内蒙古黑岱沟露天煤矿抛掷爆破地方性震级与炸药量的经验关系

利用黑岱沟露天煤矿的爆破资料,开展黑岱沟煤矿抛掷爆破地方性震级与炸药量的关系的研究。为了避免矿山地震台网地震仪在长期观测中传递函数、归一化因子、放大倍数等参数出现错误,开展同址台站对比分析,实时监控、修订参数。实测结果显示,同址两台站记录到的爆破波形特征非常一致;使用矿山地震台网资料,采用5 km以内的地方性震级M_(L)的量规函数,测定了2023年5-8月4次爆破的地方性震级M_(L);联合使用矿山台网和内蒙古地震台网记录到的44次爆破的数据,采用正交回归方法,得到黑岱沟煤矿抛掷爆破地方性震级M_(L)与炸药量Y之间的经验公式为:M_(L)=3.15lg Y-6.88。

爆破挤淤法中炸药埋深对土体参数影响的模型试验研究

爆破挤淤法是厚度15 m以上的软弱土地基有效处理方法之一。为了研究炸药埋深对该方法处理效果的影响,开展了淤泥中爆破的模型试验,利用全自动十字剪切板进行了不排水抗剪强度测试,探讨了炸药埋深对淤泥的不排水抗剪强度、含水率等影响,并利用扫描电镜分别观测了不同炸药埋深下爆破前后土体的微观结构。研究结果表明:爆破会破坏爆点附近的土结构,导致孔隙率增加,不排水抗剪强度骤降,形成爆破扰动区;扰动区以外土体受到挤压导致不排水抗剪强度增加,形成爆破挤密区。爆破后土体含水率下降,爆心距越大下降越显著。炸药埋深为0.3倍淤泥厚度的爆后不排水抗剪强度减小最显著,约27%,扰动区范围最大,约为19.2 d(d为爆点直径),爆破效果最显著。因此,存在爆点最佳埋深,使得爆破效果最好,扰动土体的范围最大;可通过不排水抗剪强度确定爆破扰动范围。研究结果可为相关工程中炸药埋深设计提供技术支持和参考。

不同能量结构炸药水下爆炸对舷侧多舱结构毁伤特性

为探究不同能量结构炸药对舰船的毁伤规律,开展不同能量结构炸药水下爆炸对舰船多舱结构的毁伤特性研究。通过任意拉格朗日-欧拉方法模拟TNT、PBXC19、H6和PBXN111共4种炸药水下爆炸能量输出结构,获取不同炸药的冲击波能和气泡能占比;分析不同能量结构炸药对多舱结构的破坏机理,获取不同能量结构炸药对多舱结构的毁伤特征。研究结果表明:同等装药情况下,炸药的冲击波能越大则冲击波阶段毁伤越严重,气泡能越大则气泡阶段毁伤越严重,2.28倍TNT冲击波能的炸药PBXC19在冲击波阶段舷侧外板破口直径比TNT增加30.2%;气泡在自由液面破碎的条件下,1.44倍TNT气泡能炸药H6在气泡阶段舷侧外板破口直径比TNT增加9.9%;增大炸药冲击能和气泡能会显著增加冲击波和气泡载荷对舰船多舱结构的毁伤效果。

SC-CO_(2)与工业乳化炸药破岩效应的等效试验

如何定量化核算SC-CO_(2)(超临界二氧化碳)破岩效率是非炸药类破岩技术在实际工程应用时重点关注的内容.本研究基于爆破当量理论计算和现场爆破试验的研究方法,通过工程类比法进行工业乳化炸药等效当量计算,选择典型代表性花岗岩及泥岩场地,设计进行了SC-CO_(2)与工业炸药破岩效应等效对比现场试验;基于现场破岩等效现场试验测试数据,对比分析试验过程中SC-CO_(2)与工业炸药破岩体积、破岩区域形态、大块率和单耗等破岩区域特征及参量数据.研究结果表明:当SC-CO_(2)破岩体积较大时,其致裂破岩范围的长短轴较长,并且随着剪切片厚度的增加,泥岩场地二氧化碳单耗的下降速率增大,二氧化碳单耗是炸药单耗的6~11倍.SC-CO_(2)破岩技术大块率较高,而炸药爆炸应力波分布均匀,大块率较小.SC-CO_(2)破岩地表振速远小于工业炸药破岩,工业炸药爆破测点合振速值为SC-CO_(2)破岩测点合振速值的9~11倍,SC-CO_(2)破岩对周边环境震动影响较小.SC-CO_(2)破岩测点合应力峰值高于工业炸药破岩,SC-CO_(2)破岩试验中各测点合应力值为炸药破岩试验中对应测点值的1.2~1.6倍.

DNP基熔铸炸药烤燃试验与数值模拟研究

3,4-二硝基吡唑(DNP)基熔铸炸药由于兼具高能量和高安全性,在含能材料领域具有广阔的应用前景,研究该炸药热安全性对其工程化应用提供理论和试验支撑至关重要.为了探究DNP基熔铸炸药热响应特性,开展烤燃弹尺寸为?60 mm×240 mm的DNP基熔铸炸药在60°C/h加热速率下的烤燃试验,并监测其内部温度变化;同时,利用Fluent软件建立了烤燃试验数值模拟模型,在验证烤燃模拟方法的基础上,分析了烤燃过程中温度场等随时间的演化规律,进一步研究了升温速率以及烤燃弹放置方式等因素对烤燃模拟结果的影响.研究结果表明:烤燃试验响应程度均为爆燃反应;试验响应参数与模拟计算结果相差5%以内,初步验证了数值模型的可靠性;升温速率会明显影响烤燃弹的响应时间、响应温度和响应区域;烤燃弹放置方式主要影响其响应区域的分布.

冲击点火反应过程中RDX基PBX炸药的热辐射特性

研究冲击波流场中聚合物黏结炸药的热辐射特性可能是获取相关物质组分温度数据的重要途径。利用二级轻气炮加载技术、瞬态辐射测温方法及粒子速度剖面测量技术,探讨了聚合物黏结炸药/氟化锂窗口界面的热辐射特性及其与界面压力之间的相关性;同时,还优化了聚合物黏结炸药样品制备方法,显著抑制了包裹气体和界面间隙发光背景,给出了界面辐亮度数据及界面温度数据。结果表明,在连续2次冲击加载过程中,界面温度随时间衰减特征与反应产物的等熵膨胀行为密切相关,界面温度反映了界面处产物温度的演化行为,为直接观测点火反应和起爆释能期间非均质复合炸药的反应产物温度数据提供了一种可行的技术途径。

酸助剂对现场混装乳化炸药敏化速率的影响研究

为探讨酸助剂对现场混装乳化炸药敏化速率的影响,本研究通过改变酸助剂的种类、浓度和添加量来优化炸药的性能和安全性,通过测量基质发泡高度来计算乳化炸药密度。结果表明:草酸作为酸助剂时能显著提升现场混装乳化炸药基质的敏化速率,最大可以达到0.03 g·cm-3·min^(-1),而硝酸助剂的敏化速率最低,最大仅为0.008 g·cm^(-3)·min^(-1)。研究发现:弱酸助剂的氢离子(H+)电离能力是影响敏化速率的关键因素,而强酸与亚硝酸钠的副反应和气泡逸出效应会降低强酸助剂的敏化速率;当选择草酸作为酸助剂时,增大草酸的浓度和添加量可以进一步提高敏化速率。本研究为现场混装乳化炸药的定制化提供了理论支撑。

HTPB对PYX耐热炸药性能微观影响的分子动力学模拟

为了研究聚合物粘结剂羟基封端聚丁二烯(HTPB)对2,6-双(苦氨基)-3,5-二硝基吡啶(PYX)耐热炸药性能微观影响,基于分子动力学(MD)方法,在PYX的(011)晶面建立了PYX/HTPB的高聚物粘结炸药(PBX)模型,并对其结合能、内聚能密度、径向分布函数和力学性能进行了模拟.结果表明:PBX在298K时拥有最高的结合能,随着温度升高,结合能总体呈下降趋势;PYX和PBX的内聚能密度随着温度的升高而降低,且PBX的内聚能密度比PYX低20%左右;径向分布函数显示,PYX和HTPB分子间存在氢键和范德华力的共同作用;添加HTPB降低了PYX的刚度,并提高了其延展性.

纳米铝粉在炸药中的应用研究进展及趋势

铝粉是火炸药行业中最常用的金属燃料。相比微米铝粉,纳米铝粉的比表面积、反应活性和反应完全性都高得多。因此,将纳米铝粉应用于炸药中,无疑将改善炸药的反应完全性,增加炸药威力,提高弹药的毁伤效能。本文系统综述了纳米铝粉对爆轰性能、安全性能、工艺性能等多种炸药性能的影响。就爆轰性能而言,纳米铝粉可以提高混合炸药几乎所有的爆轰参数,包括爆速、爆热、空中爆炸的冲击波超压峰值、水下爆炸的总能量、燃料空气炸药的爆炸压力峰值和爆炸压力上升速率、金属加速能力、纵火能力、作功能力及猛度等,可以全方位提高混合炸药的毁伤效果。但是,由于部分研究者选用的纳米铝粉有效铝含量差异较大,常常得出不同的结论。就安全性能而言,纳米铝粉的引入提高了混合炸药的撞击感度、摩擦感度、冲击波感度、热感度等,显著降低了炸药的点火能,并且对常用炸药(如TNT、RDX、HMX、CL-20、NG、TATB等)热分解有促进作用,导致纳米炸药的引入对混合炸药的安全性能有不利影响;就工艺性能而言,在浇注固体炸药体系中,纳米铝粉增加了浇注固体炸药体系的粘度,降低了压装炸药体系中炸药药柱的密度,纳米炸药的引入恶化了混合炸药的工艺性能。本文指出,由于纳米铝粉的比表面积大、反应活性高,从制备到储存的各个环节极易氧化,造成纳米铝粉的有效铝含量急剧降低,是部分研究者得到错误结论的一个重要原因。因此,应深入研究纳米铝粉的制备方法和存储条件,使纳米铝粉在炸药中充分发挥效能。

露天爆破中炸药单耗对岩石破碎块度的数值模拟研究

露天爆破中岩石破碎块度是钻爆、铲装、运输及后续工艺等综合成本的主要衡量标准,炸药单耗是其主要影响因素,而炸药单耗对破碎块度的研究一般采用爆破模型试验,但其存在成本高、试验结果误差大等缺点.为了优化炸药单耗来降低爆堆的大块率、平均块度,并预测实际工程块度,在爆炸破岩理论基础上,运用基础力学测试设备对模型材料进行了单轴抗压、弹性模量、断裂韧度等测试,标定RHT本构模型参数,通过LS-DYNA数值仿真软件和粒子流算法(SPH)构建了三维露天台阶爆破数值仿真模型,首次对爆破破岩数值模拟结果实现块度精准统计,并对爆破破岩块度随炸药单耗的变化规律开展了系统研究.研究结果表明:炸药单耗在0.23~0.79 kg·m^(-3)范围内,岩块最大尺寸均小于240 mm,其变化区域分为240、220、140 mm三个最大块度相近区和240~220 mm、220~140 mm两个明显下降区;随单耗增加,均匀性指数n呈波浪式减小,分形维数D与n的变化趋势相反,平均块度尺寸呈现先快速下降后缓慢变化的趋势;炸药单耗的块度分布拟合曲线采用G–G–S函数拟合,相关系数均在0.91~0.97间,其变化规律验证了通过SPH法来模拟岩石爆破和岩石破碎块度统计方法的可行性和准确性.研究结果对爆破破碎块度分布规律的完善及块度控制工程具有一定的意义.

含孔洞炸药晶体HMX冲击响应的分子动力学模拟

动载荷下炸药晶体缺陷与热点形成的关联是当前含能材料领域的研究热点之一,理解热点形成机制及其对炸药起爆和感度的影响对于炸药安全性评估和研制安全弹药至关重要。本研究采用ReaxFF反应力场和分子动力学方法,对含圆柱形孔洞的炸药单晶奥克托金(HMX)在冲击载荷下的动态响应进行了研究,并探究了孔洞尺寸和双孔洞的影响。结果表明,冲击载荷下孔洞的塌缩过程分为3个阶段,即孔洞上游的塑性变形、上游原子向孔洞中心和下游运动形成流动原子、流动原子与下游碰撞。热点形成的主要机制是流动原子与下游碰撞使得动能转换为热能导致温度快速升高。热点的高温诱发了局部化学反应,HMX分子中N─NO2键断裂生成NO2是主要的初始反应机制。圆柱形孔洞的塌缩过程和热点形成机制与球形孔洞是相似的,但圆柱形孔洞的汇聚效应更弱、形成的流动原子速度更低,导致热点温度显著降低、化学反应更弱。此外,圆柱形孔洞在塌缩过程中在其周围形成了剪切带,这在球形孔洞中没有出现。随着孔洞尺寸的增大,流动原子的速度提高、剪切带变宽、热点温度升高且面积增大,进而引发了更剧烈的化学反应。对于沿冲击方向排布相距一个孔洞半径的双孔洞,孔洞塌缩过程与单孔洞是类似的,但由于冲击波在传过上游孔洞后压力有所降低,导致下游孔洞在塌缩过程中形成的流动原子速度更小、热点温度更低。本研究有助于深入理解晶体缺陷对炸药热点形成与起爆机理的作用,为宏观理论建模提供物理机制与规律认识。

含铝炸药深水爆炸能量输出特性高精度数值模拟研究

在深水条件下含铝炸药爆炸不同于理想炸药,高静水压力会影响铝粉参与二次燃烧反应的速率,进而影响能量的释放过程.采用3阶MUSCL有限体积方法结合含铝炸药Miller能量释放模型,研究CL-20基含铝炸药在100~3 000 m水深梯度范围下随水深变化的爆炸能量输出特性.结果表明:爆炸冲击波能会随着水深的增加而不断减小;当水深超过200 m后,CL-20基含铝炸药中铝粉二次反应时间超过气泡周期,在第一个脉动周期内铝粉反应释放能量不充分导致根据气泡周期公式得到的气泡能偏小,气泡能也随着水深增加而减小,爆炸总能量不为定值.

非理想炸药水中爆炸载荷相似律数值仿真

为研究不同尺度非理想炸药水中爆炸载荷的相似性,采用LS-DYNA软件的S-ALE算法,构建了基于JWL-Miller状态方程描述的非理想炸药水中爆炸载荷数值计算模型;利用典型试验数据对计算模型参数进行了标定,匹配设置了典型RDX基非理想炸药的JWL-Miller状态方程参数;通过不同尺度炸药在不同水域环境条件下的爆炸过程模拟,分析了爆炸载荷特征参数的相似性。结果表明,影响非理想炸药水中爆炸冲击波压力峰值相似律的主要因素是其自身的非理想特性;水域环境因素(如自由面及静水压力梯度等)会对气泡脉动周期与半径的相似律产生较大影响。对于15%允许误差范围的工程仿真而言,0.53~5.30 m/kg 1/3比例距离(约10~100倍炸药半径)范围内,非理想炸药自由场水中爆炸载荷参数相似律可近似满足,与理想炸药的相似律特征基本一致,工程可用。基于JWL-Miller状态方程统一参数描述的非理想炸药默认其后燃反应是稳定且完全的。在实际中,由于水下非理想炸药受到复杂的化学反应动力学的控制,几何尺寸效应仍有可能导致非理想成分释能过程的较大差异,因此,精细化数值仿真需要针对不同比例距离或不同尺度模型来匹配不同的Miller模型参数,爆炸载荷相似律也可能在更有限的尺度范围内成立。

火炸药工艺安全性的研究方法

工艺安全是火炸药产品实现工业制造的前提。随着新材料、新工艺的不断涌现,长期积累的老经验不再完全适用和可靠,传统的试错型工艺研究方法又不再可行,如何实现和保障工艺安全,成为我们当前需要突破的一个重大“瓶颈”。由于工艺安全工作涉及到方方面面,是一个复杂的系统工程,自然会引起各方的高度重视和积极作为。但是,在这个复杂系统中,如何抓住最基础、最核心的要素,如何协同各方形成合力和取得实效,需要我们从认识论和方法论的高度进行系统思考。

氢化镁型氢能炸药的试验研究

为探究氢化镁在爆炸反应不同时期的反应规律,将氢化镁与锑黑炸药按照多种比例混合,利用水下爆炸试验测试了混合炸药的爆炸性能,分析了不同密度氢化镁对冲击波峰值超压、冲量、比冲击波能和比气泡能的影响:与高能炸药混合,氢化镁在爆炸过程中的反应进程靠后,对爆炸的峰压提升有限,但对冲量、比冲击波能和比气泡能提升显著,最多分别高达31.5%、30.5%和68.1%。为解决混合炸药中氢化镁反应进程靠后、分解产物易被抛散和氧竞争的问题,设计了以氢化镁作为主装药的试验并计算出一定密度氢化镁通过爆炸反应放出的能量,密度为0.14 g/cm^(3)的氢化镁比冲击波能比RDX高90%,比气泡能比RDX高426.1%。此外,通过改变氢化镁的密度,爆炸反应前中期的性能参数提升,爆炸反应后期的参数略有下降,表明可以通过改变氢化镁的密度提高爆炸性能,优化能量结构,氢化镁型氢能炸药具有较高的能量和广阔的应用前景。

HMX基高聚物粘结炸药界面增强的粒径效应

为研究炸药晶体粒径对高聚物粘结炸药(PBX)力学性能及界面增强效果的影响规律,以4种不同粒径HMX(160μm,60μm,25μm和150 nm)为主体炸药,氟树脂为粘结剂,中性聚合物键合剂为界面增强剂,制备了8种HMX基PBX。采用压缩应力应变试验、巴西试验分别获得8种PBX在常温(20℃)和高温下(60℃)的压缩和拉伸力学性能,采用动态热机械分析仪的三点弯曲模式获得储能模量和力学损耗因子,采用扫描电镜对PBX断面进行表征。结果表明,PBX的压缩强度和拉伸强度随HMX粒径的减小而增大,纳米HMX在力学增强方面具有很好的效果。20℃以纳米HMX为基的PBX-nano压缩强度和拉伸强度可分别达到61.3 MPa和5.7 MPa,较以160μm HMX为基的PBX-L可分别提高73.1%和63.5%。添加中性聚合物键合剂后,不同粒径的HMX基PBX压缩力学强度和拉伸力学强度均得到提高,纳米HMX的增强效应尤其显著,PBX-nano-M在20℃和60℃下的拉伸强度分别可达10.4 MPa和5.8 MPa,较PBX-nano可分别提高82.6%和101.4%。当HMX平均粒径从百微米减小至百纳米,炸药件发生界面脱粘/损伤乃至断裂所需的断裂功越大,拉伸力学强度提升幅度越大。

微米级煤粉水浊液制备粒状铵油炸药的试验研究

为降低多孔粒状铵油炸药的材料成本,提高其稳定性和爆炸安全性,将微米级煤粉与水的混合物(体积比为1∶1混合的煤粉水浊液)部分或完全取代柴油制备粒状铵油炸药。通过实验测试选取爆速最大配方,使用摩擦感度仪测试炸药发火概率,采用C80微量量热仪研究煤粉对多孔粒状铵油炸药热分解反应的影响,以热流曲线数据为依据,通过Arrhenius方程得出不同样品热分解反应的热力学和动力学参数。结果表明,混合质量分数10%煤粉水浊液和2%柴油的铵油炸药爆速最高,为3227m/s;炸药摩擦感度发火概率最大为4%;煤粉水浊液抑制了多孔粒状硝酸铵的热分解反应,用其制备的铵油炸药的表观活化能、指前因子和热分解起始温度,均高于纯柴油多孔粒状铵油炸药,用其部分或完全替代柴油制备的多孔粒状铵油炸药的热稳定性较好。

炸药模拟裂纹宽度的CT检测与测量分析

炸药作为武器系统的核心部件,其内部结构质量直接关系到武器系统的可靠性,目前CT技术已被用于炸药试件的内部质量检测与评价研究,特别用于炸药试件内部裂纹的定性与定量分析中。然而选择不同的检测工艺参数会造成CT图像质量的变化,直接影响到后续定量表征的精度。通过在炸药试件表面加工不同宽度的标准尺寸线槽,再将其与相同规格的炸药试件对粘,以实现在炸药试件内部预制标准尺寸裂纹的目的。然后,改变检测参数与工艺条件,得到不同检测参数对试件裂纹宽度测量精度的影响规律,分析讨论了CT测量炸药试件(如尺寸小于10 mm的始发药等)裂纹宽度的最佳检测工艺条件。

退役单基药制备工业粉状炸药的研究

为了充分再利用退役单基药,通过浸水、粉碎和烘干将9/7型单基药颗粒制备成单基药粉,并采用乳化石蜡对其进行降感处理,获得了一种工业粉状钝感炸药,测试了单基药粉含水量、单基药粉粒度和乳化石蜡含量对工业粉状炸药机械感度和起爆性能的影响。结果表明:该炸药的撞击感度(h50)为141.2 cm,摩擦感度为20%~24%,爆速为3763~6200 m·s^(-1)(装药密度为0.85~1.38 g·cm^(-3)),殉爆距离为7 cm,七日吸湿量为0.3%~1.6%,其综合性能优于2号岩石铵梯炸药;炸药含水量宜控制在5%~7%;单基药粉粒度在40目以上、乳化石蜡含量在5.0%以下时,炸药才能完全爆轰;3批工业粉状炸药的性能数据偏差都在工业炸药允许的偏差范围之内,表明其生产工艺稳定性较好。

升温速率对JEO炸药烤燃响应特性的影响

为研究JEO炸药(3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)/奥克托今(HMX)/添加剂)的烤燃响应特性,设计了炸药烤燃多点测温-测压实验系统,开展了5℃·min^(-1)和2℃·min^(-1)2种升温速率下的JEO炸药烤燃实验,获得了点火时间、点火温度、不同位置处炸药的温度历程和装置内部的压力历程,分析了升温速率对JEO炸药烤燃温度、压力变化和反应剧烈程度的影响。在实验研究的基础上,采用考虑压力对炸药热分解反应影响的炸药烤燃多相流物质输送模型,使用Fluent软件对不同升温速率下JEO炸药的烤燃热分解过程进行了数值模拟研究。研究结果表明,JEO炸药热分解反应在相变前较为缓慢,相变后反应速率加快,炸药温度升高加快、压力呈指数增长,直至点火,JEO炸药的点火温度约为220℃,在本实验的约束条件下响应等级为爆燃,具有良好的热安全性;随着升温速率的降低,JEO炸药的点火时间变长,点火位置由装药边缘移向中心,反应剧烈程度增加;点火前的热分解过程中只有少部分炸药发生了反应,大部分炸药在点火后的燃烧阶段发生反应。