模擬高原水下爆炸特征參數的實驗研究

黃 麟，張 立，熊 蘇，李雪交，邱明燦

（安徽理工大學， 安徽淮南 232001）

模擬高原水下爆炸特征參數的實驗研究

黃 麟，張 立，熊 蘇，李雪交，邱明燦

（安徽理工大學， 安徽淮南 232001）

高原地區(qū)進行的水下爆破工程，因水體表面氣壓隨海拔的升高而線性降低，其裝藥爆炸后的特征參數是否發(fā)生變化，對爆破施工有重要意義；采用密閉的高壓爆炸容器，模擬高原氣壓條件，對雷管水下爆炸參數進行了實驗研究，研究結果表明：在海拔0～4 500m范圍內隨著氣壓降低，沖擊波峰值壓力大小與氣壓無關，沖擊波衰減時間卻有一定增長，導致比沖擊波能微小增大；氣泡脈動周期按二階多項式規(guī)律顯著增大，但由于氣壓隨海拔升高而變小，裝藥深度處的總靜水壓力隨之降低，使比氣泡能微量減小，而爆炸總能量基本不變。

水下爆炸； 高原地區(qū)； 沖擊波； 氣泡脈動波； 爆炸能量

1 引言

隨著我國經濟建設的日益發(fā)展，在高原地帶的礦山開采和城市交通建設都已相繼提上日程。如青藏鐵路的修建，鐵路沿線海拔大部分在3 000 m以上，有不少工程項目需要采用水下爆破，這對爆破器材與技術就有了特殊的要求。但是關于海拔高度對炸藥做功能力影響的報道很少，而在高海拔地區(qū)的水下爆炸研究更是缺乏，因此研究高原地區(qū)的水下爆炸能量具有重要的理論和實際意義。

本實驗研究利用了密閉的球形高壓爆炸壓力容器，采取抽氣壓的方式調節(jié)水體表面氣壓，以模擬高原水下爆炸環(huán)境，探究水下爆炸能量分布規(guī)律。通過測試可以得出沖擊波峰值壓力Pm、沖擊波衰減時間θ、氣泡脈動周期tb以及總靜水壓力P H，經過計算能分別求出比沖擊波能、比氣泡能和總能量。

2 研究裝置及設計條件

球形高壓爆炸容器的內徑1.5 m，容積1.767 m3，設計壓力2.5 MPa，最高耐壓實驗壓力2.625 MPa，符合GB150－98產品標準。在容器中部的東、西、南、北方向各有一個直徑為0.25 m的觀測窗，窗口盲板可以安裝水下爆炸壓力傳感器。頂部是一個直徑0.40 m的人孔，底端有一放水口。在人孔法蘭蓋上安裝有連接起爆系統(tǒng)的接線柱，在容器的上部設計有進氣和抽氣閥［1］。測試系統(tǒng)采用CY－YD－202型壓力傳感器、STYV－2低噪聲電纜、YE5850A電荷放大器、54815A數字儲存示波器和計算機。整個研究裝置如圖1所示。

氣壓隨海拔高度而變化，海拔越高，氣壓越小。在海拔小于5 000 m高度的范圍內，氣壓隨海拔高度呈線性變化，由于氣壓的變化受到季節(jié)溫度及各地區(qū)重力加速度不同的影響，所以在相關資料中顯示海拔高度與氣壓降低幅值有微小的出入，但都遵循氣壓每降低100 Pa，海拔升高9.5 m這一規(guī)律［2］，故本文實驗采取這一標準。圖2是氣壓和海拔高度關系圖（由于原數據只提供了2 500 m以下的氣壓值，分析這些數據是呈線性關系，相關系數r2＝0.998 6；因此2 500～4 500 m的數值為外推得到）。在水下爆炸中，裝藥所承受的壓力為裝藥入水深度的靜水壓和水表面所受的氣壓之和。通過改變水體表面氣壓可以改變裝藥所承受的壓力以模擬高原低氣壓環(huán)境。因此抽取的氣壓為5 300 Pa、10 600 Pa、15 900 Pa、21 200 Pa、26 500 Pa、31 800 Pa、37 100 Pa、42 400 Pa和47 700 Pa時，可以分別模擬500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m、3 000 m、3 500 m、4 000 m、4 500 m海拔高度（裝藥放置在容器中心水下0.6 m處，這段距離和海拔高度相比數值相差很大，可忽略不計）。在海拔高于4 500 m的高原地區(qū)，水主要以冰雪、凍土的形式存在，所以本文不予考慮。同時由于實驗條件限制，文中對由于海拔升高而產生的溫度和重力加速度改變未予考慮。

圖1 研究裝置及測試系統(tǒng)圖

圖2 海拔高度與大氣壓關系圖

3 計算公式與實驗數據處理

3.1 壓力傳感器標定

裝藥采用8號金屬殼電雷管，由雷管內各層裝藥的爆熱，折合TNT當量為1.07×10－3kg，裝藥中心距壓力傳感器0.394 m，由TNT的沖擊波壓力經驗公式得［3］［4］：

由兩次實測的P－t曲線，讀取最大輸出電壓；用下式算出壓力傳感器的電荷靈敏度：

式中：V m為電壓峰值，mv；K v為電荷放大器增益，mv/pc。

對兩組靈敏度數值進行加權平均，得到所用傳感器的的動態(tài)靈敏度Sq。

3.2 沖擊波峰值壓力

由上所得的壓力傳感器靈敏度測量出不同海拔高度下的最大輸出電壓V m，代入公式Pm＝V m/（K v·Sq），即可算出水中爆炸的沖擊波峰值壓力。沖擊波峰值壓力在10.716～11.812 MPa范圍內，與海拔高度回歸關系如圖3所示。

圖3 沖擊波峰值壓力和海拔高度關系圖

由圖3可知沖擊波峰值壓力和海拔高度的關系圖為一條水平直線，說明在這個范圍內，沖擊波峰值壓力基本保持不變。由于裝藥在低氣壓條件下的約束沒有改變，爆炸過程中沖擊波傳播速度遠超過水中聲速，沖擊波上升時間也僅為幾μs，可以認為低氣壓環(huán)境對有外殼裝藥的爆炸沖擊波峰值壓力幾乎無影響。

3.3 氣泡脈動周期

本文研究中所指的氣泡脈動周期是修正到同一標準壓力下的結果，實驗中大氣壓力和標準大氣壓數值相等，故修正后的Tb和原來實測的t b數值相同。將所得的數據繪制成曲線，如圖4所示。

圖4 旗袍脈動周期與海拔高度關系圖

由圖4的曲線可以看出：在0～4 500 m海拔高度范圍內，隨著海拔高度的逐漸增大，氣泡脈動周期按二階多項式方程：y＝6E－07x2＋0.001 1x＋27.982逐漸增加。曲線相關系數為：r2＝0.998 8，符合度很高。圖4的氣泡脈動周期隨海拔高度發(fā)生如此顯著的變化，主要原因是隨著海拔高度的升高，水體表面的氣壓隨之降低，導致裝藥所處位置的總靜水壓力降低，當爆炸產生的氣體產物在膨脹過程中，所受的阻力逐漸的減小，同時由于周圍介質的靜壓力降低，在氣體膨脹中到達與周圍介質靜壓力相等的時間變長，從而導致氣泡脈動周期隨海拔高度的增加而增大。

3.4 水下爆炸能量

水下爆炸能量包括比沖擊波能、比氣泡能以及總能量，從實測的沖擊波和氣泡脈動波的P－t曲線可得Pm、θ、tb等參數，代入下式計算出比沖擊波能［5］：

式中：Es為測點處的比沖擊波能，MJ/kg；ρw為水的密度，為1 000 kg/m3；Cw為水中聲速，為1 460 m/s；W為雷管的TNT當量，kg；R為裝藥中心至傳感器距離，m；θ為沖擊波衰減時間常數，μs。

對實測的氣泡脈動周期進行了修正后，將Tb代入下式計算出比氣泡能：

爆炸總能量為：Et＝K f（μ·Es＋Eb）MJ/kg式中：Et為雷管爆炸總能量，MJ/kg；K f為裝藥形狀修正系數，對于8號雷管，屬柱狀裝藥，為1.08；μ為沖擊波損失系數（μ·Es是單位質量炸藥原本傳到水中的沖擊波能），取1.92；將實驗中測出的數據經以上公式計算后，得到了相應不同海拔高度的Es、Eb、Et。水下爆炸能量與海拔高度關系如圖5所示。

圖5 水下爆炸能量與海拔高度關系圖

對圖5分析可以得出：比沖擊波能隨海拔升高微小增大，而影響比沖擊波能數值的因素只有沖擊波峰值壓力和沖擊波衰減時間常數，由前述分析得知沖擊波峰值壓力不隨海拔高度而變化，但沖擊波衰減時間常數隨海拔升高其值也隨之變大，如圖6所示，海拔升高使水表面的氣壓降低，總靜水壓力也隨之降低，導致沖擊波衰減速度減慢，沖擊波衰減時間自然增大。這也是比沖擊波能微量增大的原因。

圖6 衰減時間常數與海拔高度關系

由前面分析得知氣泡脈動周期隨海拔高度增加而顯著增大。而圖5顯示比氣泡能卻略微減小，究其原因是比氣泡能的大小受到氣泡脈動周期和總靜水壓力共同作用，由于氣壓隨海拔升高而變小，但裝藥深度處的總靜水壓力卻隨之降低，從而使比氣泡能微量減小。

比沖擊波能的微量增大和比氣泡能的微量減小使水下爆炸總能量保持了不變。

4 結語

本文研究所用的8號金屬殼工業(yè)雷管，是某廠生產線上裝配的產品，裝藥量很難做到精準，使測試結果有一定的變化。但從數據的分析中可以得出以下規(guī)律：

沖擊波峰值壓力幾乎不隨海拔升高度而變化，但沖擊波衰減時間常數卻隨之增大，導致比沖擊波能微量增大。

氣泡的脈動周期隨海拔升高而發(fā)生了明顯的增大趨勢，但裝藥深度處的總靜水壓力卻隨之降低，使比氣泡能微量減小。氣泡脈動的周期的增大，將會對水中、水面被爆介質的作用時間變長，能否對介質拋擲或破碎效果產生影響有待進一步研究，這是與低海拔地區(qū)水下爆炸的明顯區(qū)別。

研究顯示裝藥爆炸的總能量沒有因海拔的升高而改變，但高原地區(qū)除了氣壓低外，溫濕度、重力加速度等因素畢竟不同于常壓條件，對水下爆破各參數的設計（炸藥選擇、孔距、排距、單耗等）提出了較高的要求。

［1］ Zhang Li，Yan Shi－long，Sun Yue－guang，Zhang Ming－xiao.Explosion Vessel for Simulation Exploding in Deep Water of Small Charge［N］//APS Blasting 2 NEW DEVELOPMENT ON ENGINEERING BLASTING.北京：冶金工業(yè)出版社.2009.

［2］ 海拔高度大氣壓對照表［EB/OL］.［2011－12－20］.http：//wenku.baidu.com/view/4c9482fb770bf78a652954b4.html.

［3］ 鐘帥，張立.深水8號雷管爆炸沖擊波參數的研究［J］.煤礦爆破，2007，（1）：4－6.

［4］ 孫躍光.模擬深水裝藥爆炸作功能力研究［D］.淮南：安徽理工大學，2008.

［5］ 張立.爆破器材性能與爆炸效應測試［M］.合肥：中國科技大學出版社，2006.

Experimental Research on Underwater Explosion Parameters in the Simulated Plateau Condition

HUANG Lin，ZHANG Li，XIONG Su，LI Xue－jiao，QIU Ming－can
（Anhui University of Science ＆Technology，Huainan Anhui232001）

The air pressure of water surface decreases linearly with the altitude increasing for underwater explosion engineering in plateau area，it has very important significance on the blasting construction whether underwater explosion parameters change or not after the charge explosion.It has researched the parameters after the detonator explosion by simulating plateau condition in the closed and high pressure explosive vessel in this paper.The results show that the peak pressure shock wave have no relation with the air pressure when the air pressure decreases gradually in the range of 0－4500m，but the attenuated time of shock wave rises in a certain degree，which causes the specific shock wave energy increasing slightly and the period of bubble pulsation increasing significantly by the rule of second order polynomial，but the air pressure decreases with the increase of altitude，the total of hydrostatic pressure of the charge spot reduces，which makes specific bubble energy have a little decreased；but the total energy keeps invariant basically.

underwater explosion；plateau area；shock wave；bubble pulsation wave；explosion energy

TQ560.72

B

1671－4733（2011）06－0019－04

10.3969/j.issn.1671－4733.2011.06.007

2011－12－20

黃麟（1986－），男，浙江衢州人，研究生，研究方向為水下爆破，電話：13637113733。