爆炸与炸药的基本理论解析课件.ppt

1、12 爆炸与炸药的基本理论爆炸与炸药的基本理论232.1.1 爆炸及其分类 2.1.2 炸药的爆炸的三个条件2.1.3 炸药化学变化的基本形式4爆炸：爆炸是宇宙中普遍存在的一种自然现象。爆炸现象归纳为：l物理爆炸l化学爆炸l核爆炸 5 炸药爆炸是一个化学反应过程，但炸药的化学反应并不都是爆炸，必须具备一定条件的化学反应才是爆炸。炸药爆炸具备以下三个条件：（1）变化过程释放大量的热（2）变化过程能生成大量气体（3）变化过程必须是高速的 6 炸药爆炸实质上是炸药中的化学能在瞬间转化为对外界做功的过程，反应释放出的热是做功的能源做功的能源，也是化学反应进一步加速进行的必要条件。炸药爆炸时放出的热量大

2、小常用爆热来衡量，爆爆热热指单位质量炸药爆炸时放出的热量（反应热）。炸药爆炸瞬间放出的热量主要用于对爆炸产物加热，使爆炸产物达到很高的温度，爆炸产物在原有体积内达到热平衡时的温度称爆温爆温。7 气体具有良好的压缩性，瞬间生成大量的气体容纳在原有体积内，必然产生很高的压力，高温高压气体为做功提供了必要条件必要条件，气体膨胀就是做功。产生气体多少和释放热量多少决定了炸药爆炸做功多少。用比容衡量炸药爆炸时产生的气体多少，比容比容指单位质量炸药爆炸后生成的气体在标准状态下所占的容积。单质炸药比容一般在3001000L/kg。8 尽管炸药化学反应释放出大量能量并产生大量气体，如果没有必要的反应速度，也不

3、能形成爆炸，反应速度标志着做功的功率功率。爆炸反应的速度通常用爆速来衡量，爆速爆速指爆炸过程在炸药中传播的稳定速度。单质炸药爆速一般在11008000m/s。9 爆炸不是炸药唯一的化学反应形式，在特定的反应条件下，同种炸药可能有四种不同形式的化学反应：四种反应形式产生不同的物理化学效应。10热分解是炸药化学反应的最低形式，表现为炸药在常温下缓慢的化学变化，使原物质发生本质的变化。炸药热分解一般会带来不良后果，炸药因热分解而变质直接影响炸药的使用。在一定条件下，热分解会转变为燃烧甚至爆炸，以致发生意外爆炸事故。所以在炸药的制造、贮存过程中应严格控制环境条件，避免炸药的热分解。11 燃烧是比热分解

4、更高一级的化学反应形式，往往是由受热或火焰引起的。燃烧是物质的氧化过程，所以一般物质燃烧需要外界提供氧，而炸药本身含有丰富的氧和燃料，不需要外界的氧就可以燃烧，一旦炸药燃烧，靠隔绝空气的灭火方法不起作用，往往还会加速炸药的燃烧。炸药燃烧时对压力比较敏感，压力越大，燃速越高，甚至由燃烧转变为爆炸，所以在密闭条件下燃烧是很危险的。在炸药贮存时，要注意创造不利于燃烧的条件，如改善通风条件。12 爆炸是炸药的最高化学反应形式。与燃烧的区别在于燃烧靠热传导传递能量和激发化学反应，爆炸则靠冲击波传递能量和激发反应区；燃烧受环境影响较大，爆炸则基本上不受环境影响。爆炸的反应速度、温度和压力都比燃烧高得多。所

5、以爆炸表现出强烈的破坏作用。爆炸是爆破安全的主要控制对象。爆炸过程中遇到不利因素也可能导致爆炸中断，使爆炸过程转变为燃烧或热分解。13 爆炸速度增长到稳定爆速的最大值时就转化为爆轰，爆轰是指炸药以最大稳定速度进行的反应过程。特定的炸药在特定的条件下的爆轰速度为常数。爆炸和爆轰并无本质上的区别，只不过是传播速度不同而已。爆轰的传播速度是恒定的，爆炸的传播速度是可变的，就这个意义上讲，也可以认为爆轰是爆炸的一种特殊形式，即稳定的爆炸。炸药的四种化学反应形式可以相互转化。142.2.1炸药的起爆与起爆能2.2.2炸药起爆的基本理论 2.2.3炸药感度 2.2.4影响炸药感度的因素15l炸药是一种相对

6、稳定的平衡系统，要使其发生爆炸必须施加一定的外能。l由外界施加给炸药某一局部而引起炸药爆炸的能量称为起爆能起爆能。l引起炸药发生爆炸的过程称为起爆。l引起炸药爆炸的原因来自两个方面内因与外因。l内因是指炸药分子结构稳定程度。l外因是指起爆能。16，起爆能可以归纳为三类：，导火索引爆火雷管。，撞针撞击子弹、炮弹。，雷管爆炸引爆炸药。172.2.2.1炸药的热能起爆理论2.2.2.2炸药的机械能起爆理论灼热核理论2.2.2.3炸药的爆炸总能起爆理论18谢苗诺夫研究了爆炸性混合气体的热能起爆理论，富兰卡卡曼尼兹进一步研究发展了该理论，并将其成功地应用于凝聚体炸药。基本要点：在一定的温度、压力和其他条

7、件下，如果一个体系反应放出的热量大于热传导所散失的热量，就能使该体系混合气体发生热积聚，从而使反应自动加速而导致爆炸。即：爆炸是系统内部温度渐增的结果。炸药爆炸过程的热损失热损失主要取决于爆炸过爆炸过程中的热传导、热辐射、介质的塑性变形程中的热传导、热辐射、介质的塑性变形。19l该理论认为，当炸药受到撞击、摩擦等机械能的作用时，其中的某一部分或几个极小的部分被加热到爆发温度，促使局部炸药首先爆炸，然后迅速传播到全部炸药。这种温度很高的微小区域，通常被称为。l灼热核一般在炸药晶体的处或处形成。，形成灼热核，如含水性炸药乳化炸药、浆状炸药等。，形成灼热核，掺和物对灼热核的形成有很大的影响。20（不

8、含气泡、杂质的液体或晶体炸药）和非均相炸药的爆炸冲击能起爆机理是不同的。l均相炸药的爆炸冲击能起爆过程，主起爆炸药爆炸产生的强冲击波进入均相炸药（如四硝基甲烷），经过一定的延迟以后，便开始在其表面形成爆轰波。均相炸药的爆炸冲击能起爆，取决于临界起爆压力值（Pk），不同炸药的Pk是不同的。l非均相炸药的爆炸冲击能起爆过程，需要的起爆能小，可以用灼热核理论进行解释。21l研究炸药的感度的目的在于掌握炸药在特定条件下爆炸的可能性，分析影响感度的诸因素，通过采用相应的措施，使炸药的感度满足生产、贮存、运输、使用和经济上的不同要求。22 炸药在热能的作用下发生爆炸的难易程度称为炸药。炸药的热感度目前主要

9、采用实验测定的方法来确定。通过测定炸药的爆发点和火焰感度来确定。23爆发点指炸药在规定时间内起爆所需加热的最低温度。爆发点越低的炸药，热感度越高。爆发点测定原理是：将定量炸药0.05g，起爆药0.01g放在恒温的环境中5min，如果炸药没有爆炸，说明此环境温度太低，升高环境温度后再试，如果不到5min就爆炸，说明环境温度太高，降低环境温度再试，直到调整到某一环境温度时，炸药正好在5min爆炸，此环境温度就是炸药的爆发点。24炸药名称炸药名称爆发点（爆发点（0C）炸药名称炸药名称爆发点（爆发点（0C）二硝基重氮酚150151泰安205215雷汞175180黑索金230胶质炸药180200梯恩梯2

10、90295特屈儿195200硝铵类炸药280320硝化甘油200叠氮铅33034025炸药在明火（火花，火焰）的作用下发生爆炸的难易程度，称为炸药的火焰感度。火焰感度用图3-2所示火焰感度测量装置测定，试管内装入待试炸药（起爆药0.05g），通过调整导火索头距炸药的距离X，点燃导火索进行试验，同样距离试验六次，找出六次同样试验100%都能使炸药点燃的最大距离Xmax和100%都不能使炸药点燃的最小距离Xmin，Xmax越大，炸药的火焰感度越高，Xmin越小，火焰感度越低。当起爆炸药时，要了解炸药的Xmax；当从安全方面考虑时，要了解炸药的Xmin。26机械感度主要有撞击感度和摩擦感度。在爆破工

11、程中，雷管内利用起爆药的热感度起爆，起爆药与炸药间利用爆炸能起爆，一般不用炸药机械感度起爆。机械感度主要影响炸药的贮存、运输和使用安全，机械感度高的炸药会给爆破工程带来更多的不安全因素，所以爆破工程中不希望炸药的机械感度高。在军火方面，弹药的引信一般用机械作用起爆，机械感度对弹药的起爆有重要意义。27 撞击感度撞击感度表示炸药在撞击作用下发生爆炸的难易程度。撞击感度用实验方法测定，实验的原理是利用自由落体的能量撞击炸药，猛炸药用立式落锤仪，起爆药用弧形落锤仪。28用垂直落锤仪，撞击能量较大（落高25cm，锤重10kg），在撞击能固定的条件下，用25次同等试验中炸药发生爆炸的百分率表示所试炸药的

12、撞击感度。29炸药名称炸药名称撞击感度（撞击感度（%）炸药名称炸药名称撞击感度（撞击感度（%）梯恩梯49铵松腊炸药04特屈儿50602#岩石炸药3240黑索金70801#岩石炸药4856泰安10062%胶质炸药10030用弧形落锤仪，撞击能量较小。通过调整重锤的落高，同一落高下做多次试验，100%能使炸药爆炸的最小落高为上限距离，100%不能使炸药爆炸的最大距离为下限距离。试验次数10次以上。1-定位钩；2-弧形架；3-炸药；4-钢底座；5-落锤31炸药名称炸药名称锤重锤重(g)上限上限(mm)下限下限(mm)雷汞4808055叠氮铅9752356570二硝基重氮酚500 22532摩擦感度衡

13、量炸药在摩擦作用下发生爆炸的难易程度。摩擦感度用摆式摩擦感度测量仪测定，测量原理如右图。平行试验25次，计算爆炸百分数。33炸药名称炸药名称摩擦感度摩擦感度（%）炸药名称炸药名称摩擦感度摩擦感度（%）梯恩梯0铵松蜡416特屈儿242号岩石炸药1620黑索金901号煤矿炸药28铵铝高威力炸药402号煤矿炸药364号高威力炸药32 34 炸药的爆轰感度炸药的爆轰感度指炸药在其它炸药爆炸的作用下发生爆炸的难易程度。当炸药爆炸时，产生的爆炸冲击波对相邻或附近炸药作用，受作用炸药被引发爆炸的难易程度即该炸药的爆轰感度。用爆轰感度起爆炸药是爆破工程起爆的主要方法。炸药爆轰感度常用极限起爆药量来衡量。35保

14、证炸药起爆所需的最小起爆药量称做该炸药的极限起爆药量(简称极限药量)。将一定量的炸药压入铜雷管壳中，放在4mm厚的铅板上，并用导火索引爆，实验装置见右图。根据铅板穿孔的大小来判断测试的炸药是否引爆。36起爆药名称受试炸药（g）梯恩梯特屈儿黑索金雷汞0.240.190.19氮化铅0.160.100.05二硝基重氮酚0.1630.170.13372.2.3.4 炸药的冲击波感度及测定方法炸药的冲击波感度及测定方法l一个药包爆炸时，会在某种惰性介质中产生冲击波，通过这种冲击波的作用可以引起相隔一定距离处另一药包的爆炸，这种现象称为炸药冲击波感度，也称殉爆。l冲击波感度的测定方法分为两类 （1）隔板试

15、验 （2）飞片试验38（1）隔板试验）隔板试验39（2）飞片试验）飞片试验402.2.3.5 炸药的静电火花感度炸药的静电火花感度41l内在因素l外在因素42，键能越大，破坏它就越困难，感度越小。，分子结构稳定性越小，感度越大。，生成热较小的炸药，其感度就大。，热效应越大，炸药感度越大。，活化能愈大，炸药感度愈小。，热容量很大时，使炸药升高到爆炸所需的温度时，需消耗很多能量。因此，热容量大的炸药感度小。43l炸药的物理状态与晶体形态，炸药由固态转化为液态时，感度提高。l装药密度，密度增大，感度降低；当密度过大时，就会造成所谓“压死”现象。l炸药结晶的大小，起爆药的撞击感度随结晶颗粒的增大而增加

16、，而猛炸药则相反。l温度，温度升高，感度增大。l惰性杂质的掺入，降低了炸药的爆轰感度。但当惰性杂质硬度大于炸药的硬度，而且具有棱角时，如石英砂粒、碎玻璃等，可使炸药的机械感度增高。44l爆轰波l爆轰波基本方程l爆轰波参数计算l爆轰波稳定传播的条件45爆轰波爆轰波l炸药被起爆发生爆炸反应，放出热量，产生大量高温高压气体，在周围介质中激发冲击波，冲击波所到之处，炸药分子活化发生爆炸反应，放出能量的一部分用来补充冲击波传播过程中的能量损失，使冲击波以稳定的爆速向前传播，其后跟着化学反应区。这种伴随着化学反应，在炸药中传播的特殊形式的冲击波叫做爆轰波爆轰波，这个过程称为爆轰过程爆轰过程，爆轰传播的速度

17、称为爆速爆速。46爆轰波的结构示意图爆轰波的结构示意图 冲击波压缩区（01）；爆炸反应区（12）；C-J面：爆炸反应区的末端（2）；02区统称为爆轰波的波阵面爆轰波的波阵面 47爆轰波稳定传播的条件爆轰波稳定传播的条件-直径直径48爆轰波稳定传播的条件爆轰波稳定传播的条件-侧向扩散侧向扩散侧向扩散对化学反应区的影响1爆轰产物区；2侧向扩散影响区；3有效反应区；4未反应区；5扩散物前锋位置；6稀疏波波阵面；a-a冲击波阵面；l反应区宽度不同药包直径条件下侧向扩散对反应区结构的影响示意图a不稳定爆轰；b非理想稳定爆轰；c理想爆轰l反应区宽度；l有效反应区宽度492.4.1 炸药的氧平衡2.4.2

18、炸药的热化学参数50炸药是一种载氧体，炸药的爆炸过程实质上是可燃元素（C、H）与助燃元素（O）发生极其迅速和猛烈的氧化还原反应的过程。反应结果是氧和碳化合生成二氧化碳(CO2)或一氧化碳(CO)，氢和氧化合生成水(H2O)，这两种反应都放出了大量的热。氧平衡氧平衡就是衡量炸药中所含的氧与将可燃元素完全氧化所需要的氧两者是否平衡的问题。51零氧平衡：系指炸药中所含的氧刚够将可燃元素完全氧化；正氧平衡：系指炸药中所含的氧将可燃元素完全氧化后还有剩余；负氧平衡：系指炸药中所含的氧不足以将可燃元素完全氧化。52只有当炸药中的碳和氢都被氧化成CO2和H2O时，其放热量才最大。零氧平衡一般接近于这种情况。

19、负氧平衡的炸药，爆炸产物中就会有 CO、H2，甚至会出现固体碳；而正氧平衡炸药的爆炸产物，则会出现 NO、NO2等气体。CO、NxOy不仅是有毒气体，而且对瓦斯爆炸反应起催化作用，因此这样的炸药就不能应用于地下矿井的爆破作业。由此可见，53l单质炸药CaHbOcNd：l含铝炸药CaHbOcNdXe：l混合炸药：l单位：g/g或%氧平衡值 cabM21216氧 平 衡 值 cab m eMg g21216()氧平衡值 m Miiin154将硝酸铵（NH4NO3）写成炸药通式应为：C0H4O3N2，M80克，将各数据代入上式即得：硝酸铵氧平衡值=34168002012 .g g55 配制由硝酸铵和

20、柴油两成分组成的混合炸药，使炸药达到零氧平衡。求两种成分的合适配比。解：已知硝酸铵和柴油的氧平衡值分别为+0.20g/g和-3.24g/g，设混合炸药中硝酸铵和柴油所占的比例分别为x和y，则有；x+y=100%0.2x+(-3.24)y=0解方程组得：x=94.5%，y=5.5%。所以，该炸药合适的配比应为硝酸铵占94.5%，柴油占5.5%。56组分名称含量(%)氧平衡值(g/g)硝酸铵60.2+0.200水16.50梯恩梯17.5-0.740白芨胶2.0-1.066尿素3.0-0.80硼砂1.30氧平衡值60.20.200+17.5(-0.740)+2(-1.066)+3.0(-0.80)0

21、.1204-0.1295-0.0213-0.0240 -0.0544(g/g)57从理论上讲，适当调整炸药的组分配比，使其保持零氧平衡，在爆炸时可以不生成CO和NxOy。在实际爆破工程中，由于有些炸药l并没有达到零氧平衡l爆轰反应不完全，l生产过程中混合不均匀、炸药种类、贮存条件、引爆方式和爆破条件等的不同，炸药爆炸时，总是要产生有毒气体的。这些有毒气体主要是CO和NxOy，在硫化矿和含硫岩层中进行爆破时，或是含硫炸药爆炸时，还可能生成少量的硫化氢和二氧化硫。这些气体对于人体组织都是十分有害的。当其浓度超过一定限度时，将会导致人们中毒甚至死亡。对于有瓦斯和矿尘爆炸危险的矿井来说，这些气体还将对

22、瓦斯和粉尘爆炸反应起催化作用。581mol炸药爆轰时所放出的热量称为爆热。实际应用中常用kg为单位。l爆热常用量热弹测量。l爆热的计算：利用盖斯定律求算炸药的爆热。炸药爆炸时所放出的热量将爆炸产物加热达到的最高温度称为爆温。单质炸药的爆温一般为30005000，矿用炸药的爆温一般为20002500。炸药在密闭容器中爆炸时，其爆炸产物对器壁所施的压力称为爆压。59602.5.1 爆速2.5.2 威力2.5.3 猛度2.5.4 殉爆2.5.5 沟槽效应2.5.6 聚能效应61就是爆轰传播的速度，爆速越大，爆轰波的压力越高，爆炸的威力也越大。：药柱的直径、约束条件、炸药密度和炸药粒度。hlDD2索6

23、364炸药的威力可以通过理论计算的方法推算，但是由于理论计算的爆炸威力和有效利用的部分相差较大，所以在实际中通常用确定。炸药爆炸作功示意图见图3-18。和是用得最广的衡量炸药威力的实验指标。有效机械功一般只占炸药总能力的10%左右。在工程爆破中通常使用相对威力的概念。65 是指炸药爆炸在介质内部产生的对介质的压缩、破坏和抛移作用，其作用范围大，可达到药包体积的几百至几千倍以上。爆力作用是由于应力波在介质中的传播和爆炸气体膨胀综合产生的压缩和破坏的结果，其大小与爆炸能量成比例，也与爆炸气体体积有关，体积大，爆力作用增强。测定炸药爆力大小的方法有几种，如铅柱扩孔法、爆破漏斗法等。a)爆炸前铅柱 b

24、)爆炸后铅柱1-铅柱；2-雷管；3-药包（10g）；4-堵塞物（石英砂）爆力：V=V1-V2 cm3 67在均质岩土或砂中，钻一炮孔，然后将药包装入孔中，进行爆炸。结果，在地面上形成一可见的爆破漏斗，其深度为h(m)。在地面上经过原来炮孔的位置做两条互相垂直的直线，测定漏斗口的直径，取其平均值作为爆破漏斗直径d(m)，最后按下式求得其体积hdV2121猛度是衡量炸药猛度是衡量炸药对与之接触的固体介质对与之接触的固体介质局部压缩、粉碎或击穿局部压缩、粉碎或击穿作用的指标。它是由爆作用的指标。它是由爆轰波和高压爆轰产物对轰波和高压爆轰产物对邻近介质直接强烈冲击邻近介质直接强烈冲击压缩所产生的，其强

25、烈压缩所产生的，其强烈程度取决于装药密度和程度取决于装药密度和爆速。爆速。爆速高，猛度爆速高，猛度大。一般用铅柱压缩法大。一般用铅柱压缩法测定。测定。1-导火索；2-雷管；3-被测试的药包(50g,装药密度1g/cm3)；4-钢片；5-铅柱(D=40mm)；6-钢板(D41mm10mm)；7-细绳；8-爆炸后被压缩的铅柱 猛度：h=60-h1(mm)692.5.4.1 炸药的殉爆及其产生的原因2.5.4.2 殉爆距离的测定2.5.4.3 影响殉爆距离的因素7071主爆药包与从爆药包同置于直径与药包直径相近的半圆沟中。两个药包纵轴在同一水平线上，距离为l，主爆药包由雷管起爆后，产生强烈空气冲击波

26、，在一定距离范围内，可以激起从爆药包爆炸。殉爆距离大，说明炸药的爆炸冲能感度高。用殉爆距离作标准比较不同炸药感度时，一定要保持相同的测定条件，否则就失去测定结果的可比性。1-雷管；2-主爆药包；3-从爆药包 72l装药密度，主发药包密度增大，殉爆距离增大；被发药包密度增大，殉爆距离减小。l药量和药径，增加药量和药径，将使主发药包的的冲击波强度增大，被发药包接收冲击波的面积也增加，殉爆距离也就可以提高。l药包外壳和连接方式，主药包有外壳时，殉爆距离会增大。两个药包之间的介质由空气换成水、土等密实介质时，殉爆距离会大大降低。732.5.5.1 沟槽效应现象2.5.5.2 沟槽效应的影响因素74l沟

27、槽效应，也称管道效应、间隙效应，就是当药卷与炮孔壁间存在有月牙形空间时，爆炸药柱所出现的自抑制能量逐渐衰减直至拒（熄）爆的现象。l小直径炮孔爆破作业中这种现象普遍存在。l各种炸药中，乳化炸药的沟槽效应最小。l产生的原因：爆炸产物压缩药卷和孔壁之间的间隙中的空气，产生冲击波，它超前于爆轰波并压缩药卷，抑制爆轰。l另一种解释：沟槽效应是由于药卷外部炸药爆轰产生的等离子体引起的。也就是说，炸药起爆后在爆轰波阵面的前方有一等离子层（离子光波），对后面未反应的药卷表层产生压缩作用，妨碍该层炸药的完全反应。75等离子效应等离子效应76l沟槽效应与炸药配方、物理结构、包装条件和加工工艺有关。l乳化炸药爆速接

28、近或超过等离子波速度（4500m/s），等离子体的超前压缩作用不再存在，沟槽效应是很小的。l工艺控制条件的变更对于乳化炸药的质量有着明显的影响。就沟槽效应而言，凡是能改善和增强乳化混合条件的工艺因素（如增大剪切强度），都能提高乳化炸药的质量，减少其沟槽效应。l不同的包装条件也会影响乳化炸药的沟槽效应，如增大药卷的强度会显著减少沟槽效应，甚至消除。77l化学技术，选用不同的包装涂覆物。l调整炸药配方和加工工艺，以缩小炸药爆速与等离子体速度间的差值。l堵塞等离子体的传播，药卷间加隔板，充填径向间隙。l增大药卷直径。l沿药包全长放置导爆索起爆。l采用散装技术，使炸药全部充填炮孔不留间隙，即不会有超前

29、的等离子层存在。78l底部带有锥孔的药包（也叫聚能穴）爆炸时对目标的破坏作用显著增强的现象称为聚能效应。79试验表明，锥孔处爆轰产物向轴线汇集时，有下列两个因素在起作用：l爆轰产物质点以一定速度沿近似垂直于锥面的方向向轴线汇集，使能量集中。l爆轰产物的压力本来就很高，汇集时在轴线处形成更高的压力区，高压迫使爆轰产物向周围低压区膨胀，使能量分散。由此可见，爆轰产物流不能无限地集中，而在离药柱端面某一距离处达到最大的集中，随后则又迅速的飞散开。8081练习练习1.计算TNT分子式为：C6H2(NO2)3CH3的氧平衡值。2.要求配制零氧平衡的岩石硝铵炸药，其成分为硝酸铵、TNT（10%）和木粉。试求出三种成分在炸药中的合适比例。821.一根小小的撞针可以引爆一棵子弹或一发炮弹，而一发爆炸的雷管却不能引爆成吨的乳化炸药，为什么？2.炸药不爆炸也能致人重毒或死亡，什么原因？3.雷管中所使用的炸药和炮孔中所使用的炸药是否一样，为什么？83谢谢 谢！谢！