工业炸药有毒气体测试容器的研制

高玉刚

(中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司，安徽 淮北 235000)

在国民经济建设发展过程中，工业炸药广泛应用于矿山开采、隧道开挖及城市拆除等各项领域的爆破作业中。在矿山建设与开采中发挥着重要作用，但伴生的爆破公害也一直困扰着人们。其中的主要危害之一便是由于工业炸药爆炸过程中反应不完全，会产生大量有毒有害气体[1]。目前，我国现行的工业炸药爆炸后有毒气体含量测定方法采用弹筒法，爆炸弹筒的有效容积约50 L，接近真空状态(剩余压力不大于4.0 kPa)下引爆炸药，然后取气进行有毒气体含量测定[2]。但在实际工程爆破作业中，工业炸药多数都在常压下使用；同时炸药在空气中爆炸后产生高温、高压、高速爆炸产物强烈地冲击和压缩爆炸点周围的空气，形成的冲击波会作用在周围的介质上[3]，建立一个可以反复使用且可以用于常压下测试工业炸药有毒气体含量的爆炸容器显得尤为重要。

朱文辉等[4]针对爆炸容器在动力学方面的研究从爆炸载荷作用于外壳产生的应力，提出针对不同爆炸容器找到相应的安全系数并参照相应的强度准则，对爆炸容器结构强度进行评价。赵康等[5]通过采用ANSYS/LSDYNA建立有限元模型，对等效爆破载荷在岩体和混凝土介质中传播桔瓣式球型储液罐体振动响应进行了研究。李兴珠等[6]对1 kg TNT当量爆炸容器抗爆设计进行了计算，并采用爆炸相似率和动力系数法对爆炸容器进行了验证。王鑫等[7]对在密闭爆炸容器内进行开展了5 、10 、15 g系列TNT内爆炸试验，并采用有限元软件对3种情况下的准静态压力进行了试验和数值模拟研究。目前国内已设计多种爆炸容器，对小当量密封爆炸容器、5 kg TNT当量爆炸容器、一般爆炸容器以及复合材料爆炸容器的工程设计方法及其应用均有成功案例[8-11]。通过上述分析很多学者主要集中在爆炸容器本身的设计与研究，针对爆炸容器在测试工业炸药有毒气体方面的应用设计研究较少。

近年随着民用爆破器材制作工艺的发展，按照工信部及民爆行业主管部门针对民爆行业技术进步，发布的一系列指导意见，现场混装炸药是行业鼓励发展的产品。由于其没有雷管感度，现场混装药的起爆需要一定TNT当量的工业炸药进行起爆，同时现场混装炸药达到稳定爆轰需要一个过程，这就使得在测试现场混装炸药时需要更多的药量，原有爆炸弹筒法装药量小于110 g药量的条件已不满足。为了对工业炸药在常压环境下爆炸和现场混装炸药的有毒气体含量进行准确测定，研究先进适用的有毒气体含量检测技术方法，对准确客观地评价工业炸药性能指标、正确指导安全环保型产品生产技术的研究开发工作、逐步降低工业炸药的危害等方面，都具有十分重要的意义。因此，建立一个既能重复使用又可取得炸药爆炸后产生气体的密闭爆炸容器非常有必要。

1 测试系统设计

工业炸药有毒气体含量测试系统由臼炮、爆炸室(爆炸箱)、爆炸室混合系统、气体采集与分析系统、排风系统及控制系统组成(见图1)。

图1 测试系统结构Fig.1 Test system structure

1)爆炸箱箱体底部采用圆柱形，顶部采用半球壳形的组装结构型式，内部为整体式的钢制结构，外部为钢筋混凝土结构，同时内部的钢制结构与外部的钢筋混凝土结构紧密连接。净空间15 m3。 爆炸箱体外部的钢筋混凝土层，可对爆炸产生的冲击波、振动及噪声等爆炸有害效应进行衰减，达到安全可靠的目的。

2)爆炸箱应能承受在中心悬吊460 g TNT当量炸药爆炸载荷，爆炸后爆炸箱整体结构不发生塑性变形。

4)内部臼炮规格为直径400 mm，高800 mm，孔径100 mm，孔深 600 mm。用于模拟工业炸药在炮孔内进行爆破作业的情景，可真实反映工业炸药在炮孔内爆炸后的生成产物情况。

5)爆炸箱基础为深2 m，长和宽均为3.6 m的钢筋混凝土承重台，以保证爆炸箱整体稳定性。同时沿爆炸箱四周开挖一圈深2 m、宽1 m的减振沟，减振沟中填沙，以达到衰减爆炸时产生的振动作用。

6)混合系统采用抽出与排出2个风机的混合式排风方式，一方面通过控制系统将阀门开关至循环状态时，可使爆炸气体在5 min之内混合均匀，以达到对普通工业炸药或钝感的现场混装工业炸药爆炸后有毒气体的含量分析；另一方面通过控制系统将阀门开关至排烟状态时，可使爆炸气体在5 min之内迅速排出，以达到快速清空废气进行下一次试验。

2 爆炸箱箱体设计

1)爆炸箱的设计。参照欧盟标准《民用爆炸物品—高能炸药—第16部分：有毒气体的测量和检测》[12]的检测方法及技术要求，同时结合国内现场混装炸药检测所需药量的实际情况，以及利于工业炸药爆炸后有毒有害气体的采集分析。设计爆炸箱最大试验药量为460 g TNT当量。经查文献[13]乳化炸药理论计算爆热为3 182.8～3 244.8 kJ/kg，而TNT爆热为4 153.95 kJ/kg，因此460 g TNT的炸药量相当于质量600 g的乳化炸药。

2)爆炸箱的设计强度校核[14]。本爆炸箱试验设计最大药量460 g TNT当量，装药在距地面r=2 m高处爆炸，根据炸药在刚性地面中的冲击波超压公式计算得：

进入到爆炸箱壁后反射波超压：Δp′r=8Δpr=1.484 9 MPa。

在臼炮中装药为柱型装药：TNT装药密度1.5 g/cm3，爆热4 225.8 kJ/kg3。

希腊的城市遍布图书馆，给科学的发展提供了契机。欧几里得总结前人经验创立了系统的几何学，他的《几何原理》直到现在都是欧洲大学里流行的教材；阿基米德从洗澡盆溢出的水里悟出浮力的存在，他从科学中得到力量和自信，声称如果给他一个支点他将撬动整个地球。希腊科学家自由的精神鼓励着后人对真理不懈追求，希腊人在天文学领域也成就斐然，他们把神话赋予扑朔迷离的天穹并将其划分成星座：仙女星座、猎户星座、天狼星座、大熊星座、小熊星座。此外，希腊人在植物学、动物学、医学等各方面都取得了探索性的成果，为现代学科发展奠定了扎实的基础。

以外径32 mm，装药量460 g计算TNT的装药长度L为

以19 mm的复合钢板参数设计为例：泊松比υ=0.29，弹性模量E=206×109Pa，屈服极限σb=300×106Pa，许用应力[σ]=157×106Pa，爆炸箱箱体半径R=1.3 m，爆炸箱材料密度ρ=7 800 kg/m3。

将上述数据代入公式计算得，爆炸箱的固有自振周期值为

爆炸箱的圆频率为

3 气密性及抗爆性试验

3.1 气密性试验

爆炸箱安装完成后，采用空气压缩机对爆炸箱加压的方式，测试爆炸箱的气密性。具体加压方式，先测试爆炸箱箱体的气密性，再测试爆炸箱管道的气密性。先将阀门管道关闭，用空气压缩机对爆炸箱箱体和管道分别加压至0.15 MPa，观察与爆炸箱体相连的压力表，10 min不下降。同时采用皂液法分别对测试系统的门、管道、风机以及管道连接处进行密封性测试。经气密性测试，爆炸箱箱体及管道的密封性良好，符合设计要求。有毒气体爆炸箱实物如图2所示。

图2 测试系统结构实物Fig.2 Physical of test system structure

3.2 抗爆性试验

爆炸箱抗爆能力试验：由于TNT炸药爆炸后产生爆炸产物给环境带来不可修复的破坏，因此采用2号岩石乳化炸药。试验药量从200 g开始，逐次增加测试药量，为保证安全性每次增加药量为50 g，直至增加至600 g(600 g 2号岩石乳化炸药相当于460 g TNT的药量)。试验条件，在距爆炸箱底部1.65 m处悬吊2号岩石乳化炸药。在臼炮中也按此药量进行爆破测试。

按测试方案进行爆炸试验，每次试验后对爆炸箱箱体、管道及管道连接处进行气密性测试。经气密性试验(皂液法)检查爆炸箱、管道及管道连接处均无异常，说明爆炸箱的安全可靠，功能满足设计的各项技术指标和要求。

4 结语

1)通过理论计算 460 g TNT炸药爆炸时产生的冲击波压力，从而确定有毒气体爆炸箱的结构、内径及应选择的复合钢材。

2)通过计算得到的动力系数Cd和反射压力Δp′r，再得出等效静载荷Δp静=1.29 MPa。并通过等效静载荷Δp静对强度进行换算得到壳体中的应力：σ=55.9 MPa<[σ]。

3)装药采用2号岩石乳化炸药替代TNT炸药，试验药量从200 g开始、逐次增加至600 g药量进行裸露药包悬挂试验时，均未发生破坏。说明该爆炸箱可承受600 g 的2号岩石乳化炸药的爆炸冲击作用。所以该工业炸药有毒气体含量测试系统设计合理，并且安全可靠。