聚能爆破技術的發展及研究現狀

石連松 宋衍昊 陳 斌

0 引言

聚能爆破,是利用一定的裝藥結構設計出特定的聚能藥包對爆破對象進行作用的一種爆破方法。該方法的特點是能量集中、方向性強、穿透力大、能量密度高等,在實際工程中聚能藥包還具有體積小、效果好、作用迅速、減少施工人員、減輕作業人員的勞動強度等優點,而整個施工過程更具有操作簡單,對作業環境要求較低等特點,能給整個工程帶來可觀的經濟效益。因此,逐漸受到國內外爆破界的普遍重視。

1 聚能爆破技術的產生

炸藥聚能效應最早被人們發現是在19世紀,然而由于各種原因沒能引起人們足夠重視,發展較為緩慢,初期的聚能效應被應用在軍事領域。主要應用在對炮彈的破甲作用的研究中。二戰以后聚能作用才被人們慢慢的應用于礦山開采、航道疏浚、巖石破碎、凍土中穿孔等其他領域。

綜上所述,自二戰以來,聚能效應基本上分成了兩個研究方向,即聚能效應在軍事上的應用研究以及民用方面的應用研究。兩者對爆破效果的要求略有不同,前者要求產生的射流能在介質中(主要是金屬)形成一定的孔徑和深度;后者要求射流在介質中(巖石等)形成一定的深度并產生一定的破碎體積。

由于爆破目的不同,聚能裝藥爆破作用也不相同,主要分為兩種:1)利用聚能裝藥爆炸時的射流作用在巖石或硬質材料中鉆孔、切割或定向斷裂,鉆孔要求有一定的孔徑和孔深,切割要求有一定的切割深度,定向斷裂要求斷裂面有一定的平整度;2)利用聚能裝藥的聚能作用破碎巖石或其他堅硬的介質,要求有一定的破碎深度和破碎體積,以上兩種情況的作用機理圖解如圖1,圖2所示。

2 聚能爆破技術的研究歷史

2.1 聚能效應在國外的研究歷史及現狀

前蘇聯的蘇哈烈夫斯基1923年～1926年間對聚能效應進行了系統的研究,確定了無罩聚能裝藥的侵徹效果與裝藥參數的關系。1939年,法國科學家莫豪普特利用帶有藥型罩空穴裝藥原理,設計了許多軍事裝置,包括槍榴彈、迫擊炮彈、100 mm炮彈等,后在靶場進行實彈射擊試驗。德國人在二戰期間對成型裝藥戰斗部的研究獲得巨大的進步。舒曼在1941年報導了關于炸高距離效應、炸藥透鏡、波形形成以及半球形藥型罩的研究,并指出半球形藥型罩是一種有效的成型裝藥藥型罩。

到19世紀70年代中期,當引入炸高概念提高對靶板的毀傷效應之后,在實際戰斗中開始采用爆炸成型彈丸(Explosively-Formed Projectile)。一些國家還從事一些專用成型裝藥的其他應用研究。這些專用成型裝藥設計包括外殼或炸藥的壓實,改變幾何形狀或改變所使用的裝藥類型,改變起爆方式,或改變藥型罩的幾何形狀均可獲得良好的效應。此外,一些50年代開始的研究工作仍在繼續,聚能裝藥在民用領域的應用也在日益增大。

2.2 聚能效應在國內的研究歷史及現狀

我國對聚能效應的研究是從解放后開始的,西安近代化學研究所(204所)做了裝藥結構的各種參數對破甲效果影響的大量試驗,得出了不少有益的結論。20世紀70年代初期,我國投入了大量人力、物力,對聚能爆破進行了數年深入系統的研究,并且采用大型計算機進行了HELP程序的數值計算,使得我國學術和工程界對聚能爆破的認識有了明顯提高,達到了一個新的水平。

國防科大二系205教研室曾新吾等對線形聚能裝藥進行了理論研究,提出了一端起爆的線形聚能裝藥射流形成的不定常理論模型。同時指出,法國Defourneanx.M的定常射流形成模型是該模型的一個簡單的特例,彌補了其不足之處。

80年代中期,中國礦大北研部的楊永琦教授等著重研究了聚能藥包切割機理和應用,研制出線形聚能切割器,將聚能爆破用于露天礦排水管的切割。試驗結果表明,炸高對聚能爆破的穿透能力有著明顯影響。高爾新通過軸對稱徑向聚能效應的試驗研究,認為由于徑向的發散作用,聚能效應對于炸高十分敏感。

何廣沂以多次實驗的總結資料為依據,根據聚能原理進行了幾種聚能藥包的設計,介紹了實驗結果和在實際爆破中的應用效果,并用豐富直觀的工程實例作依據,進行了爆破經濟技術效果分析。

謝源等針對巖石二次破碎的特點,利用聚能藥包的聚能原理,試驗研究了不同聚能藥包形狀產生的不同爆破效果,從而確定了較適合于巖石二次破碎的藥包形狀。試驗結果表明不同形狀的聚能穴將對爆破漏斗的各參數,如深度、體積等產生較大影響。

楊思德采用水封聚能藥包爆破大塊,既克服了鉆孔的麻煩,又克服了糊炮浪費炸藥的缺點,對降低二次爆破炸藥單耗,降低粉塵濃度,提高出礦效率等有明顯效果。

中國礦業大學(北京)的劉殿書教授等在進行水下聚能爆破破碎巖石時也進行了試驗。試驗表明聚能裝藥的聚能作用增大了漏斗中心的破碎深度,但漏斗直徑和漏斗體積均降低;采用金屬聚能罩,由于金屬射流的作用,爆破破碎深度比普通聚能穴更大;增加徑向約束將使爆破漏斗的直徑、深度和體積均有所增加。

2.3 數值模擬在聚能效應研究中的應用

近年來隨著計算機技術的快速發展,數值模擬也被逐漸應用到爆破領域中來,人們對聚能效應的認識將會有很大的提高。

數值模擬技術在爆破聚能效應研究中的應用不僅能減少傳統的人工試驗次數,減少人力物力的投入,還能夠為人們提供如此短的作用時間內的作用過程,為人們預測相應的工程結果提供參考依據。

然而由于聚能射流的形成及侵徹過程是多種物質大變形的復雜運動,仍難以在較少的CPU時間內準確模擬射流形成及其侵徹的全過程,對計算模型及網格劃分有著很高的要求。但作為一種經濟適用的聚能裝藥優化設計工具,在實際應用中起著越來越重要的作用。

3 聚能爆破技術的未來展望

從幾十年的發展來看,國內外從理論和試驗上對聚能效應進行了深入的研究,得出許多重要成果,為聚能爆破的進一步發展和推廣打下了堅實的基礎。但是聚能效應在民用方面特別是在聚能爆破破碎巖石方面,僅針對具體工程做過一些試驗,缺乏全面、系統的研究和相應的理論分析。

聚能效應在民用方面的應用涉及到礦山巖石破碎、石油井壁擊穿、金屬切割、土巖穿孔、搶險救助以及航道的疏浚等領域,其突出的優點是:不需要打眼,不需要購買打眼設備和動力設備;施工簡單,施工進度比打眼爆破法快;安全性比普通打眼爆破法和普通裸露藥包爆破法好;勞動強度比打眼爆破法低;爆炸時產生的沖擊波具有良好的方向性。施工時只要將藥包垂直裝在大塊巖石的表面上,聚能穴朝下,爆破時產生的沖擊波就能垂直向下破碎巖石,不會向四周擴散而破壞孔壁,給鉆孔施工帶來更大的麻煩。

基于聚能爆破的這些優點,對聚能爆破破巖機理和影響因素進行進一步系統的研究是非常必要的。

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