劉曉文，高玉剛

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北京北礦億博科技有限責(zé)任公司，北京 100160；3.中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司，安徽 淮北 235000)

目前，國內(nèi)工業(yè)炸藥生產(chǎn)普遍采用連續(xù)生產(chǎn)工藝，炸藥在制造、裝藥以及包裝等工序間大多采用輸送帶輸送，一些乳化炸藥生產(chǎn)線上，制成的藥卷還需要在水下輸送以達(dá)到冷卻藥卷的目的。由于這些生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)產(chǎn)能較大(很多在1萬t/年以上)，輸送帶上的炸藥量也較大(數(shù)百千克以上)，若不能采取有效防止殉爆發(fā)生的措施，一旦發(fā)生意外爆炸，可能導(dǎo)致整條輸送帶上的炸藥發(fā)生殉爆，甚至波及相鄰工序，勢必會(huì)造成重大事故，亟需開展炸藥在水中殉爆特性研究。在軍事上，可通過炸藥在水下爆炸殉爆摧毀敵方水下武器，分析水下兵器與來襲兵器安全距離和殉爆距離，可為水下兵器安全設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)[1]。

有關(guān)炸藥在空氣介質(zhì)中的殉爆特性研究測試開展的較多，余德運(yùn)等[2]對(duì)現(xiàn)場混裝銨油炸藥(ANFO)在炮孔中進(jìn)行殉爆試驗(yàn)，起爆體安裝在下部裝藥中引爆，觀察是否引起上部裝藥殉爆，試驗(yàn)結(jié)果表明在露天礦干燥鈣質(zhì)硅酸鹽和覆蓋砂層臺(tái)階爆破時(shí)，采用空氣分段間隔裝藥，大孔徑(311 mm)炮孔比小孔徑(165 mm)炮孔的殉爆距離更大。李奇安[3]針對(duì)低溫敏化乳化生產(chǎn)線，探討了一種在雙層連續(xù)敏化機(jī)與送藥皮帶間，對(duì)連續(xù)、無間隔的乳化炸藥進(jìn)行分割，防止乳化炸藥在生產(chǎn)或敏化過程中發(fā)生傳爆與殉爆的裝置。岳紀(jì)煒等[4]針對(duì)炸藥廠內(nèi)各工序間距離受限，可能導(dǎo)致工業(yè)炸藥與生產(chǎn)工房內(nèi)存藥發(fā)生殉爆的問題，研制出一種組合隔爆墻用來替代防爆土堤，該裝置可有效起到抗爆、防殉爆效果。唐平等[5]通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)國內(nèi)外有關(guān)殉爆材料、防殉爆技術(shù)以及火工品運(yùn)輸貯存過程中防殉爆安全技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié)，得到防爆材料、防爆技術(shù)改進(jìn)以及防爆裝置低成本設(shè)計(jì)的一些方法。高玉剛[6]對(duì)乳化炸藥生產(chǎn)線中的乳化基質(zhì)平鋪、敏化后的平鋪及成箱藥卷輸送等5種情況分別進(jìn)行殉爆試驗(yàn)，得到在不同情況下對(duì)應(yīng)的殉爆距離。李啟月等[7]采用無縫鋼管模擬乳化炸藥在炮孔約束條件下的殉爆試驗(yàn)研究，得到約束條件越強(qiáng)，乳化炸藥的殉爆距離越小。施維等[8]通過改變?nèi)榛ㄋ幍臄[放方式，測試乳化炸藥在不同擺放方式情況下的殉爆距離。而有關(guān)炸藥在水介質(zhì)中的殉爆特性研究還不多見，受試驗(yàn)條件所限，目前還未有系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。本文結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)，對(duì)炸藥在水介質(zhì)中的殉爆特性進(jìn)行分析。

1 殉爆機(jī)理

炸藥發(fā)生爆轟時(shí)，引起相鄰炸藥爆炸的現(xiàn)象叫殉爆。李錚等[9]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不敏感的炸藥，主要是由于爆轟產(chǎn)物的沖擊使被發(fā)炸藥產(chǎn)生熱點(diǎn)，從而導(dǎo)致爆炸或爆轟，爆轟產(chǎn)物是一種混合物，既有固體顆粒(如炭顆粒)，又有多種氣體(如N2、CO2、CO、H2O、NOx等)；而敏感炸藥殉爆主要是沖擊波超壓和正壓作用時(shí)間的作用下引發(fā)爆轟。炸藥殉爆要經(jīng)歷“燃燒—加速燃燒—爆炸”的反應(yīng)過程，當(dāng)被發(fā)裝藥受到主發(fā)裝藥爆炸產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物作用時(shí)，其表面溫度升高直至發(fā)生局部分解，分解熱引起炸藥燃燒，燃燒放熱進(jìn)一步使溫度升高，燃速加快，并沿著孔隙傳遞到炸藥內(nèi)部；同時(shí)，沖擊波壓縮孔隙內(nèi)的空氣，形成熱點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)生急劇的化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生加速燃燒直至整個(gè)炸藥爆炸[10]。炸藥在水介質(zhì)中殉爆機(jī)理更為復(fù)雜，可能引發(fā)殉爆的原因有主發(fā)裝藥爆炸產(chǎn)生沖擊波、爆轟產(chǎn)物直接作用、氣泡、二次壓力波等[1]。

2 引起殉爆的原因

2.1 主發(fā)裝藥的爆轟產(chǎn)物直接沖擊被發(fā)裝藥[11]

當(dāng)兩裝藥之間的介質(zhì)密度很小(如空氣)，并且兩裝藥間距離較近時(shí)，主發(fā)裝藥爆轟時(shí)產(chǎn)生的物質(zhì)能直接作用在被發(fā)裝藥上，引起被發(fā)裝藥的爆轟。

2.2 主發(fā)裝藥爆轟時(shí)，拋射出的物體沖擊被發(fā)裝藥[11-13]

當(dāng)主發(fā)裝藥被金屬材質(zhì)的外殼包裝時(shí)，在主發(fā)裝藥爆炸的高溫高壓作用下，金屬材質(zhì)的包裝殼會(huì)被瞬間氣化，形成金屬射流作用在被發(fā)裝藥上引起被發(fā)裝藥爆轟。

2.3 主發(fā)裝藥爆轟時(shí)，在惰性介質(zhì)中形成的沖擊波沖擊被發(fā)裝藥[14]

主發(fā)裝藥爆炸時(shí)壓力急劇增大，作用于周圍空氣，形成空氣沖擊波超壓。沖擊波作用于被發(fā)裝藥上，就能引起被發(fā)裝藥爆轟。

在實(shí)際工程爆破中，引起殉爆的原因可能是以上某一原因，也可能是以上多種因素的綜合。在水介質(zhì)中，引起炸藥殉爆的主要原因是沖擊波的作用。

3 影響炸藥殉爆特性的因素

影響殉爆的主要因素有炸藥爆炸沖擊波超壓、溫度、藥量和裝藥直徑、高溫高壓產(chǎn)物的沖擊能量、被發(fā)裝藥的裝藥密度、感度、形狀和擺放方式、惰性介質(zhì)的性質(zhì)等。

3.1 溫度對(duì)殉爆的影響

炸藥試樣溫度較高，越容易產(chǎn)生殉爆，對(duì)應(yīng)的殉爆距離越大。因此，在炸藥生產(chǎn)線輸送帶上的炸藥藥卷經(jīng)水冷卻后，理論上其殉爆距離將變小，即相同的藥卷距離下發(fā)生殉爆的可能性將變小。文獻(xiàn)[15]指出硝銨炸藥在0 ℃條件下比常溫下的殉爆距離稍低；乳化炸藥在-15～-20 ℃條件下，殉爆距離比常溫下下降10～20 mm，當(dāng)溫度降低至-25 ℃以下時(shí)，殉爆距離大幅度降低。

3.2 與藥卷間惰性介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)

文獻(xiàn)[11]表明，不同的惰性介質(zhì)，在沖擊波傳輸過程中由于其壓縮性不同，對(duì)炸藥的殉爆距離有很大影響。

試驗(yàn)樣品：主發(fā)裝藥為苦味酸，紙質(zhì)外殼裝藥，其藥量為50 g，被發(fā)裝藥為苦味酸，裝藥密度相同的情況下，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同介質(zhì)的殉爆距離

由表1可以看出，炸藥在水中的殉爆距離比在空氣中大。由于水介質(zhì)的近似不可壓縮性，水下沖擊波衰減比空氣慢，所以炸藥在水中殉爆的可能性比在空氣中大。

3.3 與藥卷的擺放形式有關(guān)

炸藥藥包的擺放形式不同，其殉爆距離也不同。孫德勇等[14]測試乳化炸藥、膨化硝銨炸藥和改性銨油炸藥3個(gè)不同品種炸藥的軸向殉爆距離和徑向殉爆距離，指出炸藥擺放位置不同，被發(fā)裝藥接受主發(fā)裝藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波面積不同，兩藥包平行正對(duì)擺放時(shí)更容易殉爆，錯(cuò)開擺放位置越大，其殉爆距離會(huì)減小。文獻(xiàn)[16]指出，藥包的擺放位置關(guān)系到爆炸沖擊波和產(chǎn)物射流的沖擊方向，對(duì)殉爆效果影響較大，軸向共線擺放時(shí)效果最佳，軸向垂直效果最差，殉爆距離會(huì)減少4～5倍。

3.4 與藥卷質(zhì)量(或藥卷直徑)有關(guān)

增加主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥的質(zhì)量或增大裝藥直徑，將使主發(fā)裝藥產(chǎn)生的爆炸沖擊波強(qiáng)度增大、被發(fā)裝藥接受沖擊波的面積增大，其徑向殉爆距離也就增大。鄭孟菊等[17]設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)將一定質(zhì)量的特定炸藥，制成不同直徑的藥卷，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)藥卷直徑31 mm時(shí)殉爆距離為50 mm，當(dāng)藥卷直徑為40 mm時(shí)，殉爆距離增大至110 mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]TNT的試驗(yàn)結(jié)果(見表2)可見，隨著主發(fā)裝藥質(zhì)量的增加，殉爆距離也顯著增大。

表2 藥量對(duì)殉爆距離的影響

4 水下殉爆特性試驗(yàn)方法

胡宏偉等[18]根據(jù)炸藥在水中爆炸的特點(diǎn)，通過2種方式對(duì)炸藥在水介質(zhì)中的殉爆試驗(yàn)進(jìn)行判斷。實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，通過壓力傳感器測得炸藥在水下爆炸的沖擊波超壓值隨時(shí)間變化信號(hào)，再通過示波器將傳感器捕捉到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為波形圖，進(jìn)一步由專業(yè)軟件分析得出水中沖擊波壓力上升的時(shí)間、最大壓力值以及氣泡脈動(dòng)周期，從而判斷是否發(fā)生殉爆。

方式一：殉爆距離指當(dāng)主發(fā)裝藥爆轟時(shí)，可以將被發(fā)裝藥100%引爆的最大裝藥距離；殉爆安全距離指主發(fā)裝藥爆轟時(shí)，被發(fā)裝藥100%不被引爆的最小裝藥距離。

方式二：利用炸藥在水中爆炸產(chǎn)生的沖擊波和氣泡周期來判斷被發(fā)裝藥是否發(fā)生殉爆。設(shè)定2個(gè)裝藥與測點(diǎn)的距離，pm1表示主發(fā)裝藥產(chǎn)生的最大沖擊波壓力，tb1表示氣泡周期；當(dāng)被發(fā)裝藥殉爆時(shí)，pm2表示被發(fā)裝藥產(chǎn)生最大沖擊波壓力，tb2表示被發(fā)裝藥的氣泡周期；若被發(fā)裝藥B發(fā)生半爆，測量到?jīng)_擊波最大壓力pm3和氣泡脈動(dòng)周期為tb3。判斷是否發(fā)生殉爆的方法為：若pm2>pm1，tb2>tb1，則被發(fā)裝藥殉爆；若pm2>pm3>pm1，tb2>tb3>tb1，則被發(fā)裝藥半爆；若pm2=pm1，tb2=tb1，則被發(fā)裝藥未殉爆。

胡宏偉等[18]采用上述2種試驗(yàn)方法對(duì)水下爆破殉爆試驗(yàn)進(jìn)行探究，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法不僅能判斷炸藥是否發(fā)生殉爆現(xiàn)象，同時(shí)還可以定量反映殉爆的程度。通過這種試驗(yàn)方法，可以進(jìn)一步研究水介質(zhì)中主發(fā)裝藥與被發(fā)裝藥不同的擺放位置和不同藥卷直徑的殉爆距離。

Shigeru Itoh等[19]采用高速攝影與錳銅壓阻法2種方法，對(duì)高威力炸藥在水中的殉爆現(xiàn)象進(jìn)行直觀和定量的研究。采用高速攝影方法，以時(shí)間軸為參考系，用選定的時(shí)間間隔標(biāo)尺，對(duì)殉爆過程進(jìn)行高速攝影，分析主發(fā)裝藥爆炸產(chǎn)生水下沖擊波到達(dá)的時(shí)間L1與被發(fā)裝藥產(chǎn)生水下沖擊波到達(dá)的時(shí)間L2進(jìn)行動(dòng)態(tài)對(duì)比分析，以判斷是否發(fā)生殉爆或是否完全殉爆；錳銅壓阻法測量被發(fā)裝藥處的爆轟壓力，原理是利用錳銅材料電阻率小，電阻的變化與沖擊波壓力呈線性關(guān)系，通過試驗(yàn)測量得到壓力值，將測得的壓力值與炸藥正常爆炸的C-J面爆轟壓力值進(jìn)行比較，從而判斷被發(fā)裝藥是否被殉爆。2種實(shí)驗(yàn)方法相互佐證，對(duì)炸藥在水中殉爆研究提供了更多的研究方法。

5 水下沖擊波界面效應(yīng)對(duì)殉爆性能的影響

炸藥的沖擊波感度決定了其殉爆的難易程度，沖擊波在水中和空氣中的傳播具有不同的性質(zhì)，很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，主要從沖擊波傳播的速度、峰值壓力、沖量等物理參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。寧心等[20]設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，分別將0.2、0.5、1 kg TNT 在空氣和水下爆炸, 布置傳感器測得不同距離的爆炸特性參數(shù)；實(shí)驗(yàn)表明，測試距離相同的情況下，相同質(zhì)量的TNT爆炸產(chǎn)生的水下沖擊波的傳播速度是空氣沖擊波傳播速度的4倍左右；水下沖擊波峰值壓力是空氣中峰值壓力的230倍左右；水下沖擊波正向壓力作用時(shí)間短，其沖量是空氣中的10倍左右。傳播介質(zhì)密度不同，沖擊波的傳播速度和峰值壓力都不同，水下沖擊波比空氣中傳播的速度更快，傳播的距離更遠(yuǎn)，沖擊波峰值壓力更大，產(chǎn)生的破壞效應(yīng)更顯著。

由于界面效應(yīng)的作用，爆炸沖擊波會(huì)發(fā)生反射、折射、透射，如果主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥間存在不同的介質(zhì)，必然對(duì)殉爆距離產(chǎn)生影響。張社榮等[21]通過數(shù)值模擬的方式分別構(gòu)建水下和空氣中自由場，研究了自由界面對(duì)2種介質(zhì)下產(chǎn)生的爆炸沖擊波傳播特性的影響。研究結(jié)果表明，沖擊波受空氣與水界面作用，炸藥在自由面水下起爆時(shí)，界面反射波比透射波強(qiáng)度大，在反射沖擊波與入射波的共同作用下，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象；炸藥在自由面空中起爆時(shí)，界面透射波強(qiáng)度大于反射波，在反射沖擊波與入射波的共同作用下，沖擊波在近界面處有增強(qiáng)效應(yīng)。王奕鑫等[22]通過計(jì)算得出，在一定應(yīng)用范圍內(nèi)，淺水爆炸中無機(jī)械雜質(zhì)的水可承受約60 MPa的負(fù)壓，出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象，然后壓力迅速降低，產(chǎn)生沖擊波的截?cái)嘈?yīng)；進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以單發(fā)雷管在淺水下起爆，距雷管不同水平距離和深度布置傳感器，測得沖擊波壓力在某一時(shí)刻明顯減小，有截?cái)喱F(xiàn)象；受反射波的影響，測點(diǎn)深度越淺，反射波與透射波之間的夾角越小，對(duì)透射波的峰值和上升沿影響越大。

6 結(jié)論

1)炸藥在水中的殉爆距離比在空氣中大，即在水中的殉爆可能性比在空氣中大。

2)增加主發(fā)裝藥的質(zhì)量，將明顯提高被發(fā)裝藥的殉爆可能性。

3)在相同炸藥量，距炸藥藥包中心相同距離情況下，在水中爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力遠(yuǎn)大于在空中爆炸產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力。

4)炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波在空氣與水界面影響下，沖擊波會(huì)發(fā)生反射和透射，從而影響炸藥的殉爆距離。

盡管文獻(xiàn)顯示炸藥在水中的殉爆可能性比在空氣中大，但應(yīng)當(dāng)看到，由于試驗(yàn)條件與炸藥生產(chǎn)實(shí)際存在差異，還需通過一系列的模擬試驗(yàn)研究并進(jìn)行進(jìn)一步的分析才能客觀評(píng)估炸藥在水介質(zhì)中的殉爆特性。