徐俊峰，马宏昊,2，赵 凯，牟金友，沈兆武，万嘉辉，吴建国

(1.中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，合肥 230026；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥 230026；3.中铁建工集团有限公司，北京 100070；4.中铁二十一局集团第五工程有限公司，重庆 402160)

随着冻土地区矿产资源的开发以及极地建设的推进，高寒地区下的爆破施工日益频繁。炸药作为爆破作业的重要组成部分，其在低温环境下的使用特性已得到了广泛的关注，相关研究涉及抗低温乳化炸药的工艺配方设计及其在-35 ℃以内的爆轰性能研究[1-2]、高能炸药在低温下的老化过程及其力学强度变化等[3-4]。然而，关于导爆管雷管、起爆具等爆破器材在低温下(-30 ℃左右)的爆炸特性研究却鲜有涉及，低温下爆破器材的稳定起爆、可靠延时对于精准爆破控制至关重要。

针对上述问题，本研究预先对4种不同段别的导爆管雷管、起爆具进行-30 ℃低温冷冻处理，然后经过多次重复实验，分别测定了未经处理和经过低温冷冻的各段别导爆管雷管的延时时间、水下爆轰参数以及起爆具的钢板穿孔直径，通过对实验现象和实验数据的分析，为爆破器材在低温下的起爆性能判定提供依据。

1 实验

1.1 实验材料

导爆管选用山西某公司生产的普通塑料导爆管，主装药为黑索金，内径1.5 mm，外径3 mm；雷管和起爆具均为山东某集团生产，其中雷管选用无起爆药飞片式雷管，主装药为PETN；起爆具质量400 g，由TNT和RDX按质量比53∶47浇铸而成，直径55 mm，高122 mm。

测试仪器包括：南京理工大学民爆器材研究所生产的电脉冲起爆器及智能爆速测量仪(ZBS9601B)，示波器(Tektronix，Inc. USA)，恒流源(482A22)，水下压力传感器(PCB-W ICP138A25)。

1.2 雷管延时时间的测定

为研究低温环境对延时飞片雷管延时时间的影响，设置30 ℃(室温)和-30 ℃(雷管装在水袋内，置于-30 ℃冰柜中冷冻24 h)温度下雷管的延时时间对比试验，所用雷管段别为：MS2、MS5、MS8、MS10。其中各段别雷管分别在室温和-30 ℃低温下重复测试20发，延时时间取测量数据的平均值。

1.3 低温下雷管爆轰参数的测量

为了得到低温环境下雷管爆轰参数改变的定量数值，进而有利于评估其传爆特性，分别进行了室温下雷管和-30 ℃低温冷冻处理后雷管的水下爆炸实验。由于雷管在冷冻时有冰袋包覆，实验时一并放入水中，能够确保置于水中的雷管维持-30 ℃的温度。实验在直径D为5 m，深度H为5 m的水下爆炸装置中进行，为了消除有限水域中水池边界和底部对测量结果的影响，将雷管放置在水下3 m处，两个传感器距离中心位置1.0 m。2组温度下的雷管均做3组平行实验，并取平均值表示其水下爆炸的参数，数据由示波器采集和储存，实验装置如图1所示。

图1 水下爆炸实验装置Fig.1 Underwater explosion experiment device

1.4 低温下起爆具的钢板穿孔实验

起爆具的起爆能力通过钢板穿孔实验验证。将钢板平放在地面上，起爆具竖直放置于钢板中心，实验布置如图2所示。实验分为3组，由于MS8段雷管的内管结构相比MS10段更小，利用-30 ℃冷冻后的MS8段及MS10段雷管起爆室温及低温冷冻后的起爆具，在得到钢板穿孔结果的同时，可以验证雷管的内管结构是否会影响其在低温下的起爆性能。每组实验重复3次，分别测试3组工况下的器材起爆情况及对应的钢板穿孔直径。所用钢板厚10 mm，长、宽均为120 mm，实验在野外靶场进行。

图2 钢板穿孔实验Fig.2 Steel plate perforation experiment

2 结果与分析

2.1 低温对雷管延时时间的影响

对上述4种段别雷管在30 ℃和-30 ℃下的延时时间实测数据进行处理，得到不同段别雷管在30 ℃和-30 ℃下延时时间数据的箱型(见图3)。由于传感器记录故障导致部分组别数据不足20发。国标GB 19417-2003规定各段别导爆管雷管的标准延时时间及其允许的上、下规格限如表1所示[5]。

表1 各段别雷管的标准延时时间

图3 不同段别雷管在30 ℃和-30 ℃下延时时间数据的箱型Fig.3 Box chart of delay time data for different period detonators at 30 ℃ and -30 ℃

结合表1中的规定，从图3中可以看出，除去未采集到的数据，所有雷管均正常起爆，且在室温及低温条件下，各段雷管的延时时间均处于标准延时时间范围内，因此可知低温环境并不影响其正常的使用性能。但是在受低温处理后，雷管的平均延时时间较室温下均有所上升，延时时间的波动幅度也更大。并且，对于具有相同普通内管结构的MS2～MS8段延时雷管，段别越高，低温对延时时间的影响越明显。

雷管中的延时体药柱由氧化剂、可燃剂及少量粘合剂组成，其燃烧过程满足多段燃烧规律[6]：药柱轴向分为固相反应区、气相反应区、加热区及未反应区，反应区放出的热量使加热区达到燃点后，加热区开始反应，使得燃烧继续向前推进。由于低温环境下燃烧的热损失更大，结合延时药柱的多段燃烧规律可知，加热区达到燃点的时间因为热量损失而发生延迟。同时燃烧时的初温对燃速有一定的影响，可通过公式(1)表示：

v=Beβ(T-T0)

(1)

式中：v为燃速，m/s；B为常数；β为燃烧的温度系数，数值为正；T为温度，K。

由公式(1)可知，低温处理会降低延时药的燃烧速度，从而在一定程度上会增加其延时时间。

综上所述，低温环境下延时雷管的延时时间有所增加，且延时不稳定性上升。同时，由于所有测试的低温雷管未出现拒爆现象，表明低温下导爆管的传爆性能及雷管的起爆性能不受影响。

2.2 低温雷管水下爆轰参数的计算

1)冲击波比冲量。水下爆炸冲击波的冲量I可由公式(2)计算[7]：

(2)

式中：I(t)为冲击波比冲量，kPa·s；p(t)为距离R处冲击波压力时程曲线；Pa；θ为冲击波衰减时间，s，数值等于冲击波压力从pm衰减到pm/e的时间，其中e为数学常量，数值约为2.718。

2)冲击波比冲击波能、比气泡能及总能量。水下爆炸比冲击波能Es可由公式(3)计算[7]：

(3)

式中：Es为比冲击波能，MJ/kg；R为雷管中心距传感器中心的距离，m；m为雷管的装药质量，kg；ρw为水的密度，kg/m；Cw为水中的声速，m/s。

水下爆炸比气泡能Eb可由公式(4)计算[7]：

(4)

(5)

式中：Eb为比气泡能，MJ/kg；Tb为气泡的第一次脉动周期，s；C为实验条件下测得的校正系数[8]，数值为-0.332；ph为雷管处的静水压，Pa。

水下爆炸总能量E可由公式(6)计算[7]：

E=Ks(μEs+Eb)

(6)

(7)

(8)

式中：E为水下爆炸总能量，MJ/kg；Ks为雷管中装药形状的修正系数，对于圆柱形装药，取1.08；μ为水下冲击波的压力损失系数；pC-J为爆轰过程的C-J压力，GPa；ρ为主装药的密度，kg/m3；D为主装药的爆速，m/s；γ为比热容，对于C-J压力计算取3。

由于雷管爆炸时其主装药的爆速无法直接测得，先假定爆速不受温度影响，pC-J的值参考文献[7]。

结合式(2)～式(8)，分别计算了雷管在30 ℃下和-30 ℃低温处理后的比冲量I、比冲击波能Es、比气泡能Eb及雷管的总能量E(见表2)。2种温度下雷管水下爆炸1.0 m处的冲击波压力时程对比如图4所示。

表2 不同温度雷管的水下爆炸的能量参数

图4 不同温度下雷管水下爆炸1.0 m处的冲击波压力时程Fig.4 Shock wave pressure-time of detonators under different temperature at the distance of 1.0 m in underwater explosion

根据表2和图4，可知2种温度下雷管的冲击波压力峰值变化不明显，但是相比室温环境，低温处理后雷管的其他能量参数均呈现不同程度的下降。其中，冲击波比冲量下降了5.0%，比冲击波能降低了3.3%，比气泡能降低了9.6%，总能量下降了7.3%。由于爆轰本质上是一种化学反应，其特点是存在一个使反应速率突变式增加的临界条件，进而从平稳的化学反应跃变为剧烈的化学反应。反应速率与温度的关系可用阿龙尼乌斯方程描述[9]：

(9)

式中：k为反应速度常数，min-1；A为频率因子，min-1；Ea为反应活化能，一般视为与温度无关的常数，J/mol；T为绝对温度，K；R为气体摩尔常数，8.314 J/(mol·K)。

由式(9)可知，当反应的初温降低时，其初始的反应速率减小，因此反应速率发生突变的时间更晚。由于化学反应历程的改变，出现极大反应速率值的时间延迟，使得炸药在加速反应转为爆轰时消耗得更多[10]，导致爆炸的输出能量稍有减弱。因此测量得到的水下爆炸各项能量参数均呈现一定幅度的下降。

2.3 低温对起爆具的影响

30、-30 ℃温度下起爆具的钢板穿孔实验结果如图5所示，由图5a～图5c可以看出，两种温度下起爆具均穿透10 mm厚钢板，正面穿孔直径均在56 mm左右，略大于起爆具的直径，表明低温对起爆具的起爆能力没有影响。钢板背面破坏形态稍有差异。与图5e、图5f相比，图5d中室温起爆具穿孔后钢板背面的破坏区域面积更大，周围层裂现象更为明显，显然低温在一定程度上降低了起爆具内炸药的化学反应速率，进而影响了其输出的能量，这与雷管水下爆轰参数降低的原因一致。

注：(a)、(d)为30 ℃起爆具的穿孔；(b)、(c)、(e)、(f)为-30 ℃起爆具的穿孔。图5 起爆具钢板穿孔实验结果Fig.5 Steel plate perforation results with blasting primer

此外，起爆所用雷管同样经过了-30 ℃低温处理，说明具有普通内管结构的MS8段雷管和具有大内管结构的MS10段雷管都能适应低温环境。

3 结论

1)-30 ℃低温环境下起爆具及各段别延时导爆管雷管均能正常起爆，表明爆破器材的正常起爆能力不受低温影响。

2)-30 ℃低温环境下，各段别延时雷管的延时时间均有所增加，且当内管结构相同时，延时雷管的段别越高，受低温的影响就越明显。但是所有延时时间的改变均处于标准允许范围内，不影响其正常的使用性能。

3)-30 ℃低温条件下雷管水下爆炸的比冲击波能、比气泡能及总能量较常温下分别降低了3.3%、9.6%、7.3%，而使用-30 ℃起爆具进行钢板穿孔时，对钢板的背面破坏更小。因此-30 ℃低温下雷管、起爆具的输出能量相比常温下都有一定程度的下降。