4.炸药的氧平衡与热化学参数

4.1 炸药的氧平衡

(1)氧平衡是指炸药中所含可燃性元素完全氧化后炸药中多余或不足的氧量。


正氧平衡(OB>0):炸药内的含氧量除将可燃元素充分氧化之后尚有剩余,这类炸药称为正氧平衡炸药。正氧平衡炸药未能充分利用其中的氧量,且剩余的氧和游离氮化合时,将生成氮氧化物有毒气体,并吸收热量。

负氧平衡(OB<0):炸药内的含氧量不足以使可燃元素充分氧化,这类炸药称为负氧平衡炸药。这类炸药因氧量欠缺,未能充分利用可燃元素,放热量不充分,并且生成可燃性CO等有毒气体。

零氧平衡(OB=0):炸药内的含氧量恰好够可燃元素充分氧化,这类炸药称为零氧平衡炸药。零氧平衡炸药因氧和可燃元素都能得到充分利用,理想反应条件下,能放出最大热量,而且不会生成有毒气体。

(2)爆轰产物与有毒气体:爆轰产物是指炸药爆轰时,反应区反应终了瞬间的反应产物。爆轰产物组成成分很复杂,爆炸生成的产物主要有:H2O、CO2、CO和氮氧化物等气体,若炸药内含硫、氯和金属等时,产物中还会有硫化氢、氯化氢和金属氯化物等。

炸药爆炸生成的气体产物中,CO和氮氧化物都是有毒气体。炸药内含硫或硫化物时,还会生成H2S、SO2等有毒气体。

上述有毒气体进入人体呼吸系统后能引起中毒,就是所说的炮烟中毒。而且某些有毒气体对煤矿井下瓦斯起催爆作用(如氧化氮),或引起二次火焰(如CO),氮氧化物的毒性比CO大6.5倍。必须采取预防措施。

主要有:①使用合格炸药(地下应是零氧平衡),控制有害气体产生;②做好防水,确保装药填塞质量;③保证起爆能量,使装药完全爆轰;④加强通风,不留死角;⑤爆后,露天不小于5分钟、地下通风吹散炮烟后15分钟进入;露天硐室24小时内多次检查。

影响有毒气体生成量的主要因素有:炸药的氧平衡、化学反应的完全程度炸药外壳和岩石(被爆介质)。

氧平衡的计算:单一炸药,混合炸药。

4.2 炸药的热化学参数

(1)爆热:炸药爆炸时放出的热量叫做炸药的反应热,简称爆热。爆热越大,炸药的作功能力亦越强。工业炸药的爆热一般为2931~6280kJ·kg-1

(2)爆温:炸药爆炸时爆轰产物被加热可能达到的最高温度。工业炸药的爆温一般可达2000~4500℃以上。

(3)爆压:炸药爆炸瞬间,高温气体尚未膨胀之前,对周围介质造成的最大压力。工业炸药的爆压可达到1×105~4×105MPa。

(4)爆容:单位质量炸药爆炸后生成的气体在标准状态下的体积。

5.炸药的爆炸性能

5.1 炸药的爆速

爆速:爆轰波在炸药药柱中的传播速度。(爆轰速度)

理想情况,爆速=const;

实际情况,爆速不为常量。

影响爆速的条件:

(1)药柱直径与约束条件:D越大,爆速V越大。

(2)炸药的密度:最佳密度,ρ越大,爆速V越大。

(3)炸药的粒度:粒度越小,爆速越大。

5.2 炸药的做功能力(炸药威力)

炸药的威力通常以爆炸产物作绝热膨胀直到其温度降至炸药爆炸前的温度时,对周围介质所做的功表示。与爆热、比容、绝热指数有关,后者越大,威力越大,但炸药真正用于做有效功的能量极小,一般只有总能量的10%左右(侧向飞散、热损失〈取决于热传导、热辐射及介质的塑性变形,这部分约占炸药总放热量的一半〉、振动等无效功)。

工程上为了比较不同炸药的做功能力,通常用一种规定的实验方法用来衡量不同炸药做功的相对指标,但不表示炸药爆炸真正所做的功(相对威力也可称为爆力)。

炸药的爆力是表示炸药做功的一个指标,指炸药爆炸时对周围介质产生的压缩、破坏或抛移的能力,其单位是毫升。炸药的爆热愈高,生成气体量愈多,爆力也愈大。炸药的威力一般用爆力来表示,爆温、爆热、气体越多,爆力越大。

测定方法有:

(1)铅柱扩孔法

(2)爆破漏斗法

(3)弹道抛掷法

5.3 炸药的猛度

猛度:炸药爆炸瞬间对与其直接接触的介质局部产生破碎的能力。炸药猛度大小与炸药爆炸时能量能否集中释放有关,而炸药爆炸完成的时间取决于爆速。炸药的爆速愈高,密度愈大,其猛度愈大。

炸药猛度的大小用压缩铅柱值得大小表示,单位毫米。铅柱压缩法测定,几种炸药的猛度如下:

5.4 炸药的殉爆

殉爆:一个药包(卷)爆炸时,引起与其不相接触的邻近药包(卷)发生爆炸的现象。是衡量炸药对爆炸冲击波感应的能力。按主被发装药之间介质的不同,其殉爆分三种:空气中的殉爆、密实介质中的殉爆、炮孔中的殉爆。

殉爆距离:主发装药发生爆轰时,使被发装药100%发生爆炸(殉爆)的两装药间的最大距离。一般以厘米计,它表示炸药殉爆的能力。殉爆距离愈大,该炸药的爆炸冲击能愈高。

殉爆安全距离(不殉爆距离):主发装药爆轰时使被发装药100%不发生殉爆(爆炸)的最小距离。

炸药殉爆的能力与炸药的品种、数量、密度、装药直径、约束条件、连接方式、放置方法等好多因素有关。

在工程爆破中,殉爆距离对于确定分段装药、盲炮处理和设计合理的孔网参数等都具有指导意义,在炸药生产工厂的厂房和危险品库房设置中,它是确定安全距离的重要依据。

5.5 沟槽效应

沟槽效应:也称管道效应、间隙效应,是药卷与管壁之间存在月牙形空间时,炸药爆炸过程中出现能量降低直至熄爆的现象。

实践表明,当小药卷配合小炮孔作功时,经常出现这种问题。这样严重影响爆破质量。

目前,工业界已将炸药的间隙效应视为炸药的重要指标。乳化炸药的间隙效应比较小,也就是说,在小直径的炮孔中,乳化炸药的传爆长度是相当长的。

◇沟槽效应现象的解释:

(1)爆炸产物压缩药卷和孔壁间的空气,产生冲击波,它超前于爆轰波,并压缩药卷,从而抑制爆轰。

(2)美国学者认为:间隙效应是由于药卷外部炸药爆轰产生的等离子体引起的。即炸药起爆后,在爆轰波阵面的前方有一等离子层(离子光波),对后面未反应的药卷表层产生压缩作用,妨碍该层炸药的完全反应。

等离子波阵面和爆轰波阵面分开得越大,或者等离子波越强,这个表层穿透得就越深,能量衰减得就越大。随着等离子波的进一步加强,就会引起后面药包爆轰得熄灭。沟槽效应与炸药配方、物理结构,包装条件和加工工艺有关。

◇减小或消除沟槽效应的措施(方法):

(1)采用化学技术,选用不同的包装涂覆物,如沥青等。

(2)调整炸药配方和加工工艺,以缩小炸药爆速与等离子体速度间的差值。

(3)堵塞等离子体的传播

a.在炮孔中的每个药卷插上一层塑料薄板或填上炮泥;

b.用水或有机泡沫充填炮孔与药卷之间的月牙间隙。

(4)增大药卷直径。

(5)沿药包全长放置导爆索起爆。

(6)采用散装技术,使炸药全部充填炮孔不留间隙。

另外也可增加起爆点。

5.6 聚能效应

聚能效应:利用特殊药包形状(如半球空穴状称聚能穴),使炸药爆炸能量在空间上重新分配,大大加强了某一方向的局部破坏作用的现象。

聚能的作用:

(1)爆轰产物垂直于锥面向轴线汇聚,产生高压中心。

(2)根据流体力学,高压区向四周低压处扩散。

以上原因综合作用,产物不能无限集中,在据端面一定距离达到最大集中。

聚能现象实验

聚能效应的形成(原因):当装药爆炸时,爆轰产物沿聚能穴内表面垂直的方向飞出。由于药形对称、飞出速度相等,爆轰产物聚集在轴线上,汇聚成一股速度和压力都很高的气流(聚能流),其具有极高的速度、密度、压力和能量密度。无疑,爆轰产物的能量集中在靶板的较小面积上,在钢板上形成更深的孔。

聚能效应的应用:军事、工业生产等。