聚能爆破技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計出特定的聚能藥包對爆破對象進(jìn)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(qiáng)、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(yè)人員的勞動強(qiáng)度等優(yōu)點,而整個施工過程更具有操作簡單,對作業(yè)環(huán)境要求較低等特點,能給整個工程帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。因此,逐漸受到國內(nèi)外爆破界的普遍重視。

1 聚能爆破技術(shù)的產(chǎn)生

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

綜上所述,自二戰(zhàn)以來,聚能效應(yīng)基本上分成了兩個研究方向,即聚能效應(yīng)在軍事上的應(yīng)用研究以及民用方面的應(yīng)用研究。兩者對爆破效果的要求略有不同,前者要求產(chǎn)生的射流能在介質(zhì)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(zhì)中(巖石等)形成一定的深度并產(chǎn)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(zhì)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(zhì),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(jī)理圖解如圖1,圖2所示。

2 聚能爆破技術(shù)的研究歷史

2.1 聚能效應(yīng)在國外的研究歷史及現(xiàn)狀

前蘇聯(lián)的蘇哈烈夫斯基1923年～1926年間對聚能效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,確定了無罩聚能裝藥的侵徹效果與裝藥參數(shù)的關(guān)系。1939年,法國科學(xué)家莫豪普特利用帶有藥型罩空穴裝藥原理,設(shè)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(jìn)行實彈射擊試驗。德國人在二戰(zhàn)期間對成型裝藥戰(zhàn)斗部的研究獲得巨大的進(jìn)步。舒曼在1941年報導(dǎo)了關(guān)于炸高距離效應(yīng)、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(jì)70年代中期,當(dāng)引入炸高概念提高對靶板的毀傷效應(yīng)之后,在實際戰(zhàn)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(yīng)用研究。這些專用成型裝藥設(shè)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(yīng)。此外,一些50年代開始的研究工作仍在繼續(xù),聚能裝藥在民用領(lǐng)域的應(yīng)用也在日益增大。

2.2 聚能效應(yīng)在國內(nèi)的研究歷史及現(xiàn)狀

我國對聚能效應(yīng)的研究是從解放后開始的,西安近代化學(xué)研究所(204所)做了裝藥結(jié)構(gòu)的各種參數(shù)對破甲效果影響的大量試驗,得出了不少有益的結(jié)論。20世紀(jì)70年代初期,我國投入了大量人力、物力,對聚能爆破進(jìn)行了數(shù)年深入系統(tǒng)的研究,并且采用大型計算機(jī)進(jìn)行了HELP程序的數(shù)值計算,使得我國學(xué)術(shù)和工程界對聚能爆破的認(rèn)識有了明顯提高,達(dá)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(jìn)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(bǔ)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(jī)理和應(yīng)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(jié)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(yīng)的試驗研究,認(rèn)為由于徑向的發(fā)散作用,聚能效應(yīng)對于炸高十分敏感。

何廣沂以多次實驗的總結(jié)資料為依據(jù),根據(jù)聚能原理進(jìn)行了幾種聚能藥包的設(shè)計,介紹了實驗結(jié)果和在實際爆破中的應(yīng)用效果,并用豐富直觀的工程實例作依據(jù),進(jìn)行了爆破經(jīng)濟(jì)技術(shù)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(chǎn)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(jié)果表明不同形狀的聚能穴將對爆破漏斗的各參數(shù),如深度、體積等產(chǎn)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(fèi)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(yè)大學(xué)(北京)的劉殿書教授等在進(jìn)行水下聚能爆破破碎巖石時也進(jìn)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(shù)值模擬在聚能效應(yīng)研究中的應(yīng)用

近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)值模擬也被逐漸應(yīng)用到爆破領(lǐng)域中來,人們對聚能效應(yīng)的認(rèn)識將會有很大的提高。

數(shù)值模擬技術(shù)在爆破聚能效應(yīng)研究中的應(yīng)用不僅能減少傳統(tǒng)的人工試驗次數(shù),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(nèi)的作用過程,為人們預(yù)測相應(yīng)的工程結(jié)果提供參考依據(jù)。

然而由于聚能射流的形成及侵徹過程是多種物質(zhì)大變形的復(fù)雜運(yùn)動,仍難以在較少的CPU時間內(nèi)準(zhǔn)確模擬射流形成及其侵徹的全過程,對計算模型及網(wǎng)格劃分有著很高的要求。但作為一種經(jīng)濟(jì)適用的聚能裝藥優(yōu)化設(shè)計工具,在實際應(yīng)用中起著越來越重要的作用。

3 聚能爆破技術(shù)的未來展望

從幾十年的發(fā)展來看,國內(nèi)外從理論和試驗上對聚能效應(yīng)進(jìn)行了深入的研究,得出許多重要成果,為聚能爆破的進(jìn)一步發(fā)展和推廣打下了堅實的基礎(chǔ)。但是聚能效應(yīng)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(tǒng)的研究和相應(yīng)的理論分析。

聚能效應(yīng)在民用方面的應(yīng)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(lǐng)域,其突出的優(yōu)點是:不需要打眼,不需要購買打眼設(shè)備和動力設(shè)備;施工簡單,施工進(jìn)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(qiáng)度比打眼爆破法低;爆炸時產(chǎn)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(chǎn)生的沖擊波就能垂直向下破碎巖石,不會向四周擴(kuò)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(yōu)點,對聚能爆破破巖機(jī)理和影響因素進(jìn)行進(jìn)一步系統(tǒng)的研究是非常必要的。

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