炸药能量的和平利用(II)

沈兆武， 马宏昊， 李雪交， 余 勇， 王 飞， 陈 伟， 任丽杰， 程扬帆， 缪广红

(1.中国科学技术大学 中国科学院材料力学行为和设计重点实验室， 合肥 230026；

2.安徽理工大学， 安徽淮南 232001)



炸药能量的和平利用(II)

沈兆武1， 马宏昊1， 李雪交1， 余 勇1， 王 飞1， 陈 伟1， 任丽杰1， 程扬帆2， 缪广红2

(1.中国科学技术大学 中国科学院材料力学行为和设计重点实验室， 合肥 230026；

2.安徽理工大学， 安徽淮南 232001)

摘要：介绍了中国科学技术大学爆炸力学实验室多年来在和平利用炸药能量方面的工作成果，内容涉及起爆器材如飞片雷管、线延期技术和爆炸二极管，并将其应用到煤矿高温火区等特种爆破中；采用蜂窝结构炸药和双面爆炸复合技术生产多层金属复合板和复合管，减小了爆炸复合能量和环境污染；提出环向柔性聚能致裂器使岩层形成网络裂纹，并应用到页岩气开采中。

关键词：爆炸二极管； 特种爆破； 飞片雷管； 爆炸复合； 页岩气； 炸药

1引 言

与很多常见物质相比，炸药的总能量并不高，但炸药的反应速度非常快、功率高、做功能力强。人们利用炸药的这种特性将其应用于各种领域，如武器、弹药、爆破、爆炸合成新材料、医学等。笔者在多年的教学科研中，在炸药能量利用方面开展了一些工作，本文主要撷取与民用相关的研究成果。

2高安全起爆器材

2.1高安全飞片式无起爆药雷管体系〔1-9〕

高安全飞片式无起爆药雷管技术自1987年首次提出此概念以来，历经二十多年的发展，已形成多代技术并发展成熟。该技术是为了解决起爆药雷管的安全性问题，发轫于冲击片雷管的设计理念，以“激发装置”这一核心元件的定型而成熟。其起爆原理是使用高速运动的飞片撞击雷管主装药，依据非均质炸药短脉冲起爆判据，当飞片撞击能量大于临界起爆能量时，即可实现雷管起爆。飞片雷管不含起爆药，避免了因起爆药引发的感度过高的安全问题，如图2.1所示。各种实验均表明，飞片雷管具有安全、可靠、无污染的特点，适合我国国情，具备大规模推广的价值。目前，该技术已在国内十余家企业生产应用，并于2012年获国家知识产权局颁发的中国专利奖优秀奖以及2013年安徽省科学技术奖三等奖。

图2.1　延期飞片电雷管与飞片非电雷管Fig.2.1　Instantaneous flyer detonator and delayed flyer detonator

2.2线延期技术

传统延期技术多为铅芯拉拔技术：将装有延期药的粗铅管材料经过多次拉拔工艺，成为其外径与雷管内径(通常为7mm左右)能松动配合的铅管(通常在5.5mm～6.5mm范围内)，再根据延期时间长短的需要切成合适的长度即为延期元件，然后将其装入雷管中，如图2.2所示。

图2.2　线延期技术Fig.2.2　Linear delay technic

受雷管管壳尺寸限制，传统延期技术需要多种配方来实现不同延时段别的延时效果，配方众多，精度难以保证。

笔者受导爆管启发，由于导爆管主要起传爆作用，内部传爆药粉爆轰后具有较高点火能力，同时延期雷管的导爆管长度较长。基于这两点，提出线延期技术(图2.2)。线延期技术是将延期体经多次拉拔后减小其直径(1.4mm~1.5mm)，使之能够插入普通导爆管空腔内。导爆管内部传爆药粉能够将延期线引燃，同时，导爆管的长度保证了线延期体的长度，使得线延期体能够实现较长时间延期。线延期体保证一定笔直度，切长根据延时时间需要确定，仅使用少量配方即可实现所需延时需求，具有延时精度高、成本低、延期方式灵活的特点，可与飞片雷管技术配合使用。

3煤矿高温火区爆破

近年来在高温火区煤矿爆破开采过程中已经发生多起重大安全事故，原因皆是在爆破作业中子网路炮孔发生早爆、误爆引发整个起爆网路误爆，这些事故严重威胁了人员的生命安全、影响了矿产资源的开采效率〔10〕。治理火区爆破已成为当前的一项重要课题〔11-15〕。笔者针对高温火区存在的爆破网路不安全性问题，设计了一种爆炸二极管逻辑元件，在借鉴逻辑元件设计原理的基础上组成的一种由爆炸二极管和常规导爆索等火工品构成的爆炸逻辑网络，该网络具有布尔逻辑判断能力和类似电子电路的信号处理功能，爆炸二极管在网络中可对来自不同方向爆轰信号做出逻辑判断，选择是否传播或关闭起到控制爆轰信号传播方向的作用〔16-18〕。针对高温孔中炸药耐温问题，设计了一种隔热胶体保护结构，通过在炸药外层耦合添加胶凝体隔热层，延长炸药升温时间，增加爆破作业安全时间。

3.1爆炸逻辑网路

爆炸二极管〔19-20〕结构包括两端敞口外壳、中空橡胶结构、熄爆通道、隔爆序列、两端密封件、爆轰信号输入端(A端)、输出端(B端)，A、B端根据使用插入导爆索、金属导爆索等火工品。元件外壳是两端开口的筒形，两端插入密封件后留有足够长度的空腔，使A、B端火工品插入外壳后与外壳过盈配合。隔爆序列外壳是一端开口、一端封闭的敞口筒形壳体，通过卡口固定位置，内部由激发装置和不同密度分层钝感装药构成，为了避免激发药在激发内帽中流动，在激发药上方压盖蜡纸密封(图3.1)。隔爆序列内部由分层装药构成，底层9为高密度造粒钝化后的太安，中层10为松散密度下造粒钝化后的太安，上层激发装置由激发药与激发内帽组成，激发药组分为太安/石墨/铝粉/氧化剂。正向传爆和反向隔爆试验表明(图3.2)，所设计的爆炸逻辑网路具有正向传爆可靠、反向隔爆稳定的效果，能够解决爆炸网路中的安全性问题。

1/7-密封件Sealing element；2-中空橡胶结构Hollow rubber structure；3-密封蜡纸Sealing wax paper；4-激发内帽Excitationinner capsule；5-金属壳体Metal shell；6-隔爆序列Flame-proof structure；8-爆轰信号输出端Detonation signal output end；9-一次装药1st charge；10-二次装药2nd charge；11-激发药Excitation powder；12-卡口固定Bayonet fixing；13-熄爆通道Extinction channel；14-爆轰信号输入端Detonation signal input end图3.1　爆炸二极管元件结构示意图Fig.3.1　The structure diagram of explosive diode

图3.2　正向传爆与隔爆安全性实验Fig.3.2　The explosion test and results

3.2胶体隔热保护结构

图3.3　胶体水形态图Fig.3.3　Water in colloform

针对高温火区高温炮孔，传统方法采用注水降温。但在我国西北地区水资源匮乏，注水降温过程中，水会沿着炮孔裂缝流失，无法高效率利用其降温，且造成水资源浪费；注水降温过程会形成大量高温水蒸气，还容易烫伤施工人员。笔者设计了一种胶体隔热保护结构〔21〕，采用高比热容、隔热效果好的胶凝体材料(图3.3)耦合密实的包裹在所用起爆器材以及工业炸药外层，胶凝体外层采用支撑材料固定，胶体结构起到隔热防火、延长高温孔中炸药升温时间，增加爆破安全作业时间的作用。胶凝体层具有高比热容、隔热、阻燃性质。在高温炮孔中结构本身可以吸收大量热量；在持续升温情况下，有一部分胶体会通过吸热汽化带走热量从而到达增加安全作用的时间，大大节省了水资源。

现场验证实验设计如下: 用一根3m铁管，一端用陶瓷纤维布加铝箔布密封，内部分别装入水溶液与胶体水作为隔热层，铁管内部用热电偶测温，整体测温结构置于高温炮孔中(360℃~380℃)，测温时长60min。温升曲线(图3.4)表明，胶体水与水溶液相比升温速率基本相同，蒸发速度不同，胶体水明显比水溶液慢。实验中，水溶液在整体沸腾后顶部会喷出，胶体水则不会。胶体水中热对流受到了阻滞，降低了热的对流与传导，自由水分子减少，减缓了水分子热运动，比单纯水溶液吸热、隔热效果有明显优势。

图3.4　水溶液与胶体水温升曲线Fig.3.4　Heating curve of water and water in colloform

4爆炸加工

爆炸复合技术的产生与发展经历了大约七十年，国内外学者对目前仍在广泛使用的较为原始的仅利用炸药一侧能量的大装药量的单面爆炸复合进行了很多深入的计算和研究，由于仅利用了炸药一侧的能量，导致大部分的能量以冲击波的形式释放在空间中，造成了炸药的能量利用率极低、成本增加、爆炸产生的噪声，即便在5km之外仍能达到80db~90db。还存在如下问题：工作量大、粉尘污染严重，损害操作人员的身心健康、机械化程度低等。这些问题的存在严重限制了该产业的发展。笔者所开展的爆炸加工有别于传统爆炸方法，主要解决了多层金属一次性爆炸复合问题，并期望解决传统爆炸复合炸药能量利用率低的问题。

4.1多金属板爆炸复合技术〔22-26〕

金属复合材料充分发挥单一金属组元各自的优点，同时节约了大量贵重金属，具有很高的经济价值和应用前景。目前金属复合板的生产广泛采用爆炸复合法。传统爆炸复合一次只能实现双层金属板的复合，而且多层金属材料复合需要将双层复合材料较平、打磨后再次爆炸复合，工艺复杂、复合效率低，结合强度不稳定。对此，笔者提出多金属板爆炸复合技术，通过一次爆炸工艺复合双层、三层及以上金属板，可简化工艺、降低生产成本、减小焊接炸药药量并提高效率，且覆层厚度不受限制，可广泛应用于化工设备、电力、军事装备、航空航天、舰船制造以及核电站等领域。“铝-钢”复合板金相(图4.1)表明，复合板界面结合良好，具有很好的应用前景。

图4.1　铝/钢界面金相组织Fig.4.1　OM photo at the interface of Al/Steel clad

4.2多金属爆炸复合管技术

2013年青岛输油管道爆炸事故(图4.2)造成62人遇难，136人受伤，直接经济损失7.5亿元。

图4.2　青岛爆炸事故现场Fig.4.2　Qingdao oil pipeline explosion site

其根本原因是输油管在潮湿环境中不断腐蚀〔27〕、失效穿孔引发原油泄漏。笔者当年参与了事故原因调查，之后开展了金属管道的爆炸复合研究工作。调研表明，金属管道腐蚀每年都会给国家带来巨大的经济损失，仅石化行业就达数千亿元。多金属复合管〔28-29〕通过不同材料的组合获得耐高温、耐磨损、高导电性的复合管材，能经济有效地解决钢管腐蚀问题。

对铝/钢/铝、钛/钢/不锈钢复合管的研究表明，爆炸复合方法〔30-31〕可一次性形成多层金属管，生产效率高，复层金属可厚可薄，界面结合紧密，在温差较大的环境下也不会出现开裂现象，是一种理想的复合方法。课题组设计并优化了一种高能量利用率、低损伤性的复合管爆炸焊接系统〔32〕，利用该系统已经实现了铝-钢-铝、铝-铜-铝、钛-钢-不锈钢等组合金属管的爆炸复合(图4.3~图4.4)。

图4.3　铝-钢-铝三层复合管 Fig.4.3　Al/Steel/Al composite pipe

图4.4　铝-铜-铝三层复合管 Fig.4.4　Al/Cu/Al composite pipe

对于细长管的复合，该系统较传统技术优势明显，利用其复合出的长径比超过65∶1的铝-钢-铝三层复合管(图4.5)未出现大变形，基本上不需要进行二次加工便可投入使用。对利用3mm爆炸索(药量约为4g/m)复合出的铝-钢复合管截取长径比为1∶1的试样进行压剪试验。得到压力时程曲线图(图4.6)。经计算得到其结合强度为3.19MPa，超过石油天然气行业标准规定的0.5MPa以及民用建筑行业规定的0.2MPa。该方法具有很好的市场应用前景。

图4.5　大长径比铝-钢-铝复合管Fig.4.5　Al/Steel/Al composite pipe with large aspect ratio

图4.6　压剪试验压力时程曲线Fig.4.6　 Curve of compression-shear test

4.3双面爆炸复合技术〔33-38〕

为了解决现行爆炸复合中存在的问题，笔者设计了一种新型的双面爆炸复合方法(图4.7)，并设计了专用蜂窝结构装药。

图4.7　双面爆炸复合装置图Fig.4.7 　Sketch map of device

图4.8　蜂窝结构炸药 Fig.4.8 　Honeycomb structure explosive

试验表明，蜂窝结构装药(图4.8)能够将乳化炸药临界厚度降低至5mm。不锈钢/Q235钢的双面爆炸复合板表征表明：复合板结合界面呈现波长15μm~18μm(图4.9)。波幅为5μm~8μm连续的微波状结合界面。一般认为爆炸复合具有三种形式的波状界面，微波(波长100μm左右，波幅20μm左右)、小波(波长50μm~200μm，波幅50μm左右)、大波(波长300μm左右，波幅100μm~150μm)。由爆炸复合的三种结合界面可知，微波状结合和大小波状结合相比，没有疏松状的空洞物和缝隙，几乎没有过渡区域等缺陷，说明微波状结合爆炸复合板具有较高的结合强度。

图4.9　不锈钢与Q235钢复合板界面OM图Fig.4.9　OM photo at the interface of stainless steel-Q235 steel clad plate

5页岩气开采

页岩气储层具有低孔隙度和超低渗透率的物性特征，导致气流阻力比常规天然气大，极大地影响了页岩气的开采效率。由于页岩气储层与常规能源储层差异很大，必须采用先进的开采技术，尤其是水平井钻井、完井及压裂技术，才能实现经济有效的开发。压裂技术是页岩气开采的关键技术之一，页岩气能否有效产出，很大程度上取决于压裂裂缝和压裂过程中诱导天然裂缝开启而形成的相互交错的网络裂缝面积大小。因此，如何形成有效的网络裂缝是开采页岩气的根本所在。

笔者利用高能炸药，结合仿生结构装药(图5.1)，拟将柔性环向聚能致裂器〔39-40〕应用在页岩气开采过程中增加页岩储层的渗透率，有效促使页岩裂隙充分发展，提高页岩气的开采效率。

图5.1　节肢动物蜈蚣和单个环向聚能致裂器Fig.5.1　Arthropod centipede and a single radial jet cutter

利用爆炸产生的360°环向聚能射流高速侵彻岩体，在岩体孔壁上形成初始诱导裂缝，并在爆炸产生的振动和高能气体作用下，使岩体内初始诱导裂缝进一步扩展，与页岩中初始天然裂隙形成大范围相互交错的裂纹网，增加页岩的孔隙度和渗透率(图5.2)。通过切割钢管模拟实验对该致裂器的作用原理进行了实验验证，并对环向聚能装药侵彻混凝土靶板进行了数值模拟，模拟结果显示环向聚能射流能够产生大量环向损伤裂隙，并进一步扩展形成相互交错的复杂裂纹网络。

图5.2　柔性环向聚能致裂器及爆炸致裂示意图Fig.5.2　Schematic diagram of the flexible radial jet cracker and explosion fracturing

6总 结

《炸药能量的和平利用(I)》〔41〕及本文介绍了笔者在爆炸力学方面的研究工作，内容涉及聚能射流、爆破器材、含能材料、爆炸复合、高温火区爆破、页岩气开采等。炸药能量的和平利用可以有多种方式，可以根据我们的目的选择合理、巧妙的方式使用炸药。愿与同行们共同促进我国爆炸力学向多元化、实用化、结合国计民生的需求方向发展。

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The peaceful use of explosive energy(II)

SHEN Zhao-wu1, MA Hong-hao1, LI Xue-jiao1, YU Yong1,WANG Fei1, CHEN Wei1, REN Li-jie1, CHENG Yang-fan2, MIAO Guang-hong2

(1.CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials (LMBD), University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China； 2. Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, Anhui, China)

ABSTRACT：Works on how to utilize energy of explosive in many ways in USTC were introduced in the paper. Flyer detonator, linear delay technic and explosive diode were introduced and applied for special blasting such as coal mine with high temperature. Honeycomb structure explosive and double explosive cladding technology were used to manufacture multi-layer composite plates and pipes, which could decrease explosive cladding energy and environmental pollution. Flexible radial jet cracker was proposed, which could make network crack formed in rock stratums and used in the shale gas extraction.

KEY WORDS:Explosive diode; Special blasting; Flyer detonator; Explosive cladding; Shale gas; Explosive

中图分类号：TD235； TJ-55

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.006

作者简介：沈兆武(1953-)，男，教授、博士生导师，一直从事爆破器材与爆炸技术的教学科研与技术开发工作。E-mail: hhma@ustc.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金面上项目(51374189)

收稿日期：2015-10-30

文章编号：1006-7051(2016)01-0030-08