混裝乳化炸藥爆轟參數理論計算

黃勝松(貴州大學礦業學院，貴州 貴陽 550000)

0 引言

《民用爆炸物品行業發展規劃》(2016-2020年)明確指出截止到2020年現場混裝炸藥占工業炸藥比重突破30%(現場混裝炸藥在工業炸藥中占比由2010年的14.82%增加到2015年的22.45%)提出研發依據爆破現場作業參數實時調整配方的現場混裝炸藥產品，因此對混裝炸藥的爆轟性能進行理論計算對研發和改進混裝炸藥配方具有重要的指導意[1]。

炸藥的爆轟參數是評價炸藥優劣的重要依據，研究炸藥爆轟相關參數計算及實驗測試，對于進一步發展炸藥爆炸理論及設計炸藥具有重要意義。工業炸藥爆炸參數的計算對于炸藥爆轟參數主要有爆熱(QV)、爆速(D)、爆溫(T)、爆容(V0)等，其計算主要有兩種方法一種是經驗算法，如Kamlet法，另一種是理論方法，即根據爆轟產物狀態方程來計算各項參數[2]。本文采用理論計算方法計算混裝炸藥的爆熱(QV)、爆溫(T)、爆速(D)、爆容(V0)。

1 爆轟參數計算理論

1.1 爆熱(QV)計算理論

1mol炸藥爆轟時所放出的熱量叫爆熱。在實際使用中，爆熱是指在定容下所測的單位質量炸藥的熱效應，用QV表示。炸藥的爆熱是炸藥對其周圍的介質進行破碎和破壞的能源，爆熱值愈大，炸藥的爆炸性能指標愈高。

爆熱計算的理論基礎是炸藥變化爆炸變化反應式和蓋斯定律(見圖1)，即通過炸藥的生成熱。蓋斯定律指出反應的熱效應與反應進行的途徑無關，只與系統的最初狀態有關[3]，也就是說，如果同一物質經不同途徑得到同一最終產物時，則在這些途徑中的熱效應和是相等的。圖中狀態1(初態)、狀態2和狀態3(終態)分別代表元素、炸藥、爆炸產物。根據蓋斯定律，系統沿第一條途徑由狀態1轉變到狀態3時，反應熱的代數和等于系統沿第二條路徑轉變時所放出的熱量，即炸藥的定容爆熱Q2-3(假設爆炸時環境溫度為25℃)為：

圖1 蓋斯三角形

式中：Q2-3為炸藥的定容爆熱(kJ/kg)；Q1-2為炸藥各原料組分的定容生成熱之和(kJ/kg)；Q1-3為炸藥爆炸產物的定容生成熱之和(kJ/kg)。

爆熱計算步驟：

第一步：確定炸藥的爆轟產物，建立爆炸反應方程式；

第二步：利用蓋斯定律計算爆熱。

爆轟產物的確定通常采用B-W 規則，利用它計算炸藥的爆熱簡單易行。B-W規則[3]見表1：

表1 B-W規則

1.2 爆溫(T)計算理論

爆溫是炸藥爆炸時所放出的熱量將爆炸產物加熱到的最高溫度。其取決于炸藥的爆熱和爆炸產物組成[4]。計算時假設炸藥爆炸在定容下進行的絕熱過程，爆炸過程中所放出的熱量全部加熱爆炸產物。即：

式中：Qv為定容下的爆熱(J/mol)；t為炸藥爆溫(℃)；為在溫度由0到t范圍內全部爆轟產物的平均熱容量(J/mol)；a，b為待定測定常數。

計算爆轟產物的熱容量非常困難，在實際運算時通常使用列卡斯的平均分子熱容量式，見表2。

表2 利卡斯平均分子熱容量式

1.3 爆容計算理論

炸藥的爆容是指1kg炸藥爆炸后形成的氣態爆轟產物在標準狀態下的體積，用Vo表示，單位L/kg。是評價炸藥做功能力的重要參數，爆容越大，表明炸藥爆炸做功效率越高，爆容通常根據爆炸反應方程式來計算：

式中：Vo為爆容(L/kg)；n為爆轟產物中氣態組分的總摩爾數；M為爆炸反應方程中炸藥的質量kg；22.4為標準狀況下，氣體的摩爾體積。

1.4 爆速計算理論

混裝乳化炸藥的理想爆速通常采用爆轟流體動力學理論的近似理論方程計算[5]：

式中：D為理想爆速(m/s)；Qv為理想爆熱(kJ/kg)；γ1為爆轟產物局部等熵指數。

γ1通過下式確定：

式中：iγ為爆轟產物中第i成分的多方絕熱指數；iχ為爆轟產物中第i成分的摩爾分數。

2 混裝乳化炸藥爆轟參數計算

取1kg炸藥為計算基準，根據計算炸藥中各組分物質的量，并根據B-W法則建立爆炸反應方程式。根據表3中各組分物質的量以及B-W法則確定混裝乳化炸藥的爆炸反應方程式：C4.348H62.042O37.458N20.68→31.021H2O+2.089CO2+2.259CO+10.34N2

表3 炸藥中各組分物質的量

2.1 混裝乳化炸藥爆熱Qv計算

在計算爆熱時需炸藥各組分的定容生成焓、爆轟產物的定容生成焓，具體數值見表4。

表4 各物質定容生成焓

根據蓋斯定律計算出炸藥爆熱Qv：

2.2 混裝乳化炸藥爆溫計算

根據公式(2)、(3)、(4)以及表2中的數值對混裝乳化炸藥各組分物質熱容量進行計算：

水(氣態)：

二氧化碳：

2.089 ×(37.7+24.3×104t)=78.7553+50.7627×104t

一氧化碳、氮氣：

(2.259+10.34)×(20.1+18.8×104t)

=253.2399+236.8612×104t

50.0459 +3079.5139×104t由此可以得出a=850.046；b=0.308，根據公式(4)可以計算出爆溫。

2.3 混裝乳化炸藥爆容計算

根據公式(5)可以直接計算出混裝乳化炸藥的爆容Vo：

2.4 混裝乳化炸藥爆速理論計算

根據2.1計算出混裝乳化炸藥的爆熱Qv=2932.49k/kg，根據公式(6)、(7)以及爆炸反應方程式對混裝乳化炸藥的爆速進行計算。

混裝乳化炸藥的爆速相對于爆熱、爆溫、爆容等參數來說易于檢測，經實際檢測現用混裝乳化炸藥的爆速為3774m/s，低于理論值。理想狀態下爆速應是一個常量，但實際檢測總是低于理想爆速，影響爆速的主要因素有被檢測藥柱直徑、約束條件、密度等有關。在一定條件下，當被檢測藥徑一定時爆速隨著炸藥密度的增加而變大。根據這一特性可以根據巖石特性適當提高或降低炸藥爆速使炸藥能量更好的與巖石匹配，從而達到提高爆破效果降低生產成本的目的。

3 結語

通過現用混裝乳化炸藥爆轟參數進行計算對開展混裝乳化炸藥性能與巖石匹配性方面的研究具有一定的實際意義。針對不同的現場作業參數及時對炸藥組分配比進行調整，對提高爆破效果降低生產成本具有一定指導作用。通過以上計算可得出以下結論：

(1)經計算現用混裝乳化炸藥理論爆轟性能如下：

爆熱Qv=2932.49KJmol；

爆速D=4862m/s；

爆溫t=2000.2℃；

爆容Vo=1023.88L/kg；

(2)經實際檢測出現用混裝乳化炸藥的爆速為3774m/s，與理論值較為接近；

(3)根據爆轟性能的計算結果在進行與巖石匹配時可進行針對性的調整。如需要提高炸藥做功能力的可適當提高爆溫和爆容。