坑道內爆炸條件下溫壓炸藥的爆炸特性及其影響因素

摘要： 溫壓炸藥在坑道內爆炸時會產生多種毀傷元，對坑道內人員和設備造成嚴重威脅。基于不同藥量的溫壓炸藥爆炸試驗，對坑道內爆炸條件下溫壓炸藥的爆炸特性開展了研究，分析了爆炸熱效應演化特征、沖擊波傳播規律和氧濃度降低情況，討論了坑道對鋁粉后燃的約束作用規律以及形成高烈度后燃效應的藥量條件。研究表明：溫壓炸藥火球輻射亮度高于TNT，且其火球溫度峰值超過TNT 溫度峰值的1.3 倍。在火球演化過程中，火球在后燃階段的溫度峰值較火球形態剛穩定時提升超過10%。在沖擊波傳播規律方面，超壓峰值與正壓時間的TNT 當量系數分別約為1.4 與1.65。另外，鋁粉后燃產生的壓縮波對沖擊波能夠形成多種補充效果，陡峭升壓的壓縮波能夠使沖擊波峰值升高，持續時間長但升壓速率慢的壓縮波能夠限制沖擊波的衰減，延長整體正壓作用時間。受坑道約束作用，溫壓炸藥爆炸火球將與坑道壁面發生相互作用，進而提高鋁粉的燃燒烈度。當溫壓炸藥質量立方根與坑道直徑的比值大于0.28 kg1/3/m 時，將產生高烈度后燃效應。

關鍵詞： 溫壓炸藥；坑道內爆炸；后燃反應；毀傷元；約束作用

中圖分類號： O382; TJ41 國標學科代碼： 13035 文獻標志碼： A

坑道作為一種重要的地下防護結構[1]，具有優良的結構抗力和掩蔽性。然而，當炸藥在坑道內爆炸后，坑道壁面會對炸藥爆炸過程形成約束作用[2-3]，使爆炸效應進一步加強。當炸藥富含高活性鋁粉時，鋁粉燃燒產生的能量增益[4] 可以顯著提高沖擊波和熱效應，也會產生耗氧窒息效應。因此，研究溫壓炸藥在坑道內的爆炸特性及其受到的約束作用具有重要意義。

溫壓炸藥爆炸釋放的能量包含爆轟能和燃燒能[4]，Arnold 等結合多次試驗結果和鋁粉的二次反應觀點[5]，將溫壓炸藥的反應過程總結為無氧爆轟、無氧燃燒和有氧燃燒3 個階段，整個釋能過程受環境影響十分明顯。有關溫壓炸藥在開闊空間爆炸釋能，研究人員主要對沖擊波傳播規律進行了研究。Hahma 等[6]以沖擊波超壓峰值為評價指標，獲得了不同種類金屬燃料有氧燃燒對溫壓炸藥超壓的作用規律。Mohamed 等[7] 對一種RDX 基溫壓炸藥在開闊空間的沖擊波傳播過程進行了模擬，沖擊波曲線表明金屬燃料的后燃燒過程會大幅延長正壓時間。

溫壓炸藥在密閉空間內爆炸時，結構的約束效應能夠使爆炸效應顯著增強[8]，沖擊波增強的同時，準靜態壓力也十分明顯。Zhang 等[9] 在大型爆炸罐內進行了純TNT 和TNT 基炸藥的內爆炸試驗，發現鋁粉質量分數的提高能夠產生更好的后燃燒能量釋放效果。Peuker 等[10] 在不同氧含量氣氛的密閉環境中進行了純RDX 炸藥和RDX 基溫壓炸藥的爆炸試驗，發現早期的鋁粉釋能可以增強爆炸波。數值計算方面，Kim 等[11] 圍繞溫壓炸藥鋁粉在密閉空間中的后燃燒過程開發了一種Eulerian-Lagrangian 計算模型，計算結果表明合理的鋁粉粒徑對溫壓炸藥的能量輸出效果影響十分明顯。李根等[12] 建立了一種有限差分-物質點耦合算法為核心的氣固兩相反應流模型，對密閉空間中溫壓炸藥的沖擊波二次波峰現象、準靜態壓力等進行了研究。

溫壓炸藥在坑道中的爆炸效應方面，國內有關溫壓炸藥在坑道內爆炸特性的研究主要集中在沖擊波傳播規律方面[13-15]。孔霖等[16] 在直坑道內開展了相同藥量的溫壓炸藥與TNT 爆炸實驗研究，結果表明溫壓炸藥沖擊波正壓持續時間高于TNT。李世民等[17] 研究了RDX 基溫壓炸藥爆炸沖擊波在直徑0.4 m 的圓形坑道內的傳播過程，發現溫壓炸藥爆炸近區的沖擊波超壓峰值低于TNT，在之后的不斷傳播過程中，溫壓炸藥的峰值逐漸超過同位置TNT 的峰值，最高當量達到了1.48 倍。茍兵旺等[14] 搭建了一種由爆炸塔連接直坑道和S 形坑道的復合坑道，研究了溫壓炸藥在直坑道和S 形坑道內的空氣沖擊波超壓演化過程，發現坑道內溫壓炸藥爆炸沖擊波超壓、比沖量整體高于TNT。耿振剛等[13]、茅靳豐等[15]根據Autodyn 中的JWL-Miller 方程，對多種尺寸坑道內不同當量的溫壓炸藥爆炸沖擊波衰減規律進行了研究，計算結果顯示溫壓炸藥的超壓峰值和正壓時間都大于TNT 的。

目前對溫壓炸藥在坑道內爆炸特性的研究仍然以溫壓炸藥的沖擊波傳播規律為主[13-18]，對后燃引起的熱效應演化特征和耗氧能力研究較少，導致對溫壓炸藥的理解并不十分全面；坑道結構對沖擊波傳播、熱效應演化和爆炸氣體流動均會產生顯著的約束作用，關于約束作用對炸藥爆炸和燃燒規律及內在機理的研究未見報道。本文中根據以上問題進行試驗設計，開展不同藥量溫壓炸藥的坑道口內爆炸試驗，并與TNT 炸藥坑道口內爆炸試驗結果進行對比，在已有研究的基礎上進一步挖掘溫壓炸藥后燃效應的特征現象和形成機理，以期對溫壓炸藥坑道內爆炸的多種毀傷元傳播及演化規律模型提供支撐。