特殊环境下清障爆破方法研究

2010-02-23周志强易建政闫军龚华雄

装备环境工程 2010年4期

周志强，易建政，闫军，龚华雄

（1.军械工程学院，石家庄 050003；2.总装工程兵军代局驻重庆地区军代室，重庆400010；3.78618部队，成都 610100）

地下军事设施是战时作战指挥、通信、人员生存及武器装备、弹药、物资储存的重要场所，具有隐蔽性、封闭性、抗毁性等优点。但是，随着现代侦察技术和大威力精确制导武器的不断发展，远程精确打击地下军事设施等坚固军事目标具有现实可能性，地下军事设施战损抢修清障是面临的实际问题。由于战时抢修工作时间紧、强度高、头绪多，周围环境极其复杂，地下设施内部空间有限，清障机械无法作业。因此，功效高、易实施的爆破法将成为清理障碍物的重要手段，探求适用于地下军事设施战损抢修清障的爆破方法成为现实需求。

1 工况概述及爆破方法的选择

地下军事设施环境特点主要是：1）洞内空间约束，影响操作手顺利施工，搬运机械无法作业；2）存放的特殊物资（如弹药，火炮等军械装备）对震动、空气冲击波等危害的防护要求较高；3）处于半开放或密闭环境，爆破的危害效应倍增，若对爆破危害控制不严，可能使洞库损伤程度进一步加重。基于地下军事设施战损环境特点以及抢修时限，对清障爆破的要求是：1）时间紧，抢修任务重，作业效率要求高；2）为确保洞库内武器弹药和人员的安全，防止损伤加剧，对震动、空气冲击波等爆破危害的控制标准高；3）爆破破碎块度需适当，便于人工清渣。

地下军事设施战损抢修过程中清障爆破的主要对象是人工无法移除的大块体。考虑到地下军事设施环境特点和爆破对象，广泛比较各类控制爆破方法，其中高能燃烧剂爆破和聚能切割爆破具有显著优势。

2 高能燃烧剂爆破

2.1 概述

高能燃烧剂爆破是一种特殊爆破施工技术，主要利用高能燃烧剂的高温高压来破碎岩石或混凝土，特点是在施工过程中没有或极低少在震动、飞石、声响等危害。因此，在地下军事设施环境下的清障工作中具有传统爆破作业无法比拟的优势。研制成功的高能燃烧剂爆破与其他爆破方式的比较见表1。

从表1 中可以看出，高能燃烧剂具有快速作用的优势，只要工艺设计合理，使用高能燃烧剂便可实现快速、安全的准静态爆破。因此，要解决地下军事设施战损抢修中障碍物的快速清理问题，高能燃烧剂爆破可优先考虑。

2.2 原理[2—3]

高能燃烧剂通常采用金属氧化剂和金属还原剂按一定配比混合而成。燃烧剂在密闭介质中被点燃后，能迅速产生化学反应，释放一定量的气态生成物和热量，使周围介质急剧受热。介质在气态产物膨胀应力及热应力共同作用下，因其膨胀程度不同而胀裂；同时，气体产物进入裂缝，通过气刃的尖劈效应，使裂缝进一步发展和扩大，炮孔间裂缝贯通达到自由面，从而使介质被切割和破碎。

常见的燃烧剂化学反应式如下：

为了增加燃烧剂的能量，有的产品中还加入可燃物，如木粉、硫磺粉和非金属氧化物硝酸铵等。由实验可知，燃烧剂反应生成物受热后虽被气化，但当温度降至反应产物的沸点以下时，即变为固态。因此，当气态产物扩散到自由面变为固态时，压力会骤然下降，所以破块的飞散距离、噪声及震动效应等均比工业炸药爆破要小得多。

2.3 高能燃烧剂配方设计

目前我国常用的燃烧剂主要分为2 大类：一类是金属燃烧剂，由金属氧化剂和金属还原剂按一定比例配制而成，燃烧后的反应产物为沸点很高的金属和金属氧化物；另一类是复合燃烧剂，成分中除了主要为金属氧化剂和金属还原剂之外，还含有一定的非金属氧化剂和非金属还原剂，燃烧后的反应物除了有沸点很高的金属和金属氧化物之外，还有沸点较低的非金属和非金属氧化物。相对于金属燃烧剂，复合燃烧剂的成本较低，威力较大，飞石、震动、声响及对介质切割面的损伤程度也大。国内典型的几种燃烧剂的配方见表2。

表2 国内几种燃烧剂的配方（质量分数）[3]Table 2 Composition of several kinds of combustion agent in domestic%

3 聚能切割爆破

3.1 原理

聚能效应又叫空心效应或诺尔曼效应，它是利用装药一端的空穴使能量集中从而提高爆炸后局部破坏作用[4]。聚能装药爆破的作用过程可分为4 个阶段[5—6]：1）带楔形罩的聚能装药在炮孔内起爆后，爆炸波到达药型罩罩面时，金属罩由于受到强烈的压缩，高速向其对称面运动，形成金属射流；2）射流首先作用在炮孔壁岩石上形成切缝，即初始导向切缝；3）炮孔连线方向上岩石初始导向切缝形成的同时，炸药爆轰产物流充满整个炮孔空间，对整个炮孔壁岩石施加准静态载荷，炮孔壁初始切缝在这一准静态载荷作用下起裂、扩展和贯通；4）爆生气体的残压作用将开裂的岩块向外推移一定距离。聚能装药爆破作用过程如图1所示。

图1 聚能装药爆破作用过程Fig.1 Schematic diagram of energy-concentrated charge blasting process

3.2 聚能药包设计

3.2.1 炸药

影响炸药对材料侵彻深度的主要因素是炸药爆压。随着炸药爆压的增加，侵彻深度也会增加。因此，聚能切割爆破时，为了提高裂缝长度，尽量选用高爆压的炸药，即爆速高、猛度大、密度较高的炸药，如TNT或黑梯混合炸药等。

3.2.2 楔形罩结构

楔形罩的作用是将炸药的爆轰能量转换成罩的动能，从而提高聚能作用，达到理想的切割效果。楔形罩的结构参数对聚能射流速度以及最终切割效果影响很大，主要包括锥角、壁厚和炸高等。各参数设计的具体分析如下[6—7]。

1）楔形罩锥角直接影响金属射流的速度和质量。按照流体力学理论，射流速度随着楔形罩锥角的减小而增大，射流质量则随着锥角的减小而减小。射流速度高，有利于提高侵彻深度；射流速度低，侵彻深度变小，但射流质量高，侵彻直径增大。

2）楔形罩壁厚对射流性能和聚能威力有显著影响。壁厚是随着药型罩材料比重的减小而增加，随锥角的增大而增加，随罩的直径的增大和外壳的加厚而增加。

3）楔形罩炸高也会影响切割效果。炸高增加能使侵彻射流增长，从而提高侵彻深度；但炸高增加太多会使射流产生分散和摆动，甚至引起射流断裂，导致侵彻深度下降。文献[8]认为，楔形罩顶角在80～90°时侵彻深度最佳，楔形罩厚度为其底部宽度的0.05～0.08 倍时切割效果最好。文献[6]认为有利的炸高是楔形罩底部宽度的0.8～1.05倍。

3.2.3 楔形罩材料

在选取楔形罩材料时，必须满足：材料的可压缩性小，密度大，塑性和延展性好，在形成射流过程中不会产生气化。表3中列出了不同罩材料的侵彻深度，从中可以看出紫铜罩的侵彻深度最大。

表3 不同材料药型罩的破甲试验结果[4]Table 3 Test results of shaped charges with different linear

4 爆破试验

4.1 模型试验

试验所选用的方石模型为大理岩，抗压强度110.5 MPa，抗拉强度6.1 MPa，弹性模量37 GPa，密度2.35×103kg/m3，中孔直径38～40 mm，孔深600 mm，长宽高分别为300，300，800 mm。试验用高能燃烧剂配方为m（铝）∶m（氧化铜）∶m（硝酸铵）=3∶7∶1，电点火头起爆件，起爆件为8 号电雷管。对比试验炸药为TNT，其余条件同。两次爆破的装药量均为20 g，堵塞长度为300 mm，选用MFB100 型发爆器电点火起爆。爆后岩块照片如图2所示。

图2 爆后岩块照片Fig.2 Photo of square rock after blasting

单次起爆后对岩块块度和飞石距离进行了测量，高能燃烧剂爆破的爆后岩块为3 块，如图2a 所示，岩块散布于距离起爆点0.3～0.7 m 的范围内；炸药爆破的爆后岩块，如图2b 所示，飞石散布于距离起爆点5～6 m的范围内。另外，高能燃烧剂爆破的声响极小，且无地震效应。试验结果表明，高能燃烧剂爆破的安全性显著优于炸药爆破，“气楔”切割效能明显。

4.2 现场试验

试验所用的岩石为大理岩，抗压强度123.7 MPa，抗拉强度 6.9 MPa，弹性模量 42 GPa，密度2.54×103kg/m3。两块岩石样品形状相似，上表面的面积约为1.5 m2，高约1.2 m，近似为正方体。炮孔深度为800 mm，孔径为34～36 mm。试验中采用的高能燃烧剂配方为m（铝）∶m（氧化铜）∶m（硝酸铵）=3∶7∶1，TNT 聚能药包直径17 mm，不耦合系数约为2，其金属楔形罩的材质为生铁，底部宽度5 mm，锥角取90°，厚度0.3 mm。2 次爆破的装药量均为30 g，堵塞长度为500 mm。爆后现场照片如图3 和图4所示。