炸药爆炸基本理论剖析课件

1、 武 汉 理 工 大 学爆破工程精品课程8/1/20221第一章 炸药爆炸基本理论主要内容第一章 炸药爆炸基本理论1.1 基本概念 1.2 炸药化学反应基本形式 1.3 炸药氧平衡与反应产物 1.4 炸药热化学参数 1.5 炸药感度 1.6 炸药起爆 1.7 炸药爆轰理论 1.8 炸药爆炸性能：本章思考题8/1/20222第一章 炸药爆炸基本理论第一节 基本概念物理爆炸（不发生化学变化 ） 核爆炸 （核裂变或核聚变 ） 化学爆炸（有新的物质生成 ） （explosive） ： 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（explosive effect）的化合物

2、或混合物。 爆炸的分类：炸药8/1/20223第一章 炸药爆炸基本理论 化学爆炸三要素1反应的放热性 炸药爆炸必须的能源 3反应中生成大量气体产物 炸药爆炸对外做功的媒介 2反应过程的高速度爆炸反应区别一般化学反应的重要标志 8/1/20224第一章 炸药爆炸基本理论铝热剂反应 2Al+Fe2O3Al2O3+2Fe+828kJ 尽管反应非常迅速，且放出很多的热量，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。8/1/20225第一章 炸药爆炸基本理论第二节 炸药化学反应基本形式 爆炸速度增长到稳定爆速（s

3、tationary detonation velocity）的最大值 ，以每秒数千米的最大稳定速度进行的反应过程。 反映炸药的化学安定性A缓慢分解 炸药以每秒数百米至数千米的高速进行爆炸反应C爆炸与爆轰 对爆破材料的安全生产,加工,运输保管以及过期变质炸药的销毁都很有必要B燃烧与爆燃爆轰8/1/20226第一章 炸药爆炸基本理论第三节 炸药氧平衡与反应产物 炸药内含氧量与所含可燃元素充分氧化所需氧量相比之间的差值称为氧平衡。 氧平衡用每克炸药中剩余或不足氧量的克数或质量分数来表示。炸药的氧平衡（Oxygen balance）8/1/20227第一章 炸药爆炸基本理论氧平衡的计算令炸药的通式：

4、CaHbNcOd则氧平衡的计算式：式中 炸药的氧平衡；炸药的摩尔质量（g/mol）；氧的摩尔质量（g/mol） 168/1/20228第一章 炸药爆炸基本理论混合炸药氧平衡的计算计算公式：或者式中 、分别为第 i 组分的质量分数和氧平衡值 8/1/20229第一章 炸药爆炸基本理论氧平衡的三种类型正氧平衡零氧平衡负氧平衡Qb0Qb=0Qb08/1/202210第一章 炸药爆炸基本理论混合炸药配方计算含两种成分的混合炸药配比： 设x、y分别为炸药中氧化剂和可燃剂的配比，Qx、Qy、Qb分别为这两种成分和混合后氧平衡值，则有 ：8/1/202211第一章 炸药爆炸基本理论 例： 用硝酸铵、TNT和

5、木粉配制零氧平衡的岩石炸药，试求出其取值范围并选定一组配方。 解： 设1单位质量炸药中含硝酸铵为x，TNT为y，木粉为z。 已知各组中的氧平衡（查表）：硝酸铵20%，TNT-74%， 木粉-138%，按零氧平衡配制时应有： 三种成分的取值范围为: 硝酸铵 ,TNT 木粉 可取TNT含量y=10%，代入上方程组解得： 8/1/202212第一章 炸药爆炸基本理论爆轰产物与有毒气体 （1）爆轰产物 ： 炸药爆轰时，化学反应区反应终了瞬间的化学反应产物 。它是计算爆轰反应热效应的依据。 （2）爆炸产物 ： 爆轰产物的进一步膨胀，或同外界空气、岩石等其他物质相互作用，发生新的反应、生成的新的产物 。（

6、3）有毒气体： CO 、 H2S、SO2和氮氧化物 在计算有毒气体总量时，应将其他气体折算成CO含量；其中氮氧化物的毒性系数为6.5，SO2、H2S的毒性系数为2.5。8/1/202213第一章 炸药爆炸基本理论影响有毒气体生成量的主要因素 A炸药的氧平衡 B化学反应的完全程度 C炸药外壳为涂蜡纸壳 D爆破岩石内含硫 生成H2S、SO2等有毒气体 8/1/202214第一章 炸药爆炸基本理论第四节 炸药热化学参数 爆炸压力爆温爆热爆容 1kg炸药爆炸生成气体产物换算为标准状态下的体积称为爆容（specific volume）(单位:L/kg)。 爆容越大，炸药做功能力越强。 单位质量炸药爆炸时

7、所释放的热量称为爆热 （explosion heat）(单位:J/kg 或kJ/kg )。 爆炸瞬间固体炸药变成气体产物，这些产物来不及膨胀，爆炸已经结束，因而可以认为爆炸过程是定容过程。 (explosion temperature)指炸药爆炸时放出的能量将爆炸产物加热到的最高温度。 （explosion pressure）指当爆炸结束，爆炸产物在炸药初始体积内达到热平衡后的流体静压值。 也有人将其定义为炮孔中装药爆炸完了瞬间炮孔壁上的压力，故又称为炮孔压力。 8/1/202215第一章 炸药爆炸基本理论第五节 炸药感度 感度（sensitivity）指在外界能量的作用下，炸药发生爆炸的难易

8、程度。 起爆感度感度 炸药对不同形式的外界能量作用所表现的感度是不一样的。故不能简单地以炸药对某种起爆能的感度等效地衡量它对另一种起爆能的感度。冲击波感度热感度静电感度火焰感度摩擦感度撞击感度其他感度（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 炸药爆炸基本理论热感度和机

9、械感度热感度（sensitivity to heat）是指在热的作用下,炸药发生爆炸的难易程度。 热感度通常用爆发点（ignition point）来表示. 热作用的方式主要有两种：均匀加热、火焰点火 。 机械感度（1）撞击感度（2）摩擦感度（sensitivity to impact）在机械撞击的作用下，炸药发生爆炸的难易程度称为炸药的撞击感度。（sensitivity to friction）在机械摩擦的作用下，炸药发生爆炸的难易程度称为炸药的摩擦感度。8/1/202217第一章 炸药爆炸基本理论炸药的起爆感度起爆感度（sensitivity to initiation） 炸药的起爆感度是

10、指在其他炸药（起爆药、起爆具等）的爆炸作用下，猛炸药发生爆轰的难易程度。 凡能用1发8号工业雷管可靠起爆的炸药称其具有雷管感度； 凡不能用1发8号工业雷管可靠起爆的炸药称其不具有雷管感度。8/1/202218第一章 炸药爆炸基本理论炸药的殉爆殉爆（sympathetic detonation） 殉爆是指炸药（主发药包）发生爆炸时引起与它不相接触的邻近炸药（被发药包）爆炸的现象殉爆距离是指主发药包爆炸时一定引爆被发药包的两药包间的最大距离 。殉爆距离（transmission distance）炸药的殉爆能力用殉爆距离表示，单位一般为cm 确定炸药生产房间的安全距离（safety distanc

11、e），为厂房设计提供基本数据；改进工 业炸药的性质，提高在工程爆破时起爆或传爆的可靠性。 在采用炮孔法进行爆破工作时，为保证相邻药卷完全殉爆，对药卷之间的殉爆距离有一定要求。装药时，应尽可能使相邻药卷紧密接触，防止岩粉或碎石等惰性物质将药卷隔开。因有惰性介质时，殉爆距离将明显减小。研究殉爆的目的：8/1/202219第一章 炸药爆炸基本理论殉爆距离的测定8/1/202220第一章 炸药爆炸基本理论影响殉爆距离的因素 ABC装药密度 药包外壳和连接方式药量和药径 8/1/202221第一章 炸药爆炸基本理论影响炸药感度因素 影响炸药感度的因素 1炸药温度的影响 2炸药物理状态与晶体形态的影响 3

12、炸药颗粒度的影响 5附加物的影响 4装药密度的影响 8/1/202222第一章 炸药爆炸基本理论第六节 炸药起爆炸药爆炸的能栅图8/1/202223第一章 炸药爆炸基本理论热点起爆理论 热点学说认为：炸药在受到机械作用时，绝大部分的机械能量首 先转化为热能。由于机械作用不可能是均匀的，因此，热能不是作用在整个炸药上，而只是集中在炸药的局部范围内，并形成热点。在热点处的炸药首先发生热分解，同时放出热量，放出的热量又促使炸药的分解速度迅速增加。如果炸药中形成热点的数目足够多，且尺寸又足够大，热点的温度升高到爆发点后，炸药便在这些点被激发并发生爆炸，最后引起部分炸药乃至整个炸药的爆炸。 热点起爆理论

13、又称热点学说 热点形成的原因: （ 1）炸药内部的空气间隙或者微小气泡等在机械作用下受到了绝热 压缩；（ 2）受磨擦作用后，在炸药的颗粒之间、炸药与杂质之间以及炸药 与容器内壁之间出现的局部加热；（3） 炸药由于黏滞性流动而产生的热点。 热点起爆理论8/1/202224第一章 炸药爆炸基本理论第七节 炸药爆轰理论 波扰动在介质中的传播称为波。 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 稀疏波压缩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。 （pressure wave）（expansion

14、 wave）8/1/202225第一章 炸药爆炸基本理论冲击波的形成冲击波（shock wave） 冲击波是一种在介质中以超声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。 冲击波形成原理示意图 R活塞与气体的界面 A各个瞬时的波阵面；P管中空气压力 8/1/202226第一章 炸药爆炸基本理论冲击波基本方程 8/1/202227第一章 炸药爆炸基本理论冲击波特征1） 冲击波的波速对未扰动介质而言是超音速的。2） 冲击波的波速对波后介质而言是亚音速的。3） 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，

15、冲击波就会蜕变为压缩波，最终衰减为音波。4） 冲击波波阵面上的介质状态参数（速度、压力、密度、温度）的变化是突跃 的，波阵面可以看做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。5） 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。6） 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。7） 冲击波以脉冲形式传播，不具有周期性。8） 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8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。

16、8/1/202228第一章 炸药爆炸基本理论炸药爆轰波爆轰波（detonation wave）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。（detonation velocity）爆速爆轰波特征： 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 0-2区间称为爆轰波波阵面的宽度，其数值约0.11.0cm，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.8/1/202229第一章 炸药爆炸基本理论爆轰波的结构波阵

17、面2-2面为爆轰化学反应区的末端面，称为爆轰波波阵面。 常把满足一定假设条件的理想爆轰波波阵面简称为CJ面 （ChapamanJouguet plane ）CJ面爆轰波结构示意图 8/1/202230第一章 炸药爆炸基本理论爆轰波的参数CJ面上爆轰产物的移动速度 爆轰压力 CJ面上爆轰产物的比容 CJ面上爆轰产物的密度 CJ面上稀疏波相对于爆轰产物的速度 爆速 爆轰温度 8/1/202231第一章 炸药爆炸基本理论凝聚炸药爆轰反应机理 ABC均匀灼烧机理 混合反应机理 不均匀灼烧机理 均匀灼烧机理又称整体反应机理 化学反应在整个爆轰波波阵面上同时进行。 混合反应机理又称二次式多次反应机理 化学

18、反应在化学反应区分步进行。 整个压缩层炸药的温度不是均匀地升高并发生灼烧，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。 （三种途径）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.8/1/202232第一章 炸药爆炸基本理论理想爆轰与稳定爆轰 （limiting diameter）区分:药包极限直径 药包临界直径 （critical diameter）理想爆轰非理想爆轰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

19、，称为理想爆轰。 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。 8/1/202233第一章 炸药爆炸基本理论爆轰波压力及爆速的特性 混合炸药爆轰波压力随时间的变化t1第一次反应时间；t2第二次反应时间；t0炸药被压缩时间炸药爆速随药包直径变化 8/1/202234第一章 炸药爆炸基本理论侧向扩散对反应区结构的影响 侧向扩散对反应区结构的影响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（炸药） 5扩散物前锋位置；6稀疏波（膨胀波）阵面；l反应区宽度；a-a冲击波阵面8/1/202235第一章 炸药爆炸基本理论不同药包直径侧向扩散对反应区结构影响 不同药包直径侧向扩散对反应

20、区结构影响示意图l反应区宽度 l 有效反应区宽度（a）不稳定传爆 （b）非理想爆轰稳定传爆 （c）理想炸轰8/1/202236第一章 炸药爆炸基本理论第八节 炸药爆炸性能爆速（detonation velocity）爆轰波沿炸药装药传播的速度称为爆速 装药直径药包外壳装药密度炸药粒度（影响因素）起爆冲能8/1/202237第一章 炸药爆炸基本理论影响爆速的因素（1） 炸药爆速随药包直径变化 1梯恩梯（ ）；2梯恩梯/硝酸铵（50/50）（ ） ； 3梯恩梯（ ）；4梯恩梯-硝酸铵（ ）； 5硝酸铵-硝化甘油（ ）；6硝酸铵（ ）8/1/202238第一章 炸药爆炸基本理论影响爆速的因素（2）

21、粒状铵油炸药爆速随药包直径变化 梯恩梯的装药密度对爆速的影响8/1/202239第一章 炸药爆炸基本理论影响爆速的因素（3）混合炸药装药密度对爆速的影响1药包直径20mm； 2药包直径40mm8/1/202240第一章 炸药爆炸基本理论沟槽效应及其影响因素沟槽效应（pipe effect） 沟槽效应，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。 （影响因素）炸药配方A物理结构B包装条件C加工工艺D8/1/202241第一章 炸药爆炸基本理论减少或消除沟槽效应的措施DCBA调整炸药配方和加工工艺堵塞等离子体的传播 增大药

22、卷直径 化学技术 EF沿药包全长放置导爆索起爆 采用散装技术，使炸药全部充填炮孔不留间隙 8/1/202242第一章 炸药爆炸基本理论炸药爆速的测定测定方法导爆索法 电测法高速摄影法示波器记时法 数字式爆速仪测爆速法 8/1/202243第一章 炸药爆炸基本理论导爆索法测爆速 导爆索法测爆速1雷管；2药包；3导爆索；4铅板8/1/202244第一章 炸药爆炸基本理论示波器测定爆速示波器测定爆速（a）测定装置；（b）荧光屏上波形1，2探针；3药包；4脉冲信号发生器电路；5示波器；6雷管；7脉冲信号；8时标8/1/202245第一章 炸药爆炸基本理论炸药的威力炸药爆炸作功示意图 8/1/202246第一章 炸药爆炸基本理论炸药威力的测定方法（1） 铅 铸 扩 孔 法铅铸扩孔法 弹道臼炮法 爆破漏斗法8/1/202247第一章 炸药爆炸基本理论炸药威力的测定方法（2） 弹 道 臼 炮 法1臼炮体 2标准室 3活塞式炮弹体铅铸扩孔法 弹道臼炮法 爆破漏斗法8/1/202248第一章 炸药爆炸基本理论炸药威力的测定方法（3） 铅铸扩孔法 弹