氣壓對水下爆炸破巖能力的影響研究

黃 昊

(安徽雷鳴科化有限責任公司，安徽 淮北 235000)

0 引言

隨著工程技術的發展，水下爆破得到了廣泛應用。爆破時炸藥所受壓力與爆破界面的水深有著密切關系，而且氣壓隨著海拔的不同有所變化，也導致炸藥所受壓力的變化。因此研究壓力對水下爆炸破巖能力的影響很有必要，將有利于爆破的順利進行，并達到理想的爆破效果。本文以氣壓為對象，研究壓力對水下爆炸的影響。

1 實驗裝置和方法

1.1 試件

實驗采用自制的水泥砂漿試件。試件按表1所列材料配比制成，是φ20cm、高22cm的圓柱體。試件中心留有一個φ0.7cm、深12cm的小孔，孔兩邊對稱位置各裝一個掛鉤用于實驗時懸吊試件。試件干燥完全成型后再進行實驗。

表1 試件材料配比Table 1 The ratio of specimen material

1.2 實驗裝置

實驗采用球形高壓爆炸容器進行模擬爆炸。如圖1所示[1]，爆炸容器的內徑為1.5 m，容積為1．767 m3，設計壓力2.5 MPa，最高耐壓實驗壓力2.625 MPa。容器四周各有一個φ25 cm的觀察窗口，頂部是φ60 cm的入孔，用法蘭密封，在法蘭蓋上留有連接雷管的接線柱；容器上部接管是共用的進氣和抽氣閥，底部是排水管。

1—爆炸容器；2—雷管；3—起爆器；4—抽氣閥；5—抽氣控制器。

1.3 實驗條件與過程

在水下爆炸中，試件承受的壓力為水壓和氣壓之和。只要改變水面氣壓，就可以改變試件承受的壓力，從而達到模擬氣壓環境的效果。

本實驗裝藥為一發8號工業電雷管(TNT當量為1.07 g)。實驗時，將雷管置于試件的小孔內，再用AB膠混合石英砂堵塞炮孔，將試件放在爆炸容器中水面下0.6 m處(這部分水壓相對大氣壓較小，實驗過程中忽略不計)。容器底部放置有碎塊回收網，用于回收爆破后的試件碎塊。

試件裝好固定后，將爆炸容器全部密封，利用抽氣閥對爆炸容器減壓，抽取的氣壓分別為0 Pa、5 kPa、10 kPa、15 kPa、20 kPa、25 kPa、30 kPa、35 kPa、40 kPa和45 kPa，進行10組對比實驗，對應的氣壓分別為101.3 kPa、96.3 kPa、91.3 kPa、86.3 kPa、81.3 kPa、76.3 kPa、71.3 kPa、66.3 kPa、61.3 kPa、56.3 kPa。在每個實驗壓力條件下，爆炸2次求出平均值。

2 實驗結果及分析

2.1 碎塊塊度測量

碎塊塊度大小是由碎塊的最大邊長直徑決定的。用事先做好的鋼圈(每個鋼圈都有確定的直徑)來測試碎塊是否能通過鋼圈，若碎塊能通過鋼圈就換直徑小的，直到碎塊不能通過為止。實驗采用的鋼圈直徑分別為160 mm、140 mm、130 mm、120 mm、110 mm、90 mm、80 mm、50 mm和25 mm。

對大小塊的定義是：25～90的為小塊，90～120為中塊，120～160為大塊。

2.2 碎塊數量分析

對收集的碎塊進行測量，統計出碎塊大小及數量如表2所示，碎塊數量百分比與氣壓的關系如圖2所示。

圖2 碎塊數量百分比與氣壓的關系

表2 碎塊大小及數量Table 2 Fragment size and amount

從圖2中可以看出，隨著氣壓的減小，試塊破碎塊度的數量并沒有明顯的變化，而且碎塊大小的分布也沒有顯著改變，說明了水下爆炸的破碎度與氣壓無關。

2.3 碎塊質量分析

待爆炸的碎塊干燥后稱量，整理數據如表3所示，碎塊質量百分比與氣壓的關系如圖3所示。

圖3 碎塊質量百分比與氣壓的關系Fig.3 Fragments mass percentage relationship with the pressure

表3 碎塊大小與質量Table 3 Fragment size and mass

從圖3中可以看出隨著氣壓的減小，試塊破碎塊度的質量分布沒有發生明顯的變化，中塊的質量始終占據最大比例。

3 結論

本次實驗從碎塊數量分布和質量分布的角度來研究氣壓對水下爆炸破巖能力的影響。從實驗數據可以發現，隨著氣壓的變化，碎塊數量分布與質量分布的變化并不明顯，即水下爆炸的破巖能力與氣壓無關。

巖石的爆破破碎是由沖擊波和爆炸氣體膨脹壓力綜合作用的結果，即兩種作用形式在爆破的不同階段和針對不同巖石所起的作用不同。爆炸沖擊波使巖石產生裂隙，并將原始損傷裂隙進一步擴展，隨后爆炸氣體使這些裂隙貫通、擴大形成巖塊，脫離母巖。

由于應力波在試塊中的傳播主要與介質本身有關，不隨氣壓的改變而改變。爆炸氣體的作用也主要表現在拋射碎塊的速度上，因此破碎效果與氣壓無關。實驗結論與上述觀點相符。