爆破工程教材.docx

1、爆破工程教材炸药爆炸性能炸药的性能主要取决于以下因素，一是炸药的组成成分，二是炸药的加工工艺，三是炸药的装药状态和使用条件。本节主要介绍炸药的爆速、威力、猛度和聚能效应等性能。爆速爆轰波沿炸药装药传播的速度称为爆速。爆速是炸药的重要性能指标之一，也是目前唯一能准确测量的爆轰参数。（）影响爆速的因素炸药的爆速除了与炸药本身的性质，如炸药密度、产物组成、爆热和化学反应速度有关外，还受药包直径、装药密度和粒度、装药外壳、起爆冲能及传爆条件等影响。从理论上讲，当药柱为理想封闭、爆轰产物不发生径向流动、炸药在冲击波波阵面后反应区释放出的能量全部都用来支持冲击波的传播时，爆轰波以最大速度传播，这时的爆速叫

2、理想爆速。实际上，炸药是很难达到理想爆速的，炸药的实际爆速都低于理想爆速。影响爆速的因素主要有以下几方面。）药包直径的影响当爆轰波沿直径有限的药柱轴向传播时，除在爆轰波反应区中有化学反应的放热过程之外，同时还存在着能量的耗散过程。前面已经提到，爆轰波波阵面压力可达数千至数万兆帕。因此，爆轰气体产物必然要发生径向膨胀。这种径向膨胀引起向反应区内传播的径向稀疏波，结果造成反应区中能量向外耗散。爆轰波传播过程中， 面后的高压气体产物也要向后膨胀而产生轴向稀疏波。但是由于 面处具有这一条件，所以后面的这种轴向稀疏波不能传入反应区内，因而不会引起能量损失，因此，径向稀疏波是爆轰波沿药包传播过程中能量损失

3、的最主要原因。通常实际使用的药柱的直径都是有限尺寸的，因此，总是存在着产物的径向膨胀及因此而引起的能量损失。这样，化学反应区所释放出的能量只有一小部分被用来支持爆轰波的传播，从而引起爆轰波阵面压力的下降和爆速的减小。图 是几种炸药的爆速随药包直径变化关系的实测结果。比较图中曲线、即可看出，在密度相同的条件下，同梯恩梯相比，铵梯混合炸药的理想爆轰爆速都较低，而临界直径和极限直径都较大，并且临与极之间关系的特点更为明显。图 药包直径对爆速的影响梯恩梯（）；梯恩梯硝酸铵（）（）；梯恩梯（）；梯恩梯 硝酸铵（）；硝酸铵 硝化甘油（）；硝酸铵（）图 粒状铵油炸药爆速随药包直径变化表 及表 分别列出一些炸

4、药的临界直径值和极限直径值。必须指出，这些值将随测定条件不同而变化。表 一些炸药的临界直径值炸药名称临（）炸药名称临（）氮化铅岩石硝铵炸药太安梯恩梯黑索金硝酸铵表 一些炸药的极限直径值炸药名称炸药密度（）极（）熔铸梯恩梯梯恩梯梯恩梯黑索金熔铸梯恩梯（）硝酸铵及以它为主要成分的低感度混合炸药极限直径都很大，甚至达到以上。图 是实际测得的粒状铵油炸药爆速随药包直径变化的关系。它表明，在试验中所取药包直径范围内，爆速随药包直径的增大而不断上升，一直到时仍未达到理想爆轰，即极。因此，可以认为，对于这类炸药药包直径宜大不宜小，而矿山常用药包直径往往小于极限直径，致使炸药能量不能充分释放出来，能量利用率低

5、。）药包外壳的影响药包外壳对传爆过程影响很大，装有坚固的外壳可以使炸药的临界直径值减小。例如，硝酸铵的临界直径本是，但在厚的内径的钢管中也能稳定传爆。这是由于坚固的外壳减小了径向膨胀所引起的能量损失。试验研究表明，对于爆轰压力高的炸药，对临的影响起主导作用的不是外壳材料强度而是材料的密度或质量。爆轰时，密度大的外壳径向移动困难，因此可以减小径向能量损失。对于爆轰压力低的炸药，外壳强度的影响也是重要的。在药包直径小于极限直径时，外壳对于药包稳定传爆的影响显著，而当大于极时，外壳的影响不显著。）装药密度的影响单体猛炸药和工业混合炸药的装药密度，对传爆过程有不同的影响。图 说明梯恩梯爆速变化与装药密

6、度的关系。装药密度增大，爆速也随之增大，两者呈直线关系。对于混合炸药则不然，爆速同装药密度的关系，如图 所示。爆速随装药密度的增大而增加，但在密度增大到某一定值时，爆速达到它的最大值，这一密度被称为最佳密度。此后，密度进一步增大，爆速反而下降，而且当密度大到超过某一极限值时，就会发生所谓“压死”现象，即不能发生稳定爆轰。这一密度称为极限密度极，也有称为“压死密度”。图 所示为两种不同直径的药包的爆速随密度变化，而在密度分别为和时，直径的和直径的药包的爆速达到最大值。图 梯恩梯的装药密度对爆速的影响图 混合炸药装药密度对爆速的影响药包直径；药包直径 关系曲线出现极大值的原因同混合炸药传爆机理有关

7、。在起爆能作用下由氧化剂和还原剂组成的混合炸药的各组分先以不同速度单独进行分解，然后由分解出的气体相互作用完成爆轰反应。这样，除炸药各组分颗粒大小、与混合均匀程度对此有很大影响外，装药密度也是个重要因素。装药密度过大，则炸药各组分颗粒间的空隙过小，不利于各组分分解出的气体相互混合和反应，结果导致反应速度下降直至爆轰熄灭。就一种炸药而言，极限密度并不是一个定值，它受炸药颗粒大小、混合均匀程度、含水量大小、药包直径以及外壳约束条件等因素的影响而变化很大。因此，增大炮孔装药密度虽是提高炸药威力的途径之一，但必须同时采取加大药包直径和炮孔直径，以及加强药包外壳约束条件或加强起爆能等措施，使装药密度在极

8、限密度以下以保证稳定传爆。）炸药粒度的影响对于同一种炸药，粒度不同，化学反应的速度不同，其临界直径、极限直径和爆速也不同，但粒度的变化并不影响炸药的极限爆速。一般情况下，减小炸药粒度能够提高化学反应速度，减小反应时间和反应区厚度，从而减小临界直径和极限直径，爆速增高。但混合炸药中不同成分的粒度对临界直径的影响不完全一样。其敏感成分的粒度越细，临界直径越小，爆速越高；而相对钝感成分的粒度越细，临界直径增大，爆速相应减小，但粒度细到一定程度后，临界直径又随粒度减小而减小，爆速也相应增大。）起爆冲能的影响起爆冲能不会影响炸药的理想爆速，但要使炸药达到稳定爆轰，必须供给炸药足够的起爆能，且激发冲击波速

9、度必须大于炸药的临界爆速。试验研究表明：起爆能量的强弱，能够使炸药形成差别很大的高爆速或低爆速稳定传播，其中高爆速即是炸药的正常爆轰。例如，当梯恩梯（密度，装药直径，颗粒直径为）在强起爆能起爆时爆速为，而在弱起爆条件下爆速仅为。装药直径为的硝化甘油，用号雷管起爆时的爆速为，而用号雷管起爆时的爆速为以上。低速爆轰是一种比较特殊的现象，目前还难以从理论上加以明确解释。一般认为，低速爆轰现象主要出现在以表面反应机理起主导作用的非均质炸药中，这样的炸药对冲击波作用很敏感，能被较低的初始冲能引爆，但由于初始冲能低，爆轰化学反应不完全，相当多的能量都是在 面之后的燃烧阶段放出，用来支持爆轰传播的能量较小，

10、因而爆速较低。）沟槽效应沟槽效应现象沟槽效应，也称管道效应、间隙效应，就是当药卷与炮孔壁间存在有月牙形空间时，爆炸药柱所出现的自抑制能量逐渐衰减直至拒（熄）爆的现象。实践表明，在小直径炮孔爆破作业中这种效应相当普遍地存在着，是影响爆破质量的因素之一。随着研究工作的不断深入，人们逐步认识到这一问题的重要性。近年来我国和美国等均已将沟槽效应视为工业炸药的一项重要性能指标。测试结果表明，在各种矿用炸药中，乳化炸药的沟槽效应是比较小的，也就是说在小直径炮孔中乳化炸药的传爆长度是相当长的。表 列出了我国系列乳化炸药等和美国埃列克化学公司埃列米特系列炸药的沟槽效应测试值。为便于比较，在表 中还同时列入了号

11、岩石铵梯炸药的沟槽效应值。表 一些炸药的沟槽效应值国别中国美国炸药牌号及类型系列乳化炸药型乳化炸药号岩石铵梯炸药型铝粉敏化的浆状炸药型乳化炸药型晶型控制的浆状炸药型硝酸甲胺敏化的浆状炸药沟槽效应值（传爆长度）（）试验条件取内径为、长的聚氯乙烯塑料管（或钢管），然后将 的受试药卷一个连着一个地放入其中，用一只号雷管起爆爆破作业中的沟槽效应已为人们所熟知。对于这种现象的通常解释是：爆炸产物压缩药卷和孔壁之间的间隙中的空气，产生冲击波，它超前于爆轰波并压缩药卷，抑制爆轰。与这一解释不同，美国埃列克化学公司的库克（）、尤迪（）等人对此进行了一系列试验后认为，沟槽效应是由于药卷外部炸药爆轰产生的等离子体

12、引起的。这就是说，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（见图 ），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，或者等离子波越强烈，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增强，就会引起后面药包爆轰的熄灭。利用图 所示的装置可以同时测出药卷爆炸时的爆轰速度和爆轰波阵面前方的等离子光波的速度。图 所示的装置可以用来测定药卷的侧向压力和爆速，将炸药引爆后观察铅板被冲击的痕迹来确定有无沟槽效应及炸药传爆长度。测量结果表明，等离子光波的速度约为左右。图 在小直径炮孔中等离子效应对未反应的炸药卷影响的简图图 测量药卷爆

13、轰速度和等离子光波速度的试验图 测定侧向压力和爆速试验示意图（利用宽，长的鉴定铅板进行）（）剖面图；（）侧视图上述两种关于沟槽效应的解释都是目前流行的，应该说也都有一定的实验依据，但还需要进一步发展、完善和统一。沟槽效应的影响因素一般地说，沟槽效应是与炸药配方、物理结构、包装条件和加工工艺有关的。由于乳化炸药是用乳化技术制备的，使其具有极细的油包水型物理内部结构，氧化剂与可燃剂以近似分子大小的距离彼此紧密接触着，爆轰传递迅速，其爆速接近或超过等离子波的速度，等离子体的超前压缩作用不再存在。按照尤迪等人的理论，乳化炸药的沟槽效应是很小的，甚至是不存在的。但是由于含敏化气泡的乳化炸药，随着贮存时间

14、的延长，爆速等爆炸性能的衰减，其沟槽效应也会逐渐显著起来。实践表明，工艺控制条件的变更对于乳化炸药的质量有着明显的影响。就沟槽效应而言，凡是能改善和增强乳化混合条件的工艺因素（如增大剪切强度），都能提高乳化炸药的质量，减少其沟槽效应。不同的包装条件也会影响乳化炸药的沟槽效应，例如增大药卷外壳的强度会使乳化炸药的沟槽效应显著减少，甚至消除。这是由于增强约束条件，不仅提高了乳化炸药的爆速，而且抵御了等离子体的压缩穿透作用。研究结果表明，下列技术措施可以减少或消除沟槽效应，改善爆破效果：化学技术，选用不同的包装涂覆物，如柏油沥青、石蜡、蜂蜡等。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

15、差值。堵塞等离子体的传播：一是在炮孔中的每个药卷间插上一层塑料薄板或填上炮泥；二是用水或有机泡沫充填炮孔与药卷之间的月牙形间隙。增大药卷直径。沿药包全长放置导爆索起爆。采用散装技术，使炸药全部充填炮孔不留间隙，当然就没有超前的等离子层存在。（）爆速测定方法炸药的爆速是衡量炸药爆炸性能的重要标志之一，也是目前可以比较准确测定的一个爆轰波参数。爆速的精确测量为检验爆轰理论的正确性提供了依据，在炸药应用研究上具有重要的意义。测定爆速的方法有很多种，按其原理可分为导爆索法、电测法和高速摄影法三大类。图 导爆索法测爆速雷管；药包；导爆索；铅板）导爆索法这是一种古老而简便的对比测定方法，又叫道特里士法，其

16、原理是利用已知爆速的标准导爆索同待测炸药卷相比较，求出待测炸药一段长度内的平均爆速，测定方法如图 所示。取一定长度（通常可取左右）的导爆索，两端分别插入待测药包中的、两点（距离为通常取）。药包直径，长，一端可将起爆雷管插入。将导爆索的中点对准铅板（厚、宽约、长约）上的刻点标记，并用细绳捆住铅板上的导爆索段。起爆后，爆轰波从起爆端沿药包传播，首先到达点，并立即引爆端导爆索。沿药包继续传播的爆轰波经（为待测炸药包爆速）时间之后到达点，引起端导爆索起爆。两股爆轰波在导爆索中段相遇时，由于波叠加的结果，在铅板上两波相遇处留下较深爆痕。设爆痕的位置为点，它至导爆索中点的距离为。从点到点两条不同的爆轰波路

17、径所费时间是一样，即（ ）或索索化简，得索（）（ ）式中索为导爆索爆速（）。导爆索法测爆速简便易行，不需用贵重仪器，至今仍广泛应用。此法的准确度不高，相对误差为。为了避免引爆端不稳定爆轰速度带来的误差，点应选择在离起爆端一定距离处，这个距离可取为药包直径的倍。）电测法这种方法是采用电子仪表记录爆轰波在药包中传播的时间，量取相应区间的距离，算出爆速。常用的仪器有光线示波器和数字式爆速仪等。示波器记时法。测试原理框图如图 所示。在药包、两点处各插入一对电离探针，探针用细金属导线制成，每对探针的间隙为左右。药包起爆后，爆轰波到达点时，爆轰气体产物因电离而具有良好的导电性，使探针导通，通过脉冲信号器上

18、电容放电给示波器输入一个脉冲信号。同样，当爆轰波传播到点时，示波器又获得一个脉冲信号。根据荧光屏上先后显示的两个脉冲的间距，对比下面的时标图 （），即可算出从第一个脉冲到第二个脉冲所经历的时间。用、间距离除以记录所得时间即得平均爆速值。图 示波器测定爆速（）测定装置；（）荧光屏上波形，探针；药包；脉冲信号发生器电路；示波器；雷管；脉冲信号；时标数字式爆速仪测爆速法。这种方法的基本原理同上，不同的是可将获得的电信号输送到有关装置以数字直接显示爆轰波通过两点间所费时间。这种爆速仪体积小，重量轻，精度高，携带方便，可以一次同时测定多段区间的爆速。）高速摄影法这种方法的原理是利用爆轰瞬间发生的光效应，

19、通过高速摄影装置将爆轰波传播过程记录下来，经分析运算即可获得爆速值。摄影仪由光学系统、同步系统和扫描装置三部分组成。图 为高速摄影仪测定爆速的光学系统示意图。测定时，将待测药包竖直放置于距透镜一定距离处。利用同步系统在转镜以给定角速度旋转时使药包爆炸。起爆后，炸药爆炸的强烈光束经狭缝和透镜聚射到转镜扫描器的镜片上，扫描器转动时又将光束反射到感光胶片上。爆轰自上往下进行，转镜则横向进行扫描。如果药包上各点爆速均为定值，则胶片感光、显影、定影并展开后，光迹线是一根具有一定斜率的直线（图 ）。图中应该是转镜停止时的光迹。此时光迹的速度等于（为摄影仪放大倍数，为爆速）。由于转镜同步旋转，故实际印在胶片

20、上的光迹为，其水平速度分量为。则是其竖直分量。因此，根据的斜率即可求得爆速。因为所以（ ）式中爆速水平分量；为光迹倾角，从胶片上量得。图 高速摄影仪转镜扫描的光学系统药包；、透镜；狭缝；反射镜；胶片图 胶片展开光迹图图 炸药爆炸做功示意图若炸药各点瞬时爆速有变化，则光迹线就是一根曲线。根据曲线上任意一点的斜率即可求得相应点炸药的瞬时爆速。高速摄影法测爆速的精确度，误差小于。威力（）炸药做功能力炸药做功能力是衡量炸药威力的重要指标之一，通常以爆炸产物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来表示。图 表示了炸药做功的理想过程。求算炸药所做的功值，一般均假设炸药在做功过程中没有

21、热量损失，热能全部转变成机械功。按照热力学定律，此种功值可按下式计算（ ）（）式中炸药的爆热（）；热转变成功的效率；爆炸产物膨胀前的体积，即等于爆炸前炸药的体积（）；爆炸产物膨胀到常温时的体积，数值上约等于炸药的比容，（）；绝热指数。上述关系式所表述的物理意义可以概括如下：炸药的最大做功能力与炸药爆热有关，它随爆热的增大而增大。炸药的实际做功能力，除爆热外，还与比容有关。比容越大，效率越高。绝热指数：（ ）其实，进行爆破作业时，实际的有效功只占其中很小部分，这是由于：炸药爆炸的侧向飞散，带走部分未反应的炸药。这部分损失叫做化学损失，装药直径越小，化学损失相对越大。爆炸过程有热损失。如爆炸过程中

22、的热传导、热辐射及介质的塑性变形等等，都造成热损失。这部分热损失往往占炸药总放热量的一半左右。一部分无效机械功消耗在岩石的振动、抛掷和在空气中形成空气冲击波上。如图 所示，为炸药具有的总能量与爆轰反应后，产生能量的各种形式，可见炸药爆轰产生的能量和完成爆炸功形式的多样性。所以，剩下来的有效机械功一般只占炸药总能力的左右。在工程爆破中通常使用相对威力的概念，所谓相对威力系指以某一熟知的炸药（如铵油炸药）的威力作为比较的标准。以单位重量炸药相比较的，则称为相对重量威力；以单位体积炸药相比较的，则称为相对体积威力。在选用含水炸药作为设计爆破参数的依据时，一般应以相对体积威力来衡量比较合适。（）炸药威

23、力测定方法炸药的威力在理论上虽然可以近似地用炸药爆炸做功的能力表示，但是实际上炸药在岩石中爆炸后究竟做了多少功，很难用理论计算法和实测的方法求得。因此在工程爆破中，为了比较不同炸药的做功能力，通常采用一种规定的实验方法所得的结果，用来衡量不同炸药爆炸做功的相对指标，但不表示炸药爆炸真正所做的功。炸药的爆力是表示炸药爆炸做功的一个指标，它表示炸药在介质内爆炸时对介质产生的整体压缩、破坏和抛移的做功能力。爆力的大小取决于炸药的爆热、爆温和爆炸生成气体体积。炸药的爆热、爆温愈高，生成气体体积愈多，则爆力就愈大。炸药爆力测定方法有三种。图 炸药爆炸前后的铅柱形状与尺寸（单位：）（）爆炸前的铅柱；（）爆

24、炸后的扩孔）铅铸扩孔法又称特劳茨铅柱试验。铅柱是用精铅熔铸成的圆柱体，其尺寸规格如图 （）所示。试验时，称取炸药，装入 锡箔纸筒内，然后插入雷管，一起放入铅柱孔的底部，上部空隙用干净的并且经孔筛筛过的石英砂填满。爆炸后，圆孔扩大成如图 （）所示的梨形。用量筒注水测出的爆炸前后孔的体积差值，以此数值来比较各种炸药的威力。在规定的条件下测得扩孔值大的炸药，其爆力就大。习惯上，将铅柱扩孔值称为爆力。为了便于统一比较，量出的扩孔值要做如下修正：试验时规定铅柱温度为，不在该温度下试验时，可按下列数据修正：温度（）修正量（）雷管本身的扩孔量应从扩孔值中除去，可先用一个雷管在相同条件下做空白试验。应该指出，

25、这种试验方法所测得的值，并非炸药做功的数值，而是一个用毫升表示的只有相对比较意义的数值。由于铅柱对爆炸的抵抗力随壁厚减薄而减少，这个扩大值并不与炸药的威力成正比。威力小的炸药的爆力常偏小，威力大的偏高。如黑火药仅约，而黑索金则高达，其实彼此间的做功能力并不相差倍。此外，铅柱的铸造质量对试验结果影响也较明显。尽管如此，由于试验方法简单方便，所以在生产上仍普遍采用。）弹道臼炮法弹道臼炮试验装置原理如图 所示。炸药爆炸后，爆轰产物膨胀做功分为两部分，一部分把炮弹抛射出去，另一部分使摆体摆动一个角度，摆体受到的动能转变为势能。这两部分功的和即是炸药所做的膨胀功。即有（）（）（）（ ）图 弹道臼炮试验臼

26、炮体；标准室；活塞式炮弹体式中炸药爆炸对摆体做的功（）；炸药爆炸对炮弹做的功（）；摆体重力（）；摆长，即摆体重心到回转中心的距离（）；炮弹量力（）；摆体摆动角度（）；摆的结构常数（）。通过试验所得到的摆角，可计算出炸药所做的功。常用种指标来反映各种炸药的做功能力：一是质量强度，即单位质量炸药所做的功；二是体积强度，即单位体积炸药所做的功；三是梯恩梯当量，即以单位体积梯恩梯炸药所做的功为标准值，其他炸药所做的功与梯恩梯相比，比值的百分数即为梯恩梯当量值。用这种方法测得的炸药做功能力指标为炸药做功能力的绝对值，但需要体积较大的试验装置。）爆破漏斗法试验时在均匀的介质中设置一个炮孔，将一定量的被试炸药以相同的条件装入炮孔中，并进行填塞，引爆后形成一个如图 所示的爆破漏斗。然后在地平面沿两个互相垂直的方向测量漏斗的直径，取其平均值，并同时测量漏斗的可见深度。爆破漏斗的容积可按下式计算。图 爆破漏斗试验（ ）式中为爆破漏斗容积（）；爆破漏斗底圆直径（）；爆破漏斗的可见深度（）。爆破漏斗法是根据炸药在岩土中爆炸后形成的抛掷漏斗坑的大小，来判断炸药的做功能力的。当岩土介质相同，试验条件一样时，抛掷漏斗坑的大小便决定于炸药的做功能力。通常用抛掷单位体积岩土的炸药消耗量作指标