聚能爆破技术的发展及研究现状

2010-11-06石连松宋衍昊

山西建筑 2010年5期

石连松宋衍昊陈斌

0 引言

聚能爆破,是利用一定的装药结构设计出特定的聚能药包对爆破对象进行作用的一种爆破方法。该方法的特点是能量集中、方向性强、穿透力大、能量密度高等,在实际工程中聚能药包还具有体积小、效果好、作用迅速、减少施工人员、减轻作业人员的劳动强度等优点,而整个施工过程更具有操作简单,对作业环境要求较低等特点,能给整个工程带来可观的经济效益。因此,逐渐受到国内外爆破界的普遍重视。

1 聚能爆破技术的产生

炸药聚能效应最早被人们发现是在19世纪,然而由于各种原因没能引起人们足够重视,发展较为缓慢,初期的聚能效应被应用在军事领域。主要应用在对炮弹的破甲作用的研究中。二战以后聚能作用才被人们慢慢的应用于矿山开采、航道疏浚、岩石破碎、冻土中穿孔等其他领域。

综上所述,自二战以来,聚能效应基本上分成了两个研究方向,即聚能效应在军事上的应用研究以及民用方面的应用研究。两者对爆破效果的要求略有不同,前者要求产生的射流能在介质中(主要是金属)形成一定的孔径和深度;后者要求射流在介质中(岩石等)形成一定的深度并产生一定的破碎体积。

由于爆破目的不同,聚能装药爆破作用也不相同,主要分为两种:1)利用聚能装药爆炸时的射流作用在岩石或硬质材料中钻孔、切割或定向断裂,钻孔要求有一定的孔径和孔深,切割要求有一定的切割深度,定向断裂要求断裂面有一定的平整度;2)利用聚能装药的聚能作用破碎岩石或其他坚硬的介质,要求有一定的破碎深度和破碎体积,以上两种情况的作用机理图解如图1,图2所示。

2 聚能爆破技术的研究历史

2.1 聚能效应在国外的研究历史及现状

前苏联的苏哈烈夫斯基1923年～1926年间对聚能效应进行了系统的研究,确定了无罩聚能装药的侵彻效果与装药参数的关系。1939年,法国科学家莫豪普特利用带有药型罩空穴装药原理,设计了许多军事装置,包括枪榴弹、迫击炮弹、100 mm炮弹等,后在靶场进行实弹射击试验。德国人在二战期间对成型装药战斗部的研究获得巨大的进步。舒曼在1941年报导了关于炸高距离效应、炸药透镜、波形形成以及半球形药型罩的研究,并指出半球形药型罩是一种有效的成型装药药型罩。

到19世纪70年代中期,当引入炸高概念提高对靶板的毁伤效应之后,在实际战斗中开始采用爆炸成型弹丸(Explosively-Formed Projectile)。一些国家还从事一些专用成型装药的其他应用研究。这些专用成型装药设计包括外壳或炸药的压实,改变几何形状或改变所使用的装药类型,改变起爆方式,或改变药型罩的几何形状均可获得良好的效应。此外,一些50年代开始的研究工作仍在继续,聚能装药在民用领域的应用也在日益增大。

2.2 聚能效应在国内的研究历史及现状

我国对聚能效应的研究是从解放后开始的,西安近代化学研究所(204所)做了装药结构的各种参数对破甲效果影响的大量试验,得出了不少有益的结论。20世纪70年代初期,我国投入了大量人力、物力,对聚能爆破进行了数年深入系统的研究,并且采用大型计算机进行了HELP程序的数值计算,使得我国学术和工程界对聚能爆破的认识有了明显提高,达到了一个新的水平。

国防科大二系205教研室曾新吾等对线形聚能装药进行了理论研究,提出了一端起爆的线形聚能装药射流形成的不定常理论模型。同时指出,法国Defourneanx.M的定常射流形成模型是该模型的一个简单的特例,弥补了其不足之处。

80年代中期,中国矿大北研部的杨永琦教授等着重研究了聚能药包切割机理和应用,研制出线形聚能切割器,将聚能爆破用于露天矿排水管的切割。试验结果表明,炸高对聚能爆破的穿透能力有着明显影响。高尔新通过轴对称径向聚能效应的试验研究,认为由于径向的发散作用,聚能效应对于炸高十分敏感。

何广沂以多次实验的总结资料为依据,根据聚能原理进行了几种聚能药包的设计,介绍了实验结果和在实际爆破中的应用效果,并用丰富直观的工程实例作依据,进行了爆破经济技术效果分析。

谢源等针对岩石二次破碎的特点,利用聚能药包的聚能原理,试验研究了不同聚能药包形状产生的不同爆破效果,从而确定了较适合于岩石二次破碎的药包形状。试验结果表明不同形状的聚能穴将对爆破漏斗的各参数,如深度、体积等产生较大影响。

杨思德采用水封聚能药包爆破大块,既克服了钻孔的麻烦,又克服了糊炮浪费炸药的缺点,对降低二次爆破炸药单耗,降低粉尘浓度,提高出矿效率等有明显效果。

中国矿业大学(北京)的刘殿书教授等在进行水下聚能爆破破碎岩石时也进行了试验。试验表明聚能装药的聚能作用增大了漏斗中心的破碎深度,但漏斗直径和漏斗体积均降低;采用金属聚能罩,由于金属射流的作用,爆破破碎深度比普通聚能穴更大;增加径向约束将使爆破漏斗的直径、深度和体积均有所增加。

2.3 数值模拟在聚能效应研究中的应用

近年来随着计算机技术的快速发展,数值模拟也被逐渐应用到爆破领域中来,人们对聚能效应的认识将会有很大的提高。

数值模拟技术在爆破聚能效应研究中的应用不仅能减少传统的人工试验次数,减少人力物力的投入,还能够为人们提供如此短的作用时间内的作用过程,为人们预测相应的工程结果提供参考依据。

然而由于聚能射流的形成及侵彻过程是多种物质大变形的复杂运动,仍难以在较少的CPU时间内准确模拟射流形成及其侵彻的全过程,对计算模型及网格划分有着很高的要求。但作为一种经济适用的聚能装药优化设计工具,在实际应用中起着越来越重要的作用。

3 聚能爆破技术的未来展望

从几十年的发展来看,国内外从理论和试验上对聚能效应进行了深入的研究,得出许多重要成果,为聚能爆破的进一步发展和推广打下了坚实的基础。但是聚能效应在民用方面特别是在聚能爆破破碎岩石方面,仅针对具体工程做过一些试验,缺乏全面、系统的研究和相应的理论分析。

聚能效应在民用方面的应用涉及到矿山岩石破碎、石油井壁击穿、金属切割、土岩穿孔、抢险救助以及航道的疏浚等领域,其突出的优点是:不需要打眼,不需要购买打眼设备和动力设备;施工简单,施工进度比打眼爆破法快;安全性比普通打眼爆破法和普通裸露药包爆破法好;劳动强度比打眼爆破法低;爆炸时产生的冲击波具有良好的方向性。施工时只要将药包垂直装在大块岩石的表面上,聚能穴朝下,爆破时产生的冲击波就能垂直向下破碎岩石,不会向四周扩散而破坏孔壁,给钻孔施工带来更大的麻烦。

基于聚能爆破的这些优点,对聚能爆破破岩机理和影响因素进行进一步系统的研究是非常必要的。

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