巖石結構中的爆炸應力波對乳化炸藥性能的影響?

鄭衛東 吳 均 潘偉綱 吳麗君 毛香琴浙江利民化工有限公司(浙江麗水，323303)

引言

乳化炸藥是在乳膠基質中加入一定的微氣泡敏化而成的爆炸物品，因具有優良的爆炸性能、抗水性能而在各種爆破場所得到了廣泛的應用；但也存在著一定的缺陷，其中一個就是抗動態壓力能力不高。

在微差爆破作業中，乳化炸藥受到先爆炮孔裝藥產生的沖擊波或應力波作用，出現爆轟性能下降，尤其在樁井爆破等小斷面爆破作業中，往往會出現殘藥或拒爆。造成原先精心設計的爆破方案有可能會失敗，輕則達不到設計的爆破效果，巖石的大塊率上升；重則容易引發安全事故。這是由于乳化炸藥是由油包水組成的乳化液，當受到臨近沖擊波或應力波作用后，分散相粒徑變大，乳化基質中的敏化氣泡破裂、逃逸，乳膠顆粒產生聚結、變形、析晶等，使炸藥出現半爆或拒爆，這種現象稱為受壓鈍化或壓力減敏效應[1-7]。

本文中，利用導電性測量、顯微分析、爆轟性能測試等方法，研究乳化炸藥在不同結構巖石介質中、距主裝藥不同距離時受爆炸應力波影響的規律。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

乳化炸藥，浙江利民化工有限公司，生產中采用了復合乳化劑、化學敏化等材料和技術；導爆管雷管，浙江物產光華民爆器材有限公司；ZC25-1型絕緣電阻表(電壓100 V，量程2～100 MΩ)，南京金川電表制造有限公司；MM-55E型金相顯微鏡、攝像器及二維測量軟件，上海長方光學儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 應力波沖擊試驗[8]

在不同地質構造的爆破作業工地，挑選了一處巖石結構致密的花崗巖場地和一處巖石裂隙豐富的沉積巖場地，另選了一處干燥、中等砂粒的砂地做對比試驗。

在巖石面中心鉆1個爆破孔，在爆破孔周邊按不同距離依次環形鉆6～8個試驗孔，孔徑40 mm，孔深1 m，炮孔布置如圖1(a)所示。爆破孔內裝入2支塑膜包裝乳化炸藥(?32 mm、200 g)，炸藥上端插入雷管作為主裝藥包，裝入炮孔后用石粉堵塞；每個試驗孔內裝入3支塑膜包裝乳化炸藥(?32 mm、200 g)，不裝雷管，作為試驗藥包，對每支藥卷分別做好標記，為方便試驗后取出，藥卷兩端系繩子，裝入炮孔后用廢紙卷堵塞，如圖1(b)所示。砂地的操作也是同樣如此。

起爆爆破孔中的主裝藥包后，觀察試驗孔狀況，并取出試驗孔中的試驗藥卷進行外觀觀察、電阻檢測、顯微攝像分析、雷管感度檢測等研究。

在花崗巖、沉積巖、砂地3種場地共進行了11組試驗，共取回213支試驗藥卷。

1.2.2 外觀觀察

觀察應力沖擊后的試驗藥卷是否破損，藥體是否結塊發硬、發干粉化，手摸藥體是否有砂質感。

顯微攝像分析方法為:取少許試樣放在干凈的標準載物片上，刮成薄層，然后蓋上蓋玻片，制成用于觀測的試樣；將試樣放在顯微鏡的載物臺上，調整顯微鏡的物鏡和目鏡，得到清晰的視野并進行拍照，觀測試驗炸藥微粒情況，并用二維測量軟件測量微粒尺寸。

1.2.3 電阻檢測

硝酸銨水溶液是導體，油相材料是絕緣體，正常的乳化炸藥基質具有油包水結構，是絕緣體，析晶破乳后變成導體，通過測量電阻判斷起爆爆破后乳化炸藥的析晶程度。

檢測方法為:剝開試驗乳化炸藥包裝膜，將絕緣電阻表的兩根探針垂直插入乳化炸藥中，插入深度約5 mm，兩根探針之間距離約10 mm，快速搖動絕緣電阻表搖臂，讀出電阻值。

1.2.4 感度檢測

選取應力沖擊后不同電阻的試驗藥卷，用8＃雷管進行引爆試驗，檢測不同電阻的乳化炸藥的爆轟感度。

2 結果與分析

受壓前、后乳化炸藥微觀結構變化如圖2所示。

從圖2(a)可以看出:正常的乳化炸藥分散相微粒形狀呈球形，具有明顯的油包水結構，分散相粒子分布均勻，直徑大多在1.0～1.5μm之間。從圖2(b)可以看出:在沖擊作用下，分散相粒子與連續相發生相對運動，相互之間產生剪應力，當剪應力大于體系的屈服應力時，乳化基質的分散相與連續相穩定性被打破，連續相油膜變形破裂，水、油相分離，水相顆粒聚集，聚集顆粒發亮，粒徑變大，顆粒均勻性變差，形狀不規則，最大尺寸達到30μm以上。

由于試驗藥卷數量較多，只選取了部分不同電阻的試驗乳化炸藥用8＃雷管進行引爆試驗，結果見表1。

表1 試驗乳化炸藥的雷管感度試驗結果Tab.1 Test results of detonator sensitivity of emulsion explosive

從表1中數據可以看出，電阻為0 MΩ的乳化炸藥全部拒爆，電阻大于0.5 MΩ的乳化炸藥均能被8＃雷管引爆。

2.1 在花崗巖場地上的試驗結果

在結構致密的花崗巖場地上試驗的乳化炸藥檢測結果見表2。

從表2數據可以看出，在結構致密的花崗巖介質中，應力波對乳化炸藥的影響范圍比較規律，距主爆藥包250 mm范圍內，試驗乳化炸藥都發硬、析晶；而距主爆藥包260 mm(約16倍藥包半徑)外，試驗乳化炸藥幾乎未受到影響。

表2 在花崗巖場地的試驗結果Tab.2 Test results at granite sites

炸藥在巖石等固體介質中爆炸后，形成高溫高壓爆轟氣體，同時還產生爆炸沖擊波，沖擊波在固體介質內自爆源向四周傳播過程中，強度逐漸衰減，變為壓縮應力波，進一步衰減后變為地震波直至消失，如圖3所示。圖3中，r為藥包半徑:tH為介質狀態變化時間；tS為介質狀態恢復到靜止狀態的時間。

在壓縮應力波的作用下，巖石介質處于非彈性狀態，產生連續性破壞的殘余應變，作用在乳化炸藥上。壓縮應力波在衰減過程中，介質質點的振動幅度也逐漸減小，當距爆炸中心大于16倍藥包半徑時，應力波的作用將不足以對乳化炸藥產生壓力減敏效應。

2.2 在沉積巖場地上的試驗結果

在裂隙豐富的沉積巖場地上試驗的乳化炸藥檢測結果見表3。

從表3的數據可以看出，在裂隙豐富的巖石介質中，距主爆藥包300 mm范圍內，試驗孔內藥卷發硬情況嚴重，全部析晶，且已無雷管感度；而距主爆藥包310 mm外，試驗孔內藥卷受破壞的程度無規律可遁:相同的距離，有的藥卷析晶嚴重，有的藥卷幾乎無破壞；不同的距離，有些距離大的藥卷受破壞的程度反而比距離小的嚴重，總的趨勢是距離越大，影響越小。受試驗場地的限制，最大距離只有480 mm，因此，未能測出完全不受應力波影響的最小距離。

表3 在沉積巖石場地的試驗結果Tab.3 Test results at sedimentary rock sites

在裂隙豐富的巖石中，主爆藥包爆炸產生的高溫高壓爆轟氣體在約束條件下，能通過巖石縫隙傳播到較遠的地方，甚至產生沖擊波，這些對乳化炸藥的影響遠比在各種巖石介質傳播的應力波大。沉積巖體具有獨特的割裂結構，表現出非均質性、非連續性和各向異性，巖石縫隙的雜亂無序是應力波對乳化炸藥影響程度無規律性的主要原因。

2.3 在砂地上的試驗結果

在砂地上試驗的乳化炸藥檢測結果見表4。

表4 在砂地上的試驗結果Tab.4 Test results at sandy ground

在干燥、中等粗細的砂介質中，應力波對乳化炸藥的影響范圍比較規律。距主爆藥包260 mm范圍內，試驗乳化炸藥都發硬、析晶；距主爆藥包280～320 mm范圍內，試驗乳化炸藥部分發硬、析晶，多數藥卷面對主爆藥包一側發硬，背對主爆藥包一側狀態正常；距主爆藥包320 mm外，試驗乳化炸藥幾乎未受到影響。

砂介質結構松散，各向性質相同，對乳化炸藥影響的范圍有規律；縫隙多且均勻，易被爆炸氣體擴散，砂還具有減振作用。因此，在砂介質中的應力波衰減較快，對乳化炸藥的影響范圍較小。

2.4 試驗結果分析

在3種介質中，爆炸應力波對乳化炸藥的破壞程度與距離的關系見圖4。

不難看出，在3種介質中，爆炸應力波對乳化炸藥的影響距離區別很大:花崗巖介質中，距離大于260 mm無影響；在沉積巖介質中，距離大于310 mm時，影響程度隨距離增大呈不規則減小；在砂介質中，距離在280～320 mm范圍內，影響程度隨距離增大，呈線性減小。

3 結論

1)在結構致密的巖石介質中，爆炸應力波對乳化炸藥產生減敏效應的距離是有規律的，在本試驗條件下影響距離約為藥包半徑的16倍。在結構致密的巖石中爆破，炮孔間距大于260 mm時，基本可以消除受壓鈍化現象。

2)在裂隙豐富的巖石介質中，炮孔間距小于300 mm時，試驗乳化炸藥100%失效；炮孔間距大于310 mm時，試驗乳化炸藥受破壞的程度無規律。在裂隙豐富的巖石中開展微差爆破作業，不同段別的炮孔間距應盡可能大且不小于310 mm，應避免將炮孔布置在主要裂隙上。

3)在砂介質中，爆炸應力波對乳化炸藥的影響距離為320 mm；距離小于260 mm時，試驗乳化炸藥全部失效；距離在280～320 mm之間，試驗乳化炸藥受破壞程度隨距離增大而逐漸減小。