地区修建铁路、公路和开采矿山，以促进当地经济发展和方便人们出行。如青藏铁路的修建[2-3]。但西部地区海拔较高，海拔大部分在3 000m以上，由于不少工程项目需要采用爆破，因此对爆破器材与技术有了特殊的要求。目前关于海拔高度对炸药做功能力影响的研究很少，因此研究高原地区的炸药爆炸能量具有重要的理论和实践意义。根据物理学原理，在海拔 5 000m以下，大气压力每降低100Pa，海拔升高9.5m[4]，由于在高海拔环境进行实验不容易，因此依据此规律分别模拟海拔500m、1 500m、2 500m、3 500m、4 500m高度，探究不同海拔高度对炸药猛度的影响。

1 相关理论及实验方案设计

1.1 猛度的测试

炸药猛度的测试方法主要有铅柱压缩法、铜柱压缩法、平板炸孔试验和猛度弹道摆试验。其中铅柱压缩法[5]又称黑斯猛度试验法，于1876年提出。该方法要求在规定参量(质量、密度和几何尺寸)条件下，炸药装药爆炸对铅柱进行压缩，以压缩值来衡量炸药的猛度。铅柱压缩按式（1）计算：

式（1）中：△h为铅柱压缩值，mm；h0为试验前铅柱平均高度值，mm；h1为试验后铅柱平均高度值，mm。

1.2 高海拔条件的模拟

本文通过模拟高海拔环境，研究高原环境对不同工业炸药（乳化炸药和粉状炸药）猛度的影响。

1.2.1 海拔高度与大气压力的关系

海拔与所对应的大气压力呈线性关系，由于各处温度、重力加速度的不同，导致不同资料中显示的数据略有不同，但出入较小，都遵循海拔升高9.5m 气压降低 100Pa 这一规律[4]，故本文实验采用这一标准。图1是气压与海拔关系对照图（由于原始数据只提供了2 500m 以下的气压值，分析这些数据是呈线性关系，相关系数r2=0.998 6；2 500～4 500m 的数据为外推值）。

图1 海拔高度与大气压力关系Fig.1 The relationship between altitude and air pressure

1.2.2 实验方案的设计

本文选用了膨化硝铵炸药和三级煤矿许用乳化炸药为研究对象。根据物理学原理，在海拔 5 000m以下，大气压力每降低100Pa，海拔升高9.5m。依据此规律，采用如图2所示的爆炸容器，以抽取弹筒内气压的形式模拟不同海拔高度。在实验中抽取的气压分别为5 300 Pa、15 900Pa、26 500Pa、37 100Pa、47 700Pa，分别模拟海拔500m、1 500m、2 500m、3 500m、4 500m高度。实验装置的布置如图3所示。

图2 爆炸容器装置实物图Fig.2 Photo of explosion container

图3 测试装置示意图Fig.3 Schematic diagram of testing device

2 炸药猛度测试与分析

2.1 模拟高海拔下炸药猛度测试条件

测试场所：爆炸容器（容积不小于50L的爆炸弹筒密闭弹筒，见图2）。

游标卡尺：分度值0.02mm；天平：感量0.1g；钢板尺：长度1m，分度值1mm。

真空泵：抽气速率为3.6m3/h，极限压力为2Pa。

真空表：精度为1.5级，满足实验抽取压力精度要求。

2.2 猛度测试程序

（1）试样准备。称取(50±0.1)g炸药，装入自制直径为40mm的纸筒中，然后将纸筒放入专用铜模中进行压药，膨化硝铵炸药密度控制在(1.00±0.03)g/cm3。用直径为7.5mm的专用冲子，在装药中压一个深15mm的小孔，用于插入雷管。

（2）测量铅柱。在铅柱一横断面处，通过圆心铅笔轻轻画十字线，并注明序号，用游标卡尺沿十字线依次测量，取4个值的算术平均值作为试验前铅柱高度，用h0表示（精确到0.02mm）。

（3）按图3所示安放装置，钢底座放于模拟高海拔爆炸容器中，依次放置铅柱、钢片、炸药装药，使系统在同一轴线上，用线将装置系统固定在钢底座上，插入8号雷管，雷管脚线引出，密封爆炸容器。

（4）用真空泵抽取爆炸容器中的空气，通过真空压力表显示的数据，达到模拟海拔高度所需的真空度，迅速关闭真泵及各阀门，确认系统连接完好后，立即进行起爆。

（5）打开爆炸容器，将取出的铅柱擦拭干净用游标卡尺测量高度，并将系统的有毒气体排出。对4个方向的铅柱高度取算术平均值，用h1表示（精确到0.02mm）。

（6）重复操作1～5，进行其它海拔高度的猛度试验。

2.3 测试结果处理与分析

模拟不同海拔高度对两种工业炸药分别进行猛度测试，将测试结果按公式（1）进行计算，得到膨化硝铵炸药与三级煤矿许用乳化炸药猛度实验数据，分别见表1和表2。

表1 不同海拔高度下膨化硝铵炸药猛度Tab.1 Brisance of expanded ammonium nitrate explosive at different elevation

表2 不同海拔高度下三级乳化炸药猛度Tab.2 Brisance of class 3 coal mine permissible emulsion explosive at different elevation

图4 不同模拟海拔高度下膨化硝铵炸药猛度Fig.4 Brisance of expanded ammonium nitrate explosive at different simulated elevation environment

对表1数据进行拟合处理，结果见图4。从图4可见，在模拟海拔4 500m内，膨化硝铵炸药的猛度随着模拟海拔高度的增加，始终在13mm左右浮动，不超过0.5mm，并没有明显的变化趋势。这与膨化硝铵炸药的结构及其生产工艺有一定的联系。膨化炸药的生产工艺是依据减压蒸发原理将膨化硝铵进行膨化结晶的过程，通过改变硝酸铵的晶型结构，增大比表面积，提高颗粒表面的“粗糙”程度，并使其含有一定的“空隙”或“气穴”，以提高自身敏化程度[6-7]。膨化硝铵炸药的起爆机理符合“热点”起爆机理，膨化硝铵是一种晶体畸形、结构蓬松、表面粗糙、多孔穴、多裂纹、多孔隙的“蜂窝”片状晶体。这种晶体结构包含了适量微小气泡，从而形成了爆炸反应所需要的足够多的“热点”[7-8]。

本文通过降低密闭爆炸容器中压力达到模拟高海拔环境，由于膨化炸药自身生产工艺的特点，此时密闭容器中压力的减小对膨化炸药的性能影响很小，所以随着密闭容器压力的降低，即模拟海拔高度的增加，膨化炸药的猛度值变化不明显。

对表2数据进行拟合处理，结果见图5。从图5可见，在模拟海拔4 500m内，三级煤矿许用乳化炸药的猛度随着模拟海拔高度的增加而增大，通过线性曲线拟合，得线性方程为其线性相关系数r2为0.947 8，三级乳化炸药与海拔高度呈线性关系。三级乳化炸药的猛度随海拔高度的增大而增大，这与乳化炸药的爆轰机理有关。当常压下敏化的炸药放置在负压（低于常压）环境下时，大量小于热点最小半径的气泡有所增大，使此乳化炸药的热点增多，单位质量的炸药释放的能量增大，从而提高了炸药的猛度。因此，随着海拔高度的增加，达到热点半径的气泡增多，乳化炸药的猛度出现逐渐增大的趋势。根据实验结果，在高原地区进行工程爆破时，炸药单耗要稍微降低或者加强防护，扩大安全距离，以防出现安全事故，此结果对工程爆破具有实践价值。