高玉剛，趙曉莉，徐 龍，夏 斌，吳國(guó)群，

（1.煤炭科學(xué)研究總院爆破技術(shù)研究所，安徽 淮北，235039；2.煤炭科學(xué)研究總院沈陽(yáng)研究院，遼寧 撫順，113001）

炸藥爆炸時(shí)粉碎和破壞與其接觸介質(zhì)的能力稱為炸藥的猛度[1]。炸藥爆炸作用在和炸藥接觸或與炸藥接近的部位，在這些部位爆炸產(chǎn)物壓力和能量密度都很大，隨著距爆炸點(diǎn)距離的增加，破壞作用迅速減弱。炸藥的猛度對(duì)于武器設(shè)計(jì)和工程爆破均具有實(shí)際意義。由于巖體或礦體的堅(jiān)硬程度以及性質(zhì)不同，在工程爆破中，為獲得一定塊度的礦巖，應(yīng)根據(jù)礦巖的性質(zhì)來(lái)選用合適猛度的炸藥，否則可能造成巖石的過(guò)份粉碎或較高的大塊率，甚至一些大塊需二次爆破，造成一定的安全隱患及爆破成本增加。

我國(guó)西部地區(qū)資源豐富，因此需要在西部高原地區(qū)修建鐵路、公路和開(kāi)采礦山，以促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和方便人們出行。如青藏鐵路的修建[2-3]。但西部地區(qū)海拔較高，海拔大部分在3 000m以上，由于不少工程項(xiàng)目需要采用爆破，因此對(duì)爆破器材與技術(shù)有了特殊的要求。目前關(guān)于海拔高度對(duì)炸藥做功能力影響的研究很少，因此研究高原地區(qū)的炸藥爆炸能量具有重要的理論和實(shí)踐意義。根據(jù)物理學(xué)原理，在海拔 5 000m以下，大氣壓力每降低100Pa，海拔升高9.5m[4]，由于在高海拔環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不容易，因此依據(jù)此規(guī)律分別模擬海拔500m、1 500m、2 500m、3 500m、4 500m高度，探究不同海拔高度對(duì)炸藥猛度的影響。

1 相關(guān)理論及實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 猛度的測(cè)試

炸藥猛度的測(cè)試方法主要有鉛柱壓縮法、銅柱壓縮法、平板炸孔試驗(yàn)和猛度彈道擺試驗(yàn)。其中鉛柱壓縮法[5]又稱黑斯猛度試驗(yàn)法，于1876年提出。該方法要求在規(guī)定參量(質(zhì)量、密度和幾何尺寸)條件下，炸藥裝藥爆炸對(duì)鉛柱進(jìn)行壓縮，以壓縮值來(lái)衡量炸藥的猛度。鉛柱壓縮按式（1）計(jì)算：

式（1）中：△h為鉛柱壓縮值，mm；h0為試驗(yàn)前鉛柱平均高度值，mm；h1為試驗(yàn)后鉛柱平均高度值，mm。

1.2 高海拔條件的模擬

本文通過(guò)模擬高海拔環(huán)境，研究高原環(huán)境對(duì)不同工業(yè)炸藥（乳化炸藥和粉狀炸藥）猛度的影響。

1.2.1 海拔高度與大氣壓力的關(guān)系

海拔與所對(duì)應(yīng)的大氣壓力呈線性關(guān)系，由于各處溫度、重力加速度的不同，導(dǎo)致不同資料中顯示的數(shù)據(jù)略有不同，但出入較小，都遵循海拔升高9.5m 氣壓降低 100Pa 這一規(guī)律[4]，故本文實(shí)驗(yàn)采用這一標(biāo)準(zhǔn)。圖1是氣壓與海拔關(guān)系對(duì)照?qǐng)D（由于原始數(shù)據(jù)只提供了2 500m 以下的氣壓值，分析這些數(shù)據(jù)是呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r2=0.998 6；2 500～4 500m 的數(shù)據(jù)為外推值）。

圖1 海拔高度與大氣壓力關(guān)系Fig.1 The relationship between altitude and air pressure

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

本文選用了膨化硝銨炸藥和三級(jí)煤礦許用乳化炸藥為研究對(duì)象。根據(jù)物理學(xué)原理，在海拔 5 000m以下，大氣壓力每降低100Pa，海拔升高9.5m。依據(jù)此規(guī)律，采用如圖2所示的爆炸容器，以抽取彈筒內(nèi)氣壓的形式模擬不同海拔高度。在實(shí)驗(yàn)中抽取的氣壓分別為5 300 Pa、15 900Pa、26 500Pa、37 100Pa、47 700Pa，分別模擬海拔500m、1 500m、2 500m、3 500m、4 500m高度。實(shí)驗(yàn)裝置的布置如圖3所示。

圖2 爆炸容器裝置實(shí)物圖Fig.2 Photo of explosion container

圖3 測(cè)試裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of testing device

2 炸藥猛度測(cè)試與分析

2.1 模擬高海拔下炸藥猛度測(cè)試條件

測(cè)試場(chǎng)所：爆炸容器（容積不小于50L的爆炸彈筒密閉彈筒，見(jiàn)圖2）。

游標(biāo)卡尺：分度值0.02mm；天平：感量0.1g；鋼板尺：長(zhǎng)度1m，分度值1mm。

真空泵：抽氣速率為3.6m3/h，極限壓力為2Pa。

真空表：精度為1.5級(jí)，滿足實(shí)驗(yàn)抽取壓力精度要求。

2.2 猛度測(cè)試程序

（1）試樣準(zhǔn)備。稱取(50±0.1)g炸藥，裝入自制直徑為40mm的紙筒中，然后將紙筒放入專用銅模中進(jìn)行壓藥，膨化硝銨炸藥密度控制在(1.00±0.03)g/cm3。用直徑為7.5mm的專用沖子，在裝藥中壓一個(gè)深15mm的小孔，用于插入雷管。

（2）測(cè)量鉛柱。在鉛柱一橫斷面處，通過(guò)圓心鉛筆輕輕畫十字線，并注明序號(hào)，用游標(biāo)卡尺沿十字線依次測(cè)量，取4個(gè)值的算術(shù)平均值作為試驗(yàn)前鉛柱高度，用h0表示（精確到0.02mm）。

（3）按圖3所示安放裝置，鋼底座放于模擬高海拔爆炸容器中，依次放置鉛柱、鋼片、炸藥裝藥，使系統(tǒng)在同一軸線上，用線將裝置系統(tǒng)固定在鋼底座上，插入8號(hào)雷管，雷管腳線引出，密封爆炸容器。

（4）用真空泵抽取爆炸容器中的空氣，通過(guò)真空壓力表顯示的數(shù)據(jù)，達(dá)到模擬海拔高度所需的真空度，迅速關(guān)閉真泵及各閥門，確認(rèn)系統(tǒng)連接完好后，立即進(jìn)行起爆。

（5）打開(kāi)爆炸容器，將取出的鉛柱擦拭干凈用游標(biāo)卡尺測(cè)量高度，并將系統(tǒng)的有毒氣體排出。對(duì)4個(gè)方向的鉛柱高度取算術(shù)平均值，用h1表示（精確到0.02mm）。

（6）重復(fù)操作1～5，進(jìn)行其它海拔高度的猛度試驗(yàn)。

2.3 測(cè)試結(jié)果處理與分析

模擬不同海拔高度對(duì)兩種工業(yè)炸藥分別進(jìn)行猛度測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果按公式（1）進(jìn)行計(jì)算，得到膨化硝銨炸藥與三級(jí)煤礦許用乳化炸藥猛度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別見(jiàn)表1和表2。

表1 不同海拔高度下膨化硝銨炸藥猛度Tab.1 Brisance of expanded ammonium nitrate explosive at different elevation

表2 不同海拔高度下三級(jí)乳化炸藥猛度Tab.2 Brisance of class 3 coal mine permissible emulsion explosive at different elevation

圖4 不同模擬海拔高度下膨化硝銨炸藥猛度Fig.4 Brisance of expanded ammonium nitrate explosive at different simulated elevation environment

對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可見(jiàn)，在模擬海拔4 500m內(nèi)，膨化硝銨炸藥的猛度隨著模擬海拔高度的增加，始終在13mm左右浮動(dòng)，不超過(guò)0.5mm，并沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。這與膨化硝銨炸藥的結(jié)構(gòu)及其生產(chǎn)工藝有一定的聯(lián)系。膨化炸藥的生產(chǎn)工藝是依據(jù)減壓蒸發(fā)原理將膨化硝銨進(jìn)行膨化結(jié)晶的過(guò)程，通過(guò)改變硝酸銨的晶型結(jié)構(gòu)，增大比表面積，提高顆粒表面的“粗糙”程度，并使其含有一定的“空隙”或“氣穴”，以提高自身敏化程度[6-7]。膨化硝銨炸藥的起爆機(jī)理符合“熱點(diǎn)”起爆機(jī)理，膨化硝銨是一種晶體畸形、結(jié)構(gòu)蓬松、表面粗糙、多孔穴、多裂紋、多孔隙的“蜂窩”片狀晶體。這種晶體結(jié)構(gòu)包含了適量微小氣泡，從而形成了爆炸反應(yīng)所需要的足夠多的“熱點(diǎn)”[7-8]。

本文通過(guò)降低密閉爆炸容器中壓力達(dá)到模擬高海拔環(huán)境，由于膨化炸藥自身生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，此時(shí)密閉容器中壓力的減小對(duì)膨化炸藥的性能影響很小，所以隨著密閉容器壓力的降低，即模擬海拔高度的增加，膨化炸藥的猛度值變化不明顯。

對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可見(jiàn)，在模擬海拔4 500m內(nèi)，三級(jí)煤礦許用乳化炸藥的猛度隨著模擬海拔高度的增加而增大，通過(guò)線性曲線擬合，得線性方程為其線性相關(guān)系數(shù)r2為0.947 8，三級(jí)乳化炸藥與海拔高度呈線性關(guān)系。三級(jí)乳化炸藥的猛度隨海拔高度的增大而增大，這與乳化炸藥的爆轟機(jī)理有關(guān)。當(dāng)常壓下敏化的炸藥放置在負(fù)壓（低于常壓）環(huán)境下時(shí)，大量小于熱點(diǎn)最小半徑的氣泡有所增大，使此乳化炸藥的熱點(diǎn)增多，單位質(zhì)量的炸藥釋放的能量增大，從而提高了炸藥的猛度。因此，隨著海拔高度的增加，達(dá)到熱點(diǎn)半徑的氣泡增多，乳化炸藥的猛度出現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在高原地區(qū)進(jìn)行工程爆破時(shí)，炸藥單耗要稍微降低或者加強(qiáng)防護(hù)，擴(kuò)大安全距離，以防出現(xiàn)安全事故，此結(jié)果對(duì)工程爆破具有實(shí)踐價(jià)值。

圖5 不同模擬海拔高度下三級(jí)乳化炸藥猛度Fig.5 Brisance of class 3 coal mine permissible emulsion explosive at different simulated elevation environment

3 結(jié)論

通過(guò)模擬不同海拔高度研究?jī)煞N工業(yè)炸藥的猛度變化，得出以下結(jié)論：

（1）海拔高度對(duì)兩種不同性質(zhì)的工業(yè)炸藥猛度影響呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。

（2）膨化炸藥的猛度值隨海拔高度的增加基本不發(fā)生變化，這與膨化炸藥本身結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝有一定聯(lián)系。

（3）乳化炸藥猛度值隨海拔高度的增加而增大。由于海拔高度增加，炸藥熱點(diǎn)增多，炸藥猛度增大。

（4）在高海拔環(huán)境，乳化炸藥猛度增大，因此在進(jìn)行爆破參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，炸藥單耗可以稍微減小或加強(qiáng)防護(hù)，并擴(kuò)大安全距離。

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