炸藥爆炸基本理論剖析課件

1、 武 漢 理 工 大 學爆破工程精品課程8/1/20221第一章 炸藥爆炸基本理論主要內(nèi)容第一章 炸藥爆炸基本理論1.1 基本概念 1.2 炸藥化學反應基本形式 1.3 炸藥氧平衡與反應產(chǎn)物 1.4 炸藥熱化學參數(shù) 1.5 炸藥感度 1.6 炸藥起爆 1.7 炸藥爆轟理論 1.8 炸藥爆炸性能：本章思考題8/1/20222第一章 炸藥爆炸基本理論第一節(jié) 基本概念物理爆炸（不發(fā)生化學變化 ） 核爆炸 （核裂變或核聚變 ） 化學爆炸（有新的物質(zhì)生成 ） （explosive） ： 在一定條件下，能夠發(fā)生快速化學反應，放出能量，生成氣體產(chǎn)物， 顯示爆炸效應（explosive effect）的化合物

2、或混合物。 爆炸的分類：炸藥8/1/20223第一章 炸藥爆炸基本理論 化學爆炸三要素1反應的放熱性 炸藥爆炸必須的能源 3反應中生成大量氣體產(chǎn)物 炸藥爆炸對外做功的媒介 2反應過程的高速度爆炸反應區(qū)別一般化學反應的重要標志 8/1/20224第一章 炸藥爆炸基本理論鋁熱劑反應 2Al+Fe2O3Al2O3+2Fe+828kJ 盡管反應非常迅速，且放出很多的熱量，反應放出的熱量足以把反應產(chǎn)物加熱到3000K，但終究由于沒有氣體產(chǎn)物生成，沒有把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的媒介，無法對外做功，所以不具有爆炸性。8/1/20225第一章 炸藥爆炸基本理論第二節(jié) 炸藥化學反應基本形式 爆炸速度增長到穩(wěn)定爆速（s

3、tationary detonation velocity）的最大值 ，以每秒數(shù)千米的最大穩(wěn)定速度進行的反應過程。 反映炸藥的化學安定性A緩慢分解 炸藥以每秒數(shù)百米至數(shù)千米的高速進行爆炸反應C爆炸與爆轟 對爆破材料的安全生產(chǎn),加工,運輸保管以及過期變質(zhì)炸藥的銷毀都很有必要B燃燒與爆燃爆轟8/1/20226第一章 炸藥爆炸基本理論第三節(jié) 炸藥氧平衡與反應產(chǎn)物 炸藥內(nèi)含氧量與所含可燃元素充分氧化所需氧量相比之間的差值稱為氧平衡。 氧平衡用每克炸藥中剩余或不足氧量的克數(shù)或質(zhì)量分數(shù)來表示。炸藥的氧平衡（Oxygen balance）8/1/20227第一章 炸藥爆炸基本理論氧平衡的計算令炸藥的通式：

4、CaHbNcOd則氧平衡的計算式：式中 炸藥的氧平衡；炸藥的摩爾質(zhì)量（g/mol）；氧的摩爾質(zhì)量（g/mol） 168/1/20228第一章 炸藥爆炸基本理論混合炸藥氧平衡的計算計算公式：或者式中 、分別為第 i 組分的質(zhì)量分數(shù)和氧平衡值 8/1/20229第一章 炸藥爆炸基本理論氧平衡的三種類型正氧平衡零氧平衡負氧平衡Qb0Qb=0Qb08/1/202210第一章 炸藥爆炸基本理論混合炸藥配方計算含兩種成分的混合炸藥配比： 設x、y分別為炸藥中氧化劑和可燃劑的配比，Qx、Qy、Qb分別為這兩種成分和混合后氧平衡值，則有 ：8/1/202211第一章 炸藥爆炸基本理論 例： 用硝酸銨、TNT和

5、木粉配制零氧平衡的巖石炸藥，試求出其取值范圍并選定一組配方。 解： 設1單位質(zhì)量炸藥中含硝酸銨為x，TNT為y，木粉為z。 已知各組中的氧平衡（查表）：硝酸銨20%，TNT-74%， 木粉-138%，按零氧平衡配制時應有： 三種成分的取值范圍為: 硝酸銨 ,TNT 木粉 可取TNT含量y=10%，代入上方程組解得： 8/1/202212第一章 炸藥爆炸基本理論爆轟產(chǎn)物與有毒氣體 （1）爆轟產(chǎn)物 ： 炸藥爆轟時，化學反應區(qū)反應終了瞬間的化學反應產(chǎn)物 。它是計算爆轟反應熱效應的依據(jù)。 （2）爆炸產(chǎn)物 ： 爆轟產(chǎn)物的進一步膨脹，或同外界空氣、巖石等其他物質(zhì)相互作用，發(fā)生新的反應、生成的新的產(chǎn)物 。（

6、3）有毒氣體： CO 、 H2S、SO2和氮氧化物 在計算有毒氣體總量時，應將其他氣體折算成CO含量；其中氮氧化物的毒性系數(shù)為6.5，SO2、H2S的毒性系數(shù)為2.5。8/1/202213第一章 炸藥爆炸基本理論影響有毒氣體生成量的主要因素 A炸藥的氧平衡 B化學反應的完全程度 C炸藥外殼為涂蠟紙殼 D爆破巖石內(nèi)含硫 生成H2S、SO2等有毒氣體 8/1/202214第一章 炸藥爆炸基本理論第四節(jié) 炸藥熱化學參數(shù) 爆炸壓力爆溫爆熱爆容 1kg炸藥爆炸生成氣體產(chǎn)物換算為標準狀態(tài)下的體積稱為爆容（specific volume）(單位:L/kg)。 爆容越大，炸藥做功能力越強。 單位質(zhì)量炸藥爆炸時

7、所釋放的熱量稱為爆熱 （explosion heat）(單位:J/kg 或kJ/kg )。 爆炸瞬間固體炸藥變成氣體產(chǎn)物，這些產(chǎn)物來不及膨脹，爆炸已經(jīng)結(jié)束，因而可以認為爆炸過程是定容過程。 (explosion temperature)指炸藥爆炸時放出的能量將爆炸產(chǎn)物加熱到的最高溫度。 （explosion pressure）指當爆炸結(jié)束，爆炸產(chǎn)物在炸藥初始體積內(nèi)達到熱平衡后的流體靜壓值。 也有人將其定義為炮孔中裝藥爆炸完了瞬間炮孔壁上的壓力，故又稱為炮孔壓力。 8/1/202215第一章 炸藥爆炸基本理論第五節(jié) 炸藥感度 感度（sensitivity）指在外界能量的作用下，炸藥發(fā)生爆炸的難易

8、程度。 起爆感度感度 炸藥對不同形式的外界能量作用所表現(xiàn)的感度是不一樣的。故不能簡單地以炸藥對某種起爆能的感度等效地衡量它對另一種起爆能的感度。沖擊波感度熱感度靜電感度火焰感度摩擦感度撞擊感度其他感度（sensitivity to initiation）(sensitivity to shock wave）（electrostatic sensitivity ）（sensitivity to flame）（sensitivity to friction）（sensitivity to impact）（sensitivity to heat）8/1/202216第一章 炸藥爆炸基本理論熱感度和機

9、械感度熱感度（sensitivity to heat）是指在熱的作用下,炸藥發(fā)生爆炸的難易程度。 熱感度通常用爆發(fā)點（ignition point）來表示. 熱作用的方式主要有兩種：均勻加熱、火焰點火 。 機械感度（1）撞擊感度（2）摩擦感度（sensitivity to impact）在機械撞擊的作用下，炸藥發(fā)生爆炸的難易程度稱為炸藥的撞擊感度。（sensitivity to friction）在機械摩擦的作用下，炸藥發(fā)生爆炸的難易程度稱為炸藥的摩擦感度。8/1/202217第一章 炸藥爆炸基本理論炸藥的起爆感度起爆感度（sensitivity to initiation） 炸藥的起爆感度是

10、指在其他炸藥（起爆藥、起爆具等）的爆炸作用下，猛炸藥發(fā)生爆轟的難易程度。 凡能用1發(fā)8號工業(yè)雷管可靠起爆的炸藥稱其具有雷管感度； 凡不能用1發(fā)8號工業(yè)雷管可靠起爆的炸藥稱其不具有雷管感度。8/1/202218第一章 炸藥爆炸基本理論炸藥的殉爆殉爆（sympathetic detonation） 殉爆是指炸藥（主發(fā)藥包）發(fā)生爆炸時引起與它不相接觸的鄰近炸藥（被發(fā)藥包）爆炸的現(xiàn)象殉爆距離是指主發(fā)藥包爆炸時一定引爆被發(fā)藥包的兩藥包間的最大距離 。殉爆距離（transmission distance）炸藥的殉爆能力用殉爆距離表示，單位一般為cm 確定炸藥生產(chǎn)房間的安全距離（safety distanc

11、e），為廠房設計提供基本數(shù)據(jù)；改進工 業(yè)炸藥的性質(zhì)，提高在工程爆破時起爆或傳爆的可靠性。 在采用炮孔法進行爆破工作時，為保證相鄰藥卷完全殉爆，對藥卷之間的殉爆距離有一定要求。裝藥時，應盡可能使相鄰藥卷緊密接觸，防止巖粉或碎石等惰性物質(zhì)將藥卷隔開。因有惰性介質(zhì)時，殉爆距離將明顯減小。研究殉爆的目的：8/1/202219第一章 炸藥爆炸基本理論殉爆距離的測定8/1/202220第一章 炸藥爆炸基本理論影響殉爆距離的因素 ABC裝藥密度 藥包外殼和連接方式藥量和藥徑 8/1/202221第一章 炸藥爆炸基本理論影響炸藥感度因素 影響炸藥感度的因素 1炸藥溫度的影響 2炸藥物理狀態(tài)與晶體形態(tài)的影響 3

12、炸藥顆粒度的影響 5附加物的影響 4裝藥密度的影響 8/1/202222第一章 炸藥爆炸基本理論第六節(jié) 炸藥起爆炸藥爆炸的能柵圖8/1/202223第一章 炸藥爆炸基本理論熱點起爆理論 熱點學說認為：炸藥在受到機械作用時，絕大部分的機械能量首 先轉(zhuǎn)化為熱能。由于機械作用不可能是均勻的，因此，熱能不是作用在整個炸藥上，而只是集中在炸藥的局部范圍內(nèi)，并形成熱點。在熱點處的炸藥首先發(fā)生熱分解，同時放出熱量，放出的熱量又促使炸藥的分解速度迅速增加。如果炸藥中形成熱點的數(shù)目足夠多，且尺寸又足夠大，熱點的溫度升高到爆發(fā)點后，炸藥便在這些點被激發(fā)并發(fā)生爆炸，最后引起部分炸藥乃至整個炸藥的爆炸。 熱點起爆理論

13、又稱熱點學說 熱點形成的原因: （ 1）炸藥內(nèi)部的空氣間隙或者微小氣泡等在機械作用下受到了絕熱 壓縮；（ 2）受磨擦作用后，在炸藥的顆粒之間、炸藥與雜質(zhì)之間以及炸藥 與容器內(nèi)壁之間出現(xiàn)的局部加熱；（3） 炸藥由于黏滯性流動而產(chǎn)生的熱點。 熱點起爆理論8/1/202224第一章 炸藥爆炸基本理論第七節(jié) 炸藥爆轟理論 波擾動在介質(zhì)中的傳播稱為波。 物質(zhì)在外界的作用下狀態(tài)參數(shù)會發(fā)生一定的變化，物質(zhì)局部狀態(tài)的變化稱為擾動 稀疏波壓縮波受擾動后波陣面上介質(zhì)的壓力、密度均增大的波稱為壓縮波。 受擾動后波陣面上介質(zhì)的壓力、密度均減小的波稱為稀疏波或膨脹波。 （pressure wave）（expansion

14、 wave）8/1/202225第一章 炸藥爆炸基本理論沖擊波的形成沖擊波（shock wave） 沖擊波是一種在介質(zhì)中以超聲速傳播的并具有壓力突然躍升然后慢慢下降特征的一種高強度壓縮波。 沖擊波形成原理示意圖 R活塞與氣體的界面 A各個瞬時的波陣面；P管中空氣壓力 8/1/202226第一章 炸藥爆炸基本理論沖擊波基本方程 8/1/202227第一章 炸藥爆炸基本理論沖擊波特征1） 沖擊波的波速對未擾動介質(zhì)而言是超音速的。2） 沖擊波的波速對波后介質(zhì)而言是亞音速的。3） 沖擊波的波速與波的強度有關。由于稀疏波的侵蝕和不可逆的能量損耗，其強度和對應的波速將隨傳播距離增加而衰減。傳播一定距離后，

15、沖擊波就會蛻變?yōu)閴嚎s波，最終衰減為音波。4） 沖擊波波陣面上的介質(zhì)狀態(tài)參數(shù)（速度、壓力、密度、溫度）的變化是突躍 的，波陣面可以看做是介質(zhì)中狀態(tài)參數(shù)不連續(xù)的間斷面。沖擊波后面通常跟有稀疏波。5） 沖擊波通過時，靜止介質(zhì)將獲得流速，其方向與波傳播方向相同，但流速值小于波速。6） 沖擊波對介質(zhì)的壓縮不同于等熵壓縮。沖擊波形成時，介質(zhì)的熵將增加。7） 沖擊波以脈沖形式傳播，不具有周期性。8） 當很強的入射沖擊波在剛性障礙物表面發(fā)生反射時,其反射沖擊波波陣面上 的壓力是入射沖擊波波陣面上壓力的8倍,由于反射沖擊波對目標的破壞性更大，因此在進行火工品車間.倉庫等有關設計時應盡量避免可能造成的沖擊波反射。

16、8/1/202228第一章 炸藥爆炸基本理論炸藥爆轟波爆轟波（detonation wave）在炸藥中傳播的伴隨有快速化學反應區(qū)的沖擊波稱為爆轟波。 爆轟波沿炸藥裝藥傳播的速度稱為爆速。（detonation velocity）爆速爆轟波特征： 爆轟波只存在于炸藥的爆轟過程中。爆轟波的傳播隨著炸藥爆轟結(jié)束而中止。 爆轟波總帶著一個化學反應區(qū)，它是爆轟波得以穩(wěn)定傳播的基本保證。習慣上把 0-2區(qū)間稱為爆轟波波陣面的寬度，其數(shù)值約0.11.0cm，視炸藥的種類而異。 爆轟波具有穩(wěn)定性，即波陣面上的參數(shù)及其寬度不隨時間而變化,直至爆轟終了.8/1/202229第一章 炸藥爆炸基本理論爆轟波的結(jié)構(gòu)波陣

17、面2-2面為爆轟化學反應區(qū)的末端面，稱為爆轟波波陣面。 常把滿足一定假設條件的理想爆轟波波陣面簡稱為CJ面 （ChapamanJouguet plane ）CJ面爆轟波結(jié)構(gòu)示意圖 8/1/202230第一章 炸藥爆炸基本理論爆轟波的參數(shù)CJ面上爆轟產(chǎn)物的移動速度 爆轟壓力 CJ面上爆轟產(chǎn)物的比容 CJ面上爆轟產(chǎn)物的密度 CJ面上稀疏波相對于爆轟產(chǎn)物的速度 爆速 爆轟溫度 8/1/202231第一章 炸藥爆炸基本理論凝聚炸藥爆轟反應機理 ABC均勻灼燒機理 混合反應機理 不均勻灼燒機理 均勻灼燒機理又稱整體反應機理 化學反應在整個爆轟波波陣面上同時進行。 混合反應機理又稱二次式多次反應機理 化學

18、反應在化學反應區(qū)分步進行。 整個壓縮層炸藥的溫度不是均勻地升高并發(fā)生灼燒，形成“起爆中心”或“熱點”并先發(fā)生化學反應，然后再傳到整個炸藥層。 （三種途徑）炸藥中含有的微小氣泡（氣體或蒸氣）在受到?jīng)_擊波壓縮作用時的絕熱壓縮；由于沖擊波經(jīng)過時炸藥的質(zhì)點間或薄層間的運動速度不同而發(fā)生摩擦或變形；爆炸氣體產(chǎn)物滲透到炸藥顆粒間的空隙中而使炸藥顆粒表面加熱.8/1/202232第一章 炸藥爆炸基本理論理想爆轟與穩(wěn)定爆轟 （limiting diameter）區(qū)分:藥包極限直徑 藥包臨界直徑 （critical diameter）理想爆轟非理想爆轟當任意加大藥包直徑和長度而爆轟波傳播速度仍保持穩(wěn)定的最大值時

19、，稱為理想爆轟。 爆轟波以低于最大爆速的定常速度傳播時，則稱為非理想爆轟。 8/1/202233第一章 炸藥爆炸基本理論爆轟波壓力及爆速的特性 混合炸藥爆轟波壓力隨時間的變化t1第一次反應時間；t2第二次反應時間；t0炸藥被壓縮時間炸藥爆速隨藥包直徑變化 8/1/202234第一章 炸藥爆炸基本理論側(cè)向擴散對反應區(qū)結(jié)構(gòu)的影響 側(cè)向擴散對反應區(qū)結(jié)構(gòu)的影響1爆轟產(chǎn)物區(qū)；2側(cè)向擴散影響區(qū)；3有效反應區(qū)；4未反應區(qū)（炸藥） 5擴散物前鋒位置；6稀疏波（膨脹波）陣面；l反應區(qū)寬度；a-a沖擊波陣面8/1/202235第一章 炸藥爆炸基本理論不同藥包直徑側(cè)向擴散對反應區(qū)結(jié)構(gòu)影響 不同藥包直徑側(cè)向擴散對反應

20、區(qū)結(jié)構(gòu)影響示意圖l反應區(qū)寬度 l 有效反應區(qū)寬度（a）不穩(wěn)定傳爆 （b）非理想爆轟穩(wěn)定傳爆 （c）理想炸轟8/1/202236第一章 炸藥爆炸基本理論第八節(jié) 炸藥爆炸性能爆速（detonation velocity）爆轟波沿炸藥裝藥傳播的速度稱為爆速 裝藥直徑藥包外殼裝藥密度炸藥粒度（影響因素）起爆沖能8/1/202237第一章 炸藥爆炸基本理論影響爆速的因素（1） 炸藥爆速隨藥包直徑變化 1梯恩梯（ ）；2梯恩梯/硝酸銨（50/50）（ ） ； 3梯恩梯（ ）；4梯恩梯-硝酸銨（ ）； 5硝酸銨-硝化甘油（ ）；6硝酸銨（ ）8/1/202238第一章 炸藥爆炸基本理論影響爆速的因素（2）

21、粒狀銨油炸藥爆速隨藥包直徑變化 梯恩梯的裝藥密度對爆速的影響8/1/202239第一章 炸藥爆炸基本理論影響爆速的因素（3）混合炸藥裝藥密度對爆速的影響1藥包直徑20mm； 2藥包直徑40mm8/1/202240第一章 炸藥爆炸基本理論溝槽效應及其影響因素溝槽效應（pipe effect） 溝槽效應，也稱管道效應、間隙效應，就是當藥卷與炮孔壁間存在有月牙形空間時，爆炸藥柱所出現(xiàn)的自抑制能量逐漸衰減直至拒（熄）爆的現(xiàn)象。 （影響因素）炸藥配方A物理結(jié)構(gòu)B包裝條件C加工工藝D8/1/202241第一章 炸藥爆炸基本理論減少或消除溝槽效應的措施DCBA調(diào)整炸藥配方和加工工藝堵塞等離子體的傳播 增大藥

22、卷直徑 化學技術 EF沿藥包全長放置導爆索起爆 采用散裝技術，使炸藥全部充填炮孔不留間隙 8/1/202242第一章 炸藥爆炸基本理論炸藥爆速的測定測定方法導爆索法 電測法高速攝影法示波器記時法 數(shù)字式爆速儀測爆速法 8/1/202243第一章 炸藥爆炸基本理論導爆索法測爆速 導爆索法測爆速1雷管；2藥包；3導爆索；4鉛板8/1/202244第一章 炸藥爆炸基本理論示波器測定爆速示波器測定爆速（a）測定裝置；（b）熒光屏上波形1，2探針；3藥包；4脈沖信號發(fā)生器電路；5示波器；6雷管；7脈沖信號；8時標8/1/202245第一章 炸藥爆炸基本理論炸藥的威力炸藥爆炸作功示意圖 8/1/202246第一章 炸藥爆炸基本理論炸藥威力的測定方法（1） 鉛 鑄 擴 孔 法鉛鑄擴孔法 彈道臼炮法 爆破漏斗法8/1/202247第一章 炸藥爆炸基本理論炸藥威力的測定方法（2） 彈 道 臼 炮 法1臼炮體 2標準室 3活塞式炮彈體鉛鑄擴孔法 彈道臼炮法 爆破漏斗法8/1/202248第一章 炸藥爆炸基本理論炸藥威力的測定方法（3） 鉛鑄擴孔法 彈