謝 鍇，程愛寶，陳昊彬，3

（1.湖南安全技術(shù)職業(yè)學院，湖南 長沙 410151；2.長沙煤礦安全技術(shù)培訓中心，湖南 長沙 410151；3.國家安全監(jiān)管監(jiān)察綜合執(zhí)法實訓中南基地，湖南 長沙 410151）

水介質(zhì)不耦合裝藥爆破技術(shù)與常規(guī)的空氣介質(zhì)不耦合裝藥爆破技術(shù)相比較，具有應用范圍廣、裝藥量少、爆破振動小、施工簡單、施工成本低和爆破煙塵少［1～5］，在施工過程中能有效節(jié)約20%乳化炸藥使用量等優(yōu)勢［6，7］，該技術(shù)在國內(nèi)外礦山開采工程中有著廣泛的應用。

然而，目前水介質(zhì)不耦合爆炸過程的相關(guān)理論還不完善，曾有學者提出水介質(zhì)非耦合裝藥爆炸反應機理是水介質(zhì)吸收乳化炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生的熱輻射，導致水介質(zhì)熱分解，生成大量氫氣和氧氣，隨后氫氣與氧氣等氣體反應發(fā)生二次爆炸，該反應過程可產(chǎn)生高達4 000℃的爆溫，比常規(guī)空氣介質(zhì)爆炸產(chǎn)生的爆溫高約1 000℃［8］，但該理論還存在諸多爭論。

現(xiàn)以現(xiàn)有爆炸理論和技術(shù)為基礎，通過開展水介質(zhì)不耦合裝藥爆炸與常規(guī)空氣介質(zhì)不耦合裝藥爆炸對比研究，進行爆炸超壓檢測、爆炸過程觀測和爆生氣體化學成分定性分析等試驗，探究其反應機理。

1 試驗設備及試驗方法

1.1 試驗設備

定制100 g TNT當量膠囊型爆炸倉，內(nèi)徑1 000 mm，內(nèi)高700 mm。電荷放大器、HDO4034力科數(shù)字示波器、CY-YD-202壓電式壓力傳感器、CYYD-202自由場壓力傳感器、Photron SA1.1高速攝影機、7820A-6977E安捷倫氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀、TD1198-CO泵吸式一氧化碳檢測儀。

1.2 試驗方法

水介質(zhì)不耦合裝藥爆炸試驗過程為：分別取50 g乳化炸藥，水袋裝自來水15 g，乳化炸藥懸掛于定制爆炸倉中心位置，其上端連接電子雷管，下端與水袋上端相連。

常規(guī)空氣介質(zhì)不耦合裝藥爆炸對照試驗裝藥過程為：取50 g乳化炸藥，其余試驗參數(shù)與水介質(zhì)不耦合裝藥爆破試驗一致。

超壓試驗：將超壓試驗傳感器固定在爆炸倉內(nèi)壁，水平高度與乳化炸藥與水袋連接點平齊，開機預熱10 min，藥柱要炸后，分析波譜［9］。

高速攝影觀測試驗：將高速攝影機與補光燈分別放置在爆炸倉觀測窗口進行觀測與補光，采用手動觸發(fā)模式，拍攝速率9 000 fps，記錄觸發(fā)前2 s內(nèi)的影像。

氣體成分定性分析：抽取氣體1 mL，分離柱為非極性柱，進樣口100℃，四極桿230℃，柱溫箱起始溫度35℃，終止溫度280℃，程序升溫35℃保持3 min，隨后以20℃/min速率升溫直至280℃。在常溫常壓下自然抽氣方式進行一氧化碳濃度檢測，抽氣速率1 mL/s。

2 試驗結(jié)果與分析

試驗材料組分含量見表1。

表1 試驗材料組分含量

2.1 爆熱計算

對照樣的爆炸反應方程為：

試驗樣的爆炸反應方程為：

根據(jù)上述反應方程，對照樣爆炸反應后可產(chǎn)生氣體2.086 1 mol，試驗樣爆炸反應后可產(chǎn)生氣體2.919 5 mol，試驗樣產(chǎn)氣量為對照樣的1.4倍。

2.2 爆溫計算

乳化炸藥的爆熱為3 407.68 kJ/kg，50 g乳化炸藥的爆熱為170.38 kJ。利用爆炸反應方程確定系數(shù)A和B，其中，對于H2O、N2、CO、CO2和Na2O的取值見表2。

表2 爆炸產(chǎn)物的平均比熱容

爆溫計算公式：

式中：TB為爆溫/K；Qv為爆熱/kJ。

計算得對照樣爆溫2 570 K，試驗樣爆溫為2 079 K，試驗樣較對照樣爆溫降低19.1%。

2.3 準靜態(tài)壓力計算

巖石用乳化炸藥密度1.2 g/cm3，水的密度取1 g/cm3，體積取56.67 cm3。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計算可得，爆炸反應后對照樣和試驗樣的準靜態(tài)壓力分別為7.87 MPa、8.9 MPa。試驗樣產(chǎn)生的準靜態(tài)壓力是對照樣的1.13倍。

2.4 超壓試驗結(jié)果分析

計算沖擊波峰值超壓公式：

式中：Vmax為DSO顯示的峰值電壓/mV；K為電荷放大器的增益/mV·pC-1，取值10；Sq為傳感器的壓力-電荷靈敏度/pC·MPa-1，取值189.5。

超壓試驗結(jié)果見表3，p-t曲線如圖1所示。

表3 超壓試驗結(jié)果

圖1 p-t曲線

炸藥在爆炸容器內(nèi)爆炸后，沖擊波在爆炸倉內(nèi)發(fā)生多次反射，進而在p-t曲線圖中出現(xiàn)多個峰值，試驗樣的第一個超壓峰值主要由乳化炸藥爆炸產(chǎn)生，第二個峰值較高的主要原因是水介質(zhì)氣化導致。波形隨著能量的散失，p-t曲線逐漸趨平，試驗樣能有效延長超壓作用時間。根據(jù)表3數(shù)據(jù)分析，試驗樣爆炸產(chǎn)生的超壓比對照樣高6%。

2.5 高速攝影觀測試驗結(jié)果分析

試驗樣與對照樣爆炸過程高速攝影觀測結(jié)果見表4。

表4 高速攝影觀測結(jié)果

對照樣從起爆至火光消失總耗時1.55 ms，并有渾濁的爆生氣體產(chǎn)生。試驗樣從起爆至火光消失總耗時0.78 ms，未生成明顯渾濁的爆生氣體。與對照樣相比，試驗樣能有效吸收乳化炸藥爆炸產(chǎn)生的熱能，起爆至火光消失過程所需時間縮短49.6%，并能有效降低爆生氣體的渾濁度，但未觀測到二次爆炸反應的發(fā)生。

2.6 氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC/MS）檢測結(jié)果分析

氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC/MS）檢測分析結(jié)果如圖2、圖3所示。

根據(jù)圖2、圖3分析，試驗樣與對照樣在爆炸后的氣體成分相似，對照樣中主要含有O2（m/z16，32），CO（m/z12，16，28，29），N2（m/z14，28），H2O（m/z17，18），試驗樣中主要含有CO2（m/z22，28，29，44），O2（m/z16，32），CO（m/z12，16，28，29），N2（m/z14，28），H2O（m/z17，18）。試驗樣中上述氣體總濃度、CO2濃度、水蒸汽濃度略高于對照樣。對照樣中CO來源與乳化炸藥包覆膜、有機添加劑有關(guān)，試驗樣中CO含量略高于對照樣的原因是塑料水袋燃燒反應產(chǎn)生。藥柱爆炸后爆炸倉內(nèi)處于富氧環(huán)境，但仍有CO未與O2反應生成CO2，根據(jù)Mallard-Lechatelier爆炸理論可得在有大量CO和O2存在時，不會有大量的H2產(chǎn)生。

圖2 對照樣的氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀檢測結(jié)果

圖3 試驗樣的氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀檢測結(jié)果

3 結(jié) 論

1.與常規(guī)空氣介質(zhì)不耦合裝藥爆炸相比較，水介質(zhì)不耦合裝藥爆炸產(chǎn)生的超壓可提高6%，且作用時間更長。

2.水介質(zhì)能有效吸收爆炸熱輻射，減少因熱能散失導致的能量損失，從引爆至火光消失時間縮短49.6%，爆溫降低19.1%，但未檢測到二次爆炸的發(fā)生。該技術(shù)適用于需要將爆溫控制在2 000～2 500℃的高粉塵礦山爆破。

3.水介質(zhì)不耦合裝藥爆炸機理為：藥柱爆炸時水介質(zhì)吸收爆炸產(chǎn)生的熱輻射和沖擊波能量瞬間氣化，沖擊波粉碎炮孔巖壁后，氣體介質(zhì)做體積功，隨炮孔體積增大，炮孔內(nèi)壓力低于水蒸氣相變點時，水蒸氣迅速冷凝液化，形成小液滴吸收煙塵。