本文是一篇工程论文发表,本文以铝基破岩药剂为例,设计了一种能稳定起爆该破岩药剂的激发药,利用热分解动力学分析了破岩药剂与激发药的能量匹配问题。
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
随着炸药合成研究与爆破技术的发展,炸药爆破在矿山开采与房屋拆除中得到了广泛应用,为我国基础建设与发展提供了重要保障。虽然传统的炸药合成与应用等各方面技术已经成熟,但随着社会发展,国家与人民对绿色环境与本质安全化的要求日益提高,在城镇区域与复杂环境作业情况下,炸药爆破存在着各种问题,使用受到限制。其表现在以下几个方面:
(1)随着爆炸技术的日益发展,炸药爆炸产生的振动、飞石等危害虽有所减少,但难以从根本控制。爆炸振动会引起周围建构筑物结构的损坏以及山体的开裂、变形,导致人员伤亡与财产损失[1-3],飞石等易对周遭结构与人员造成二次灾害[4]。
(2)在城镇房屋拆除作业中,机械拆除与人工拆除技术水平较低、拆除效率低下[5],炸药拆除爆破的效率相对较高,但炸药等爆炸品的运输与储存管控相对严格[6-7],在城镇区域,尤其是小规模大面积拆除作业时,其运输与使用效率大大降低,且使用成本较高,使用受到限制,与其他拆除手段缺乏竞争力。
(3)除直接物理危害外,硝酸铵基商业炸药(ANFO炸药、乳化炸药机器混合物)爆破还会产生有毒的二氧化氮、一氧化氮和一氧化碳等气态爆轰产物[8-10],爆炸后残留的NO3-和NH3不仅会污染周围土壤环境[11],在光照与磷元素充足时,也会使水体富营养化[12].
为了弥补工业炸药应用的不足,国内外也发展出了一些非炸药爆破手段,其中静态破岩药剂和金属燃烧剂类破岩药剂应用最为广泛。静态破岩药剂作用时间较久(一般在4-30h),膨胀力受环境温度、拌合水温等外部因素影响较大,且缺少破碎参数与破碎效果的明确定量关系[13-15],不适用于大规模作业环境。金属燃烧剂类破岩药剂爆破效果明显、效率相对稳定,但是在实际作业应用中种类繁多,没有形成统一的标准与使用参数。此类爆破剂虽然原料安全,不受管控,特殊作业环境下使用较为方便,但在大部分爆破作业中其仍需使用雷管等起爆器材起爆,使其使用受到极大限制,仍难以应用于城镇区域等特殊作业环境。因此,有必要深入开展破岩药剂激发药(起爆药)及其工程化应用研究,设计出原料安全、易得、不受管控且能稳定起爆破岩药剂的药剂。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 烟火药剂研究现状
本文主要针对由硝基化合物、生物质材料与金属粉末配置的破岩药剂设计激发药,其主要氧化剂为硝基化合物、主要还原剂为铝粉,区别于炸药依靠爆轰波与气体推动膨胀做功,其不产生爆轰波,主要依靠爆燃反应产生的高温高压进行破岩(即温压效应热应力破岩)。从药剂成分与做功形式进行分类,属于烟火药剂。国内外对此类火工药剂有较多研究,但较少应用于工程爆破领域,主要以军事领域应用为主。
我国金属矿产资源种类齐全、自给程度较高,部分金属矿种在火工药剂中应用极为广泛,为了提高爆燃、爆炸反应温度,在点火药、推进剂等高能燃烧药剂中添加金属燃料已成为常用手段,金属燃料的存在,不仅可以提高燃烧剂的放热量、进而提高比冲而且可以提高燃烧剂的比重、增加其能量密度。其中,铝元素作为地壳中含量最丰富的金属元素,被广泛应用于航空、建筑、汽车等重要领域,由于拥有较高的燃烧热(KJ/kg)与密度(2.70g/cm3)其在爆炸混合物(如含铝炸药)、照明混合物、燃烧混合物(如铝热剂等)等的制造中应用极为广泛,含铝火工品也引起了极大的研究兴趣。
赵象润等人[16]通过采用MSC.Dytran的爆燃状态方程模拟了炭黑/硝酸钾(C/KNO3)在定容条件下的压力‑时间历程(P-t)。在压力快速上升阶段(0-0.5pm),仿真结果误差较小,压力上升到0.5pm时,相对误差为3.4%,表明使用该软件爆燃状态方程可以准确得到烟火药在定容条件下反应任意时刻的压力空间分布。
何昌辉等人[17]研究了硝酸钾、新型有机钾盐(DK、PK、LK、HK)对发射药燃烧的影响,在7MPa压强下下含硝酸钾的发射药样品静态燃烧面积和亮度最大,并且随着有机钾盐中氧含量的升高,静态燃烧面积会逐渐减小。
第2章 破岩药剂与其激发药的选择与制备
2.1 破岩药剂设计与制备
2.1.1 破岩药剂设计原则
与大部分破岩用高能燃烧药剂作用机理相似,破岩药剂主要通过爆燃产生的高温高压对岩石进行破碎,即温压作用破岩。为了满足破岩要求,破岩药剂需满足以下几点:1.较高的能量密度,在固定体积内能产生更高的能量;2.高含氧量,满足正氧平衡或零氧平衡;3.高反应速度,在有限体积内能发生爆燃反应;4.二次反应产生的气体量充足。
破岩药剂主要组成部分为氧化剂与还原剂两部分,氧化剂主要为硝酸钾,还原剂主要为金属铝粉,另外还添加有生物质材料(超细秸秆粉)以增加气体产生量。硝酸钾又称硝石,是制造传统黑火药(如引火线、烟花爆竹等)的主要原材料,具有强氧化性,与有机物、还原剂可以发生燃烧或爆炸反应。铝粉能量密度高,是点火药、推进剂等高能燃烧药剂中常用的添加剂与还原剂,其氧化还原反应每克放热量大约为15.5KJ,在高能燃烧药剂中,铝粉的存在不仅能提高燃烧药剂的放热量,还能提高药剂的能量密度与比冲,增加其爆燃性能。
传统炸药主要依靠爆炸时产生的爆轰波和高温、高压气体作用于岩石进行破岩,其高温、高压与迅速膨胀的气体将装药附近岩石粉碎;外层岩石破碎则主要依靠冲击波及其反射拉伸波,在岩石中产生径向扩张和切向拉伸应变进行作用。破岩药剂虽然没有爆轰波的产生,但其高温高压及爆燃波做功破岩与炸药破岩存在相似之处。因此,可以参考评估炸药的标准,通过即爆压、爆热、爆热来确定破岩药剂的配比。在破岩药剂中,生物质燃料燃烧含量较少,且破岩药剂反应时,生物质产热相对较少,主要作用为产气,因此在计算爆热时可以先忽略秸秆粉,只考虑KNO3与Al反应。
2.2 激发药的选择
2.2.1 激发药选取原则
(1)原料安全、来源广泛。破岩药剂原料安全、不受管制,可灵活应用于城镇拆除作业与特殊作业区域破岩中,但破岩药剂起爆用到的传统起爆器材仍属于爆炸物,受到管制,使得破岩药剂的应用受到极大限制。为了保证作业与储存的便捷安全,激发药的选取必须满足原材料来源广泛、安全且不被认定为爆炸物品受到管制,以此才能灵活应用于城镇拆除作业及传统炸药受管控区域,提高其应用能力。传统的点火药,如黑火药、硼-硝酸钾点火药显然无法满足此条件。
(2)高能量密度。为了保证激发效率,破岩药剂的激发药需要有足够的热量输出且燃烧产物中固体微粒含量高、气体生成量低。由于破岩药剂单耗较高且炮孔空间有限,为了保证破岩时有足够的破岩药剂输出能量,并尽可能降低激发药药量变化对输出能量的影响,方便定量控制破岩效果,要尽可能地降低极限激发药量,这也要求激发药有足够的能量密度。
(3)点火延期短。在工程应用中,尤其是大规模破岩或拆除作业时,炮孔间的延期需要做到定量控制。在大规模、多炮孔作业中,点火延期较高时,会极大影响房屋拆除作业与矿山破岩效果,甚至导致拒爆、房屋倒塌方向偏移等严重后果。
(4)高温、适量的热熔渣。激发药需要足够的燃烧温度,保证燃烧温度应远高于破岩药剂失重速率峰值温度,并且在燃烧时可以产生足够的液态灼热熔渣,在激发破岩药剂时,高温熔渣可以分散到破岩药剂内部,提高激发效率。但是灼热熔渣不宜过多,否在有有限炮孔内会造成堵塞,阻碍传火。
第3章 激发药性能测试............................ 21
3.1 激发药与破岩药剂能量匹配....................... 21
3.1.1 热分析动力学处理方法........................... 21
3.1.2 实验仪器与条件........................ 23
第4章 激发药工程破岩应用 ..................... 43
4.1 试块破碎实验 ........................ 43
4.1.1 模型设计与制作 ............................... 43
4.1.2 模型爆破试验过程 .......................... 44
第5章 结论与展望 ................................. 51
5.1 本论文主要结论 ............... 51
5.2 展望 ........................... 52
第4章 激发药工程破岩应用
4.1 试块破碎实验
在通过多孔破岩验证激发药性能时,首先需确定破岩药剂单耗,以确定实际破岩所需药量。先设计以下实验,初步确定破岩药剂单耗,为多孔破岩实验药量的选择做参考。
4.1.1 模型设计与制作
本次试验所制作的水泥砂浆试块为正方体,尺寸为:20cm×20cm×20cm,采用成品工程塑料试模进行水泥成型。
具体质量配比为:水:PC32.5普通硅酸盐水泥:黄砂=0.5:1:2。采用预制炮孔,水泥混合好并振浆完成后将完全堵塞的PVC管插入预留炮孔位置处。为保证药剂能顺利放入炮孔,并留有足够堵塞距离,炮孔预留直径设置为3cm。按照爆破经验,炮孔长度为试块总长度的三分之二即13cm。水泥试块浇注完成之后,进行振浆保证水泥内部均匀无气泡,后将试块表面抹匀,在设计位置插入直径为3cm的完全堵塞的PVC塑料管,为防止其与水泥粘连,在表