巖石中化學爆炸氣體滲漏行為的實驗研究*

王鐵良,王占江,盧 強,張自祿,文 潮

(西北核技術研究所，陜西 西安 710024)

地下化學爆炸過程中一氧化碳等有害氣體在巖體中的滲漏行為研究對人員安全防護有重要參考意義，不少學者對氣體滲漏行為進行過數值模擬和現場監測。在以往的地下爆炸實驗中，對氣體滲漏行為進行過大量的監測[1-2]。J.J.Nitao[3]開發的NUFT、B.J.Travis[4]開發的TRACR3D都是多孔介質中流體運動和輸運程序，應用于地下爆炸實驗圍巖和堵塞段中氣體滲漏的模擬及示蹤氣體滲漏監測結果的分析。喬登江[5]分別用井筒一維多孔介質滲透模型、單一裂縫滲漏模型估算過花崗巖中封閉爆炸氣體滲漏的速度和時間。王鐵良等采用雙孔隙度雙滲透率模型對裂隙巖體中封閉爆炸氣體滲漏行為進行過數值模擬[6]，在模型中考慮了滲透、擴散、熱傳導、熱輻射等因素[7]。張建鑫等[8]用商業軟件對高壓驅動下非均勻介質內氣體輸運行為進行了數值模擬研究。

數值模擬中計算參數的選取與介質有關，往往要根據同一場地或類似介質中已經進行過的爆炸實驗氣體滲漏監測結果反演參數，再利用反演得到的參數對將要進行的爆炸實驗氣體滲漏行為進行數值模擬。如果相同介質中不同藥量爆炸氣體滲漏行為有一定的規律，就可以直接用以往爆炸實驗的氣體滲漏監測結果，估算將要進行的爆炸實驗氣體滲漏行為。

王鐵良等[9]假設不同當量爆炸的埋深滿足縮比關系，即不同當量實驗的L/W2/3是相同的，L表示埋深，W表示爆炸當量。分別針對3種滲漏機理：(1)氣體通過均勻多孔介質滲漏，(2)氣體通過非均勻多孔介質滲漏，(3)氣體通過貫通裂縫滲漏，通過理論分析和數值模擬研究了縮比化學爆炸實驗氣體滲漏時間、滲漏量與藥量的關系。結論是，不論哪種滲漏機理，氣體滲漏出介質的時間近似與W2/3成正比，氣體最終的滲漏份額基本一致。

本文中，設計相同介質中的縮比實驗，監測CO的滲漏時間和滲漏份額，與理論分析結果[9]對比。

1 實驗設計

文獻[9]的理論研究結果顯示，如果相同介質中不同當量實驗的埋深滿足縮比關系，則氣體滲漏時間與L2或W2/3成正比，滲漏份額基本一致。根據理論研究結果，在不同尺寸花崗巖試樣中進行縮比實驗，在實驗中監測CO滲漏情況，對監測結果進行總結分析。

圖1 立方體花崗巖試樣Fig.1 Cubic granite sample

選擇陜西粗顆粒黑云母花崗巖，采集完整的未風化無裂縫的花崗巖石塊，加工成立方體試樣(見圖1)。由國土資源部西安礦產資源監督檢測中心對巖石樣品化學成分進行了檢測，分別為：w(SiO2)=69.2%,w(Si2O3)=15.06%,w(TFe2O3)=2.65%,w(FeO)=1.42%,w(K2O)=4.00%,w(Na2O)=4.25%,w(CaO)=2.12%。由貝士德儀器科技有限公司對花崗巖樣品密度和孔隙度進行了測量，測得平均密度為2 665.7 kg/m3，平均孔隙度為1.3%。花崗巖的抗壓強度和抗拉強度分別為154和12.2 MPa[10]。

花崗巖的試樣尺寸、爆室尺寸、爆炸當量設計如表1所示。表中，ag為花崗巖試樣的邊長，dc和lc分別為爆室的直徑和高度，WTNT為炸藥的TNT當量。根據理論計算，按本文中設計的比例爆室半徑，化爆在巖石中產生的應力小于花崗巖的抗壓強度，同時，爆后空腔內的靜態壓力小于花崗巖的抗拉強度，爆后不會出現試樣破碎破裂現象。

裝藥孔和爆室設計如圖2所示。為了增加回填物與孔壁的摩擦力，并有利于封閉，在裝藥孔的孔壁設置數個環形嵌槽，如圖3所示。炸藥固定在特制的鋼支架中心(見圖4)，連同支架放入爆室后炸藥在爆室中心。裝藥后用花崗巖芯和環氧樹脂對裝藥孔密實回填。

裝藥后，將花崗巖試樣放入1.2 m×1.2 m×2.0 m的矩形透明密閉室內，實驗中監測密閉室內的CO濃度，并觀察爆后現象。

各次實驗之后，花崗巖試樣外觀與爆炸前一樣，未見到花崗巖試樣破裂現象，無噴發性泄漏，氣體是通過花崗巖孔隙慢慢滲漏出來的。

表1 實驗設計Table 1 Design of experiments

圖2 花崗巖試樣中爆室設計圖Fig.2 Design drawing of explosion cavity in cubic granite

圖3 裝藥孔壁的環形嵌槽Fig.3 Annular groove in the hole wall

圖4 炸藥固定在支架上放入爆室Fig.4 Explosive placed at the center of the steel bracket

2 CO濃度監測結果

各次實驗密閉室內CO濃度隨時間的變化曲線如圖5所示。由圖可見，爆后初期CO濃度有所起伏，原因是爆后初期滲漏出來的CO并未在密閉室內混合均勻，后來起動密閉室內的攪動設備將密閉室內的氣體混合均勻。實驗1～4中氣體滲漏出來的時間分別為537、533、2 040和1 980 s。

圖5 各次實驗的CO濃度曲線Fig.5 Metrical CO concentration in airproof room

3 實驗結果分析

3.1 氣體滲漏時間

根據文獻[9]的理論研究結果，如果介質相同，藥量越小，氣體滲漏越早。邊長0.5 m花崗巖中，1.25 g TNT實驗與邊長1 m花崗巖中10 g TNT實驗之間有1∶2的縮比關系，10 g TNT實驗與1.25 g TNT實驗氣體滲漏時間有約4倍的關系。由實驗結果，10 g TNT實驗與1.25 g TNT實驗CO滲漏出來的時間倍數為約4，實驗結果與理論分析結果基本一致。

3.2 密閉室內CO濃度基本穩定時間

如果把密閉室內CO濃度基本穩定的時間看作氣體滲漏基本停止的時間，2次1.25 g TNT實驗在爆后約200 min時CO濃度基本穩定，而2次10 g TNT實驗在約800 min時CO濃度基本穩定。10 g TNT實驗與1.25 g TNT實驗氣體停止滲漏時間有約4倍關系。

3.3 氣體滲漏份額

實驗所用的炸藥為黑索金。根據黑索金的反應方程式可知，1 g黑索金爆炸產生的CO在標準狀態下約300 ml。由于1 g黑索金相當于1.5 g TNT當量，所以，計算出1.25 g TNT當量實驗和10 g TNT當量實驗CO的產生量分別為250 和2 000 ml。

密閉室內部體積為2.88 m3，氣體攪動設備體積為0.33 m3，CO變送器體積為0.05m3，10 g TNT實驗花崗巖試樣體積1 m3，1.25 g TNT實驗花崗巖試樣體積0.125 m3。由此算出，1.25 g TNT實驗密閉室內空間體積為2.47 m3，10 g TNT實驗密閉室內空間體積為1.5 m3。

根據各次實驗炸藥爆炸CO生成量、密閉室濃度穩定值及密閉室內空間體積，計算出實驗1～4中滲漏到密閉室內的CO占炸藥爆炸生成的CO的份額分別為：1.06、1.15、0.59和0.56。

由實驗結果，對于縮比實驗來說，小藥量實驗氣體滲漏份額大于大藥量實驗氣體滲漏份額。而且，部分實驗CO滲漏份額已經大于1，說明實驗中除了炸藥產生CO之外，還有其他物質產生CO。

爆室內除了炸藥之外，還有其他一些物質，如塑料袋、膠帶、電纜皮等。實驗研究顯示，聚乙烯的半分解溫度(在真空中加熱30 min后重量損失一半所需的溫度)為414 ℃，在800 ℃的高溫下，質量約1 g的聚乙烯僅需1～2 min就能完全分解。由于炸藥爆炸后爆室內高溫會持續一段時間，所以，會將一些物質分解為氣體。

文獻[9]的理論研究結果顯示，不同藥量縮比實驗的氣體滲漏份額基本相同，而本文中實驗結果是小藥量實驗氣體滲漏份額大于大藥量實驗氣體滲漏份額。可認為在實驗中爆室內安裝炸藥所用的塑料袋、膠帶等物質分解產生一定量的非冷凝氣體，這就改變了爆室內非冷凝氣體及CO的初始條件。1.25 g TNT實驗和10 g TNT實驗藥量不同，但爆室內可分解材料絕對量相差不大，小藥量實驗因材料分解而增加的非冷凝氣體相對量大于大藥量實驗。由監測結果推導滲漏份額時并未考慮材料分解增加的非冷凝氣體，所以，推出的小藥量實驗氣體滲漏份額大于大藥量實驗的氣體滲漏份額。

本文中認為，藥量越大，材料分解產生的氣體與炸藥爆炸所產生的氣體之比越小，所以可以推測，當炸藥質量遠大于膠帶和電纜皮的質量之后，縮比實驗的氣體滲漏份額將基本相同。這方面還需要進一步的實驗驗證。

聚乙烯分解產生的氣體改變了不同藥量實驗氣體滲漏份額的關系，但氣體滲漏時間的關系仍與理論分析結果基本一致。原因是材料分解時吸收熱量，雖然爆室內氣體增加了，但溫度降低了，二者對壓力的貢獻有一定的抵消作用，而氣體滲漏速度決定于壓力梯度，所以對氣體滲漏速度影響不大。上面只是定性的分析，定量分析還需要進一步開展工作。

4 總 結

為研究花崗巖中不同藥量縮比爆炸實驗氣體滲漏行為之間的關系，設計了滿足縮比關系的當量分別為10 g TNT和1.25 g TNT的化學爆炸實驗，監測了滲漏出來的CO濃度歷程。通過研究得到如下結論：

(1)相同介質中縮比實驗氣體滲漏出來的時間大約與藥量的三分之二次方成正比，滲漏停止時間也大約與藥量的三分之二次方成正比；

(2)封閉化學爆炸在爆室內產生的高溫能夠使爆室內一些物質分解產生非冷凝氣體；

(3)對于不同藥量的縮比實驗，理論分析認為氣體滲漏份額基本相同，但在實驗中，由于膠帶、電纜皮等材料的分解產生非冷凝氣體，這些氣體對于較小藥量實驗的影響較大，所以較小藥量實驗的氣體滲漏份額大于較大藥量實驗的氣體滲漏份額。

[1] Schoengold C R, DeMarre M E, Kirkwood E M.Radiological effluents released from US continental tests: 1961 through 1992[R].Nevada: Bechtel, 1996.

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[3] Nitao J J.User’s manual for the USNT module of the NUFT code, Version 2.0[CP].CA: Lawrence Livermore National Laboratory, 1998.

[4] Travis B J.TRACR3D: A model of flow and transport in porous/fractured media[CP].New Mexico: Los Alamos Laboratory, 1984.

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