工業炸藥有毒氣體測試容器的研制

高玉剛

(中煤科工集團淮北爆破技術研究院有限公司，安徽 淮北 235000)

在國民經濟建設發展過程中，工業炸藥廣泛應用于礦山開采、隧道開挖及城市拆除等各項領域的爆破作業中。在礦山建設與開采中發揮著重要作用，但伴生的爆破公害也一直困擾著人們。其中的主要危害之一便是由于工業炸藥爆炸過程中反應不完全，會產生大量有毒有害氣體[1]。目前，我國現行的工業炸藥爆炸后有毒氣體含量測定方法采用彈筒法，爆炸彈筒的有效容積約50 L，接近真空狀態(剩余壓力不大于4.0 kPa)下引爆炸藥，然后取氣進行有毒氣體含量測定[2]。但在實際工程爆破作業中，工業炸藥多數都在常壓下使用；同時炸藥在空氣中爆炸后產生高溫、高壓、高速爆炸產物強烈地沖擊和壓縮爆炸點周圍的空氣，形成的沖擊波會作用在周圍的介質上[3]，建立一個可以反復使用且可以用于常壓下測試工業炸藥有毒氣體含量的爆炸容器顯得尤為重要。

朱文輝等[4]針對爆炸容器在動力學方面的研究從爆炸載荷作用于外殼產生的應力，提出針對不同爆炸容器找到相應的安全系數并參照相應的強度準則，對爆炸容器結構強度進行評價。趙康等[5]通過采用ANSYS/LSDYNA建立有限元模型，對等效爆破載荷在巖體和混凝土介質中傳播桔瓣式球型儲液罐體振動響應進行了研究。李興珠等[6]對1 kg TNT當量爆炸容器抗爆設計進行了計算，并采用爆炸相似率和動力系數法對爆炸容器進行了驗證。王鑫等[7]對在密閉爆炸容器內進行開展了5 、10 、15 g系列TNT內爆炸試驗，并采用有限元軟件對3種情況下的準靜態壓力進行了試驗和數值模擬研究。目前國內已設計多種爆炸容器，對小當量密封爆炸容器、5 kg TNT當量爆炸容器、一般爆炸容器以及復合材料爆炸容器的工程設計方法及其應用均有成功案例[8-11]。通過上述分析很多學者主要集中在爆炸容器本身的設計與研究，針對爆炸容器在測試工業炸藥有毒氣體方面的應用設計研究較少。

近年隨著民用爆破器材制作工藝的發展，按照工信部及民爆行業主管部門針對民爆行業技術進步，發布的一系列指導意見，現場混裝炸藥是行業鼓勵發展的產品。由于其沒有雷管感度，現場混裝藥的起爆需要一定TNT當量的工業炸藥進行起爆，同時現場混裝炸藥達到穩定爆轟需要一個過程，這就使得在測試現場混裝炸藥時需要更多的藥量，原有爆炸彈筒法裝藥量小于110 g藥量的條件已不滿足。為了對工業炸藥在常壓環境下爆炸和現場混裝炸藥的有毒氣體含量進行準確測定，研究先進適用的有毒氣體含量檢測技術方法，對準確客觀地評價工業炸藥性能指標、正確指導安全環保型產品生產技術的研究開發工作、逐步降低工業炸藥的危害等方面，都具有十分重要的意義。因此，建立一個既能重復使用又可取得炸藥爆炸后產生氣體的密閉爆炸容器非常有必要。

1 測試系統設計

工業炸藥有毒氣體含量測試系統由臼炮、爆炸室(爆炸箱)、爆炸室混合系統、氣體采集與分析系統、排風系統及控制系統組成(見圖1)。

圖1 測試系統結構Fig.1 Test system structure

1)爆炸箱箱體底部采用圓柱形，頂部采用半球殼形的組裝結構型式，內部為整體式的鋼制結構，外部為鋼筋混凝土結構，同時內部的鋼制結構與外部的鋼筋混凝土結構緊密連接。凈空間15 m3。 爆炸箱體外部的鋼筋混凝土層，可對爆炸產生的沖擊波、振動及噪聲等爆炸有害效應進行衰減，達到安全可靠的目的。

2)爆炸箱應能承受在中心懸吊460 g TNT當量炸藥爆炸載荷，爆炸后爆炸箱整體結構不發生塑性變形。

4)內部臼炮規格為直徑400 mm，高800 mm，孔徑100 mm，孔深 600 mm。用于模擬工業炸藥在炮孔內進行爆破作業的情景，可真實反映工業炸藥在炮孔內爆炸后的生成產物情況。

5)爆炸箱基礎為深2 m，長和寬均為3.6 m的鋼筋混凝土承重臺，以保證爆炸箱整體穩定性。同時沿爆炸箱四周開挖一圈深2 m、寬1 m的減振溝，減振溝中填沙，以達到衰減爆炸時產生的振動作用。

6)混合系統采用抽出與排出2個風機的混合式排風方式，一方面通過控制系統將閥門開關至循環狀態時，可使爆炸氣體在5 min之內混合均勻，以達到對普通工業炸藥或鈍感的現場混裝工業炸藥爆炸后有毒氣體的含量分析；另一方面通過控制系統將閥門開關至排煙狀態時，可使爆炸氣體在5 min之內迅速排出，以達到快速清空廢氣進行下一次試驗。

2 爆炸箱箱體設計

1)爆炸箱的設計。參照歐盟標準《民用爆炸物品—高能炸藥—第16部分：有毒氣體的測量和檢測》[12]的檢測方法及技術要求，同時結合國內現場混裝炸藥檢測所需藥量的實際情況，以及利于工業炸藥爆炸后有毒有害氣體的采集分析。設計爆炸箱最大試驗藥量為460 g TNT當量。經查文獻[13]乳化炸藥理論計算爆熱為3 182.8～3 244.8 kJ/kg，而TNT爆熱為4 153.95 kJ/kg，因此460 g TNT的炸藥量相當于質量600 g的乳化炸藥。

2)爆炸箱的設計強度校核[14]。本爆炸箱試驗設計最大藥量460 g TNT當量，裝藥在距地面r=2 m高處爆炸，根據炸藥在剛性地面中的沖擊波超壓公式計算得：

進入到爆炸箱壁后反射波超壓：Δp′r=8Δpr=1.484 9 MPa。

在臼炮中裝藥為柱型裝藥：TNT裝藥密度1.5 g/cm3，爆熱4 225.8 kJ/kg3。

希臘的城市遍布圖書館，給科學的發展提供了契機。歐幾里得總結前人經驗創立了系統的幾何學，他的《幾何原理》直到現在都是歐洲大學里流行的教材；阿基米德從洗澡盆溢出的水里悟出浮力的存在，他從科學中得到力量和自信，聲稱如果給他一個支點他將撬動整個地球。希臘科學家自由的精神鼓勵著后人對真理不懈追求，希臘人在天文學領域也成就斐然，他們把神話賦予撲朔迷離的天穹并將其劃分成星座：仙女星座、獵戶星座、天狼星座、大熊星座、小熊星座。此外，希臘人在植物學、動物學、醫學等各方面都取得了探索性的成果，為現代學科發展奠定了扎實的基礎。

以外徑32 mm，裝藥量460 g計算TNT的裝藥長度L為

以19 mm的復合鋼板參數設計為例：泊松比υ=0.29，彈性模量E=206×109Pa，屈服極限σb=300×106Pa，許用應力[σ]=157×106Pa，爆炸箱箱體半徑R=1.3 m，爆炸箱材料密度ρ=7 800 kg/m3。

將上述數據代入公式計算得，爆炸箱的固有自振周期值為

爆炸箱的圓頻率為

3 氣密性及抗爆性試驗

3.1 氣密性試驗

爆炸箱安裝完成后，采用空氣壓縮機對爆炸箱加壓的方式，測試爆炸箱的氣密性。具體加壓方式，先測試爆炸箱箱體的氣密性，再測試爆炸箱管道的氣密性。先將閥門管道關閉，用空氣壓縮機對爆炸箱箱體和管道分別加壓至0.15 MPa，觀察與爆炸箱體相連的壓力表，10 min不下降。同時采用皂液法分別對測試系統的門、管道、風機以及管道連接處進行密封性測試。經氣密性測試，爆炸箱箱體及管道的密封性良好，符合設計要求。有毒氣體爆炸箱實物如圖2所示。

圖2 測試系統結構實物Fig.2 Physical of test system structure

3.2 抗爆性試驗

爆炸箱抗爆能力試驗：由于TNT炸藥爆炸后產生爆炸產物給環境帶來不可修復的破壞，因此采用2號巖石乳化炸藥。試驗藥量從200 g開始，逐次增加測試藥量，為保證安全性每次增加藥量為50 g，直至增加至600 g(600 g 2號巖石乳化炸藥相當于460 g TNT的藥量)。試驗條件，在距爆炸箱底部1.65 m處懸吊2號巖石乳化炸藥。在臼炮中也按此藥量進行爆破測試。

按測試方案進行爆炸試驗，每次試驗后對爆炸箱箱體、管道及管道連接處進行氣密性測試。經氣密性試驗(皂液法)檢查爆炸箱、管道及管道連接處均無異常，說明爆炸箱的安全可靠，功能滿足設計的各項技術指標和要求。

4 結語

1)通過理論計算 460 g TNT炸藥爆炸時產生的沖擊波壓力，從而確定有毒氣體爆炸箱的結構、內徑及應選擇的復合鋼材。

2)通過計算得到的動力系數Cd和反射壓力Δp′r，再得出等效靜載荷Δp靜=1.29 MPa。并通過等效靜載荷Δp靜對強度進行換算得到殼體中的應力：σ=55.9 MPa<[σ]。

3)裝藥采用2號巖石乳化炸藥替代TNT炸藥，試驗藥量從200 g開始、逐次增加至600 g藥量進行裸露藥包懸掛試驗時，均未發生破壞。說明該爆炸箱可承受600 g 的2號巖石乳化炸藥的爆炸沖擊作用。所以該工業炸藥有毒氣體含量測試系統設計合理，并且安全可靠。