水介质不耦合装药爆炸比较研究

2022-04-28程爱宝陈昊彬

湖南有色金属 2022年2期

谢锴，程爱宝，陈昊彬，3

（1.湖南安全技术职业学院，湖南长沙 410151；2.长沙煤矿安全技术培训中心，湖南长沙 410151；3.国家安全监管监察综合执法实训中南基地，湖南长沙 410151）

水介质不耦合装药爆破技术与常规的空气介质不耦合装药爆破技术相比较，具有应用范围广、装药量少、爆破振动小、施工简单、施工成本低和爆破烟尘少［1～5］，在施工过程中能有效节约20%乳化炸药使用量等优势［6，7］，该技术在国内外矿山开采工程中有着广泛的应用。

然而，目前水介质不耦合爆炸过程的相关理论还不完善，曾有学者提出水介质非耦合装药爆炸反应机理是水介质吸收乳化炸药爆炸瞬间产生的热辐射，导致水介质热分解，生成大量氢气和氧气，随后氢气与氧气等气体反应发生二次爆炸，该反应过程可产生高达4 000℃的爆温，比常规空气介质爆炸产生的爆温高约1 000℃［8］，但该理论还存在诸多争论。

现以现有爆炸理论和技术为基础，通过开展水介质不耦合装药爆炸与常规空气介质不耦合装药爆炸对比研究，进行爆炸超压检测、爆炸过程观测和爆生气体化学成分定性分析等试验，探究其反应机理。

1 试验设备及试验方法

1.1 试验设备

定制100 g TNT当量胶囊型爆炸仓，内径1 000 mm，内高700 mm。电荷放大器、HDO4034力科数字示波器、CY-YD-202压电式压力传感器、CYYD-202自由场压力传感器、Photron SA1.1高速摄影机、7820A-6977E安捷伦气相色谱质谱联用仪、TD1198-CO泵吸式一氧化碳检测仪。

1.2 试验方法

水介质不耦合装药爆炸试验过程为：分别取50 g乳化炸药，水袋装自来水15 g，乳化炸药悬挂于定制爆炸仓中心位置，其上端连接电子雷管，下端与水袋上端相连。

常规空气介质不耦合装药爆炸对照试验装药过程为：取50 g乳化炸药，其余试验参数与水介质不耦合装药爆破试验一致。

超压试验：将超压试验传感器固定在爆炸仓内壁，水平高度与乳化炸药与水袋连接点平齐，开机预热10 min，药柱要炸后，分析波谱［9］。

高速摄影观测试验：将高速摄影机与补光灯分别放置在爆炸仓观测窗口进行观测与补光，采用手动触发模式，拍摄速率9 000 fps，记录触发前2 s内的影像。

气体成分定性分析：抽取气体1 mL，分离柱为非极性柱，进样口100℃，四极杆230℃，柱温箱起始温度35℃，终止温度280℃，程序升温35℃保持3 min，随后以20℃/min速率升温直至280℃。在常温常压下自然抽气方式进行一氧化碳浓度检测，抽气速率1 mL/s。

2 试验结果与分析

试验材料组分含量见表1。

表1 试验材料组分含量

2.1 爆热计算

对照样的爆炸反应方程为：

试验样的爆炸反应方程为：

根据上述反应方程，对照样爆炸反应后可产生气体2.086 1 mol，试验样爆炸反应后可产生气体2.919 5 mol，试验样产气量为对照样的1.4倍。

2.2 爆温计算

乳化炸药的爆热为3 407.68 kJ/kg，50 g乳化炸药的爆热为170.38 kJ。利用爆炸反应方程确定系数A和B，其中，对于H2O、N2、CO、CO2和Na2O的取值见表2。

表2 爆炸产物的平均比热容

爆温计算公式：

式中：TB为爆温/K；Qv为爆热/kJ。

计算得对照样爆温2 570 K，试验样爆温为2 079 K，试验样较对照样爆温降低19.1%。

2.3 准静态压力计算

岩石用乳化炸药密度1.2 g/cm3，水的密度取1 g/cm3，体积取56.67 cm3。根据理想气体状态方程计算可得，爆炸反应后对照样和试验样的准静态压力分别为7.87 MPa、8.9 MPa。试验样产生的准静态压力是对照样的1.13倍。

2.4 超压试验结果分析

计算冲击波峰值超压公式：

式中：Vmax为DSO显示的峰值电压/mV；K为电荷放大器的增益/mV·pC-1，取值10；Sq为传感器的压力-电荷灵敏度/pC·MPa-1，取值189.5。

超压试验结果见表3，p-t曲线如图1所示。

表3 超压试验结果

图1 p-t曲线

炸药在爆炸容器内爆炸后，冲击波在爆炸仓内发生多次反射，进而在p-t曲线图中出现多个峰值，试验样的第一个超压峰值主要由乳化炸药爆炸产生，第二个峰值较高的主要原因是水介质气化导致。波形随着能量的散失，p-t曲线逐渐趋平，试验样能有效延长超压作用时间。根据表3数据分析，试验样爆炸产生的超压比对照样高6%。

2.5 高速摄影观测试验结果分析

试验样与对照样爆炸过程高速摄影观测结果见表4。

表4 高速摄影观测结果

对照样从起爆至火光消失总耗时1.55 ms，并有浑浊的爆生气体产生。试验样从起爆至火光消失总耗时0.78 ms，未生成明显浑浊的爆生气体。与对照样相比，试验样能有效吸收乳化炸药爆炸产生的热能，起爆至火光消失过程所需时间缩短49.6%，并能有效降低爆生气体的浑浊度，但未观测到二次爆炸反应的发生。

2.6 气相色谱质谱联用仪（GC/MS）检测结果分析

气相色谱质谱联用仪（GC/MS）检测分析结果如图2、图3所示。

根据图2、图3分析，试验样与对照样在爆炸后的气体成分相似，对照样中主要含有O2（m/z16，32），CO（m/z12，16，28，29），N2（m/z14，28），H2O（m/z17，18），试验样中主要含有CO2（m/z22，28，29，44），O2（m/z16，32），CO（m/z12，16，28，29），N2（m/z14，28），H2O（m/z17，18）。试验样中上述气体总浓度、CO2浓度、水蒸汽浓度略高于对照样。对照样中CO来源与乳化炸药包覆膜、有机添加剂有关，试验样中CO含量略高于对照样的原因是塑料水袋燃烧反应产生。药柱爆炸后爆炸仓内处于富氧环境，但仍有CO未与O2反应生成CO2，根据Mallard-Lechatelier爆炸理论可得在有大量CO和O2存在时，不会有大量的H2产生。