氣壓對(duì)水下爆炸破巖能力的影響研究

黃 昊

(安徽雷鳴科化有限責(zé)任公司，安徽 淮北 235000)

0 引言

隨著工程技術(shù)的發(fā)展，水下爆破得到了廣泛應(yīng)用。爆破時(shí)炸藥所受壓力與爆破界面的水深有著密切關(guān)系，而且氣壓隨著海拔的不同有所變化，也導(dǎo)致炸藥所受壓力的變化。因此研究壓力對(duì)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(jìn)行，并達(dá)到理想的爆破效果。本文以氣壓為對(duì)象，研究壓力對(duì)水下爆炸的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 試件

實(shí)驗(yàn)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(gè)φ0.7cm、深12cm的小孔，孔兩邊對(duì)稱位置各裝一個(gè)掛鉤用于實(shí)驗(yàn)時(shí)懸吊試件。試件干燥完全成型后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

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

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用球形高壓爆炸容器進(jìn)行模擬爆炸。如圖1所示[1]，爆炸容器的內(nèi)徑為1.5 m，容積為1．767 m3，設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa，最高耐壓實(shí)驗(yàn)壓力2.625 MPa。容器四周各有一個(gè)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(jìn)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(shí)驗(yàn)條件與過(guò)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?cè)嚰惺艿膲毫Γ瑥亩_(dá)到模擬氣壓環(huán)境的效果。

本實(shí)驗(yàn)裝藥為一發(fā)8號(hào)工業(yè)電雷管(TNT當(dāng)量為1.07 g)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將雷管置于試件的小孔內(nèi)，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(duì)大氣壓較小，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中忽略不計(jì))。容器底部放置有碎塊回收網(wǎng)，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(duì)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(jìn)行10組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)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(gè)實(shí)驗(yàn)壓力條件下，爆炸2次求出平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 碎塊塊度測(cè)量

碎塊塊度大小是由碎塊的最大邊長(zhǎng)直徑?jīng)Q定的。用事先做好的鋼圈(每個(gè)鋼圈都有確定的直徑)來(lái)測(cè)試碎塊是否能通過(guò)鋼圈，若碎塊能通過(guò)鋼圈就換直徑小的，直到碎塊不能通過(guò)為止。實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shù)量分析

對(duì)收集的碎塊進(jìn)行測(cè)量，統(tǒng)計(jì)出碎塊大小及數(shù)量如表2所示，碎塊數(shù)量百分比與氣壓的關(guān)系如圖2所示。

圖2 碎塊數(shù)量百分比與氣壓的關(guān)系

表2 碎塊大小及數(shù)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(shù)量并沒(méi)有明顯的變化，而且碎塊大小的分布也沒(méi)有顯著改變，說(shuō)明了水下爆炸的破碎度與氣壓無(wú)關(guān)。

2.3 碎塊質(zhì)量分析

待爆炸的碎塊干燥后稱量，整理數(shù)據(jù)如表3所示，碎塊質(zhì)量百分比與氣壓的關(guān)系如圖3所示。

圖3 碎塊質(zhì)量百分比與氣壓的關(guān)系Fig.3 Fragments mass percentage relationship with the pressure

表3 碎塊大小與質(zhì)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(zhì)量分布沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，中塊的質(zhì)量始終占據(jù)最大比例。

3 結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)從碎塊數(shù)量分布和質(zhì)量分布的角度來(lái)研究氣壓對(duì)水下爆炸破巖能力的影響。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著氣壓的變化，碎塊數(shù)量分布與質(zhì)量分布的變化并不明顯，即水下爆炸的破巖能力與氣壓無(wú)關(guān)。

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(jié)果，即兩種作用形式在爆破的不同階段和針對(duì)不同巖石所起的作用不同。爆炸沖擊波使巖石產(chǎn)生裂隙，并將原始損傷裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，隨后爆炸氣體使這些裂隙貫通、擴(kuò)大形成巖塊，脫離母巖。

由于應(yīng)力波在試塊中的傳播主要與介質(zhì)本身有關(guān)，不隨氣壓的改變而改變。爆炸氣體的作用也主要表現(xiàn)在拋射碎塊的速度上，因此破碎效果與氣壓無(wú)關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論與上述觀點(diǎn)相符。