炸药及爆炸基本理论

炸药及爆炸基本理论二、爆炸现象分类根据爆炸引起的原因和特征，爆炸现象大致可分为物理爆炸、化学爆炸和核爆炸等三类。1.物理爆炸2.核爆炸3.化学爆炸22019/12/131.2炸药及其相关概念一、定义炸药：是一种相对不稳定的系统，在一定外界条件下，能够发生快速化学反应，放出热量，生成大量气体产物，显示爆炸效应的化合物或混合物。二、炸药爆炸的三要素1.放出大量热量2.产生大量的气体3.能自动传播的高速反应过程2019/12/133三、炸药组成特点（1）炸药是能发生自身燃烧和爆炸反应的物质；（2）炸药是具有相对稳定的物质系统；（3）炸药的能量全部存储于分子结构中，也就是说炸药的分子要具有爆炸结构；（4）炸药是具有高能量密度的物质。42019/12/13四、炸药化学反应的基本形式1.缓慢分解反应（1）反应特点1）反应在全部炸药中进行；2）炸药内部各点的温度相同，没有集中的反应区；3）环境温度对其反应速度影响较大。52019/12/13（2）反应速度取决于热平衡，如果释放的热量大于散发出去的热量，炸药分解反应速度就会加快，释放出的热量就会更多，从而导致反应型式的升级，造成炸药的燃烧或爆炸。（3）分解反应反映了炸药化学的安定性，在存储炸药时不要堆放过密、过高，注意通风，防止炸药因温度过高，导致分解反应加速而产生爆炸事故的发生。62019/12/132.燃烧反应（1）反应特点1）反应不是在全部炸药中同时发生，而是在局部区域内进行；2）反应不需要外界供氧；3）能量靠热传导来传递；4）反应可在炸药中自动传播。72019/12/13（2）燃烧速度能否保持稳定，决定于燃烧过程中的热平衡，如果燃烧释放的热量与传导到炸药邻层和周围介质散失的热量相等，则燃烧就能稳定进行，否则燃烧速度加快或降低，形成爆炸或缓慢分解反应。（3）炸药用焚烧法销毁时，要注意让所生成的气体和热量及时排出时，否则燃烧反应就可以转化成爆炸反应。82019/12/133.爆炸反应（1）反应特点爆炸的反应过程和燃烧相类似，都是可燃元素的氧化反应，反应也只在局部区域内进行，且也能在炸药内部自动传播。（2）爆炸反应与燃烧反应的区别1）燃烧靠热传导来传递能量和激起化学反应，受环境条件影响较大，而爆炸反应则依靠压缩冲击波的作用来传递能量和激起化学反应，基本上不受环境条件的影响；92019/12/132）爆炸反应比燃烧反应更为激烈，单位时间放出的热量与形成的温度也更高；3）燃烧时产物的运动方向与反应区的传播方向相反，而爆炸时产物运动方向则与反应区的传播方向相同。因此，燃烧产生的压力较低，而爆炸则可产生很高的压力；4）燃烧速度是亚音速的而爆炸速度则是超音速的。102019/12/13１.3炸药的氧平衡1.定义炸药的氧平衡：即炸药中的含氧量能够把可燃元素完全氧化所需氧量之间的关系。炸药一般含有碳、氢、氧、氮，其通式可写为：CaHbNcOd。发生爆炸时，可燃元素碳、氢元素完全氧化的反应式为：2222222212NcObadOHbaCOONHCdcba112019/12/132.炸药氧平衡的分类（1）正氧平衡1）定义：炸药中的氧量除了把可燃元素完全氧化外，还有剩余，即：。2）正氧平衡炸药的危害①生成的氮氧化物中，NO是瓦斯发生爆炸反应的催化剂；②生成的氮氧化物对人类有害；③生成氮氧化物的反应需要吸收大量的热。1222bda2019/12/13（2）零氧平衡1）定义：炸药中的氧量刚够把可燃元素完全氧化，没有剩余，即：。2）大量的实验证明，当炸药处于零氧平衡时，其爆炸后放出的热量最大，生成的有毒有害气体量最小。22bda132019/12/13（3）负氧平衡1）定义：炸药中的氧量不能把可燃元素完全氧化，即：。2）负氧平衡炸药的危害①生成大量的CO气体有毒，对人体呼吸系统造成伤害；②CO可以产生二次火焰，浓度适宜时还可造成爆炸。1422bda2019/12/13１.4炸药的起爆与感度一、炸药的起爆理论1.起爆能的形式（1）热能：如火焰、火星、电热等形式。（2）机械能：如撞击、摩擦、针刺等机械能。（3）爆炸冲能：如爆轰波。152019/12/132.起爆机理（1）活化能起爆机理1）化学反应只是在具有活化能量的活化分子之间互相接触和碰撞时才能发生；2）为了使炸药起爆，就必须有足够的外能使部分分子变为活化分子，活化分子的数量愈多，其能量同分子平均能量相比愈大，则爆炸反应速度也愈高，图1-1表示炸药爆炸反应过程中能量的变化。162019/12/13ΔEE1反应过程CBAⅢⅡⅠ能量级图1-1炸药爆炸时能量变化示意图172019/12/13（2）热能起爆机理炸药在热能作用下，发生爆炸的条件就是单位时间的发热量必须超过单位时间的散热量。（3）机械能起爆机理1）热点学说在机械能作用下产生的热来不及均匀地分散到全部炸药分子中，而是集中在炸药个别的小点上，使这些小点上的温度达到爆发点，就会首先在这里发生爆炸反应，然后再扩展开去，而导致整个炸药爆炸。182019/12/132）热点形成的原因①炸药中的空气隙或微小气泡在机械作用下的绝热压缩；②炸药颗粒间，炸药与杂质之间，炸药与容器之间发生强烈摩擦而生热；③高粘性液体炸药的流动生热。192019/12/133）热点发展成爆炸的条件①热点温度300～600℃，视炸药品种而定；②热点半径，d要达到10-3～10-5cm；③热点作用时间在10-7s以上；④热点的热量，208104.18104.1810qJ2019/12/13（4）爆炸冲能起爆爆炸冲能起爆机理同机械能起爆机理相似，由于瞬间爆轰波（强冲击波）的作用，首先在炸药某些局部造成热点，然后由热点周围炸药分子的爆炸再进一步扩展。212019/12/13二、炸药的感度1.炸药感度的概念炸药在热、电、光、冲击波、机械摩擦与撞击等外界能量作用下发生爆炸反应的难易程度。它包括炸药的热感度、机械感度、冲击波感度和静电火花感度等。危险感度：如果炸药对某些形式起爆能的感度过高，在生产、运输、储存、使用过程中造成危险的感度。使用感度：用来起爆炸药的起爆能所呈现的感度称为使用感度。222019/12/13（1）炸药的热感度是指在热能作用下引起炸药爆炸的难易程度。它包括加热感度（即爆发点）和火焰感度；1）加热感度是指炸药在规定时间内（5min）起爆所需加热的最低温度。爆发点愈低炸药愈易受热爆炸，其加热感度愈高。2）火焰感度是指炸药在明火（火焰、火星）作用下发生爆炸的难易程度。常用炸药对导火索喷出的火焰的最大距离值来表示，单位为mm。232019/12/13（2）炸药的机械感度是指炸药在机械能作用下发生爆炸反应的难易程度。它主要包括撞击感度和摩擦感度两个方面。1）撞击感度是指炸药在某一固定锤重（标准10kg）和固定高度（标准25cm）条件下，进行撞击实验时的爆炸频数，以百分数表示。猛炸药通常用垂直落锤仪来测定，起爆药通常用弧形落锤仪来测定。242019/12/13试验测定装置25图2-2卡斯特立式落锤仪图2-3圆弧形落锤仪1-落锤；2-撞击器；3-钢砧；4-基础；5-上击柱1-手柄；2-有刻度的弧架；3-击柱；6-炸药；7-导向套；8-下击柱；9-底座4-击柱与火帽定位器；5-落锤2019/12/132）摩擦感度炸药在一定压力（表压50kg/cm2）作用的击柱之间，通过固定摆锤（有1kg和1.5kg两种）在固定摆角（960）的实验条件下，击打击柱时的炸药爆炸频数，以百分数表示。通常用摩擦摆来测定炸药的摩擦感度。26图2-4摩擦摆1-摆锤；2-击柱；3-角度标盘；4-上下击柱；5-油压机6-压力表；7-顶板；8-导向套；9-柱塞2019/12/13（3）冲击波感度和殉爆距离1）冲击波感度是指被动炸药包和主动炸药包在惰性介质（空气、蜡等）作隔板的实验条件下，当主动药包爆炸时所激起的冲击波，经惰性介质隔板传入被动药包，并使被动药包发生爆炸频数为50%，此时的隔板厚度，单位为cm。272019/12/132）殉爆距离是指主爆药卷和从爆药卷被置于直径略大于药卷直径的半圆槽中，使两药卷的纵轴处于同一水平上且相距一段距离，当主爆药卷被8#雷管引爆后，所产生的空气冲击波足以使从爆药卷全爆的药卷间最大距离，单位为cm。28图2-5炸药殉爆试验A-主爆药卷；B-从爆药卷；C-殉爆距离2019/12/13（4）静电火花感度1）炸药对静电火花感度，可用使炸药发生爆炸所需最小放电电能来表示，或用在一定放电电能条件下所发生的爆炸频数来表示。2）防止静电事故，主要是防止静电产生，一旦产生后要及时消除，使静电不致产生过多积累。防止静电的主要措施有：设备接地；增加工房潮度；在工作台或地面铺设导电橡胶；在炸药颗粒和容器壁上加入导电物质；使用压气装药时，应采用敷有良好导电层的抗静电聚乙烯软管作输药管等。292019/12/132.影响炸药感度的因数（1）炸药的化学结构（2）炸药的物理性质1）炸药的相态2）炸药的粒度3）装药密度4）微气泡5）掺合物302019/12/131.5炸药的热力学与性能参数一、热力学参数热力学参数是反映炸药爆炸后对外作功能力大小的内在参数，综合反映了炸药爆炸性能的优劣。1.爆容是指每公斤炸药爆炸后生成的气体，在标准条件下的体积数。即022.41000nVM312019/12/132.爆热指定量炸药在定容条件下爆炸时所释放出的热量。爆热是炸药做功的能源，也是决定炸药爆速的重要因素之一，它与炸药的其他许多性能有首直接或间接的关系。因此，提高爆热和炸药威力对于矿山爆破具有重要的实际意义。爆热不仅决定于炸药的组成和配方，而且受到装药条件的影响，因此，即使是同一种炸药，装药条件不同，产生的爆热也不同。3.爆温指炸药在爆炸瞬间放出的热量，将爆生产物加热，待达到热平衡后所能达到的温度。提高炸药的爆温可以增加炸药膨胀做功的能力。提高爆温的途径是增加爆热和减少爆炸产物的热容。但在有瓦斯矿井中使用煤矿许用炸药时，则要求降低炸药的爆温，而且要严格限制。降低爆温与提高爆温的途径正好相反。因此，在安全炸药中，为降低爆温，需要加人消焰剂。常用的消焰剂是食盐（氯化钠）。4.爆压指炸药爆轰结束后，爆生产物在炸药的原始体积内达到热平衡时流体的静压。一般工业炸药的爆压在（0.22~2.33）×104MPa之间。322019/12/13二、炸药的性能参数性能参数是反映炸药爆炸后对外作功能力大的具体表现形式，热力学参数指标决定性能参数指标。1.爆速（1）定义爆速是指炸药爆炸后爆轰波在炸药药柱中的传播速度，单位为m/s。332019/12/13（2）爆速的实验室测试1）导爆索比较法（道特里斯法）34导爆索法测爆速装置1-被测炸药；2-导爆索；3-铅（或铝）板；4-雷管；5-导爆索中点；6-爆轰波相遇点。2019/12/132）计时器测定法35爆速测定仪测定爆速的工作原理图2019/12/132.猛度（1）定义指炸药爆炸瞬间爆轰波压力和冲能对装药邻近的介质产生局部压缩、破碎和击穿的能力，它是用一定规格铅柱被压缩的程度来表示，其单位为mm。（2）测定方法36铅柱压缩试验1-钢板；2-铅柱；3-圆钢片；4-药柱；5-雷管2019/12/133.爆力（1）定义指炸药爆炸后爆生气体产物膨胀作功的能力。通常采用铅铸扩孔法来确定，单位为mL。（2）测定方法37铅铸试验1-炸药；2-雷管；3-石英砂2019/12/131.6炸药的分类及其特性一、炸药的分类1.按其组成分类（1）单质炸药1）雷酸盐及叠氮化物主要用于雷管及其它火工品作，如雷汞、二硝基重氮酚等。2）醇类硝酸脂这类炸药含有硝酸根-NO3，极不稳定，感度都较高，化学安定性差。如硝化甘油、泰安、硝化棉等；3）硝基化合物这类炸药含有硝基-NO2，其爆炸性能主要决定于硝基数目、位置以及它与碳原子的连接方式。如梯恩梯、黑索金、苦味酸等；4）硝酸盐类这类炸药是我们常用混合炸药的主要成分，它可以是无机物也可以是有机物。如硝酸铵、硝酸尿等。392019/12/13（2）混合炸药1）硝酸铵类粉状混合炸药