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１炸药爆炸基本理论１．１基本概念１．１．１爆炸及其分类自然界有各种各样的爆炸现象，如自行车爆胎、燃放鞭炮、锅炉爆炸、原子弹爆炸等。爆炸时，往往伴有强烈的发光、声响和破坏效应。从广义的角度来看，爆炸是指物质的物理形态或化学性质发生急剧变化，在变化过程中伴随有能量的快速转化，内能转化为机械压缩能，且使原来的物质或其变化产物及周围介质产生运动，进而产生巨大的机械破坏效应。按引起爆炸的原因不同，可将爆炸区分为物理爆炸、核爆炸和化学爆炸三类。（１）物理爆炸这是由物理原因造成的爆炸，爆炸不发生化学变化。例如锅炉爆炸、氧气瓶爆炸、轮胎爆胎等都是物理爆炸。在实际生产中，除了煤矿利用内装压缩空气或二氧化碳的爆破筒落煤外，很少应用物理爆炸。（２）核爆炸这是由核裂变或核聚变引起的爆炸。核爆炸放出的能量极大，相当于数万吨至数千万吨三硝基甲苯（ＴＮＴ，俗称“梯恩梯”）爆炸释放的能量，爆炸中心区温度可达数百万至数千万摄氏度，压力可达数十万兆帕以上，并辐射出各种很强的射线。目前，在岩石工程中，核爆炸的应用范围和条件仍十分有限。（３）化学爆炸这是由化学变化造成的爆炸。炸药爆炸、井下瓦斯或煤尘与空气混合物的爆炸、汽油与空气混合物的爆炸以及其他混合爆鸣气体的爆炸等，都是化学爆炸。与物理爆炸不同，化学爆炸后有新的物质生成。岩石的爆破过程是炸药发生化学爆炸做机械功、破坏岩石的过程。因此，化学爆炸将是我们研究的重点。炸药是在一定条件下，能够发生快速化学反应，放出能量，生成气体产物，显示爆炸效应的化合物或混合物，主要由碳、氢、氮、氧四种元素组成。炸药既是安定的又是不安定的。在平常条件下，炸药是比较安定的物质。除起爆药外，炸药的活化能值是相当大的，但当局部炸药分子被活化达到足够数目时，就会失去稳定性，引起炸药爆炸。以鞭炮中装填的黑火药为例，当点燃时，黑火药迅速燃烧，产生化学反应，并放出热量和气体产物，同时发出声响和闪光，完成爆炸过程。１．１．２化学爆炸三要素炸药是在一定的条件下，能发生急剧的化学反应，在有限的空间和极短的时间内迅速释放大量的热量和生成大量气体，并显示爆炸效应的化合物或混合物。实践表明，炸药爆炸必须具备３个基本条件。（１）反应的放热性放热是炸药爆炸必需的条件之一。爆炸反应只有在炸药自身提供能量的条件下才能自动进行。没有这个条件，爆炸过程就根本不能发生；没有这个条件，反应也就不能自行延续，因而也不可能出现爆炸过程的反应传播。依靠外界供给能量来维持其分解的物质，不可能具有爆炸的性质。草酸盐的分解反应便是典型例子：ＺｎＣ２Ｏ→４２ＣＯ２＋Ｚｎ－２５０ｋＪＣｕＣ２Ｏ→４２ＣＯ２＋Ｃｕ＋２３．９ｋＪＨｇＣ２Ｏ→４２ＣＯ２＋Ｈｇ＋４７．３ｋＪ第一种反应是吸热反应，只有在外界不断加热的条件下才能进行，因而不具有爆炸性质；第二种反应具有爆炸性，但因放出的热量不大，爆炸性不强；第三种反应具有显著的爆炸性质。爆炸反应所放的热量是爆炸产生破坏作用的能源。（２）反应过程的高速度反应过程的高速度是爆炸反应区别一般化学反应的重要标志。炸药爆炸反应时间大约是１０－６～１０－７ｓ量级。虽然炸药的能量储藏量并不比一般燃料大，但由于反应的高速度，使炸药爆炸时能够达到一般化学反应所无法比拟的高得多的能量密度。石油、煤和几种炸药的放热量和能量密度数据如表１１所示。表１１石油、煤和几种炸药的放热量和能量密度物质名称单位质量物质的放热量（ＭＪ／ｋｇ）单位体积炸药或燃料空气混合物的能量密度（ｋＪ／Ｌ）煤３２．６６３．６０石油４１．８７３．６８黑火药２．９３２８０５梯恩梯４．１９６７００黑索金５．８６１０４６７１ｋｇ煤块燃烧可以放出３２．６６ＭＪ的热量，这个热量比１ｋｇ梯恩梯炸药爆炸放出的热量要多几倍，可是这块煤燃烧完成的时间大约需要几分钟到几十分钟，在这段时间内放出的热量不断以热传导和辐射的形式传送出去，因而虽然煤的放热量很多，但是单位时间的放热量并不多。同时还要注意到煤的燃烧是与空气中的氧进行化学反应完成的，１ｋｇ的煤的完全反应就需要２．６７ｋｇ的氧，这样多的氧必须由９ｍ３的空气才能提供，因而作为燃烧原料的煤和空气的混合物，单位体积所放出的热量也只有３．６ｋＪ／Ｌ，能量密度很低。爆炸反应就完全相反。炸药反应一般都是以（５～８）×１０３ｍ／ｓ的速度进行。一块１０ｃｍ见方的炸药爆炸反应完毕只需要１０μｓ的时间。由于反应速度极快，虽然总放热量不是太大，但在这样短暂时间内的放热量却比一般燃料燃烧时在同样时间内放出的热量高出上千万倍。同时，由于爆炸反应无需空气中的氧参加，在反应所进行的短暂时间内放出的热量来不及散出，以致可以认为全部热量都聚集在炸药爆炸前所占据的体积内，这样炸药单位体积所具有的热量就达到１ＭＪ／Ｌ以上，比一般燃料燃烧要高数千倍。由于反应过程的高速度使炸药所具有的能量在极短时间内放出，达到极高的能量密度，所以炸药爆炸具有巨大的做功功率和强烈的破坏作用。（３）反应中生成大量气体产物反应过程中生成大量气体产物，是炸药爆炸对外做功的媒介。爆炸瞬间炸药定容地转化为气体产物，其密度要比正常条件下气体的密度大几百倍到几千倍。也就是说，正常情况下这样多体积的气体被强烈压缩在炸药爆炸前所占据的体积内，从而造成１０９～１０１０Ｐａ以上的高压。同时，由于反应的放热性，这样处于高温、高压的气体产物必然急剧膨胀，把炸药的位能变成气体运动的动能，对周围介质做功。在这个过程中，气体产物既是造成高压的原因，又是对外界做功的介质。某些炸药爆炸气体产物在标准条件下的体积如表１２所示。表１２某些炸药爆炸气体产物在标准条件下的体积炸药１ｋｇ炸药放出的气体产物（Ｌ）１Ｌ炸药放出的气体产物（Ｌ）梯恩梯７４０１１８０特屈儿７６０１２９０太安７９０１３２０黑索金９０８１６３０奥克托金９０８１７２０可见，１ｋｇ猛炸药爆炸生成的气体换算到标准状态（１．０１３３×１０５Ｐａ，２７３Ｋ）下的气体体积为７００～１０００Ｌ，为炸药爆炸前所占体积的１２００～１７００倍。当气体爆炸时，体积一般不会增大，例如氢、氧混合爆炸Ｈ２＋０．５Ｏ→２Ｈ２Ｏ＋２．４２×１０２ｋＪ爆炸产物体积在标准状态下比爆炸前减少了１３．但是由于反应速度很快，而且放出大量热量和热反应产物，使其压力提高到１０６Ｐａ以上，仍能迅速向外膨胀做功。又例如金属硫化物的生成反应→Ｆｅ＋ＳＦｅＳ＋９６ｋＪ或铝热剂反应２Ａｌ＋Ｆｅ２Ｏ→３Ａｌ２Ｏ３＋２Ｆｅ＋８２８ｋＪ尽管反应非常迅速，且放出很多的热量，后一个反应放出的热量足以把反应产物加热到３０００Ｋ，但终究由于没有气体产物生成，没有把热能转变为机械能的媒介，无法对外做功，所以不具有爆炸性。因此，对于爆炸来说，放热性、高速度、生成大量的气体产物是缺一不可的，只有在这三个要素同时具备时，化学反应才能具有爆炸的特性。１．２炸药化学反应基本形式爆炸并不是炸药唯一的化学变化形式。由于环境和引起化学变化的条件不同，一种炸药可能有三种不同形式的化学变化：缓慢分解、燃烧和爆炸。这三种形式进行的速度不同，产生的产物和热效应也不同。１．２．１缓慢分解炸药在常温下会缓慢分解，温度愈高，分解愈显著。这种变化的特点是：炸药内各点温度相同，在全部炸药中反应同时展开，没有集中的反应区；分解时，既可以吸收热量，也可以放出热量，这取决炸药类型和环境温度。但是，当温度较高时，所有炸药的分解反应都伴随有热量放出。例如，硝酸铵在常温或温度低于１５０℃时，其分解反应为吸热反应，反应方程为ＮＨ４ＮＯ→３ＮＨ３＋ＨＮＯ３－１７３．０４ｋＪ（谨慎加热到略高于熔点）当加热至２００℃左右，分解时将放出热量，反应方程为ＮＨ４ＮＯ→３０．５Ｎ２＋ＮＯ＋２Ｈ２Ｏ＋３６．１ｋＪ或ＮＨ４ＮＯ→３Ｎ２Ｏ＋２Ｈ２Ｏ＋５２．５ｋＪ分解反应为放热反应时，如果放出热量不能及时散失，炸药温度就会不断升高，促使反应速度不断加快和放出更多的热量，最终就会引起炸药的燃烧和爆炸。因此，在储存、加工、运输和使用炸药时要注意采取通风等措施，防止由于炸药分解产生热积累而导致意外爆炸事故的发生。炸药的缓慢分解反映炸药的化学安定性。在炸药储存、加工、运输和使用过程中，都需要了解炸药的化学安定性。这是研究炸药缓慢分解意义之所在。１．２．２燃烧与爆燃炸药在热源（例如火焰）作用下会燃烧。但与其他可燃物不同，炸药燃烧时不需要外界供给氧。当炸药的燃烧速度较快，达到数百米每秒时，称为爆燃。进行燃烧的区域称作燃烧区，又称作反应区。开始发生燃烧的面称作焰面。焰面和反应区沿炸药柱一层层地传下去，其传播速度即单位时间内传播的距离称为燃烧线速度。线速度与炸药密度的乘积，即单位时间内单位截面上燃烧的炸药质量，称为燃烧质量速度。通常所说的燃烧速度系指线速度。炸药在燃烧过程中，若燃烧速度保持定值，就称为稳定燃烧；否则称为不稳定燃烧。炸药是否能够稳定燃烧，取决于燃烧过程中的热平衡情况。如果热量能够平衡，即反应区中放出的热量与经传导向炸药邻层和周围介质散失的热量相等，燃烧就能稳定，否则就不能稳定。不稳定燃烧可导致燃烧的熄灭、震荡或转变为爆炸。要使燃烧过程中热量达到平衡或燃烧稳定，必须具备一定的条件。该条件由下列因素所决定：炸药的物理化学性质和物理结构，药柱的密度、直径和外壳材料，环境温度和压力等。炸药在一定的环境温度和压力条件下，只有当药柱直径超过某一数值量，才能稳定燃烧，而且燃烧速度与药柱直径无关。能稳定燃烧的最小直径称为燃烧临界直径。环境温度和压力越高，燃烧临界直径越小；反之，当药柱直径固定时，药柱稳定燃烧必有其对应的最小温度和压力，称作燃烧临界温度和临界压力，而且燃烧速度随温度和压力的增高而增大。了解炸药燃烧的稳定性、燃烧特性及其规律，对爆炸材料的安全生产、加工、运输、保管、使用以及过期或变质炸药的销毁都是很必要的。１．２．３爆炸与爆轰在足够的外部能量作用下，炸药以每秒数百米至数千米的高速进行爆炸反应。爆炸速度增长到稳定爆速的最大值时就转化为爆轰；另一方面，由于衰减它也可以转化为爆燃或燃烧。爆轰是指炸药以每秒数千米的最大稳定速度进行的反应过程。特定的炸药在特定条件下的爆轰速度为常数。有些学者认为，广义的爆炸应把爆炸和爆轰都包含在内。１．２．４爆炸与缓慢分解和燃烧之间的关系（１）爆炸与缓慢分解的主要区别１）缓慢分解是在整个炸药中展开的，没有集中的反应区域；而爆炸是在炸药局部发生的，并以波的形式在炸药中传播。２）缓慢分解在不受外界任何特殊条件作用时，一直不断地自动进行；而爆炸要在外界特殊条件作用下才能发生。３）缓慢分解与环境温度关系很大，随着温度的升高，缓慢分解速度将按指数规律迅速增加；而爆炸与环境温度无关。（２）燃烧与爆炸的主要区别１）燃烧与爆炸传播速度截然不同，燃烧的速度为几毫米每秒到几百米每秒，大大低于原始炸药中的声速；而爆轰的速度通常达几千米每秒，一般大于原始炸药中的声速。２）从传播连续进行的机理来看，燃烧时化学反应区放出的能量是通过热传导、辐射和气体产物的扩散传入下一层炸药，激起未反应的炸药产生化学反应，使燃烧连续进行；而在爆炸时，化学反应区放出的能量以压缩波的形式提供给前沿冲击波，维持前沿冲击波的强度，然后前沿冲击波冲击压缩激起下一层炸药进行化学反应，使爆轰连续进行。３）从反应产物的压力来看，燃烧产物的压力通常很低，对外界显示不出力的作用；而爆炸时产物压力可以达到１０１０ＭＰａ以上，有强烈的力效应。４）从反应产物质点运动方向来看，燃烧产物质点运动方向与燃烧传播的方向相反；而爆炸产物质点运动方向与爆炸传播的方向相同。５）从炸药本身条件来看，随着装药密度的增加，炸药颗粒间的孔隙度减小，燃烧速度下降；而爆轰随着装药密度的增加，单位体积物质化学反应时放出的能量增加，使之对于下一层的炸药的冲压加强，因而爆轰速度增加。６）从外界条件影响来看，燃烧易受外界压力和初温的影响。当外界压力低时，燃烧速度很慢；随着外界压力的提高，燃烧速度加快，当外界压力过高时，燃烧变得不稳定，以致转变成爆炸；爆炸基本上不受外界条件的影响。此外，爆炸与爆轰是两个不同的概念。一般来说，具有爆炸三个要素的化学反应皆称为爆炸，爆炸传播的速度可能是变化的；爆轰除了要具备爆炸的三个要素之外