特殊環境下清障爆破方法研究

周志強，易建政，閆軍，龔華雄

（1.軍械工程學院，石家莊 050003；2.總裝工程兵軍代局駐重慶地區軍代室，重慶400010；3.78618部隊，成都 610100）

地下軍事設施是戰時作戰指揮、通信、人員生存及武器裝備、彈藥、物資儲存的重要場所，具有隱蔽性、封閉性、抗毀性等優點。但是，隨著現代偵察技術和大威力精確制導武器的不斷發展，遠程精確打擊地下軍事設施等堅固軍事目標具有現實可能性，地下軍事設施戰損搶修清障是面臨的實際問題。由于戰時搶修工作時間緊、強度高、頭緒多，周圍環境極其復雜，地下設施內部空間有限，清障機械無法作業。因此，功效高、易實施的爆破法將成為清理障礙物的重要手段，探求適用于地下軍事設施戰損搶修清障的爆破方法成為現實需求。

1 工況概述及爆破方法的選擇

地下軍事設施環境特點主要是：1）洞內空間約束，影響操作手順利施工，搬運機械無法作業；2）存放的特殊物資（如彈藥，火炮等軍械裝備）對震動、空氣沖擊波等危害的防護要求較高；3）處于半開放或密閉環境，爆破的危害效應倍增，若對爆破危害控制不嚴，可能使洞庫損傷程度進一步加重。基于地下軍事設施戰損環境特點以及搶修時限，對清障爆破的要求是：1）時間緊，搶修任務重，作業效率要求高；2）為確保洞庫內武器彈藥和人員的安全，防止損傷加劇，對震動、空氣沖擊波等爆破危害的控制標準高；3）爆破破碎塊度需適當，便于人工清渣。

地下軍事設施戰損搶修過程中清障爆破的主要對象是人工無法移除的大塊體。考慮到地下軍事設施環境特點和爆破對象，廣泛比較各類控制爆破方法，其中高能燃燒劑爆破和聚能切割爆破具有顯著優勢。

2 高能燃燒劑爆破

2.1 概述

高能燃燒劑爆破是一種特殊爆破施工技術，主要利用高能燃燒劑的高溫高壓來破碎巖石或混凝土，特點是在施工過程中沒有或極低少在震動、飛石、聲響等危害。因此，在地下軍事設施環境下的清障工作中具有傳統爆破作業無法比擬的優勢。研制成功的高能燃燒劑爆破與其他爆破方式的比較見表1。

從表1 中可以看出，高能燃燒劑具有快速作用的優勢，只要工藝設計合理，使用高能燃燒劑便可實現快速、安全的準靜態爆破。因此，要解決地下軍事設施戰損搶修中障礙物的快速清理問題，高能燃燒劑爆破可優先考慮。

2.2 原理[2—3]

高能燃燒劑通常采用金屬氧化劑和金屬還原劑按一定配比混合而成。燃燒劑在密閉介質中被點燃后，能迅速產生化學反應，釋放一定量的氣態生成物和熱量，使周圍介質急劇受熱。介質在氣態產物膨脹應力及熱應力共同作用下，因其膨脹程度不同而脹裂；同時，氣體產物進入裂縫，通過氣刃的尖劈效應，使裂縫進一步發展和擴大，炮孔間裂縫貫通達到自由面，從而使介質被切割和破碎。

常見的燃燒劑化學反應式如下：

為了增加燃燒劑的能量，有的產品中還加入可燃物，如木粉、硫磺粉和非金屬氧化物硝酸銨等。由實驗可知，燃燒劑反應生成物受熱后雖被氣化，但當溫度降至反應產物的沸點以下時，即變為固態。因此，當氣態產物擴散到自由面變為固態時，壓力會驟然下降，所以破塊的飛散距離、噪聲及震動效應等均比工業炸藥爆破要小得多。

2.3 高能燃燒劑配方設計

目前我國常用的燃燒劑主要分為2 大類：一類是金屬燃燒劑，由金屬氧化劑和金屬還原劑按一定比例配制而成，燃燒后的反應產物為沸點很高的金屬和金屬氧化物；另一類是復合燃燒劑，成分中除了主要為金屬氧化劑和金屬還原劑之外，還含有一定的非金屬氧化劑和非金屬還原劑，燃燒后的反應物除了有沸點很高的金屬和金屬氧化物之外，還有沸點較低的非金屬和非金屬氧化物。相對于金屬燃燒劑，復合燃燒劑的成本較低，威力較大，飛石、震動、聲響及對介質切割面的損傷程度也大。國內典型的幾種燃燒劑的配方見表2。

表2 國內幾種燃燒劑的配方（質量分數）[3]Table 2 Composition of several kinds of combustion agent in domestic%

3 聚能切割爆破

3.1 原理

聚能效應又叫空心效應或諾爾曼效應，它是利用裝藥一端的空穴使能量集中從而提高爆炸后局部破壞作用[4]。聚能裝藥爆破的作用過程可分為4 個階段[5—6]：1）帶楔形罩的聚能裝藥在炮孔內起爆后，爆炸波到達藥型罩罩面時，金屬罩由于受到強烈的壓縮，高速向其對稱面運動，形成金屬射流；2）射流首先作用在炮孔壁巖石上形成切縫，即初始導向切縫；3）炮孔連線方向上巖石初始導向切縫形成的同時，炸藥爆轟產物流充滿整個炮孔空間，對整個炮孔壁巖石施加準靜態載荷，炮孔壁初始切縫在這一準靜態載荷作用下起裂、擴展和貫通；4）爆生氣體的殘壓作用將開裂的巖塊向外推移一定距離。聚能裝藥爆破作用過程如圖1所示。

圖1 聚能裝藥爆破作用過程Fig.1 Schematic diagram of energy-concentrated charge blasting process

3.2 聚能藥包設計

3.2.1 炸藥

影響炸藥對材料侵徹深度的主要因素是炸藥爆壓。隨著炸藥爆壓的增加，侵徹深度也會增加。因此，聚能切割爆破時，為了提高裂縫長度，盡量選用高爆壓的炸藥，即爆速高、猛度大、密度較高的炸藥，如TNT或黑梯混合炸藥等。

3.2.2 楔形罩結構

楔形罩的作用是將炸藥的爆轟能量轉換成罩的動能，從而提高聚能作用，達到理想的切割效果。楔形罩的結構參數對聚能射流速度以及最終切割效果影響很大，主要包括錐角、壁厚和炸高等。各參數設計的具體分析如下[6—7]。

1）楔形罩錐角直接影響金屬射流的速度和質量。按照流體力學理論，射流速度隨著楔形罩錐角的減小而增大，射流質量則隨著錐角的減小而減小。射流速度高，有利于提高侵徹深度；射流速度低，侵徹深度變小，但射流質量高，侵徹直徑增大。

2）楔形罩壁厚對射流性能和聚能威力有顯著影響。壁厚是隨著藥型罩材料比重的減小而增加，隨錐角的增大而增加，隨罩的直徑的增大和外殼的加厚而增加。

3）楔形罩炸高也會影響切割效果。炸高增加能使侵徹射流增長，從而提高侵徹深度；但炸高增加太多會使射流產生分散和擺動，甚至引起射流斷裂，導致侵徹深度下降。文獻[8]認為，楔形罩頂角在80～90°時侵徹深度最佳，楔形罩厚度為其底部寬度的0.05～0.08 倍時切割效果最好。文獻[6]認為有利的炸高是楔形罩底部寬度的0.8～1.05倍。

3.2.3 楔形罩材料

在選取楔形罩材料時，必須滿足：材料的可壓縮性小，密度大，塑性和延展性好，在形成射流過程中不會產生氣化。表3中列出了不同罩材料的侵徹深度，從中可以看出紫銅罩的侵徹深度最大。

表3 不同材料藥型罩的破甲試驗結果[4]Table 3 Test results of shaped charges with different linear

4 爆破試驗

4.1 模型試驗

試驗所選用的方石模型為大理巖，抗壓強度110.5 MPa，抗拉強度6.1 MPa，彈性模量37 GPa，密度2.35×103kg/m3，中孔直徑38～40 mm，孔深600 mm，長寬高分別為300，300，800 mm。試驗用高能燃燒劑配方為m（鋁）∶m（氧化銅）∶m（硝酸銨）=3∶7∶1，電點火頭起爆件，起爆件為8 號電雷管。對比試驗炸藥為TNT，其余條件同。兩次爆破的裝藥量均為20 g，堵塞長度為300 mm，選用MFB100 型發爆器電點火起爆。爆后巖塊照片如圖2所示。

圖2 爆后巖塊照片Fig.2 Photo of square rock after blasting

單次起爆后對巖塊塊度和飛石距離進行了測量，高能燃燒劑爆破的爆后巖塊為3 塊，如圖2a 所示，巖塊散布于距離起爆點0.3～0.7 m 的范圍內；炸藥爆破的爆后巖塊，如圖2b 所示，飛石散布于距離起爆點5～6 m的范圍內。另外，高能燃燒劑爆破的聲響極小，且無地震效應。試驗結果表明，高能燃燒劑爆破的安全性顯著優于炸藥爆破，“氣楔”切割效能明顯。

4.2 現場試驗

試驗所用的巖石為大理巖，抗壓強度123.7 MPa，抗拉強度 6.9 MPa，彈性模量 42 GPa，密度2.54×103kg/m3。兩塊巖石樣品形狀相似，上表面的面積約為1.5 m2，高約1.2 m，近似為正方體。炮孔深度為800 mm，孔徑為34～36 mm。試驗中采用的高能燃燒劑配方為m（鋁）∶m（氧化銅）∶m（硝酸銨）=3∶7∶1，TNT 聚能藥包直徑17 mm，不耦合系數約為2，其金屬楔形罩的材質為生鐵，底部寬度5 mm，錐角取90°，厚度0.3 mm。2 次爆破的裝藥量均為30 g，堵塞長度為500 mm。爆后現場照片如圖3 和圖4所示。

圖3 高能燃燒劑爆破現場Fig.3 The photo of high combustion agent blasting

圖4 聚能切割爆破現場Fig.4 Photo of energy-concentrated charge blasting

通過圖3和圖4以及現場狀況可以看出：大石塊有效開裂，雖然高能燃燒劑爆破的貫穿成縫效能稍弱，但爆破空氣沖擊波和聲響極小，無飛石產生；聚能裝藥爆破的切割效能明顯。試驗結果表明，高能燃燒劑爆破和聚能切割爆破除具有較高的破碎效能外，還能有效控制爆破危害，適合在如地下軍事設施等特殊環境下應用。

5 結語

對特殊環境下的清障爆破方法進行試驗，結果表明，高能燃燒劑爆破和聚能切割爆破在地下軍事設施戰損搶修清障爆破中的應用是可行的。下一步應規劃施工流程、開展爆破參數設計、確定危害控制指標等。

[1]閆軍.高能燃燒劑破巖理論與技術研究[D].石家莊：軍械工程學院，2008.

[2]劉清榮.控制爆破[M].武漢：武漢工業大學出版社，1986.

[3]佟錚，馬萬珍，曹玉生.爆破與爆炸技術[M].北京：中國公安大學出版社，2001.

[4]王志軍，尹建平.彈藥學[M].北京：北京理工大學出版社，2005.

[5]史秀志，李山存，陸廣，等.聚能藥包爆破切割大型銅塊體的工程實踐[J].工程爆破，2006，12（4）：47—49.

[6]羅勇，沈兆武.聚能效應在巖石中定向斷裂控制爆破中的研究[J].中國工程科學，2006，8（6）：78—82.

[7]陳維炎，舒大強，黃玉鋒.線性聚能裝藥爆破在水下工程的應用[J].爆破，2006，23（1）：88—91.

[8]焦麗娟，劉天生.關于楔型罩的初步研究[J].華北工學院學報，2001，22（1）：70—74.