爆破構(gòu)筑單人掩體裝藥條件研究

吳 均,汪艮忠,毛 立,謝興博,潘偉綱,李天根,馬軍喜,王志強(qiáng),黃寅生

(1.浙江利民化工有限公司,浙江 麗水 323300;2.南京理工大學(xué) 化工學(xué)院,江蘇 南京 210094;3.陸軍工程大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,江蘇 南京 210007)

單人掩體是一種對(duì)單人起保護(hù)作用的環(huán)型防護(hù)工事[1]。即便是簡(jiǎn)單構(gòu)筑的單人掩體也可以有效地防御輕武器火力、炮彈彈片、飛機(jī)掃射轟炸以及坦克的輾壓,大幅提高部隊(duì)生存率[2]。

野外開(kāi)挖單人掩體工事面臨著例如惡劣天氣與地理環(huán)境等很多困難,配備的工兵鏟與工兵鎬對(duì)凍土或巖石的挖掘能力不夠,開(kāi)挖時(shí)會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間與體力。

目前,關(guān)于巖石爆破與模擬仿真國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者進(jìn)行了研究,周文海[3]仔細(xì)研究了露天礦深孔臺(tái)階爆破中逐孔起爆延時(shí)的影響。崔新男等[4]采用束狀孔爆破和孔內(nèi)延時(shí)起爆相結(jié)合的方式,完成了雙分層爆破實(shí)驗(yàn)。高文學(xué)等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明高精度電子雷管可以有效削弱爆破振動(dòng)強(qiáng)度。韓濤等[6]采用新型數(shù)碼電子雷管,完成了可控高精度延期爆破。李世超等[7]采用LS-DYNA軟件研究了水下多點(diǎn)起爆沖擊波的疊加效應(yīng)。TATSUYA等[8]對(duì)采用電子延期雷管減弱爆破振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行了研究。SONG等[9]對(duì)孔間距以及起爆延期時(shí)間兩因素與深孔爆破效果之間關(guān)系進(jìn)行了研究。

針對(duì)目前開(kāi)挖單人掩體工事面臨的問(wèn)題,本文研究采用分段裝藥,延期爆破的方法構(gòu)筑單人掩體,并通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)研究了不同延期時(shí)間以及裝藥條件對(duì)產(chǎn)生的單人掩體尺寸影響,得出了爆破效果較好所需要的裝藥條件以及延期時(shí)間。

1 成壕裝藥組成與藥包布置

成壕裝藥藥筒采用塑料作為外殼材料,炸藥裝藥為乳化炸藥,裝填密度為1.18 g/cm3,2塊炸藥包中間用細(xì)沙作為隔爆層,上下各用一發(fā)毫秒級(jí)數(shù)碼電子延期雷管來(lái)起爆炸藥裝藥,鉆孔孔徑比裝藥直徑大20 mm,裝藥上部及周邊采用細(xì)沙填實(shí)。成壕藥筒如圖1所示,裝藥布置如圖2所示。

圖1 成壕藥筒示意圖

成壕藥包爆破的主要作用原理如下:

①在毫秒延時(shí)爆破中,上方藥包起爆后,便形成爆破漏斗,對(duì)后起爆炮孔來(lái)說(shuō),相當(dāng)于增加了新的自由面。由于新產(chǎn)生的臨空面,減輕了下方藥包的爆破阻力,更利于發(fā)揮炸藥爆炸能量的破巖作用與拋撒能力。

②兩藥包爆破后產(chǎn)生的應(yīng)力波互相疊加。上方藥包爆炸后生成應(yīng)力波,在應(yīng)力波消散前起爆下方藥包,會(huì)引起兩藥包爆炸應(yīng)力波疊加,大幅加強(qiáng)爆破破巖能力,減小爆破巖石的塊度,從而改善爆破效果。

③2個(gè)藥包爆炸碎塊空中相互擠壓碰撞產(chǎn)生輔助破碎作用。由于上、下兩段裝藥起爆間隔時(shí)間較短,上方藥包爆破拋撒的巖塊在未落地之前,與下方藥包起爆拋擲的巖塊于空中發(fā)生撞擊,使拋撒出的大體積巖塊進(jìn)一步破裂,起到補(bǔ)充爆炸破碎的效果,進(jìn)而提高爆破巖塊的破碎程度。

爆破延期間隔時(shí)間的選擇主要與巖石性質(zhì)、抵抗線、巖體移動(dòng)速度以及對(duì)破碎效果和減振要求等因素有關(guān)。通常,按照露天鉆孔臺(tái)階爆破時(shí),毫秒延期間隔時(shí)間為10～60 ms,以保證一定破碎質(zhì)量、合理的拋撒能力,改善爆破效果。

2 成壕爆破的數(shù)值模擬與仿真

2.1 數(shù)值仿真模型

為了獲得單兵成壕爆破的合理裝藥參數(shù),對(duì)裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、延期時(shí)間、堵塞條件等進(jìn)行數(shù)值模擬與仿真,分析裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)爆破漏斗形狀大小的影響規(guī)律,以獲得合理的爆破構(gòu)筑單人掩體。

本研究采用AUTODYN 軟件進(jìn)行模擬仿真。模型高為9 m,長(zhǎng)為8 m,相當(dāng)于圓柱體模型的一個(gè)截面,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,構(gòu)建了3個(gè)實(shí)心長(zhǎng)方形模型。3個(gè)模型均采用垂直排布的2個(gè)藥包以從上至下毫秒延時(shí)的起爆方式,上方藥包埋深均為0.5 m,建立的模型示意圖如圖3所示。

圖3 爆破成壕計(jì)算模型

SPH算法可以很好地模擬高速飛散的粒子產(chǎn)生的空腔及爆炸引起的介質(zhì)拋擲現(xiàn)象,因此模型選用該算法。

選擇乳化炸藥材料作為炸藥包裝藥,炸藥爆轟產(chǎn)物的壓力用JWL狀態(tài)方程來(lái)描述,AUTODYN計(jì)算中乳化炸藥材料的JWL狀態(tài)方程參數(shù)見(jiàn)表1。表中,ρ為密度,vD為爆速,pCJ為爆壓,A、B、ω為待定常數(shù),E0為單位體積炸藥的初始總能量。

表1 乳化炸藥材料參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)

由于起爆雷管的藥量較小,對(duì)爆破漏斗大小及形狀影響不大,所以對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,采用中心點(diǎn)起爆的方式起爆乳化炸藥。

數(shù)值模擬采用的巖土材料和沙土材料相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

表2 巖土材料相關(guān)參數(shù)

表3 沙土材料相關(guān)系數(shù)

選用的巖土材料在計(jì)算較為簡(jiǎn)便而精確的同時(shí)能夠較好地模擬研究的應(yīng)用場(chǎng)景,即對(duì)于硬度較大的巖石、凍土等進(jìn)行爆破成壕。

2.2 數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果

通過(guò)改變延期時(shí)間、上部裝藥量、下部裝藥量的方式建立了9組模型,其模型初始條件如表4所示,各模型對(duì)應(yīng)的裝藥直徑為7 cm,打孔直徑為9 cm,隔爆長(zhǎng)度為60 cm,封堵高度為50 cm。

表4 模型初始條件

在程序模擬結(jié)果文件中,通過(guò)調(diào)節(jié)網(wǎng)格附件,測(cè)得爆破過(guò)程結(jié)束后的炸坑頂部直徑,底部直徑、深度以及體積如表5所示。

表5 模型計(jì)算結(jié)果

不同上部裝藥產(chǎn)生的炸坑如圖4所示,可以看出,隨著上部裝藥量的增加,炸坑的上部直徑明顯增加,炸坑深度也隨裝藥量增加而增加,因此炸坑的體積也隨之增加。

圖4 上部裝藥量對(duì)炸坑的影響

不同下部裝藥產(chǎn)生的炸坑如圖5所示,可以看出,隨著下部裝藥藥量的增加,炸坑的下部直徑呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì),炸坑深度也隨下部裝藥量增加而增加,因此炸坑的體積與下部裝藥量成正相關(guān)關(guān)系。

圖5 下部裝藥量對(duì)炸坑的影響

不同延期時(shí)間產(chǎn)生的炸坑如圖6所示,可以看出,隨著延期時(shí)間的增加,炸坑的上部直徑、下部直徑、深度有一定變化,其中延期時(shí)間50 ms的炸坑深度最高,炸坑體積也最大。

圖6 延期時(shí)間對(duì)炸坑的影響

其中裝藥條件為上部裝藥2 kg,下部裝藥2 kg,延時(shí)50 ms的爆破模型模擬產(chǎn)生的兩爆破漏斗基本融合,之間只有松散的巖塊,融合的爆破漏斗上部直徑為1.72 m,下部直徑為0.74 m,深度為2.08 m,計(jì)算得到爆破漏斗體積為2.60 m3,由于爆炸拋撒后巖土回填現(xiàn)象的產(chǎn)生,巖土回填后的炸坑尺寸與形狀基本可以滿足單兵站姿戰(zhàn)壕的需求。

3 現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)

3.1 爆破現(xiàn)場(chǎng)的選擇

爆破試驗(yàn)地點(diǎn)位于浙江省麗水市遂昌縣清水源水庫(kù)工程處,試驗(yàn)場(chǎng)地巖土如圖7,顏色為灰色以及淺黃色,屬淺風(fēng)化石灰?guī)r地質(zhì)條件,適合于模擬對(duì)于硬度較大的巖石、凍土等進(jìn)行爆破成壕試驗(yàn)。

圖7 爆破試驗(yàn)地點(diǎn)巖土情況

3.2 爆破器材與裝藥設(shè)計(jì)

成壕裝藥主要材料為2號(hào)巖石乳化炸藥,裝藥密度為1.18 g/cm3,猛度≥16 mm,爆速≥400 m/s,做功能力≥260 mL,生產(chǎn)廠家為浙江凱特化工有限公司利民分公司。

成壕裝藥的延時(shí)起爆通過(guò)數(shù)碼電子雷管實(shí)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)采用的是8號(hào)數(shù)碼電子雷管,生產(chǎn)廠家為浙江物產(chǎn)新聯(lián)民爆光華民爆器材有限公司。

為了研究不同裝藥量、隔爆長(zhǎng)度、延期時(shí)間對(duì)爆破成壕效果的影響,選取不同的爆破參數(shù)進(jìn)行了12組實(shí)驗(yàn),爆破參數(shù)如表6所示。試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的裝藥直徑為7 cm,打孔直徑為9 cm,隔爆長(zhǎng)度為60 cm,封堵高度為50 cm。

表6 炸藥延期時(shí)間與裝藥情況

3.3 爆破試驗(yàn)與模擬結(jié)果分析

清理巖土碎塊后的爆破漏斗如圖8所示,從圖中可以看出,隨著裝藥量、隔爆長(zhǎng)度、延期時(shí)間的改變,爆破的效果也有所不同,爆破后產(chǎn)生的可見(jiàn)漏斗經(jīng)過(guò)清理后其形狀近似于一個(gè)底部直徑小且頂部直徑大的圓臺(tái)。

圖8 清理后炸坑

對(duì)12組實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的可見(jiàn)爆破漏斗進(jìn)行測(cè)量,爆坑的頂部直徑、底部直徑、深度以及炸坑體積數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 清理后炸坑尺寸

3組不同底部裝藥產(chǎn)生的炸坑底部直徑如圖9所示。爆破產(chǎn)生的底部漏斗直徑與底部裝藥量存在正相關(guān)關(guān)系,破碎巖石主要靠炸藥爆炸釋放出的能量,因此底部裝藥量越大,產(chǎn)生的爆炸能量越大,對(duì)巖石的爆破效果越充分,生成的可見(jiàn)漏斗底部尺寸越大。

圖9 炸坑底部直徑與底部藥量的關(guān)系

3組不同頂部裝藥產(chǎn)生的炸坑頂部直徑如圖10所示,由圖中可知,隨著頂部裝藥量的增加,爆破產(chǎn)生的可見(jiàn)漏斗頂部直徑也隨之增加,當(dāng)頂部裝藥量增加時(shí),爆轟壓力隨之增大,爆轟波更強(qiáng),巖石孔壁受爆轟波激發(fā)產(chǎn)生更劇烈的沖擊波以及應(yīng)力波,使炮孔周?chē)膸r土粉碎破裂更加充分,拋撒入空中的巖土體積更多,使得產(chǎn)生可見(jiàn)漏斗頂部直徑增加。

圖10 炸坑頂部直徑與上部藥量的關(guān)系

兩段裝藥中間的隔爆長(zhǎng)度與產(chǎn)生的炸坑體積關(guān)系如圖11所示。從圖中可以看出,隔爆長(zhǎng)度為30 cm和40 cm時(shí)爆炸產(chǎn)生的炸坑體積明顯小于隔爆長(zhǎng)度為50 cm和60 cm時(shí)的炸坑體積,這是因?yàn)橄露搜b藥延期時(shí)間保持在50 ms不變時(shí),頂部裝藥先起爆,產(chǎn)生強(qiáng)烈的爆轟波,通過(guò)隔爆層傳播至底部裝藥并起爆底部裝藥,使底部裝藥產(chǎn)生殉爆,由于底部裝藥不是由雷管起爆,爆炸并不充分,對(duì)巖土的爆破作用不完全,產(chǎn)生的可見(jiàn)漏斗體積減小了。

圖11 炸坑體積與隔爆長(zhǎng)度的關(guān)系

下端裝藥的延期時(shí)間與爆破產(chǎn)生可見(jiàn)漏斗的體積關(guān)系如圖12所示。從圖中可以看出,延期時(shí)間設(shè)置為50 ms時(shí)產(chǎn)生的炸坑體積最大,延期時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)頂部裝藥爆炸拋撒出的巖土受到重力作用回落入爆破漏斗中,對(duì)底部裝藥的爆破效果產(chǎn)生不利影響,阻礙了爆破漏斗的進(jìn)一步擴(kuò)大,因此延期時(shí)間不宜設(shè)置過(guò)長(zhǎng)。

圖12 炸坑體積與延期時(shí)間的關(guān)系

4 結(jié)論

①采用AUTODYN軟件,選擇合理的材料參數(shù)建立不同延期時(shí)間、上部裝藥量、下部裝藥量共9個(gè)模型,通過(guò)對(duì)其產(chǎn)生爆破漏斗尺寸與形狀的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)漏斗尺寸與上、下部裝藥量成正相關(guān),與延期時(shí)間也存在一定關(guān)系。1號(hào)模型產(chǎn)生的兩爆破漏斗基本融合,之間只有松散的巖塊,融合的爆破漏斗上部直徑為1.72 m,下部直徑為0.74 m,深度為2.08 m,計(jì)算得到爆破漏斗體積為2.60 m3,由于爆炸拋撒后巖土回填現(xiàn)象的產(chǎn)生,巖土回填后的炸坑尺寸與形狀基本可以滿足單兵站姿戰(zhàn)壕的需求。

②通過(guò)爆破實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)爆破模型模擬的情況進(jìn)行了驗(yàn)證,計(jì)算的數(shù)據(jù)比較符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)上下部裝藥量增加時(shí),爆轟壓力隨之增大,更強(qiáng)爆轟波傳到炮孔孔壁時(shí),孔壁上的巖石激發(fā)成更強(qiáng)烈的沖擊波和應(yīng)力波,使炮孔周?chē)膸r土粉碎破裂更加充分,拋撒入空中的巖土體積更多,使得產(chǎn)生可見(jiàn)漏斗直徑增加。

③爆破產(chǎn)生的可見(jiàn)漏斗體積與延期時(shí)間有關(guān),延期時(shí)間50 ms爆破時(shí)產(chǎn)生的炸坑體積最大,2段裝藥隔爆長(zhǎng)度在50 cm以下時(shí)可能會(huì)發(fā)生殉爆現(xiàn)象,所以裝藥隔爆長(zhǎng)度不能過(guò)短,士兵在實(shí)戰(zhàn)情況下可以根據(jù)觀察到的巖土物理、力學(xué)性質(zhì)來(lái)對(duì)2段炸藥的裝藥量進(jìn)行調(diào)整,以達(dá)到最合適的爆破效果,產(chǎn)生適合隱蔽及作戰(zhàn)的單兵掩體。