爆破工程教材31~40

1、炸药爆轰理论介质中的波与冲击波（）波空气、水、岩体、炸药等物质的状态可以用压力、密度、温度、移动速度等参数表征。物质在外界的作用下状态参数会发生一定的变化，物质局部状态的变化称为扰动。如果外界作用只引起物质状态参数发生微小的变化，这种扰动称为弱扰动。如果外界作用引起物质状态参数发生显著的变化，这种扰动称为强扰动。扰动在介质中的传播称为波。在波的传播过程中，介质原始状态与扰动状态的交界面称为波阵面（或波头）。波阵面的移动方向就是波的传播方向，波的传播方向与介质质点振动方向平行的波称为纵波，波的传播方向与介质质点振动方向垂直的波称为横波。波阵面在其法线方向上的位移速度称为波速。按波阵面形状不同，波

2、可分为平面波、柱面波、球面波等。所谓音波即介质中传播的弱扰动纵波，音速则是弱扰动在介质中的传播速度。在这里，不能把音波只理解为听觉范围内的波动。（）压缩波和稀疏波受扰动后波阵面上介质的压力、密度均增大的波称为压缩波；受扰动后波阵面上介质的压力、密度均减小的波称为稀疏波或膨胀波。压缩波和稀疏波的产生和传播过程可以形象地用活塞在气缸中的运动过程加以说明，如图和图所示。在图和图中，表示气缸内某一点离活塞的距离，表示气缸内气体的压力，表示活塞运动的时间。在瞬时，活塞处于初始位置，缸内压力为现假设活塞向右加速运动，在瞬时，活塞移至（图），活塞右边的气体被压缩，使区间内的气体压力和密度都升高，点右边气体仍

3、保持初始状态，因此，在该瞬时，波阵面在处。假定活塞停在处，则至瞬时，由于压力差的存在，造成气体继续由高压区向低压区运动，波阵面由移至。随着时间的推移，波阵面在气缸中逐层向右传播，就形成压缩波。从压缩波的形成过程可以看到：在压缩波中，波阵面到达之处，介质的压力和密度等参数均增大，介质运动的方向与波传播的方向是一致的。需要注意的是，这二者既有联系又有区 图压缩波形成示意图图稀疏波形成示意图别。这里介质的移动是指物质的分子或质点发生位移，而波的传播则是指上一层介质状态的改变引起下一层介质状态的改变。可见，波的传播总要超前于介质的位移。换句话说，波的传播速度总是大于介质的位移速度。如果在瞬时，活塞处于

4、，缸内压力为（图），活塞不是向右移动，而是向左移动，则缸内气体发生膨胀。在瞬时，活塞从左移至，原来在附近的气体移动到区间，使邻近右边气体的压力和密度都下降，该瞬间的波阵面在。假定活塞停在处，则至瞬时，由于气缸内存在压力差，所以右边的高压气体要继续向方向移动，使邻近面气体的压力和密度下降，波阵面由移至。这种压力和密度持续衰减的传播就形成了稀疏波。从稀疏波的形成过程也能看到：稀疏波是由于介质的压力和密度的下降而引起的，波阵面所到之处，介质的压力和密度等参数是下降的。稀疏波的传播方向与波阵面的传播方向相同，与介质的运动方向相反。需要注意的是：通常压缩波和稀疏波是伴生的，即压缩波的后面一般都跟随有稀疏

5、波，而稀疏波产生的同时也会伴有压缩波的产生。（）冲击波形成冲击波是一种在介质中以超音速传播的并具有压力突然跃升然后慢慢下降特征的一种高强度压缩波。飞机和弹丸在空气中的超音速飞行，炸药爆炸产物在空气中的膨胀，都是产生冲击波的典型例子。下面仍借助活塞在气缸中的运动来说明冲击波的形成原理，在图中把冲击波的形成过程分解成若干阶段。瞬时：假设活塞静止于处，缸内气体未受扰动，压力为图冲击波形成原理示意图活塞与气体的界面 ；各个瞬时的波阵面；管中空气压力瞬时：活塞从加速运动至，占据了区间，原来该区间的空气被压缩到区间而形成一个压缩波，波阵面在，波速等于原来未被扰动时空气的音速假定活塞从处起向右保持匀速运动。

6、瞬时：活塞运动速度不变并到达，使活塞前端的气体继续受到压缩，原来区间的空气被压缩到区间而形成第二个压缩波，波阵面在。由于第二个压缩波是在第一次压缩所造成的密度增大了的空气中传播的，它的波速就等于密度加大了的空气的音速，其波速大于瞬时：产生第三个压缩波，其波速大于瞬时：产生第四个压缩波，其波速大于如此追逐的结果，必有某一瞬时如，后面的压缩波都赶上了第一个压缩波，彼此叠加成一个与以前的压缩波有质的差别的强压缩波，波阵面在，面上各个介质参数都是突然跃升的，这就是冲击波。从冲击波的形成过程可以看出：冲击波的波阵面是一个突跃面，在这个突跃面上介质的状态参数发生不连续的突跃变化，且变化梯度非常大。（）冲击

7、波基本方程图波阵面前后参数示意图为了从量上对冲击波进行分析，就要确立冲击波的参数。这些参数之间的关系表现在冲击波的基本方程中。如果已知未扰动介质的压力、密度、温度、介质位移速度（、），则可以借助这些基本方程计算出冲击波波阵面上的相应参数（、）和冲击波波速，以及冲击波波阵面上介质的音速图绘出了断面一定的圆柱体单元的气体受冲击波压缩前后参数的变化。以此为研究对象，根据质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，推导出冲击波基本方程（该组方程仅适用于理想气体）如下：槡（）（）（槡）（）（）（）（）（）（） 槡（）（）式中冲击波波速（）；介质移动速度（）；、为介质扰动前后的密度（）。扰动介质中的音速（）

8、；、介质扰动前后的温度（）；、介质扰动前后的压力（）；、介质压缩前后的比容，分别等于、；绝热指数，、分别为介质的质量定压热容和质量定容热容。对于空气，从室温到范围内，有×（）由以下两式可以求出 值（）（）式中（·）。（）冲击波特征根据以上讨论的内容和大量的研究成果，可以把冲击波的基本特性概括为以下几点：）冲击波的波速对未扰动介质而言是超音速的。）冲击波的波速对波后介质而言是亚音速的。）冲击波的波速与波的强度有关。由于稀疏波的侵蚀和不可逆的能量损耗，其强度和对应的波速将随传播距离增加而衰减。传播一定距离后，冲击波就会蜕变为压缩波，最终衰减为音波。）冲击波波阵面上的介质状态参数

9、（速度、压力、密度、温度）的变化是突跃的，波阵面可以看作是介质中状态参数不连续的间断面。冲击波后面通常跟有稀疏波。）冲击波通过时，静止介质将获得流速，其方向与波传播方向相同，但流速值小于波速。）冲击波对介质的压缩不同于等熵压缩。冲击波形成时，介质的熵将增加。）冲击波以脉冲形式传播，不具有周期性。）当很强的入射冲击波在刚性障碍物表面发生反射时，其反射冲击波波阵面上的压力是入射冲击波波阵面上压力的倍。由于反射冲击波对目标的破坏性更大，因此在进行火工品车间、仓库等有关设计时应尽量避免可能造成的冲击波反射。冲击波不仅能在流体（气体、液体）中传播，也能在固体中传播。上述气体中冲击波的特性对液体、固体中的

10、冲击波也基本适用。炸药爆轰（）爆轰波炸药被激发起爆后，首先在炸药的某一局部发生爆炸化学反应，产生大量高温、高压和高速流动的气体产物流，并释放出大量的热能。这一高速气流的作用犹如上节所述加速运动的活塞，强烈冲击和压缩邻近层的炸药，使邻近炸药层中产生冲击波，并引起该层炸药的压力、温度和密度产生突跃式升高而迅速发生化学反应，生成爆炸产物并释放出大量的热能。局部炸药爆轰所释放的热能，一方面可以阻止稀疏波对冲击波头的侵蚀，另一方面又可以补充到冲击波中，以维持冲击波以稳定的速度向前传播。这样，冲击波继续压缩下一层炸药又引起下一层炸药的化学反应，新释放的热能又补充到冲击波中去，以维持它的定速传播。如此一层一

11、层的传播，就完成了炸药的爆轰过程。这种在炸药中传播的伴随有快速化学反应区的冲击波称为爆轰波，爆轰波沿炸药装药传播的速度称为爆速。图爆轰波结构示意图（）爆轰波结构下面进一步讨论爆轰的过程和爆轰波的结构。在冲击波的高压作用下，相邻于冲击波的炸药层出现一个压缩区（图），其厚度约。在这里，压力、密度、温度都呈突跃升高状态。实际上，这就是冲击波的波阵面。随着冲击波的传播，新压缩区的产生，原压缩区成为化学反应区，反应在面始发生，在面结束。再随着冲击波的前进，新的化学反应区的形成，原化学反应区又成为反应产物膨胀区。化学反应放出的能量，不断维持着波阵面上参数的稳定，其余在膨胀区消耗掉，因而达到能量平衡，冲击波

12、即以稳定速度向前传播，这就是爆轰过程的实质。由此可见：）爆轰波只存在于炸药的爆轰过程中。爆轰波的传播随着炸药爆轰结束而中止。）爆轰波总带着一个化学反应区，它是爆轰波得以稳定传播的基本保证。习惯上把区间称为爆轰波波阵面的宽度，其数值约，视炸药的种类而异。）爆轰波具有稳定性，即波阵面上的参数及其宽度不随时间而变化，直至爆轰终了。面为爆轰化学反应区的末端面，称为爆轰波波阵面。在进行理论研究时，常把满足一定假设条件的理想爆轰波波阵面简称为面。面上的状态参数称作爆轰波参数或爆轰参数。爆轰波面上的压力称作爆轰压力。爆轰波面上的温度称作爆轰温度。需要指出的是爆轰压力与爆炸压力、爆轰温度与爆温的含义不同，应把

13、它们区分开来。（）爆轰波基本方程因为爆轰波是一种强冲击波，所以冲击波的基本方程也可以应用于爆轰波，即由质量守恒关系得 （）（）由动量守恒关系得（）式中为初始炸药密度；反应区物质密度；爆速；爆炸生成气体气流速度；面上压力，即爆轰压力；初始压力。由能量守恒关系得（）（）（）式中、炸药爆轰时和爆轰前的能量；炸药初始比容；爆轰波阵面上爆炸气体的比容。考虑到爆轰反应中要放出热量，故有（）（）（）式中爆热。.图爆轰波雨果尼奥曲线公式（）叫做爆轰波雨果尼奥（）方程。在图中的曲线叫做爆轰波雨果尼奥曲线。曲线则为冲击波雨果尼奥曲线。在曲线上，相对应的各点存在着各种强度的冲击波；然而在曲线上，并不是所有的点都与爆

14、轰过程相对应。根据实验结果，在曲线上仅仅只有一个点对应于爆轰波。实验结果表明，在稳定爆轰时存在着如下的关系。 （）式中爆速；面处爆轰气体产物的音速；面处气体产物质点速度。由查普曼（）和朱格（）得出的公式（）就叫做方程或条件。由于面处满足条件，爆轰波后面的稀疏波就不能传入爆轰波反应区中。因此，反应区内所释放出的能量就不会发生损失，而全部用来支持爆轰波的稳定传播。由图可知，走在爆轰波前面的冲击波压力比面上的压力还大。原因是在化学反应区内不断生成爆轰气体产物，并随即产生膨胀，因而压力有所下降。的值因炸药不同而不同，有时比小百分之几，有时可小到只有的一半。需要指出，这里所说的就是前面所提到过的面上压力

15、（爆轰压力）。它与爆炸压力的含意不同，爆炸压力是指根据热力学并假定理想气体状态成立时的爆炸气体的压力。当质量为（）炸药在（）容积空间内爆炸时，爆炸压力可由下式求得： （）（）式中每千克炸药爆炸生成气体的摩尔数；气体常数，其值为·（·）；爆温（）；炸药装药量与装药容积之比，即装药密度（）。对于一 定 的 炸 药， 的 乘 积 为 定 值，称 为 炸 药 力（或 比 能），以 表 示，单 位 是·。这样，计算爆炸压力的公式又可写为 （）（）式中装药密度（）。用上述理想气体状态方程求得的爆炸压力值一般偏低。这是因为气体分子间的距离比分子本身的直径大得多，因此，在标准状态

16、下，气体的体积系指气体分子距离构成的体积；如果密度较大，气体分子本身所占有的体积（一般称为余容）就不能忽略，因此可供气体分子运动的自由空间相对变小。补充修正这一点的最简单的状态方程是阿贝尔方程。即（）（）式中余容；单位质量炸药所占有的体积（）。上式也可改为 （）按照理论计算，余容的大小约等于分子体积的四倍乘以阿伏加德罗常数×。通常可采用它的近似值，即令其等于标准状况下所占容积的倍。（）爆轰波参数由于爆轰波是冲击波的一种，所以表达爆轰波参数关系的基本方程推导方法亦大致与冲击波相似。对于爆轰波，其基本方程（工程中常用）可表示如下：面上爆轰产物的移动速度（）爆轰压力（）面上爆轰产物的比容（

17、）面上爆轰产物的密度（）面上稀疏波相对于爆轰产物的速度（） （）槡（）爆轰温度（）上述各式中符号的物理意义与冲击波基本方程中的相应参数相同，表示爆温，表示爆热。对于凝聚炸药，一般取。从这些公式可以知道：）爆轰产物质点移动速度比爆速小，但随爆速的增大而增大。）爆轰压力取决于装药的爆速和密度，这是因为这两个因素都会造成爆炸产物密度的增大。）爆轰刚结束时，爆轰产物的密度大于炸药的初始密度。）爆轰温度大于爆温。在现代技术条件下，爆速可以直接准确地测知。设为已知的炸药初始密度，利用前述方程可求得爆轰波其余各参数值。表中列出几种常见单体炸药的爆轰波参数。表几种炸药的爆轰波参数炸药名称（）（）（）（）（）特

18、屈儿×黑索金×太安×梯恩梯×（）凝聚炸药爆轰反应机理根据炸药的化学组成以及装药的物理状态不同，可以把凝聚炸药的爆轰反应机理分为均匀灼烧机理、不均匀灼烧机理和混合反应机理。）均匀灼烧机理均匀灼烧机理又称整体反应机理，它是指炸药在强冲击波作用下，爆轰波波阵面的炸药受到强烈的绝热压缩，使受压缩炸药的温度均匀地升高，如同气体绝热压缩一样，化学反应是在整个爆轰波波阵面上同时进行的。这种机理多发生在结构均匀的固体炸药（如单质炸药）以及无气泡和无杂质的均匀液体炸药中，即所谓的均相炸药中。这种炸药的反应速度非常快，能在内完成。）不均匀灼烧机理不均匀灼烧机理又称表面反应机

19、理，它是指自身结构不均匀的炸药，如松散多孔隙的固体粉状炸药、晶体炸药，以及含有大量气泡和杂质的液体炸药或胶质炸药等，在冲击波的作用下受到冲击强烈压缩时，整个压缩层炸药的温度不是均匀地升高并发生灼烧，而是个别点的温度升得很高，形成“起爆中心”或“热点”并先发生化学反应，然后再传到整个炸药层。在不均匀灼烧机理中“起爆中心”形成的途径主要有以下三种，它们均已被实验所证实： 炸药中含有的微小气泡（气体或蒸气）在受到冲击波压缩作用时的绝热压缩； 由于冲击波经过时炸药的质点间或薄层间的运动速度不同而发生摩擦或变形； 爆炸气体产物渗透到炸药颗粒间的空隙中而使炸药颗粒表面加热。）混合反应机理混合反应机理是混合

20、炸药，尤其是固体混合炸药所特有的一种爆炸反应机理。其特点是，化学反应在化学反应区分步进行，被称为二次或多次反应机理。对于由几种单质炸药组成的混合炸药，它们在发生爆轰时首先是各组分的炸药自身进行反应，放出大量的热，然后是各反应产物相互混合并进一步反应生成最终产物。但是，对于由反应能力相差很悬殊的一些组分组成的混合炸药，如由氧化剂和可燃剂或者是由炸药与非炸药成分组成的混合炸药，它们在爆轰时，首先是氧化剂或炸药分解，分解产生的气体产物渗透或扩散到其他组分质点的表面并与之反应，或者是几种不同组分的分解产物之间相互反应，如图所示。应该注意的是，凝聚炸药的爆轰反应并不都是按照上述反应机理中的某一种机理进行

21、的，往往是两种机理共同作用的结果。（）理想爆轰与稳定爆轰爆速是爆轰波的一个重要参数，人们往往通过它来分析炸药爆轰波传播过程。这一方面是因为爆轰波的传播要靠反应区释放的能量来维持，爆速的变化直接反映了反应区结构以及能量释放的多少和释放速度的快慢；另一方面则是因为在现代技术条件下，爆速是比较容易准确测定的一个爆轰波参数。图表示炸药爆速随药包直径变化的一般规律。它表明，随着药包直径的增大，爆速相应增大，一直到药包直径增大到极时，药包直径虽然继续增大，爆速将不再升高而趋于一恒定值，亦即达到了该条件下的最大爆速。极称为药包极限直径。随着药包直径的减小，爆速逐渐下降，一直到药包直径降到临时，如果继续缩小药

22、包直径，即临，则爆轰完全中断，临称为药包临界直径。当任意加大药包直径和长度而爆轰波传播速度仍保持稳定的最大值时，称为理想爆轰。图中极右边的区域属于这一类爆轰。若爆轰波以低于最大爆速的定常速度传播时，则称为非理想爆轰。非理想爆轰又可分为两类。图中临至极之间的爆轰属于稳定爆轰区，在此区间内爆轰波以与一定条件的相应的定常速度传播。在药包直径小于临的区域属于不稳定的爆轰区。稳定爆轰区和不稳定爆轰区合称非理想爆轰区。图混合炸药爆轰波压力随时间的变化第一次反应时间；第二次反应时间；炸药被压缩时间图炸药爆速随药包直径变化炸药包的临界直径和极限直径同爆速一样，都是衡量炸药爆轰性能的重要指标。从爆破工程角度来看

23、，显然必须避免不稳定爆轰的发生而应力求达到理想爆轰。亦即，药包直径不应小于临，而尽可能达到或大于极。然而，由于技术或其他条件的限制。矿山实际采用的药包直径往往都比极小，即极，尤其在使用低感度混合炸药时更加突出。在这种情况下，不可避免地出现非理想爆轰，尽管达到稳定爆轰，然而化学反应过程中炸药能量没有充分释放出来，能量损失很大。（）侧向扩散对反应区结构的影响药包直径小于极限直径时，药包直径减小，爆速随之下降。当临时，爆轰即完全中断。这是因为，药包直径缩小时，用以维持爆轰波传播的能量减少而消耗在侧向扩散方面。图侧向扩散对反应区结构的影响爆轰产物区；侧向扩散影响区；有效反应区；未反应区（炸药）；扩散物

24、前锋位置；稀疏波（膨胀波）阵面；反应区宽度；冲击波阵面为什么会发生能量的侧向扩散？它为什么能影响爆轰波传播过程呢？我们知道，冲击波阵面抵达之处炸药薄层受到强烈压缩而产生急剧化学反应，形成化学反应区。化学反应生成的高温高压气体产物自反应区侧面向外扩散。在扩散中的强大气流中，不仅有反应完全的爆轰气体产物，而且还有来不及发生反应或反应不完全的炸药颗粒以及其他中间产物。由于这些炸药颗粒的逸散，化学反应的热效应降低而造成能量的损失。侧向扩散现象愈严重，爆轰放出的能量就愈少，这必然要影响到爆轰波的传播，造成爆速和爆轰压力等参数值减小，甚至导致爆轰中断，如图。图表示侧向扩散对化学反应区结构的影响。扩散自药包周边向中心发展。反应区未受侧向扩散影响的部分称为有效反应区。爆轰波的传播实际上是靠有效反应区释放出来的能量来维持的。设自药包周边至轴线扩散过程所经历的时间为，炸药颗粒开始反应到反应终了所需要的时间为，则可以认为，当时，药包中心部分炸药的化学反应过程并未受到侧向扩散的影响，有效反应宽度大于或等于炸药固有的反应区宽度。这时，爆轰波在传