謝 鍇，程愛(ài)寶，陳昊彬，3

（1.湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151；2.長(zhǎng)沙煤礦安全技術(shù)培訓(xùn)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410151；3.國(guó)家安全監(jiān)管監(jiān)察綜合執(zhí)法實(shí)訓(xùn)中南基地，湖南 長(zhǎng)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(yīng)用范圍廣、裝藥量少、爆破振動(dòng)小、施工簡(jiǎn)單、施工成本低和爆破煙塵少［1～5］，在施工過(guò)程中能有效節(jié)約20%乳化炸藥使用量等優(yōu)勢(shì)［6，7］，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外礦山開(kāi)采工程中有著廣泛的應(yīng)用。

然而，目前水介質(zhì)不耦合爆炸過(guò)程的相關(guān)理論還不完善，曾有學(xué)者提出水介質(zhì)非耦合裝藥爆炸反應(yīng)機(jī)理是水介質(zhì)吸收乳化炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生的熱輻射，導(dǎo)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(yīng)發(fā)生二次爆炸，該反應(yīng)過(guò)程可產(chǎn)生高達(dá)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(zhēng)論。

現(xiàn)以現(xiàn)有爆炸理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)開(kāi)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(duì)比研究，進(jìn)行爆炸超壓檢測(cè)、爆炸過(guò)程觀測(cè)和爆生氣體化學(xué)成分定性分析等試驗(yàn)，探究其反應(yīng)機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

定制100 g TNT當(dāng)量膠囊型爆炸倉(cāng)，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(chǎng)壓力傳感器、Photron SA1.1高速攝影機(jī)、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(cè)儀。

1.2 試驗(yàn)方法

水介質(zhì)不耦合裝藥爆炸試驗(yàn)過(guò)程為：分別取50 g乳化炸藥，水袋裝自來(lái)水15 g，乳化炸藥懸掛于定制爆炸倉(cāng)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(duì)照試驗(yàn)裝藥過(guò)程為：取50 g乳化炸藥，其余試驗(yàn)參數(shù)與水介質(zhì)不耦合裝藥爆破試驗(yàn)一致。

超壓試驗(yàn)：將超壓試驗(yàn)傳感器固定在爆炸倉(cāng)內(nèi)壁，水平高度與乳化炸藥與水袋連接點(diǎn)平齊，開(kāi)機(jī)預(yù)熱10 min，藥柱要炸后，分析波譜［9］。

高速攝影觀測(cè)試驗(yàn)：將高速攝影機(jī)與補(bǔ)光燈分別放置在爆炸倉(cāng)觀測(cè)窗口進(jìn)行觀測(cè)與補(bǔ)光，采用手動(dòng)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(jìn)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(jìn)行一氧化碳濃度檢測(cè)，抽氣速率1 mL/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)材料組分含量見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)材料組分含量

2.1 爆熱計(jì)算

對(duì)照樣的爆炸反應(yīng)方程為：

試驗(yàn)樣的爆炸反應(yīng)方程為：

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

2.2 爆溫計(jì)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(yīng)方程確定系數(shù)A和B，其中，對(duì)于H2O、N2、CO、CO2和Na2O的取值見(jiàn)表2。

表2 爆炸產(chǎn)物的平均比熱容

爆溫計(jì)算公式：

式中：TB為爆溫/K；Qv為爆熱/kJ。

計(jì)算得對(duì)照樣爆溫2 570 K，試驗(yàn)樣爆溫為2 079 K，試驗(yàn)樣較對(duì)照樣爆溫降低19.1%。

2.3 準(zhǔn)靜態(tài)壓力計(jì)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(jì)算可得，爆炸反應(yīng)后對(duì)照樣和試驗(yàn)樣的準(zhǔn)靜態(tài)壓力分別為7.87 MPa、8.9 MPa。試驗(yàn)樣產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力是對(duì)照樣的1.13倍。

2.4 超壓試驗(yàn)結(jié)果分析

計(jì)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，p-t曲線如圖1所示。

表3 超壓試驗(yàn)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(cāng)內(nèi)發(fā)生多次反射，進(jìn)而在p-t曲線圖中出現(xiàn)多個(gè)峰值，試驗(yàn)樣的第一個(gè)超壓峰值主要由乳化炸藥爆炸產(chǎn)生，第二個(gè)峰值較高的主要原因是水介質(zhì)氣化導(dǎo)致。波形隨著能量的散失，p-t曲線逐漸趨平，試驗(yàn)樣能有效延長(zhǎng)超壓作用時(shí)間。根據(jù)表3數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)樣爆炸產(chǎn)生的超壓比對(duì)照樣高6%。

2.5 高速攝影觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)樣與對(duì)照樣爆炸過(guò)程高速攝影觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 高速攝影觀測(cè)結(jié)果

對(duì)照樣從起爆至火光消失總耗時(shí)1.55 ms，并有渾濁的爆生氣體產(chǎn)生。試驗(yàn)樣從起爆至火光消失總耗時(shí)0.78 ms，未生成明顯渾濁的爆生氣體。與對(duì)照樣相比，試驗(yàn)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(guò)程所需時(shí)間縮短49.6%，并能有效降低爆生氣體的渾濁度，但未觀測(cè)到二次爆炸反應(yīng)的發(fā)生。

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

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

根據(jù)圖2、圖3分析，試驗(yàn)樣與對(duì)照樣在爆炸后的氣體成分相似，對(duì)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(yàn)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(yàn)樣中上述氣體總濃度、CO2濃度、水蒸汽濃度略高于對(duì)照樣。對(duì)照樣中CO來(lái)源與乳化炸藥包覆膜、有機(jī)添加劑有關(guān)，試驗(yàn)樣中CO含量略高于對(duì)照樣的原因是塑料水袋燃燒反應(yīng)產(chǎn)生。藥柱爆炸后爆炸倉(cāng)內(nèi)處于富氧環(huán)境，但仍有CO未與O2反應(yīng)生成CO2，根據(jù)Mallard-Lechatelier爆炸理論可得在有大量CO和O2存在時(shí)，不會(huì)有大量的H2產(chǎn)生。

圖2 對(duì)照樣的氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀檢測(cè)結(jié)果

圖3 試驗(yàn)樣的氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀檢測(cè)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(shí)間更長(zhǎng)。

2.水介質(zhì)能有效吸收爆炸熱輻射，減少因熱能散失導(dǎo)致的能量損失，從引爆至火光消失時(shí)間縮短49.6%，爆溫降低19.1%，但未檢測(cè)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(jī)理為：藥柱爆炸時(shí)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(diǎn)時(shí)，水蒸氣迅速冷凝液化，形成小液滴吸收煙塵。