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1、第 一 章爆炸及其爆破的基本知识,本章主要内容： 爆炸现象 炸药爆炸反应的基本形式 炸药的爆炸反应方程 介质中波与冲击波 炸药爆破及其参数计算 炸药的起爆与感度 炸药的爆破作用 炸药爆破的聚能效应,第 一 章 爆炸及其爆破的基本知识,1 爆炸 a 现象光、声、破坏效应 b 本质物理或化学变化或核裂变 2 爆炸分类 物理爆炸：由物理原因造成的爆炸，爆炸不发生化学变化。如锅炉爆炸，氧气瓶爆炸 。 核爆炸：由核裂变或核聚变引起的爆炸。 化学爆炸：是由化学变化造成的爆炸，如炸药爆炸、井下瓦斯 。 这是本课程学习的重点。,第一节 爆炸现象,第 一 章 爆炸及其爆破的基本知识,3 炸药 a 定义：一定条件
2、下，能够发生快速化学反应，放出能量，生成气体产物，显示爆炸效应的化合物或混合物 。 b 组成：主要由碳、氢、氮、氧四种元素。 c 特性：即反应的放热性、反应过程的高速度和反应中生成大量气体产物。,第一节 爆炸现象,4 炸药爆炸的三要素 a 放热：放热是炸药爆炸的能源。爆炸反应只有在炸药自身提供能量的条件下才能自动进行。 b 高速度：反应大约是在10-6s或10-7s的时间量级。高速度使炸药内所具有的能量在极短时间内放出，达到极高能量密度，所以炸药爆炸具有巨大做功功率和强烈的破坏作用。 c 生成气体：反应过程中有气体产物生成，爆炸瞬间炸药定容地转化为气件产物，其密度要比正常条件下气体的密度大几百
3、倍到几千倍。,第一节 爆炸现象,炸药化学反应的三种形式 根据速度，产生的产物和热效应的不同分为缓慢分解、燃烧和爆炸。 (1) 缓慢分解：常温下也会缓慢分解，温度愈高，分解愈显著。特点：对炸药内各点温度相同，在全部炸药中反应同时展开，没有集中的反应区；分解时既可吸收热量，也可放出热量。当温度较高时，所有炸药的分解反应都伴随有热量放出。,第二节 炸药爆炸反应的基本形式,第 一 章 爆炸及其爆破的基本知识,(2) 燃烧：不需要外界供给氧。当炸药的燃烧速度较快，达到数百m/s时，称为爆燃。炸药在燃烧过程中，若燃烧速度保持定值，就称为稳定燃烧；否则称为不稳定燃烧。 (3) 爆炸：在局部区域内进行并在炸药
4、内以波的形式传播。是炸药化学反应的最高级形式，工程中都是利用炸药的爆炸来破坏介质的。反应区的传播速度称为爆炸速度。 这几种反应的区别表现在：形式、速度、产物、热效均不同。,第 二节 炸药爆炸反应的基本形式,(4)不同反应形式之间的关系 爆炸与缓慢分解 a 缓慢分解是在整个炸药中展开的，没有集中的反应区域；而爆炸是在炸药局部发生的，并以波的形式在炸药中传播。 b 缓慢分解在不受外界任何特殊条件作用时，一直不断地自动进行，而爆炸在外界特殊条件作用下才能发生。 c 缓慢分解与环境温度关系很大，随着温度的升高，缓慢分解速度将按指数规律迅速增加；而爆炸与环境温度无关。 燃烧与爆炸 从传播速度、外界条件、
5、传播连续进行的机理、反应产物的压力、炸药本身条件 来区别。,第 二节 炸药爆炸反应的基本形式,(5)不同反应形式之间的关系： 炸药不同的化学反应形式，不是固定的。在一定的外界条件下，不同反应形式可以转化。,第 二节 炸药爆炸反应的基本形式,1 炸药的氧平衡 (1) 定义，CaHbNcOd。这里，C、H为可燃元素，O为助燃元素，N为载氧体。 a 充分氧化： C CO2、H H2O b 理想的氧化反应：放热最大，产物最稳定。 c 氧平衡关系：炸药内含氧量与可燃元素充分氧化所需氧量之间的关系称为氧平衡关系。 (2) 计算： 单质炸药的氧平衡计算式： 混合炸药，氧平衡计算式：,第三节 炸药的爆炸反应方
6、程,第 一 章 爆炸及其爆破的基本知识,(3) 炸药氧平衡分类 根据含氧量的大小，分为正氧平衡、负氧平衡和零氧平衡三种类型 。 a 正氧平衡（Kb0） 炸药内的含氧量除将可燃元素充分氧化之后尚有剩余，这类炸药称为正氧平衡炸药。未能充分利用其中的氧量，且剩余的氧和游离氮化合时，将生成氮氧化物有毒气体，并吸收热量。 b 负氧平衡（Kb0） 炸药内的含氧量不足 以使可燃元素充分氧化，这类炸药称为负氧平衡炸药。未能充分利用可燃元素，放热量不充分，并且生成可燃性CO等有毒气体。 c 零氧平衡（Kb0） 炸药内的含氧量恰好够可燃元素充分氧化，这类炸药称为零氧平衡炸药。因氧和可燃元素都能得到充分利用，故在理
7、想反应条件下，能放出最大热量，而且不会生成有毒气体。,第三节 炸药的爆炸反应方程,2 炸药的爆破反应方程及爆炸产物 (1) 炸药的反应方程式 a 意义:反映了炸药爆炸后产物的成分及数量，是进一步确定爆炸释放能量、计算炸药爆炸的热化学参数和爆轰参数的依据。不仅对炸药爆炸性能的研究有理论意义，而且对了解炸药爆炸后有毒气体及含量、在井下对人体的危害、对环境的危害及安全性也有一定意义。 b 爆炸反应特点：反应时间极短；存在二次反应；炸药成分、氧平衡等多种因素都对炸药爆炸反应、爆炸产物及数量有影响。,第三节 炸药的爆炸反应方程,c 近似反应方程式： 第一类：正氧或零氧平衡炸药，d2a+b/2时： Ca
8、HbNcOd aCO20.5bH2O0.5(d2a0 5b)O2 0. 5cN2 第二类：只生成气体产物的负氧平衡炸药，2a+b/2d a+b/2时： CaHbNcOd aCO0.5bH2O0.5(da0 5b)O20.5cN2 CaHbNcOd (da0.5b)CO20.5bH2O(2ad0.5b)CO0.5cN2 第三类：可能生成固体产物的负氧平衡炸药，da+b/2 时： CaHbNcOd （d0.5b）CO0.5bH2O0.5(ad0 5b)C0.5cN2,第三节 炸药的爆炸反应方程,(2) 炸药产物与有毒气体 a 主要产物：H2O、CO2、CO、氮氧化物等 b 有毒气体： CO、H2S
9、、SO2 c 影响有毒气体生成量的因素：氧平衡、反应的完全程度、外壳。 (3) 炸药的爆炸性质 爆容 a 定义：1kg炸药爆炸生成气体产物换算到标准状态（压力为1 01105Pa，温度为0 oC）下的体积称为爆容。 b 计算：CaHbNcOd，按1mol写出，爆容为： 按1kg写出，爆容为：,第三节 炸药的爆炸反应方程, 爆热 a 定义：单位质量炸药爆炸时所释放的热量称为爆热。 b 计算：盖斯定律，定压爆热： c 影响爆热的因素：炸药的氧平衡、装药密度、附加物的影响、装药外壳的影响。,第三节 炸药的爆炸反应方程, 爆温 a 爆温：指炸药爆炸时放出的能量将爆炸产物加热到的最高温度。 b 研究爆温
10、的意义：一是炸药热化学计算所必需的参数；二是在实际爆破工程中，对爆温有一定的要求。 c 计算：根据假定（定容、绝热、只是稳定的函数）及爆热与爆温的关系得： d 改变爆温的途径: 提高爆炸产物的生成热；减少或者不增加炸药的生成热；减少或者不增加产物的热容量。,第三节 炸药的爆炸反应方程, 爆压 a 定义：当爆轰结束，爆炸产物在炸药初始体积内达到热平衡后的流体静压值称为爆压 。 b 计算：利用阿贝尔状态方程,第三节 炸药的爆炸反应方程,1 弱扰动的传播与声波 (1) 概念： 扰动：在外界作用下，介质局部状态（如速度、压力、密度）的变化叫做扰动。 弱扰动：外界作用引起状态参量变化很小（只有微分量变化
11、）的扰动叫做弱扰动。 波：在介质中，扰动可自近而远传播的现象称为波动现象。扰动的传播叫做波。 波阵面：扰动区和非扰动区之间的界面，通常叫做波阵面（或波头）。 波速：扰动的传播速度称为波速。,第四节 介质中的波与冲击波,第 一 章 爆炸及其爆破的基本知识,(2) 波的分类： a 按波阵面形状不同，分为平面波、柱面波、 球面波； b 按波内质点运动方向和波传播方向之间的关系，分为横波、纵波；,c 按介质受到压缩或膨胀状况，分为压缩波、膨胀波。 (3) 声波:介质中传播的弱扰动纵波，其速度称为声速。,第四节 介质中得波与冲击波,(4) 波传播的基本方程：图1-3 a 质量守恒： 当 时：,图1-3
12、平面波的传播,u0=0,b 动量守恒： 当 u0=0时 联立求解，可导出： 以上两式称为李曼方程，是扰动传播的基本方程。,第四节 介质中得波与冲击波,c 能量方程 能量变化： 外力做功： 由两者相等： 推导出(冲击绝热方程或雨贡纽方程或RH方程 ) 当扰动在理想气体中传播时，可对能量方程作进一步推演。,第四节 介质中得波与冲击波,(5) 音波：是介质中的弱扰动纵波，其速度称为音速。 将压力和比容的变化表示为： a 音速 弱扰动 ： 理想气体：,第四节 介质中得波与冲击波,2 压缩波与稀疏波,a 定义：受扰动后波阵面上介质的压力、密度、温度等状态参数增加的波称为压缩波。反之，受扰动后波阵面上介质
13、的状态参数下降的波称为稀疏波或膨胀波。 b 区别：质量运动与波动的区别，波动方程相同。,第四节 介质中得波与冲击波,3 冲击波 (1)冲击波的形成 图1-4以带有活塞的直管为例，说明冲击波的形成过程。,图1-4 冲击波的形成过程 a活塞运动和波传播的时间路程图；bt时刻的直管流动； ct时刻的直管流动；d.t时刻的直管流动；et时刻的直管流动,第四节 介质中得波与冲击波,(2) 冲击波的基本关系式 a 前面推导公式 仍然适用，冲击波界面前后的介质状态参量之间仍有如下的关系式：,图1-5 冲击绝热线与波速线的关系 冲击绝热线；等熵绝热线 1、2波速线,第四节 介质中得波与冲击波,若已知状态函数e
14、=e(p, V)，就可将冲击绝热方程表示为p、V间的方程在pV坐标平面内，由冲击绝热方程可得到一条通过（p0，V0）点的曲线，称为冲击绝热线，如图1-5所示。,b 冲击绝热线与波速线 图1-5中，分别表示了冲击波的波速线和冲击绝热曲线。 冲击绝热线的物理意义：冲击波的冲击绝热线不是过程线，而是不同波速的冲击波传过具有同一初态（p0，V0）的相同介质后达到的终点状态的连线。 波速线的物理意义为：波速线是相同波速的冲击波传过具有同一初态（p0，V0）的不同介质后达到的终点状态的连线。 冲击压缩后的介质既要满足冲击绝热线方程，又要满足波速线方程，因此冲击压缩后的介质状态由冲击绝热线与波速线的交点坐标
15、确定。,第四节 介质中得波与冲击波,(3) 气体中冲击波参数 a 3个方程：两个李曼方程和一个雨贡纽方程 。 b 4个未知数：压力p、密度、波速D和质点速度u。事先确定其中的一个（通常是事先测定波速或压力，因为这两个参数较容易测量），就能将其他参数用这一参数表示，求解出来。 c 推导结果： d 对强冲击波：,第四节 介质中得波与冲击波,冲击波的特性： 冲击波传播速度未扰动介质超音速的，对已扰动介质是亚音速的； 波速与波的强度有关； 具有陡峭的波头； 波阵面上的介质将产生质点运动介质受冲击波压缩时，熵值增大，即内能增大，动能减小； 是一种脉冲波，不具有周期性 。,第四节 介质中得波与冲击波,第五
16、节 炸药炮轰及其参数计算,a 爆轰波：爆轰波就是在炸药中传播的伴随有化学反应的强冲击波。 b 爆轰波与冲击波的异同：爆轰波是一种特殊的强冲击波，它与普通的冲击波既有相同之处，也有不同之处。 相同点：爆轰波过后状态参数急剧增加；传播速度相对而言为超音速；爆轰产物运动速度与爆轰波传播方向相同。 不同点：爆轰波由前沿冲击波和紧跟在其后的化学反应区 组成；具有化学反应区，所以可以放出能量；相对于波后气体冲击波是亚音速的，爆轰波传播速度为当地音速。,第 一 章 爆炸及其爆破的基本知识,1 爆轰波模型 (1) CJ模型 爆轰波的CJ理论是Chapman于1899年和Jouguet于1905年分别提出，该理论把爆轰过程简化为一个包含化学反应的一维定常传播的强间断面，该强间断面叫爆轰波。,(2) Z
