CN106248732A - 一种炸药温度减威度的测量装置及表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种炸药温度减威度的测量装置及表征方法，所述装置包括炸药、水下爆炸罐、压力传感器以及示波器，炸药经水浴加热后放置在水下爆炸罐内，压力传感器放置在水下爆炸罐内，并与示波器连接，水浴是指水浴恒温箱内的水浴，水浴恒温箱可调节水浴温度；测量时，将水浴加热后的炸药进行引爆；通过压力传感器和示波器测得压力时程曲线；改变未进行水浴加热的炸药质量，获得相应的第一次气泡脉动周期；根据第一次气泡脉动周期推导出温度减威度计算公式，并计算出炸药水浴加热后的温度减威度。本发明在实际应用中能定量表征水浴加热时间对炸药威力衰减的影响程度，从而指导高温火区中的爆破方案设计。

Description

一种炸药温度减威度的测量装置及表征方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其是一种炸药温度减威度的测量装置及表征方法，属于高温爆破工程技术领域。

背景技术

高温火区容易导致露天穿孔爆破时造成意外爆炸或早爆事故，严重制约剥离生产任务的完成，因此为了保证爆破开采安全，需要将爆破器材进行保护，其中有一种防护措施是将炸药处于水环境中，该防护措施提出时间较晚，目前对炸药能量在水浴加热后的衰减情况尚无合适的测量装置与表征方法。传统上有部分学者采用冲击波峰值计算压力减敏度用以表征压力对炸药爆炸威力衰减的影响，但炸药的冲击波压力峰值衰减情况不能从本质上反映炸药威力衰减情况，另外由于实验误差导致即使相同炸药在同一位置的冲击波峰值也不尽相同，即测量冲击波峰值的重复性不理想，因此如果采用冲击波压力峰值计算温度减威度存在准确性不高，其不能完全反映出水浴加热时间对炸药爆炸威力衰减的影响。另外，采用水下爆炸法计算炸药总能量能够反映出温度对炸药爆炸威力衰减的影响，但需要另外进行相应的爆速测量且计算相对繁琐。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有的炸药冲击波压力峰值衰减情况不能从本质上反映炸药威力衰减情况以及总能量计算需要另外进行爆速测量且计算相对繁琐等不足，提供了一种炸药温度减威度的测量装置，该装置在实际应用中能定量表征水浴加热时间对炸药威力衰减的影响程度，从而指导高温火区中的爆破方案设计。

本发明的另一目的在于提供一种炸药温度减威度的表征方法。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种炸药温度减威度的测量装置，包括炸药、水下爆炸罐、压力传感器以及示波器，所述炸药经水浴加热后放置在水下爆炸罐内，所述压力传感器放置在水下爆炸罐内，并与示波器连接。

优选的，所述水浴是指水浴恒温箱内的水浴，所述水浴恒温箱可调节水浴温度，用于模拟药卷在高温炮孔中的水浴环境。

优选的，所述水浴恒温箱的温度调节范围在室温与100℃之间。

优选的，所述炸药和压力传感器处于水下爆炸罐内的同一深度。

优选的，所述炸药为乳化炸药。

优选的，所述乳化炸药通过物理敏化剂或化学敏化剂敏化。

优选的，所述水下爆炸罐为具有一定强度的爆炸罐。

优选的，所述水下爆炸罐为钢制圆柱罐。

本发明的另一目的可以通过如下技术方案实现：

一种炸药温度减威度的表征方法，所述方法包括以下步骤：

1)将一定质量的炸药放置在水浴恒温箱内的水浴中加热一定时间；

2)将压力传感器放置在水下爆炸罐内，并连接示波器；

3)将水浴加热后的炸药放置在水下爆炸罐内进行引爆；

4)通过压力传感器和示波器测得压力时程曲线；

5)改变未进行水浴加热的炸药质量，获得相应的第一次气泡脉动周期，并拟合计算出边界效应的校正系数；

6)根据第一次气泡脉动周期推导出温度减威度计算公式，并通过温度减威度计算公式计算出炸药水浴加热后的温度减威度。

优选的，步骤6)中，所述温度减威度计算公式的推导过程如下：

6-1)炸药水下爆炸的总能量看作初始比冲击波能与比气泡能之和，对于同一类型炸药，比气泡能占总能量的比例变化较小，即比气泡能的大小在一定程度上反映出总能量的大小；其中，水下爆炸比气泡能计算公式如下：

$E_b={(\sqrt{1+4{\mathrm{CT}}_b}-1)}^3/8C^3{k}_1^{3}W$

其中，E_b为比气泡能，T_b为第一次气泡脉动周期，W为炸药质量，k₁为固有常数，C为边界效应的校正系数；

6-2)在相同的实验条件，参数k₁与C保持不变，采用第一次气泡脉动周期衰减情况表征炸药威力随着水浴加热时间增加而衰减的程度，即根据第一次气泡脉动周期与边界效应的校正系数计算温度减威度，温度减威度计算公式如下：

$d_t=({\left(\sqrt{1+4{\mathrm{CT}}_{bw}}-1\right)}^3-{\left(\sqrt{1+4{\mathrm{CT}}_{bs}}-1\right)}^3)/({\left(\sqrt{1+4{\mathrm{CT}}_{bw}}-1\right)}^3-{\left(\sqrt{1+4{\mathrm{CT}}_{bl}}-1\right)}^3)$

其中，d_t为温度减威度，T_bw为未进行水浴加热的气泡脉动周期，T_bs为水浴加热后的气泡脉动周期，T_bl为相同实验条件下雷管的气泡脉动周期，C为边界效应的校正系数，t为水浴加热时间。

进一步的，所述边界效应的校正系数采用下式计算：

$C=\frac{b}{a^2}$

其中，C为边界效应的校正系数，a、b为一定实验条件下的固有常数，根据第一次气泡脉动周期和炸药质量进行最小二乘法拟合计算，如下式：

$T_b={\mathrm{aW}}^{\frac{1}{3}}+{\mathrm{bW}}^{\frac{2}{3}}$

其中，T_b为第一次气泡脉动周期，W为炸药质量。

优选的，步骤6)中，所述温度减威度计算公式的推导过程如下：

6-1)炸药在水下爆炸后，第一次气泡脉动的周期如下：

$T_b=K\·{\mathrm{\ρ}}^{\frac{1}{2}}\·{(W\·Q)}^{\frac{1}{3}}/P_h^{\frac{5}{6}}$

其中，T_b为第一次气泡脉动周期，K为系数，ρ为液体密度，W为炸药质量，Q为炸药爆热，P_k为爆炸深度的总水压力；

6-2)令将上式改写为：

$Q={\left(\frac{T_b}{k}\right)}^3/W$

6-3)在特定的实验条件下，假定k固定不变，即同类型炸药的能量与其气泡脉动周期三次方成正比，温度减威度计算公式如下：

$d_t=(T_{bw}^3-T_{bs}^3)/(T_{bw}^3-T_{bl}^3)$

其中，d_t为温度减威度，T_bw为未进行水浴加热的气泡脉动周期，T_bs为水浴加热后的气泡脉动周期，T_bl为相同实验条件下雷管的气泡脉动周期，t为水浴加热时间。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明将经水浴加热后的炸药放置在水下爆炸罐内进行引爆，通过压力传感器能够捕获炸药在水中爆炸后的压力时程曲线，并由示波器将压力时程曲线数据进行采集，测量出温度减威度，从而可以判断炸药水浴加热后威力衰减程度。

2、本发明能够利用水浴恒温箱模拟炸药在高温炮孔中的水浴环境，从而为测量高温炮孔中水浴防护下炸药性能变化提供条件。

3、本发明提供的温度减威度计算公式是反映炸药能量随加热时间增加而衰减情况，其在实际应用中能定量表征水浴加热时间对炸药威力衰减的影响程度，从而指导高温火区中的爆破方案设计。

4、本发明提供的温度减威度计算公式也适用于表征炸药因受到压力影响而发生威力衰减的程度，从而为延期爆破方案设计提供参考。

附图说明

图1为本发明实施例1的炸药温度减威度的测量装置的结构示意图。

图2为本发明实施例1将炸药放置在水浴恒温箱加热的示意图。

图3为本发明实施例1的加热不同时间后的炸药脉动压力时程曲线图。

图4为本发明实施例2的边界效应的校正系数C拟合计算图。

图5为本发明实施例2和3的温度减威度d_t与水浴加热时间关系图。

其中，1-炸药，2-水下爆炸罐，3-压力传感器，4-示波器，5-水浴恒温箱。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种炸药温度减威度的测量装置，该装置包括炸药1、水下爆炸罐2、压力传感器3以及示波器4。

所述炸药1为乳化炸药，其可以通过物理敏化剂或化学敏化剂敏化，如玻璃微球、珍珠岩、NaNO₂等，其包装后可进行水浴加热，如图2所示，将炸药1先放置在水浴恒温箱5内的水浴中加热，加热一定时间后放置在水下爆炸罐2内；其中，水浴恒温箱5可调节水浴温度，其温度调节范围在室温与100℃之间，温度控制精度为0.5℃，用于模拟药卷在高温炮孔中的水浴环境。

所述水下爆炸罐2为具有一定强度的爆炸罐，如钢制圆柱罐，其钢板厚度为3cm，直径为5m，深度为5m，能承受一定质量炸药爆炸后的冲击。

所述压力传感器3放置在水下爆炸罐2内，其具有快速响应特点，能捕获炸药1在水中爆炸后的冲击波压力时程曲线以及气泡脉动时程曲线，如PCB传感器(ICP W138A25)。

所述示波器4与压力传感器3连接，可以将冲击波压力时程曲线以及气泡脉动时程曲线数据进行采集并存储，如泰克示波器。

本实施例的炸药温度减威度的测量装置工作原理如下：

测量时，将一定质量的炸药1放置在水浴恒温箱5内的水浴中加热到预定时间后取出，将水浴加热后的炸药1放置在水下爆炸罐2内进行引爆，通过压力传感器3和示波器4测得炸药爆炸后的冲击波压力时程曲线与脉动压力时程曲线，通过脉动压力时程曲线中的第一次峰值所对应的时间得到第一次气泡脉动周期，如图3所示；改变未进行水浴加热的炸药1质量，获得相应的第一次气泡脉动周期，并拟合计算出边界效应的校正系数，根据第一次气泡脉动周期推导出温度减威度计算公式，利用该温度减威度计算公式计算炸药1水浴加热后的温度减威度。

上述炸药1和压力传感器3处于水下爆炸罐2内的同一深度，且同一对比实验不得随意改变深度；计算边界效应的校正系数时需要消除起爆雷管的影响，炸药1能量构成的比例随着水浴加热只发生微小变化。

实施例2：

本实施例提供了一种炸药温度减威度的表征方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将一定质量的炸药放置在水浴恒温箱内的水浴中加热一定时间；

步骤二、将压力传感器放置在水下爆炸罐内，并连接示波器；

步骤三、将水浴加热后的炸药放置在水下爆炸罐内进行引爆；

步骤四、通过压力传感器和示波器测得压力时程曲线；

步骤五、改变未进行水浴加热的炸药质量，获得相应的第一次气泡脉动周期；

步骤六、根据第一次气泡脉动周期推导出温度减威度计算公式，并通过温度减威度计算公式计算出炸药水浴加热后的温度减威度；

本步骤中，首先拟合计算出边界效应的校正系数，所述边界效应的校正系数采用下式计算：

$C=\frac{b}{a^2}$

其中，C为边界效应的校正系数，a、b为一定实验条件下的固有常数，根据第一次气泡脉动周期和炸药质量进行最小二乘法拟合计算，如下式：

$T_b={\mathrm{aW}}^{\frac{1}{3}}+{\mathrm{bW}}^{\frac{2}{3}}$

其中，T_b为第一次气泡脉动周期，W为炸药质量；

为了确定校正系数C，取不同质量的炸药(15g～50g)在同等条件下进行测量，并将测量数据根据上述计算公式进行拟合，拟合效果如图4所示。为了使拟合结果更加精确，需要考虑气泡雷管影响，由于雷管起爆后需要破坏管壳而消耗能量，因此计算时不能简单通过爆热比值来确认雷管的等效药量，本实施例将雷管单独爆炸后的气泡脉动周期与炸药气泡脉动周期一起拟合，通过调整雷管的等效质量使拟合相关系数达到最优(0.99989)，最终确定测量时用的雷管相当于1.4g炸药，拟合的结果为：a＝0.2386，b＝-0.0189，故由计算公式可得：C＝-0.331986884s^-1。

然后推导温度减威度计算公式，所述温度减威度计算公式的推导过程如下：

1)炸药水下爆炸的总能量可以看作初始比冲击波能与比气泡能之和，对于同一类型炸药，比气泡能占总能量的比例变化较小，即比气泡能的大小在一定程度上反映出总能量的大小；其中，水下爆炸比气泡能计算公式如下：

$E_b={(\sqrt{1+4{\mathrm{CT}}_b}-1)}^3/8C^3{k}_1^{3}W$

其中，E_b为比气泡能，单位为MJ/kg；T_b为第一次气泡脉动周期，单位为s；W为炸药质量，单位为kg；k₁为固有常数，C为边界效应的校正系数；

2)在相同的实验条件，参数k₁与C保持不变，采用第一次气泡脉动周期衰减情况表征炸药能量随着水浴加热时间增加而衰减的程度，即根据气泡脉动周期与边界效应的校正系数计算温度减威度，温度减威度计算公式如下：

$d_t=({\left(\sqrt{1+4{\mathrm{CT}}_{bw}}-1\right)}^3-{\left(\sqrt{1+4{\mathrm{CT}}_{bs}}-1\right)}^3)/({\left(\sqrt{1+4{\mathrm{CT}}_{bw}}-1\right)}^3-{\left(\sqrt{1+4{\mathrm{CT}}_{bl}}-1\right)}^3)$

其中，d_t为温度减威度，无量纲；T_bw为未进行水浴加热的气泡脉动周期，单位为s；T_bs为水浴加热后的气泡脉动周期，单位为s；T_bl为相同实验条件下雷管的气泡脉动周期，单位为s；C为边界效应的校正系数，t为水浴加热时间，单位为h。

实施例3：

本实施例与实施例2的区别之处在于：步骤六中，所述温度减威度计算公式的推导过程如下：

1)炸药在水下爆炸后，第一次气泡脉动的周期如下：

$T_b=K\·{\mathrm{\ρ}}^{\frac{1}{2}}\·{(W\·Q)}^{\frac{1}{3}}/P_h^{\frac{5}{6}}$

其中，T_b为第一次气泡脉动周期，K为系数，ρ为液体密度，W为炸药质量，Q为炸药爆热，P_k为爆炸深度的总水压力；

2)令将上式改写为：

$Q={\left(\frac{T_b}{k}\right)}^3/W$

3)在特定的实验条件下，假定k固定不变，即同类型炸药的能量与其气泡脉动周期三次方成正比，温度减威度计算公式如下：

$d_t=(T_{bw}^3-T_{bs}^3)/(T_{bw}^3-T_{bl}^3)$

其中，d_t为温度减威度，T_bw为未进行水浴加热的气泡脉动周期，T_bs为水浴加热后的气泡脉动周期，T_bl为相同实验条件下雷管的气泡脉动周期，t为水浴加热时间。

上述实施例2和实施例3中，炸药药包由一发8号雷管引爆，因而不管药包有没有发生温度减威，其爆炸气泡脉动总包含着一发雷管的贡献，即T_bw与T_bs中包含有T_bl。当药包散失雷管感度后，仅有一发雷管爆炸，因此T_bs＝T_bl，由计算公式可知此时d_t＝1；当药包未发生温度减威时，T_bw＝T_bs，由计算公式可得d_t＝0，即0≤d_t≤1，d_t值的大小反映了炸药发生温度减威的难易程度，其值越接近1，减威度越大，从而将温度减威的表征数量化，更能反映该现象的本质特质；减威度值越小炸药越不易发生温度减威，抗温度性能越好。由于T_bw与T_bs均为多次实验的平均值，因此测试的T_bs值可能会出现大于T_bw或小于T_bl的情况，这样就造成了d_t＜0或d_t＞1的计算值，这种情况下d_t的值分别取0和1，因为此时的炸药或者完全爆炸或者已经散失雷管感度，这样处理的结果符合客观实际的。

根据上述实施例2和实施例3的两种温度减威度计算公式计算得到的珍珠岩敏化的炸药减威度与水浴加热时间关系，如图5所示(图中圆形为根据实施例2的温度减威度计算公式计算得到的减威度，三角形为根据实施例3的温度减威度计算公式计算得到的减威度)，采用珍珠岩敏化的炸药减威度随着水浴加热时间增加而增加，因此根据第一次气泡脉动周期计算的温度减威度可以判断炸药水浴加热后能量衰减程度。

综上所述，本发明在实际应用中能定量表征水浴加热时间对炸药能量衰减的影响程度，从而指导高温火区中的爆破方案设计。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，例如压力传感器的数量可以根据实际需要作出变化，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种炸药温度减威度的测量装置，包括炸药，其特征在于：还包括水下爆炸罐、压力传感器以及示波器，所述炸药经水浴加热后放置在水下爆炸罐内，所述压力传感器放置在水下爆炸罐内，并与示波器连接。

2.根据权利要求1所述的一种炸药温度减威度的测量装置，其特征在于：所述水浴是指水浴恒温箱内的水浴，所述水浴恒温箱可调节水浴温度，用于模拟药卷在高温炮孔中的水浴环境。

3.根据权利要求2所述的一种炸药温度减威度的测量装置，其特征在于：所述水浴恒温箱的温度调节范围在室温与100℃之间。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种炸药温度减威度的测量装置，其特征在于：所述炸药和压力传感器处于水下爆炸罐内的同一深度。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种炸药温度减威度的测量装置，其特征在于：所述炸药为乳化炸药，乳化炸药通过物理敏化剂或化学敏化剂敏化。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种炸药温度减威度的测量装置，其特征在于：所述水下爆炸罐为具有一定强度的爆炸罐。

7.一种炸药温度减威度的表征方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)将一定质量的炸药放置在水浴恒温箱内的水浴中加热一定时间；

2)将压力传感器放置在水下爆炸罐内，并连接示波器；

3)将水浴加热后的炸药放置在水下爆炸罐内进行引爆；

4)通过压力传感器和示波器测得压力时程曲线；

5)改变未进行水浴加热的炸药质量，获得相应的第一次气泡脉动周期；

6)根据第一次气泡脉动周期推导出温度减威度计算公式，并通过温度减威度计算公式计算出炸药水浴加热后的温度减威度。

8.根据权利要求7所述的一种炸药温度减威度的表征方法，其特征在于：步骤6)中，所述温度减威度计算公式的推导过程如下：

6-1)炸药水下爆炸的总能量看作初始比冲击波能与比气泡能之和，对于同一类型炸药，比气泡能占总能量的比例变化较小，即比气泡能的大小在一定程度上反映出总能量的大小；其中，水下爆炸比气泡能计算公式如下：

$E_b={(\sqrt{1+4{\mathrm{CT}}_b}-1)}^3/8C^3{k}_1^{3}W$

其中，E_b为比气泡能，T_b为第一次气泡脉动周期，W为炸药质量，k₁为固有常数，C为边界效应的校正系数；

6-2)在相同的实验条件，参数k₁与C保持不变，采用第一次气泡脉动周期衰减情况表征炸药威力随着水浴加热时间增加而衰减的程度，即根据气泡脉动周期与边界效应的校正系数计算温度减威度，温度减威度计算公式如下：

$d_t({\left(\sqrt{1+4{\mathrm{CT}}_{bw}}-1\right)}^3-{\left(\sqrt{1+4{\mathrm{CT}}_{bs}}-1\right)}^3)/({\left(\sqrt{1+4{\mathrm{CT}}_{bw}}-1\right)}^3-{\left(\sqrt{1+4{\mathrm{CT}}_{bl}}-1\right)}^3)$

其中，d_t为温度减威度，T_bw为未进行水浴加热的气泡脉动周期，T_bs为水浴加热后的气泡脉动周期，T_bl为相同实验条件下雷管的气泡脉动周期，C为边界效应的校正系数，t为水浴加热时间。

9.根据权利要求8所述的一种炸药温度减威度的表征方法，其特征在于：所述边界效应的校正系数采用下式计算：

$C=\frac{b}{a^2}$

其中，C为边界效应的校正系数，a、b为一定实验条件下的固有常数，根据第一次气泡脉动周期和炸药质量进行最小二乘法拟合计算，如下式：

$T_b={\mathrm{aW}}^{\frac{1}{3}}+{\mathrm{bW}}^{\frac{2}{3}}$

其中，T_b为第一次气泡脉动周期，W为炸药质量。

10.根据权利要求7所述的一种炸药温度减威度的表征方法，其特征在于：步骤6)中，所述温度减威度计算公式的推导过程如下：

6-1)炸药在水下爆炸后，第一次气泡脉动的周期如下：

$T_b=K\·{\mathrm{\ρ}}^{\frac{1}{2}}\·{(W\·Q)}^{\frac{1}{3}}/{P_h}^{\frac{5}{6}}$

其中，T_b为第一次气泡脉动周期，K为系数，ρ为液体密度，W为炸药质量，Q为炸药爆热，P_h为爆炸深度的总水压力；

6-2)令将上式改写为：

$Q={\left(\frac{T_b}{k}\right)}^3/W$

6-3)在相同的实验条件下，假定k固定不变，即同类型炸药的能量与其气泡脉动周期三次方成正比，温度减威度计算公式如下：

$d_t=(T_{bw}^3-T_{bs}^3)/(T_{bw}^3-T_{bl}^3)$

其中，d_t为温度减威度，T_bw为未进行水浴加热的气泡脉动周期，T_bs为水浴加热后的气泡脉动周期，T_bl为相同实验条件下雷管的气泡脉动周期，t为水浴加热时间。