二级煤矿许用乳化炸药爆轰参数的理论计算

吴国群　黄文尧　王晓光　郑恒威

摘 要：采用B-W法则预测二级煤矿许用乳化炸药的爆炸产物，同时运用盖斯定律、热力学定律及C-J爆轰理论对该炸药的爆轰参数进行理论计算。结果表明：理论计算得出的爆轰参数与实验测得的结果相当，说明该计算方法将对其它煤矿许用乳化炸药配方设计具有一定的指导意义。

关键词：煤矿许用乳化炸药；爆轰参数；理论计算；配方设计

中图分类号：TD235.1文献标识码：A文章编号：1672-1098(2008)01-0078-03

收稿日期：2007-09-26

作者简介：吴国群（1981-），男，安徽淮南人，在读硕士，研究方向为炸药和工程爆破。

Theoretical Calculation of Detonation Parameters of Emulsified

Explosive Materials of Class Ⅱ Use Permissibility in Coal Mine

WU Guo-qun,HUANG Wen-yao,WANG Xiao-guang,ZHENG Hen-wei

(School of Chemical Engineering,Anhui University of Science and Technology,HuainanAnhui 232001，China)

Abstract: Based on B-W rule explosion products of emulsified explosive materials of class Ⅱ use permissibility in Coal Mine was predicted. Theoretical calculation of detonation parameters of the explosive materials was done based on Ghess law, thermodynamics law and C-J detonation theory. The results show that theoretical calculation of detonation parameters is identical with experiment results, which indicates that the calculation method has certain reference in prescription development of other emulsified explosive materials permissibly used in coal mines.

Key words:emulsified explosive material permissibly used in coal mines; detonation parameters; theoretical calculation; prescription development

二级煤矿许用乳化炸药是以氧化剂、消焰剂等水溶液为内相，以熔化的可燃剂为外相，通过乳化剂在剪切力的作用下，形成油包水型乳化胶体，再加入少量的化学发泡剂发泡实现气泡敏化，形成具有雷管感度的抗水型煤矿许用乳化炸药［1］。该炸药现广泛应用于低瓦斯矿井的工程爆破中。由于该炸药中含有一定量的水和消焰剂，在爆炸反应过程中，虽然水和消焰剂不参与化学反应，但由于水的蒸发和消焰剂的熔融都将吸收大量的热量，一方面降低了炸药的爆炸能量，另一方面抑制了炸药爆炸引燃瓦斯的可能性，保证了安全生产［2］。本文通过对该乳化炸药爆轰参数的理论计算，得到的结果对煤矿许用乳化炸药的配方与设计具有重要的理论意义和参考价值。

1 爆炸反应方程式的确定

根据二级煤矿许用乳化炸药的配方［3］， 该炸药由硝酸铵（72%）、硝酸钠（8%）、氯化钾（4%）、水（10%）、复合蜡（4%）和乳化剂（2%）构成，计算出1 kg该炸药中所含各物质的摩尔数分别为硝酸铵（9.000 mol）、硝酸钠（0.942 mol）、氯化钾（0.537 mol）、水（5.556 mol）、复合蜡（0.157 mol）及乳化剂（0.060 mol），由此可得出1 kg炸药的实验式近似为：C3.966狧55.598狾35.602狽18.942狽a0.942狵0.537狢l0.537。

采用国际公认的B-W法则来确定二级煤矿许用乳化炸药的爆炸分解产物［4］17（见表1）。

表1 预测爆炸分解产物的B-W法则

爆炸反应优先顺序反应方程式1首先将组分中氢氧化为水2H+O→H2O(气体)2其次将碳氧化为一氧化碳，若氧不足则未氧化的碳以固体游离态存在C+O→CO(气体)3若氧还有剩余，则将一氧化碳氧化为二氧化碳分子CO+O→CO2(气体)4如果上述反应还有剩余的氧，则氧直接以氧气分子存在2O→O2(气体)5通常，氮以氮气分子存在2N→N2(气体)6水和消焰剂在爆炸反应中仅发生相态变化H2O(液态)→H2O(气态)

KCl(固体)→KCl(熔融)

根据上述法则，可得出1 kg二级煤矿许用乳化炸药的爆炸反应方程式为：

9NH4NO3+0.942NaNO3+5.556H2O+

0.157C18狧38+0.060C19狧42狾4+0.537KCl→

0.471Na2O+27.799H2O+3.386CO2+0.58CO+

0.537KCl+9.471N2

2 爆轰参数的理论计算

2.1 爆热计算

炸药的爆热是一个重要的爆轰参数，并且已经用来评估含能材料对周围环境的破坏效果。通常根据盖斯定律计算其爆热［4］25（见图1）。

图1 盖斯三角形

由图1可知：

Q璸=Q﹑1,3-Q﹑1,2（1）

据文献［5］可知：若爆炸时环境的温度为25 ℃，二级煤矿许用乳化炸药各组分的生成热之和为玅﹑1,2=5 522.82 kJ•kg-1； 爆炸产物的定压生成热为玅﹑1, 3= 0.471×415.90+27.799×241.83+3.386×393.51+0.58×110.52+0.537×435.87= 8 546.49 kJ•kg-1

由式（1）可计算二级煤矿许用乳化炸药的定压爆热为

玅璸=8546.49-5522.82=3023.67 kJ•kg-1

对常用的炸药来说，其爆炸反应过程极其短促，需用（10－2～10－6） s的时间来衡量，因此爆炸反应所放出的能量实际上可近似认为是全部聚集在炸药爆炸前所占的体积内，因此，通常以定容爆热来表征炸药爆炸反应所放出的热量［4］27，即

Q璿=Q璸+Δ玭•R•T=

3023.67+41.235×8.314×10-3×298=

3125.83kJ•kg-1(2)

2.2 爆温计算

根据爆炸的特点，可以利用爆轰产物的平均热容计算爆温

Q璿=ヽ璿(T瑽-T0)=ヽ璿•t（3）

式中：玅璿为炸药的定容爆热，kJ•kg-1；玊0为炸药的初温，K；玊瑽为炸药的爆温，K；玹为爆炸产物从玊0到T瑽的温度间隔,℃；ヽ璿为爆轰产物在温度间隔玹内的平均热容量，kJ•K-1。

对于一般工程计算，认为平均分子热容与温度间隔玹为线性关系

ヽ璿=A+B•t（4）

式中：A=∑n璱a璱 B=∑n璱b璱

对于双原子气体爆轰产物： 玜=20.08，玝=18.83×10-4；水蒸气：玜=16.74，玝=89.96×10-4；二氧化碳：玜=37.66，玝=24.27×10-4；氯化钾：玜=50.16，氧化钠：玜=71.48，则

A=∑n璱a璱=（0.471×71.48）+（27.799×

16.74）+（3.386×37.66）+{（0.58+9.471）

×20.08}+（0.537×50.16）=855.299

B=∑n璱b璱=（27.799×89.96×10-4）+

（3.386×24.27×10-4）+{（0.58+9.471）×

18.83×10-4）=2772.236×10-4

由式(3)可计算出：玹=2 152.7 ℃，得到炸药的爆温玊瑽=t+298=2 450.7 K。

2.3 爆容计算

已知该炸药的爆炸化学反应方程式，由Avogadro定律求得炸药的爆容

V=22.4nm（5）

式中：玬为反应方程式中炸药的质量，kg；玭为爆炸反应式中各气态产物的物质的量总和，mol。

所以根据爆炸反应方程式及式（5）计算爆容为

玍=41.235×22.41=923.7 L•kg-1

2.4 爆速计算

根据经验公式，炸药的爆轰反应速度与爆热和气体产物的绝热指数有关

υ璂=2(γ2-1)Q璙（6）

式中：γ为气体产物绝热指数；玅璙为炸药反应爆热，kJ•kg-1。

已知 γ〤O2=4.5；γ〩2O=1.9；γ〤O=2.85；γ㎡2=2.45；γ㎞2=3.7；γ〤=3.35；γ㎏Cl=3.1；γ㎞a2O=2.9

由

1γ=0.47142.244×12.9+27.79942.244×11.9+3.38642.244×

14.5+0.5842.244×12.85+0.53742.244×13.1+

9.47142.244×13.7

得 γ＝2.28

代入式(6)得υ璂=2(γ2-1)Q璙

υ璂=5 124 m•s-1

2.5 爆压计算

从大量实验数据可以得出压力与炸药的密度和爆速之间存在关系为

P=14ρ0υ2璂(7)

式中：玃为爆轰气体产物的理论爆压，Pa；ρ0为炸药密度，g•cm-3；υ璂为理论爆速，m•s-1。

已知炸药的装药密度ρ0=1.1 g•cm-3，理论爆速υ璂=5 124 m•s-1代入式（7）计算得理论爆压

玃=7.22×109Pa=7 220 MPa

2.6 理论计算值与实验值的比较

将二级煤矿许用乳化炸药50 g制成药包，放入Crt-2型爆热弹测试炸药的爆热和爆容；炸药的爆速用Φ35 mm纸筒装药，装药密度1.1 g•cm-3，用KG-8601型爆速仪测试；对于工业炸药而言，炸药的爆压与爆温目前很难测出，通常，实验爆压值是由实测装药密度和实测爆速值代入式(7)计算而得［6］（见表2）。

表2 理论值与实验值的比较

爆热

/(kJ•kg-1)爆容

/(L•kg-1)爆速

/(m•s-1)爆压

/MPa理论值3 125.83923.75 1247 220实验值2 949.66910.54 8246 400

由表2可以看出：理论计算得出的爆轰参数比实验测得的结果略为偏大。这是由于二级煤矿许用乳化炸药实验测试时装药量较小,装药直径达不到极限直径，使得炸药的爆轰没有达到理想爆轰,导致炸药的爆轰参数比理论计算值偏低。

3 结论

(1) 根据Brinkley-Wilson法则，可以得出二级煤矿许用乳化炸药的爆炸反应方程式为

9NH4NO3+0.942NaNO3+5.556H2O+0.157

C18狧38+0.060C19狧42狾4+0.537KCl→0.471Na2O+27.799H2O+3.386CO2+0.58CO+0.537KCl+9.471N2

(2) 通过理论计算， 得出消焰剂氯化钾的含量为4%的二级煤矿许用乳化炸药的爆轰参数为玅璙= 3 125.83 kJ•kg-1,玍= 923.7 L•kg-1,

玃=7 220 MPa, υ璂=5 124 m•s-1,玊=2450.7 K,该理论计算值与实验结果相比，基本符合误差的要求，且计算方法较简便，这对于其它煤矿许用乳化炸药爆轰参数的计算及其配方设计具有一定的参考价值。

参考文献：

［1］ 杨永琦.矿山爆破技术与安全［M］.北京：煤炭工业出版社，1991：70-89.

［2］ 吕春绪，刘祖亮，倪欧琪.工业炸药［M］.北京：兵器工业出版社，1994：97-109.

［3］ 吕春绪.工业炸药理论［M］.北京：兵器工业出版社，2003：107-119.

［4］ 炸药理论编写组.炸药理论［M］.北京：国防工业出版社，1982：17-27.

［5］ 陆明.工业炸药配方设计［M］.北京：北京理工大学出版社，2002：92-96.

［6］ 张立.爆破器材性能与爆炸效应测试［M］.合肥：中国科学技术出版社，2006：204-218.

(责任编辑：何学华)