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。
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。
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。
試驗材料組分含量見表1。
表1 試驗材料組分含量
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。
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%。
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。
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%。
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。
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
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。