新型裂岩器材装填药剂的燃烧性能研究_马健行.pdf

利用密闭爆发器实验系统，对一种新型裂岩器材的装填药剂燃烧性能进行了研究，以此对后续产品中的药剂组分、比例进行指导性调控。设计了 91 46 不同梯度组分的混合药剂进行密闭爆发器实验，对所有药剂的 p-t 曲线及 dp/dt-t 曲线分析后确定火药力实验中所用药剂配比为 73 与 5 54 5。使用0 12 g/cm3、0 2 g/cm3两种装填密度对混合药剂进行火药力实验，参照火药燃速处理方法，假设混合药剂为单一整体，密度为 1 5 g/cm3，在此假设基础上得到药剂燃烧的-曲线及相应的火药力、燃速系数等参数，其中单+添(73)配方的火药力最高，为 564 87 kJ/kg，双+添(73)配方的火药力比之略低，但仍高于5 54 5 配方的火药力。通过对药剂的-曲线分析解释了双+添(5 54 5)配方在实验中出现明显燃烧未完全现象的原因;对混合药剂对应火药力、燃速系数的分析发现，火药对整体药剂的做功能力占主导性因素，火药占比的上升会显著提高药剂的燃烧效能，但装填密度的改变对两种火药燃烧效果的影响却不一致。装填密度的上升会导致单基药配方燃烧效能的下降，而双基药配方会出现燃烧效能的上升。关键词:非炸药爆破;裂岩管;密闭爆发器;燃烧性能中图分类号:TJ55文献标识码:A文章编号:1001 487X(2023)02 0165 07收稿日期:2023 01 07作者简介:马健行(1999 )，男，硕士研究生，主要从事火工品技术研究，(E-mail)2686837863 qq com。通讯作者:黄寅生(1962 )，男，教授、博导，主要从事军事化学与烟火技术研究，(E-mail)huangyinsheng sina com。Study on Combustion Performance ofNew Type ock Splitting EquipmentMA Jian-xing1，WANG Yan-jun2，ZHAO Jing2，CHENG Hua-dong2，XU Jian-yong3，HUANG Yin-sheng1(1 School of Chemistry and Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China;2 Luzhou North Chemical Industry，Luzhou 646000，China;3 Shanghai Meitong Security Engineering Technology Company，Shanghai 200090，China)Abstract:Using a closed explosion experimental system，the combustion performance of a new type of rock-split-ting equipments loading agent was studied，providing guidance for the drug components and proportions in subse-quent products Different gradient components with a ratio of 91 to 46 were designed to mix the loading agents forthe closed explosion experimental，and the p-t curve and dp/dt-t curve of all agents were analyzed The drug ratioused in the explosive strength experiment was determined to be 73 and 5 54 5 The mixed drugs were subjected tothe explosive strength experiment using two types of loading densities，0 12 g/cm3and 0 2 g/cm3 The mixed drugwas assumed as a single entity with a density of 1 5 g/cm3，referring to the method of treating the gunpowder burningspeed On this assumption basis，the-curve of the drug combustion and the corresponding parameters such as ex-plosive strength and burning rate coefficient were obtained，among which the explosive power of the single+additive(73)formula was the highest，reaching 564 87 kJ/kg The explosive power of the dual+additive(73)formulawas slightly lower but still higher than that of the 5 54 5 formula The reason for the apparent incomplete combus-tion phenomenon observed in the experiment of the dual+additive(5 54 5)formula was explained by analyzingthe-curve of the drug The analysis of the corresponding explosive strength and burning rate coefficient of themixed drugs showed that the explosive force of the gunpowder on the overall drug is the dominant factor，and the in-crease in the ratio of the gunpowder will significantly improve the efficiency of the drugs combustion However，theeffect of the change in loading density on the burning of the two types of gunpowder is inconsistent The increase inloading density will cause a decrease in the burning efficiency of the monobasic formula，while the dual-base formulawill exhibit an increase in burning efficiencyKey words:non-explosive methods;rock breaking cartridge;closed explosion experimental system;combus-tion performance城市居民区或其他重要设施区域附近进行爆破作业时，由工业炸药产生的爆破危害难以避免1-5，会对周围环境人民日常生活造成影响6-10，因此需要一类可以不使用炸药的破碎技术对特殊区域岩石进行破碎。非炸药破碎就是一类在避免使用炸药的同时，也能很好完成破碎岩石等破碎任务的技术11，12，其作用的基本机理为破碎器材在密闭环境中产生高压13，14，当压力大于岩石的抗拉强度时，岩石即被破坏15-17。裂岩管(ock Breaking Cartridge)是近年来国外新兴的一种非炸药破岩产品，是将非爆轰产气药剂装入特殊结构管内，使用时装填到炮孔内并密封，经点火具点火后，非爆轰产气药剂快速燃烧产生大量气体膨胀做功，致使周围介质破裂的一种新型安全型破岩器材。目前国外该类产品主要有 NoneX、OYEX、PYOBLAST、AUTOSTEM 几家分区域销售，其主要装填组分为氧化剂与硝化纤维素等火药18，依靠产品的特殊结构设计，在装填至炮孔并被密封后，点燃装填药剂，依靠药剂迅速燃烧产生的大量气体作功拉裂岩石。同时气体在拉裂岩石后压力会降低，做功能力迅速下降，从而降低了此类产品的使用危害;且药剂成分简单，运输、储存、使用的安全管控成本低，因此在国外已广泛应用于敏感环境下的拆除作业，如城改、城建以及特殊开采等。目前国内此类产品由泸州北方化学工业有限公司联合上海美同安防工程科技有限公司及南京理工大学等多家院校开发，目前已有典型产品送往国家民用爆破器材质量检验检测中心进行危险等级鉴定。由作用机理可以看出，该种器材的破岩性能与药剂的燃烧性能有着直接联系，药剂的药量、种类、配比、装填密度均会影响药剂的燃烧性能，从而影响燃烧阶段所能产生的峰值压力及速率。由于该类裂岩管的裂岩机理是在强堵塞条件下短时燃烧产生大量气体，可看作是一种定容高压燃烧过程，因此对于药剂燃烧的理论研究可借助密闭爆发器实验进行。由此，本研究将对药剂在密闭环境下的燃烧性能进行研究，以此对后续产品中的药剂组分、比例进行指导性调控。1实验部分1 1实验条件测试系统为泸州北方化学工业有限公司科研所自研的密闭爆发器测试系统，密闭爆发器本体容积50 cm3，系统采样频率选定为200 k 1 MHz，点火药为 C 级硝化棉，点火压力9 87 MPa，使用0 2 mm 镍铬丝点火，点火电流 3 5 A。实验所用药剂为单基粒状药、双基球扁药与钝感添加剂，装填密度根据实验需求确定。本研究将通过火药力及燃速等燃烧性能参数对混合药剂进行燃烧性能评价，由于火药力测定实验需要在两种装填密度下分别进行实验，为减少不必要的实验，将先对混合药剂的比例进行优选，选出合适的几种混合比例后再进行火药力实验。1 2实验设计首先对混合药剂比例进行筛选。单、双基药分别与添加剂混合，在装填密度 =0 12 g/cm3下进行密闭爆发器实验。起始火药-添加剂质量比例设置为 9010，之后以 10%为阶梯逐渐降低火药所占比例，直至比例调整为 4060，具体比例见表 1。在得到所有药剂的 p-t 数据后，分析对比 p-t 数据以选出符合实际需求的药剂配比。密闭爆发器中某一时刻的压力存在关系p=pig+p(1)式中:p为密闭爆发器内压力;pig为点火药燃烧压力;p为火药燃烧压力，单位均为 MPa。当压力低于 400 MPa 时，燃气余容与装填密度无关19。因此，根据两种装填密度(1和 2)及对应最大压力(pm1和 pm2)，即可计算出该种火药的火药力 f 和余容，即=pm22pm1()1(pm2 pm1)(2)661爆破2023 年 6 月f=pm21 pm2(3)式中，最大压力 pm1和 pm2应扣除点火药点火压力 pig。式中:为火药余容;f 为火药的火药力。表 1药剂混合比例Table 1Mixing ratio编号单基药/%双基药/%添加剂/%1#90/102#80/203#70/304#60/405#50/506#40/607#/90108#/80209#/703010#/604011#/505012#/4060定义 为火药已燃百分比，有公式建立起 与时间 t 的关系=11pfp pig+1p(4)式中:为装填密度，gcm3;p为火药密度，gcm3。根据实测的 p t 数据与式(4)将其转化为 t 数据。设火药的长度为 2c、宽度为 2b、厚度为 2e1，e 为某瞬间已燃去厚度，mm;起始燃烧面积为 S1，某瞬间对应燃烧表面积为 S，此时相对燃烧表面积 为=S1S=1 2(e1+b+c)ece1+cb+be1+3e2ce1+cb+be1(5)令=e1b、=e1c;=1+，=+a1+将上述代换代入式(5)并求积分，获得形状函数式(6)=z0dZ=Z(1+Z)(6)将 t 数据转化为 Z t 数据。根据相对燃烧厚度定义式(7)及燃速定义式(8)，将(7)式代入(8)式可获得燃速 u 与压力 p 的函数关系(9)。Z=ee1(7)u=dedt(8)u=u1pn(9)式中:Z 为相对燃烧层厚度;u 为燃烧速度，mms1;u1为燃速系数，mm/(sMPan);n 为燃速压力指数。对(9)式左右取对数，得到 ln u ln p 关系，关系式斜率即为燃速压力指数 n，燃速系数 u1也可求出。根据上述原理及公式，在选取出合适的混合配比后，以 1=0 12 g/cm3、2=0 2 g/cm3两种装填密度进行密闭爆发器实验，从而计算出相应配比的火药力与燃速参数。2实验结果与分析2 1优选实验结果与分析以点火药压力9 87 MPa 为起始点，各比例药剂p t 曲线如图 1 所示。由图 1 可以看出，添加剂占比较小时，药剂燃烧的峰值压力及升压曲线较为接近纯火药燃烧的状态，随着添加剂的加入，不仅峰值压力下降，曲线斜率也随之下降。可以观察到的是，单、双基药两种下降的趋势存在一定差异:单基药混药的 p t 曲线随着添加剂占比的上升下降较为平滑，呈现明显的平滑阶梯趋势，而双基药混药的下降的规律性未如单基药混药一般呈现平滑阶梯趋势。分析认为:出现峰值压力与曲线斜率下降的状况，一方面是由于添加剂占比的上升减少了火药的用量，对产气量与产气速率均造成影响，另一方面由于添加剂较难出现燃烧反应，因此添加剂在燃烧过程中会不断吸收点火药及火药燃烧产生的热量，火药燃烧反应速率随之降低;单基药曲线随药剂配比变化过渡较为平滑，双基药曲线变化波动较大的原因可能是，单基药的比热为 1 21 kJ/(kgK)，热导率 0 80 kJ/(m h K)，双基药的比热为1 50 kJ/(kgK)，热导率 0 75 kJ/(mhK)20，因此在药剂燃烧传热中，单基药相较于双基药更容易升温、传热，从而更易被点火药点燃，当点火药燃烧能量更多的被添加剂吸收时，单基药相对更容易进行燃烧，从而表现出单基药 p t 曲线随药剂配比变化过渡较为平滑的现象。对图 1 的 p t 曲线进行求导，获得 dp/dt t 曲线，如下图 2 所示。从图 2 可以看出，药剂的燃烧变化趋势与由图 1 观察得出的结论是一致的，即单基761第 40 卷第 2 期马健行，王彦君，赵静，等基于空孔效应的坚硬岩石涨裂破岩力学特性研究药曲线随药剂配比变化过渡较为平滑，双基药曲线变化波动较大。图 1药剂 p t 曲线Fig 1The curves of p t图 2药剂 dp/dt t 曲线Fig 2The curves of dp/dt t研究图 2 可以发现，单基药混药的最大升压速率即(dp/dt)max出现的位置是随着添加剂的加入而推后的，且最大升压速率值也随之减小，而双基药混药的(dp/dt)max并未随着添加剂的加入而依次推后(如 10#与 11#曲线的对比)，呈现出燃烧的不规律性。同样可以看出，加入同样比例添加剂的 6#与12#配方，6#的 dp/dt-t 曲线仍可以观察到一定的起伏程度，而 12#配方已近乎为一条直线，可以认为添加剂的加入对于双基药燃烧的影响比单基药的影响更大。对于药剂的优选需要考虑两方面问题:药剂感度不能高。国外同类产品均归属于联合国危险货物分类中的 1 4S 类危险品(GB 69442012 同样有此分类)，此类危险品的意外起爆危害范围仅在包件范围内，在包件被火烧损的情况下所有的爆炸和迸射效应也有限21。在此种安全要求下需要装填药剂有较低的感度以满足 1 4S 分类标准的危险等级鉴定。药剂产气速率及产气量不能过低。由前文所述，此类非炸药裂岩器材均依靠在密闭环境中产生大于岩石抗拉强度的压力从而破坏岩石，完成工程任务，因此药剂需要产生一定量的气体满足任务所需压力。产气速率不能过低是因为，如不能在短时内产生大量气体，随着岩石内外微裂缝的增多，可能会出现难以维持密闭环境导致泄压，但岩石未被破碎成功的现象。综上所述，在后续实验中首先排除火药占比较高的 1#、2#、7#及 8#配方，因为观察这四种配方的燃烧曲线可以发现，dp/dt-t 曲线存在明显尖峰且燃烧速度较快，认为该四种配方的燃烧状态更接近纯火药，添加剂所能起到的钝感作用较为有限，感度相对应的会较高，不符合安全性需求;同样需要排除 6#与 12#配方，因为这两种配方不仅最大压力较小，且升压速率低，不符合需求。结合实际样品的先期实验，最终确定的后续实验火药-添加剂比例为:7030、5545。861爆破2023 年 6 月2 2火药力及燃速实验结果与分析如 1 2 节中所述，火药的火药力与余容可直接根据密闭爆发器实验所得 p t 曲线计算得出，而将p t 曲线转化为 u p 曲线，获得燃速压力指数 n 与燃速系数 u1则需要确定火药的药型参数，以此确定Z 的函数。由于本实验所用药剂为混合药剂，火药与添加剂间的药型、密度并不一致，且本实验的目的在于研究不同配比、不同装填密度下药剂的燃烧效果，以此探讨添加剂对燃烧效果影响的大小，与研究纯火药燃烧过程有所区分，在此借鉴火药燃烧的燃速处理方法并进行一定的假设，具体过程如下。将装填在密闭爆发器中的全部药剂视为一个整体药剂，药剂密度假定为 1 5 g/cm3，药型假设为方片状，则 1 =。已知密闭爆发器容积为 50 cm3，则装填密度 =0 12 时，=0 5;=0 2 时，=5/6。在此假设基础之上对实验所得 p t 曲线进行处理。首先观察装填密度对 dp/dt t 曲线的影响，见图 3。从图中可以看出，装填密度的上升对药剂燃烧效果有着较为明显的影响，低火药配比的药剂提高装填密度后 dp/dt t 曲线可与高火药配比的药剂曲线相近。在同等药剂配比下，随着装填密度的上升，(dp/dt)max值有较大程度的上升并且出现的位置发生前移，原因在于装填密度的上升使火药总量增加，虽然添加剂的吸热对火药的燃烧起一定阻碍作用，但整体仍以促进火药的燃烧产气反应为主导，因此装填密度上升带来(dp/dt)max值的上升以及出现位置的前移。图 3不同装填密度及配比药剂的 dp/dt t 曲线Fig 3The dp/dt t curves of different filling density and proportion of chemicals火药的燃烧情况同样可以用火药燃气生成猛度 与已燃质量百分数 的曲线来描述，表示单位压力下的气体生成速率，上述药剂的-曲线见图4。由图 4 曲线可以看出单基药混药与双基药混药的燃烧情况有所不同，对于单基混药，装填密度的上升会导致燃气生成猛度最大值 max的下降，且会使max所在的 值变大，即推迟了药剂所能起到最大效能的燃烧程度。对于双基混药，装填密度的上升不仅会带来 max的上升，也对药剂的燃烧起到了一定的稳定作用。5 54 5 比例的双基混药在低装填密度下，燃烧的初始阶段(02)曲线出现了一定的波动，而在高装填密度下并未出现此种现象。图 4药剂 曲线Fig 4The curves of 961第 40 卷第 2 期马健行，王彦君，赵静，等基于空孔效应的坚硬岩石涨裂破岩力学特性研究可以观察到，除双基药 55%比例两种装填密度的药剂，其余配比药剂的曲线均在 =1 处结束燃烧。根据 的定义可知 =1 为火药完全燃烧点，图 4(b)中 55%双基药的两种药剂在 =0 9 左右结束燃烧，说明药剂存在明显的不完全燃烧现象，清理密闭爆发器时也发现上述两发实验中实际存在明显的药剂残留现象，如图 5 所示，理论与实际相印证，证明本节中对药剂的假设存在一定的可信度。推测未完全燃烧的原因在于，添加剂虽较难参与燃烧反应，但密闭爆发器内温度足够的情况下可发生热分解反应，当火药燃烧不够剧烈时，密闭爆发器内的温度难以使全部的钝感添加剂发生热分解反应，因此 55%双基药的两种药剂在实验后会残留有部分药剂在密闭爆发器内。已知线性燃速 u=u1pn，对该式取对数，进行直线拟合，即可获得燃速系数 u1与压力指数 n。处理结果汇总在表 2。对数据进行直线拟合过程中发现各配比药剂的 ln u ln p 曲线斜率近似，因此在拟合过程中直线斜率均定义为 1 5，即 n=1 5，拟合相关度 2均在 0 99 以上，可认为拟合结果可信。图 5存在残留药剂Fig 5The esidual agent表 2火药力及燃速处理结果Table 2The results of impetus and combustion velocityf/(kJkg1)/(cm3g1)u1/(mms1MPa1)n2单添=73=0 12564 8701 1080 33810 998516单添=73=0 20 28920 998261单添=5 54 5=0 12411 7060 5900 29530 998550单添=5 54 5=0 20 25521 50 994011双添=73=0 12519 7601 4710 25140 997797双添=73=0 20 30910 999417双添=5 54 5=0 12426 6100 9900 21970 984152双添=5 54 5=0 20 30800 998918火药力 f 是用来衡量火药做功能力的特征值，本研究中所用药剂虽不是纯火药，但在同一假设体系下可利用该特征值进行比较性评价。从表中可以看出单+添(73)配方的火药力最高，为 564 87 kJ/kg，则该配方为四种配方中做功能力最好的配方;双+添(73)配方的火药力较低一些，但仍比火药占比 55%的两种配方火药力更高，做功能力强，证明在此类配方中，火药对整体药剂的做功能力占主导性因素，且单基药在占比较高时做功能力较双基药配方更优。在压力指数 n=1 5 不变的情况下，燃烧速度 u与燃速系数 u1存在正相关关系，燃速系数 u1越大，在相同压力下的燃烧速度越大，燃烧时间越短。从表中看出，单基药配方中燃烧速度最快，燃烧时间最短的为单+添(73)=0 12 配方，其次为双+添(73)=0 2 配方，并且对单基药配方而言装填密度的上升会导致燃速系数的下降，而对双基药配方而言会使燃速系数上升，这与前文中根据 曲线分析得出的结论是一致的。071爆破2023 年 6 月3结论(1)由于单基药比双基药更易传热升温，因此随着添加剂的加入其对双基药燃烧效果的影响比对单基药燃烧效果的影响要大。(2)药剂配比的变化对燃烧性能的影响趋势是一致的。药剂装填密度的变化对单、双基药配方的影响不同:装填密度的上升会导致单基药配方燃烧效能的下降，而双基药配方会出现燃烧效能的上升。(3)综合以上两点结论考虑，为达到最合理的燃烧效能，后续根据所需性能针对此种配方调整装填药剂时，单基药配方应优先考虑调整单基药的质量占比，双基药配方可优先考虑调整药剂的装填密度。(4)为提高燃烧的稳定性，可在药剂中添加适量的氧化剂组分，以调整药剂的氧平衡值，提高药剂的燃烧完全程度。参考文献(eferences)1 LAZA K，VLADISLAV K，IVAN J，et al Environmentaland safety accidents related to blasting operationJ A-merican Journal of Environmental Sciences，2012，8(4):360-365 2 FAADONBEH S，AMAGHANI D J，MONJEZI M，etal Genetic programming and gene expression program-ming for flyrock assessment due to mine blasting J In-ternational Journal of ock Mechanics and Mining Sci-ences，2016，88:254-264 3 AINA A K，MUTHY V M S，SONI A K Flyrock inbench blasting:a comprehensive reviewJ Bulletin ofEngineering Geology and the Environment，2014，73(4):1199-1209 4 宋光明 爆破地震效应与减震方法的探讨 J 世界采矿快报，1999(1):26-29 4 SONG Guang-ming Approach to effect blast vibration andmethods to decrease vibrationJ Mining 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