余宗杰，關(guān)佳佳，吳紅波，夏曼曼，張 洪

（1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽淮南232001；2.安徽省淮南市公安局，安徽淮南232001）

乳化炸藥是以硝酸鹽水溶液為氧化劑、碳質(zhì)燃料為還原劑的一類油包水型乳膠體系，其特殊的結(jié)構(gòu)和原料組成使其具有良好的抗水性和爆轟性能[1-3]，近年來在爆破工程中得到廣泛應(yīng)用。爆速是指爆轟波在炸藥藥柱中的傳播速度，它是衡量炸藥爆轟性能的重要參數(shù)，炸藥的其他爆轟參數(shù)亦可通過爆速加以估算[4]。因此，研究裝藥直徑對乳化炸藥爆速的影響，對防止炸藥拒爆，提高其爆轟威力及炸藥的利用效率具有十分重要的意義。

高玉杰[5]研究了裝藥直徑對工業(yè)炸藥爆速的影響，發(fā)現(xiàn)裝藥直徑越大，工業(yè)炸藥達(dá)到穩(wěn)定爆轟時(shí)的爆速越穩(wěn)定。胡建華等[6]采用模型實(shí)驗(yàn)的方法研究了乳化炸藥的臨界爆轟直徑，獲得實(shí)驗(yàn)用乳化炸藥的臨界爆轟裝藥厚度為6 mm。趙海霞等[7]運(yùn)用探針法測試了不同裝藥直徑和約束條件對小直徑裝藥爆速的影響，結(jié)果表明，小直徑裝藥爆速隨著裝藥直徑和約束阻抗的增大而增大。

本實(shí)驗(yàn)采用不同直徑的牛皮紙藥卷和PVC管藥卷進(jìn)行裝藥，測量不同約束條件和裝藥直徑下乳化炸藥的爆速，通過數(shù)據(jù)分析等方法確定炸藥的極限爆轟直徑和臨界爆轟直徑，為實(shí)際施工應(yīng)用中乳化炸藥裝藥直徑的確定提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

硝酸銨、硝酸鈉（工業(yè)級，安徽淮化集團(tuán)有限公司）；Span-80（化學(xué)純，石家莊成達(dá)科技有限公司）；復(fù)合蠟（工業(yè)級）；新型樹脂微球（工業(yè)級，四川雅化集團(tuán)）；PVC塑料管；牛皮紙；漆包線等。

DDBS-20型多段時(shí)間隔測量儀（測時(shí)精度不低于0.1 μs，開封市精工儀表廠）；乳化器（上海昂尼儀器儀表有限公司）；100mL量筒、200mL燒杯（泰州市思齊教學(xué)儀器有限公司）；DB-XAB型加熱板（力辰科技有限公司）。

1.2 藥卷制備

乳化炸藥配方如表1所示。

表1 乳化炸藥配方

按表1組分配比稱取硝酸銨、硝酸鈉、水制備水相材料并加熱溶解至115℃左右，乳化劑Span-80加入復(fù)合蠟構(gòu)成油相，加熱至95℃左右，開啟乳化器，將水相緩慢倒入油相中，乳化器轉(zhuǎn)速在1 300 r/min下攪拌2.5 min，制得乳膠基質(zhì)；乳膠基質(zhì)冷卻至55℃，加入新型樹脂微球，充分?jǐn)嚢柚频萌榛ㄋ嶽8]。將制備好的炸藥分別裝入已準(zhǔn)備好的牛皮紙藥卷和PVC管中，制得實(shí)驗(yàn)用藥卷備用。

1.3 藥卷爆速測定

測定炸藥爆速的具體試驗(yàn)方法有道特里什法（導(dǎo)爆索法）、高速攝影法、連續(xù)示波器法、埋入式壓力探針法、光導(dǎo)纖維法和測時(shí)儀法等[9]。

本實(shí)驗(yàn)采用測時(shí)儀法，其實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。當(dāng)炸藥起爆后，爆轟波沿藥卷傳播至A點(diǎn)，高溫高壓狀態(tài)下爆轟波波陣面的產(chǎn)物電離為正、負(fù)離子，電離子的導(dǎo)電性使A點(diǎn)處相互絕緣的探針接通，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；爆轟波達(dá)到B點(diǎn)處的情況與A點(diǎn)相同。測時(shí)儀法就是通過測出爆轟波經(jīng)過A、B兩點(diǎn)之間所需要的時(shí)間，求平均爆速值的方法。該方法所需藥量較少、操作簡單、測試精度高，是目前工程界最常應(yīng)用的方法[10]。

圖1 測時(shí)儀法實(shí)驗(yàn)原理圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 爆速測量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)制備的牛皮紙藥卷直徑分別為14 mm、15 mm、16 mm、18 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm；因?qū)嶒?yàn)選用的PVC管的尺寸是有國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的，無法做到跟牛皮紙藥卷尺寸完全一樣，所以本實(shí)驗(yàn)選用 PVC管的內(nèi)徑分別為 15 mm、20 mm、28 mm、35 mm、40 mm，盡量與牛皮紙藥卷直徑相接近。表2、表3分別為不同裝藥直徑下牛皮紙藥卷和PVC管藥卷爆速測定結(jié)果。

表2 牛皮紙裝藥爆速測試結(jié)果

表3 PVC管裝藥爆速測試結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)可知，裝藥直徑為15 mm炸藥未爆，當(dāng)裝藥直徑調(diào)整為20 mm時(shí)，乳化炸藥爆轟速度達(dá)到4 115 m·s-1。由表3可知，采用PVC管裝藥時(shí)，裝藥直徑為14 mm、15 mm時(shí)測時(shí)儀均未測得數(shù)據(jù)，且剩余大量殘藥，炸藥出現(xiàn)了拒爆現(xiàn)象。當(dāng)裝藥直徑為16 mm時(shí)，測得其中一段炸藥的爆速為3 571 m·s-1，另一段有殘藥剩余；當(dāng)裝藥直徑為18 mm時(shí)，藥卷正常爆轟，說明約束條件為牛皮紙的情況下乳化炸藥的臨界爆轟直徑接近18 mm，因此可以認(rèn)為，裝藥條件為牛皮紙的乳化炸藥的臨界爆轟直徑為18 mm左右。

2.2 裝藥直徑對乳化炸藥爆速的影響

為了直觀地分析裝藥直徑對乳化炸藥爆速的影響，將表2、表3通過Origin加以作圖，得到爆速—裝藥直徑圖，如圖2、圖3所示。

圖2 牛皮紙裝藥直徑與爆速的關(guān)系曲線

圖3 PVC管裝藥直徑與爆速的關(guān)系曲線

由圖2和圖3可知，乳化炸藥爆速隨裝藥直徑變化而變化，裝藥直徑在一定范圍內(nèi)，隨著裝藥直徑的增大，乳化炸藥爆速提高；當(dāng)裝藥直徑小于某一值時(shí)，乳化炸藥不能產(chǎn)生爆轟，發(fā)生拒爆，當(dāng)裝藥直徑大于某一值時(shí)，乳化炸藥爆速隨裝藥直徑的變化不再變化，乳化炸藥形成穩(wěn)定爆轟，即乳化炸藥存在一個(gè)臨界裝藥直徑和極限裝藥直徑。對于牛皮紙裝藥，裝藥直徑在16~35 mm之間時(shí)，爆速變化很大；當(dāng)裝藥直徑大于35 mm后，爆速基本保持不變，因此可認(rèn)為其極限直徑為35 mm左右。而對于PVC管裝藥，裝藥直徑在15～28 mm之間時(shí)，爆速變化最大，裝藥直徑大于35 mm時(shí)爆速變化趨于平緩，可認(rèn)為其極限直徑也為35 mm左右。

以上現(xiàn)象說明，裝藥直徑越接近臨界直徑時(shí)對爆速的影響越大，反之裝藥直徑越接近極限直徑時(shí)對爆速的影響越小。造成該現(xiàn)象的原因是藥卷在非密閉狀況下起爆后產(chǎn)生的高溫、高壓氣體發(fā)生徑向膨脹，從而引起徑向稀疏波，徑向稀疏波把圓柱形的化學(xué)反應(yīng)區(qū)分成側(cè)向擴(kuò)散影響區(qū)和有效反應(yīng)區(qū)，藥卷直徑愈小，有效反應(yīng)區(qū)厚度就愈小，有效反應(yīng)區(qū)釋放出用以維持爆轟波穩(wěn)定傳爆的能量就愈少，炸藥爆速和爆轟波壓力也就相應(yīng)降低。當(dāng)裝藥直徑小于臨界裝藥直徑時(shí)，側(cè)向擴(kuò)散很快影響到藥卷中心，有效反應(yīng)區(qū)變得很小，釋出能量不足以維持穩(wěn)定傳爆，形成不穩(wěn)定傳爆，甚至爆轟中斷。

2.3 約束條件對乳化炸藥爆速的影響

為進(jìn)一步研究約束條件對乳化炸藥爆速的影響，將不同裝藥方式的炸藥爆速和裝藥直徑數(shù)據(jù)加以處理作圖4。

圖4 不同約束條件下炸藥爆速和裝藥直徑的關(guān)系

從圖4中曲線可以看出，約束條件不同，乳化炸藥的臨界裝藥直徑不同，極限直徑相近，采用牛皮紙裝藥的藥卷臨界直徑接近20 mm，采用PVC管裝藥的藥卷臨界直徑在18 mm左右，兩者極限裝藥直徑接近35 mm；同一裝藥直徑下，不同約束條件下炸藥爆速不同，采用牛皮紙裝藥的藥卷爆速要低于采用PVC管裝藥的藥卷爆速。這種情況說明約束條件影響乳化炸藥爆速，約束條件的存在減少了徑向稀疏波造成的反應(yīng)區(qū)能量損耗，提高了乳化炸藥爆速，與牛皮紙相比，PVC管對炸藥的約束更好一些。

3 結(jié)論

（1）乳化炸藥爆轟過程中存在一個(gè)臨界直徑和極限直徑，裝藥直徑小于臨界直徑時(shí)，乳化炸藥不能產(chǎn)生爆轟，產(chǎn)生拒爆現(xiàn)象；當(dāng)裝藥直徑大于極限直徑時(shí)，乳化炸藥爆速隨裝藥直徑的變化不再變化，乳化炸藥形成穩(wěn)定爆轟。

（2）在本實(shí)驗(yàn)條件下采用牛皮紙裝藥，乳化炸藥的藥卷臨界直徑為20 mm左右，PVC管裝藥的藥卷臨界直徑為18mm左右，兩者極限裝藥直徑均為35mm左右。

（3）炸藥爆轟的臨界直徑和極限直徑除了與炸藥本身的性質(zhì)相關(guān)外，約束條件對臨界直徑和炸藥的極限直徑也有一定的影響，這主要是由不同的約束條件下造成的側(cè)向稀疏波的能量損耗不同所致。