巖石中化學(xué)爆炸氣體滲漏行為的實驗研究*

王鐵良,王占江,盧 強,張自祿,文 潮

(西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024)

地下化學(xué)爆炸過程中一氧化碳等有害氣體在巖體中的滲漏行為研究對人員安全防護有重要參考意義，不少學(xué)者對氣體滲漏行為進行過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測。在以往的地下爆炸實驗中，對氣體滲漏行為進行過大量的監(jiān)測[1-2]。J.J.Nitao[3]開發(fā)的NUFT、B.J.Travis[4]開發(fā)的TRACR3D都是多孔介質(zhì)中流體運動和輸運程序，應(yīng)用于地下爆炸實驗圍巖和堵塞段中氣體滲漏的模擬及示蹤氣體滲漏監(jiān)測結(jié)果的分析。喬登江[5]分別用井筒一維多孔介質(zhì)滲透模型、單一裂縫滲漏模型估算過花崗巖中封閉爆炸氣體滲漏的速度和時間。王鐵良等采用雙孔隙度雙滲透率模型對裂隙巖體中封閉爆炸氣體滲漏行為進行過數(shù)值模擬[6]，在模型中考慮了滲透、擴散、熱傳導(dǎo)、熱輻射等因素[7]。張建鑫等[8]用商業(yè)軟件對高壓驅(qū)動下非均勻介質(zhì)內(nèi)氣體輸運行為進行了數(shù)值模擬研究。

數(shù)值模擬中計算參數(shù)的選取與介質(zhì)有關(guān)，往往要根據(jù)同一場地或類似介質(zhì)中已經(jīng)進行過的爆炸實驗氣體滲漏監(jiān)測結(jié)果反演參數(shù)，再利用反演得到的參數(shù)對將要進行的爆炸實驗氣體滲漏行為進行數(shù)值模擬。如果相同介質(zhì)中不同藥量爆炸氣體滲漏行為有一定的規(guī)律，就可以直接用以往爆炸實驗的氣體滲漏監(jiān)測結(jié)果，估算將要進行的爆炸實驗氣體滲漏行為。

王鐵良等[9]假設(shè)不同當量爆炸的埋深滿足縮比關(guān)系，即不同當量實驗的L/W2/3是相同的，L表示埋深，W表示爆炸當量。分別針對3種滲漏機理：(1)氣體通過均勻多孔介質(zhì)滲漏，(2)氣體通過非均勻多孔介質(zhì)滲漏，(3)氣體通過貫通裂縫滲漏，通過理論分析和數(shù)值模擬研究了縮比化學(xué)爆炸實驗氣體滲漏時間、滲漏量與藥量的關(guān)系。結(jié)論是，不論哪種滲漏機理，氣體滲漏出介質(zhì)的時間近似與W2/3成正比，氣體最終的滲漏份額基本一致。

本文中，設(shè)計相同介質(zhì)中的縮比實驗，監(jiān)測CO的滲漏時間和滲漏份額，與理論分析結(jié)果[9]對比。

1 實驗設(shè)計

文獻[9]的理論研究結(jié)果顯示，如果相同介質(zhì)中不同當量實驗的埋深滿足縮比關(guān)系，則氣體滲漏時間與L2或W2/3成正比，滲漏份額基本一致。根據(jù)理論研究結(jié)果，在不同尺寸花崗巖試樣中進行縮比實驗，在實驗中監(jiān)測CO滲漏情況，對監(jiān)測結(jié)果進行總結(jié)分析。

圖1 立方體花崗巖試樣Fig.1 Cubic granite sample

選擇陜西粗顆粒黑云母花崗巖，采集完整的未風(fēng)化無裂縫的花崗巖石塊，加工成立方體試樣(見圖1)。由國土資源部西安礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心對巖石樣品化學(xué)成分進行了檢測，分別為：w(SiO2)=69.2%,w(Si2O3)=15.06%,w(TFe2O3)=2.65%,w(FeO)=1.42%,w(K2O)=4.00%,w(Na2O)=4.25%,w(CaO)=2.12%。由貝士德儀器科技有限公司對花崗巖樣品密度和孔隙度進行了測量，測得平均密度為2 665.7 kg/m3，平均孔隙度為1.3%。花崗巖的抗壓強度和抗拉強度分別為154和12.2 MPa[10]。

花崗巖的試樣尺寸、爆室尺寸、爆炸當量設(shè)計如表1所示。表中，ag為花崗巖試樣的邊長，dc和lc分別為爆室的直徑和高度，WTNT為炸藥的TNT當量。根據(jù)理論計算，按本文中設(shè)計的比例爆室半徑，化爆在巖石中產(chǎn)生的應(yīng)力小于花崗巖的抗壓強度，同時，爆后空腔內(nèi)的靜態(tài)壓力小于花崗巖的抗拉強度，爆后不會出現(xiàn)試樣破碎破裂現(xiàn)象。

裝藥孔和爆室設(shè)計如圖2所示。為了增加回填物與孔壁的摩擦力，并有利于封閉，在裝藥孔的孔壁設(shè)置數(shù)個環(huán)形嵌槽，如圖3所示。炸藥固定在特制的鋼支架中心(見圖4)，連同支架放入爆室后炸藥在爆室中心。裝藥后用花崗巖芯和環(huán)氧樹脂對裝藥孔密實回填。

裝藥后，將花崗巖試樣放入1.2 m×1.2 m×2.0 m的矩形透明密閉室內(nèi)，實驗中監(jiān)測密閉室內(nèi)的CO濃度，并觀察爆后現(xiàn)象。

各次實驗之后，花崗巖試樣外觀與爆炸前一樣，未見到花崗巖試樣破裂現(xiàn)象，無噴發(fā)性泄漏，氣體是通過花崗巖孔隙慢慢滲漏出來的。

表1 實驗設(shè)計Table 1 Design of experiments

圖2 花崗巖試樣中爆室設(shè)計圖Fig.2 Design drawing of explosion cavity in cubic granite

圖3 裝藥孔壁的環(huán)形嵌槽Fig.3 Annular groove in the hole wall

圖4 炸藥固定在支架上放入爆室Fig.4 Explosive placed at the center of the steel bracket

2 CO濃度監(jiān)測結(jié)果

各次實驗密閉室內(nèi)CO濃度隨時間的變化曲線如圖5所示。由圖可見，爆后初期CO濃度有所起伏，原因是爆后初期滲漏出來的CO并未在密閉室內(nèi)混合均勻，后來起動密閉室內(nèi)的攪動設(shè)備將密閉室內(nèi)的氣體混合均勻。實驗1～4中氣體滲漏出來的時間分別為537、533、2 040和1 980 s。

圖5 各次實驗的CO濃度曲線Fig.5 Metrical CO concentration in airproof room

3 實驗結(jié)果分析

3.1 氣體滲漏時間

根據(jù)文獻[9]的理論研究結(jié)果，如果介質(zhì)相同，藥量越小，氣體滲漏越早。邊長0.5 m花崗巖中，1.25 g TNT實驗與邊長1 m花崗巖中10 g TNT實驗之間有1∶2的縮比關(guān)系，10 g TNT實驗與1.25 g TNT實驗氣體滲漏時間有約4倍的關(guān)系。由實驗結(jié)果，10 g TNT實驗與1.25 g TNT實驗CO滲漏出來的時間倍數(shù)為約4，實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致。

3.2 密閉室內(nèi)CO濃度基本穩(wěn)定時間

如果把密閉室內(nèi)CO濃度基本穩(wěn)定的時間看作氣體滲漏基本停止的時間，2次1.25 g TNT實驗在爆后約200 min時CO濃度基本穩(wěn)定，而2次10 g TNT實驗在約800 min時CO濃度基本穩(wěn)定。10 g TNT實驗與1.25 g TNT實驗氣體停止?jié)B漏時間有約4倍關(guān)系。

3.3 氣體滲漏份額

實驗所用的炸藥為黑索金。根據(jù)黑索金的反應(yīng)方程式可知，1 g黑索金爆炸產(chǎn)生的CO在標準狀態(tài)下約300 ml。由于1 g黑索金相當于1.5 g TNT當量，所以，計算出1.25 g TNT當量實驗和10 g TNT當量實驗CO的產(chǎn)生量分別為250 和2 000 ml。

密閉室內(nèi)部體積為2.88 m3，氣體攪動設(shè)備體積為0.33 m3，CO變送器體積為0.05m3，10 g TNT實驗花崗巖試樣體積1 m3，1.25 g TNT實驗花崗巖試樣體積0.125 m3。由此算出，1.25 g TNT實驗密閉室內(nèi)空間體積為2.47 m3，10 g TNT實驗密閉室內(nèi)空間體積為1.5 m3。

根據(jù)各次實驗炸藥爆炸CO生成量、密閉室濃度穩(wěn)定值及密閉室內(nèi)空間體積，計算出實驗1～4中滲漏到密閉室內(nèi)的CO占炸藥爆炸生成的CO的份額分別為：1.06、1.15、0.59和0.56。

由實驗結(jié)果，對于縮比實驗來說，小藥量實驗氣體滲漏份額大于大藥量實驗氣體滲漏份額。而且，部分實驗CO滲漏份額已經(jīng)大于1，說明實驗中除了炸藥產(chǎn)生CO之外，還有其他物質(zhì)產(chǎn)生CO。

爆室內(nèi)除了炸藥之外，還有其他一些物質(zhì)，如塑料袋、膠帶、電纜皮等。實驗研究顯示，聚乙烯的半分解溫度(在真空中加熱30 min后重量損失一半所需的溫度)為414 ℃，在800 ℃的高溫下，質(zhì)量約1 g的聚乙烯僅需1～2 min就能完全分解。由于炸藥爆炸后爆室內(nèi)高溫會持續(xù)一段時間，所以，會將一些物質(zhì)分解為氣體。

文獻[9]的理論研究結(jié)果顯示，不同藥量縮比實驗的氣體滲漏份額基本相同，而本文中實驗結(jié)果是小藥量實驗氣體滲漏份額大于大藥量實驗氣體滲漏份額。可認為在實驗中爆室內(nèi)安裝炸藥所用的塑料袋、膠帶等物質(zhì)分解產(chǎn)生一定量的非冷凝氣體，這就改變了爆室內(nèi)非冷凝氣體及CO的初始條件。1.25 g TNT實驗和10 g TNT實驗藥量不同，但爆室內(nèi)可分解材料絕對量相差不大，小藥量實驗因材料分解而增加的非冷凝氣體相對量大于大藥量實驗。由監(jiān)測結(jié)果推導(dǎo)滲漏份額時并未考慮材料分解增加的非冷凝氣體，所以，推出的小藥量實驗氣體滲漏份額大于大藥量實驗的氣體滲漏份額。

本文中認為，藥量越大，材料分解產(chǎn)生的氣體與炸藥爆炸所產(chǎn)生的氣體之比越小，所以可以推測，當炸藥質(zhì)量遠大于膠帶和電纜皮的質(zhì)量之后，縮比實驗的氣體滲漏份額將基本相同。這方面還需要進一步的實驗驗證。

聚乙烯分解產(chǎn)生的氣體改變了不同藥量實驗氣體滲漏份額的關(guān)系，但氣體滲漏時間的關(guān)系仍與理論分析結(jié)果基本一致。原因是材料分解時吸收熱量，雖然爆室內(nèi)氣體增加了，但溫度降低了，二者對壓力的貢獻有一定的抵消作用，而氣體滲漏速度決定于壓力梯度，所以對氣體滲漏速度影響不大。上面只是定性的分析，定量分析還需要進一步開展工作。

4 總 結(jié)

為研究花崗巖中不同藥量縮比爆炸實驗氣體滲漏行為之間的關(guān)系，設(shè)計了滿足縮比關(guān)系的當量分別為10 g TNT和1.25 g TNT的化學(xué)爆炸實驗，監(jiān)測了滲漏出來的CO濃度歷程。通過研究得到如下結(jié)論：

(1)相同介質(zhì)中縮比實驗氣體滲漏出來的時間大約與藥量的三分之二次方成正比，滲漏停止時間也大約與藥量的三分之二次方成正比；

(2)封閉化學(xué)爆炸在爆室內(nèi)產(chǎn)生的高溫能夠使爆室內(nèi)一些物質(zhì)分解產(chǎn)生非冷凝氣體；

(3)對于不同藥量的縮比實驗，理論分析認為氣體滲漏份額基本相同，但在實驗中，由于膠帶、電纜皮等材料的分解產(chǎn)生非冷凝氣體，這些氣體對于較小藥量實驗的影響較大，所以較小藥量實驗的氣體滲漏份額大于較大藥量實驗的氣體滲漏份額。

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