新型水下爆破切割弹在卡钻事故中的应用.pdf

第2 9 卷第4 期 爆破 V 0 1 ．2 9N 。．4 2 0 1 2 年1 2 月B L A S T I N GD e c ．2 0 1 2 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 4 ．0 2 5 新型水下爆破切割弹在卡钻事故中的应用 金志成1 ，程扬帆2 ，王凤英1 ，沈兆武2 1 ．中北大学安全工程系，太原0 3 0 0 5 1 ；2 ．中国科学技术大学近代力学系，合肥2 3 0 0 2 7 摘要针对安庆铜矿某一矿井的卡钻事故，在分析卡钻原因的基础上，结合井下地质情况，设计一种新型 水下爆破切割弹。采用熔融的钝化黑索金浇铸装药，提高炸药的能量密度；加入1 2 根铜管形成了环形切割 器，利用聚能射流侵彻钻杆以达到破坏钻杆的目的。通过爆破切割实验和工程实践可知，新型水下爆破切割 弹能够有效解决卡钻事故。 关键词卡钻；水下爆破；爆破筒；爆破切割 中图分类号 T D 8 2 3 ．1 1 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 x 2 0 1 2 0 4 一O 1 0 3 0 3 A p p l i c a t i o no fN e wT y p eU n d e r w a t e rE 】【p l o s i 仰 C u t t e ri nD r i UJ a m m i n gA c d d e n t J l Nz h i ．c h e n 毒．C H E N GY 6 m g j 砸亡．W A N GF e n g ．咖0 。s H E Nz h Q o ．蜘心 1 ．D e P a n m e n to fS 出t yE 嚼n e e 抽g ，N 硪hU n i v e r s i t y0 fC h i n a ，T a 蜘a n0 3 0 0 5 1 ，C h i n a ； 2 ．D e p a r t m e n to fM o d e mM e c h a n i c s ，U n i V e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g yo fC h i n a ，H e f e i2 3 0 0 2 7 ，C h i n a A b s t r a c t An e wu n d e 州a t e re x p l o s i o nc u t t e rw a sd e v i s e dT Dd e a lw i t ht h ed r i Uj a m m i n ga c c i d e n to fA n q i n g c o p p e rm i n eb a s e do nt h eg e o l o g yc h a r a c t e r i s t i c 8u n d e 唱r o u n da n dt h ed i l l - j a I m n i n gr e 鹊o n 8 ，T oi n c r e 鹊et h ee x p l 0 8 i v e e n e f 科d e n s i t y ，t h ei n a c t i v ef t D Xw a sh e a t e ds u 豫e i e n t l y 沁m e l ta n d 出e nP u t i n t ob 丑m g 茧。诧t o 平e d o ．1 2c o p p e rp i P e s w e r ei n s e r t e da r o u n dt h ee x p l o s i v e sw h i c hf o 瑚e dar i n gc u t t e ra n dp e n e t I 丑t e dt h ed r i l lp i p eb yt h ec h a r g ej e t ． T h m u g hb l a s tc u t t i n ge x p e I i m e n ta n de n 百n e e r i n gp r a c t i c e ，t l l en e wt y p e0 fu n d e r w a t e re x p l o s i o nc u n e rw a sp r o V e dt o b ee f f e c t i v e l yi nd e a l i n gw i t h 山e 商Uj a m m i n ga c c i d e n t ． K e yw o r d s d r i Uj 砌m i n g ；u n d e r w a t e re x p l o s i o n ；b a l l g a l o r et o r p e d o ；e x p l o s i v ec u t t i n g 1 深井卡钻事故介绍 1 ．1 工程概况 安庆铜矿某一钻井在采心钻探施工过程中，因 收稿日期2 0 1 2 0 6 一l O 作者简介金志成 1 9 8 8 一 ，男，中北大学在读硕士研究生。主要从 事火灾安全与爆破技术相关领域的研究， E - m a i l j i n z I l i c h e n 9 1 9 8 8 1 2 6 ．c o m 。 通讯作者王凤英 1 9 5 5 一 ，女，中北大学教授，从事火灾安全与爆 破技术和装甲防护技术的研究， E - m a i l w F Y 吣 1 6 3 ． C 0 m o 基金项目国家自然科学基金面上项目 项目批准号5 1 1 7 4 1 8 3 ；国 家自然科学基金重点项目 项目批准号5 1 1 3 4 0 1 2 取粉管磨损，在提钻时突然脱落导致钻头被卡住，卡 钻深度为2 6 7m ，因钻具重量达数十吨，采用1 0 0t 的拉力无法上提，此时钻头已完全卡死，建井单位采 取提钻和反钻等方法，均无效果。经专家研究，决定 采用爆破方法把钻头上部的钻杆炸断，以便提出钻 杆。 1 ．2 钻杆情况 钻杆内径为6 5m m ，外径7 5m m ，壁厚1 4m m ， 钻头卡死位置位于井下2 6 7m ，该处地质主要是硬 质砂岩J ，砂岩的抗压强度为4 ．5 1 8 0M P a ，平均 万方数据 爆破2 0 1 2 年1 2 月 抗拉强度为0 ．2 一1 5 ．2 0M P a ，钻杆内有水和泥浆， 卡钻处压力高3 ～4M P a 。 2 处理方案 2 ．1 事故分析及方案确定 由于钻杆内径仅为6 5m m ，这使得用药量得到 了限制，所以要想炸断钻杆必须保证炸药具有很高 的威力。钻杆内有水和泥浆，且位于井下2 6 7m ，压 强大，因此所使用的炸药必须具有良好的防水和耐 高压性能。解决问题的关键在于破坏卡住钻头上部 的钻杆，参考已有的关于处理井下卡钻问题的成功 经验心J ，经过和工程技术组人员商议，决定在钻头 上方钻杆内采用爆破法解决卡钻问题。通过设计一 种新型水下爆破切割弹，解决了炸药受防水性、耐高 压和用药量的限制问题，快速有效的解决卡钻事故， 从而减少经济损失。 2 ．2 新型水下爆破切割弹设计 由于钻杆内径很小，影响了炸药的装药量，因此 如何利用有限的钝化黑索金产生最大的爆炸威力是 爆破成败的关键。通过在水下爆破切割弹中引入聚 能作用∞J ，增加了水下爆破切割弹的爆炸威力。新 型水下爆破切割弹内径为5 0m m ，外径为5 5m m ，采 用熔融的钝化黑索金浇铸装药，炸药与弹体内壁之 间插入1 2 根铜管并呈环形，为了保证水下爆破切割 弹能够顺利的下降到爆破位置，在设计水下爆破切 割弹时在其底部增加了锥形的配重，如图1 、图2 所 示。制作水下爆破切割弹的关键是密封问题，水下 2 6 7m 处水压高达3 ～4M P a ，任何细小的缝隙都可 能会导致水被压入水下爆破切割弹，起爆电线在爆 破切割弹的人口与弹体的接触面的密封性的好坏决 定着水下爆破切割弹是否能够起爆。通过在爆破切 割弹接口处涂抹环氧树脂，解决了密封性问题。实 践证明，处理后的水下爆破切割弹能够满足深水爆 破的要求。 3 爆破切割实验 为了确保有效解决卡钻事故，达到一次性解决 卡钻的目的，我们事先对水下爆破切割弹的爆破切 割效果进行了验证。由于在地面上进行实验，因而 无须考虑水和压强的影响，为简便起见，设计一种简 易爆破切割弹，爆破切割原理与水下爆破切割弹完 全相同。实验采用的钢管与安庆铜矿的钻杆相同， 采用熔融的钝化黑索金浇铸装药，并加入1 2 根铜 管。图3 依次是简易爆破切割弹、爆破切割实验装 置图和钢管爆破切割效果图，加入的1 2 根铜管与是 黑索金浇铸装药形成了1 2 个线性聚能药型罩HJ ，圆 环形纸壳起到固定铜管和炸药的作用。 o C o v e rb o a r d D e t o n a l o r S h e I l C o p p e rp i p e C o p p P r p i p 8 M a i nc h a r g e S h e l l 图l 新型水下爆破切割弹结构示意图 单位c m F i g ．1D i 孵删哪6 c8 k e l c h0 fB 嘲a l 哦t o r p e d o t I I I i t 咖 图2 新型水下爆破切割弹实物图 F i g ．2P h y s i c a lp i c t 眦o f B 卸列o r et o r p l e d o 炸药爆轰后1 2 根铜管在高温高压的条件下形 成1 2 条聚能射流侵彻钢管，射流速度越大侵彻效果 越好，而射流速度的大小在一定条件下又与炸药的 密度、爆压和能量成正比。通过采用熔融的钝化黑 索金浇铸装药，增大了钝化黑索金的装药密度，提高 了有限体积情况下钝化黑索金爆轰释放的能量；爆 炸射流速度也因炸药能量的增加而增加，从而增强 了爆破切割效果。因此，通过浇铸钝化黑索金和在 炸药中引入铜管的方法能够显著增强水下爆破切割 弹的爆炸威力。由图3 可以看出，课题组设计的简 易爆破切割弹能够很好的破坏钢管的结构，所以利 用相同爆破切割原理制成的新型水下爆破切割弹， 用于解决安庆铜矿的卡钻事故具有很强的可行性。 4 事故处理 4 ．1 爆破效果 起爆后，声响不大，但觉地表有轻微颤动，数秒 万方数据 第2 9 卷第4 期金志成，程扬帆，王凤英，等新型水下爆破切割弹在卡钻事故中的应用 1 0 5 后，水从钻杆内喷出。反转并提拉钻杆，钻杆很容易 被提起，说明已完全炸断，经过2h 的提升，发现炸 断点处呈锯齿状，说明与爆破切割实验结果相吻合 如图4 所示 。 图3 简易爆破切割弹、爆破切割实验装置和钢管爆破切割效果 F i g ．3 P i c t u 他so fs i m p l eb l 鹅t i n gc u t t e r ，b l 鹊t i n gc u t t e re x p e r i m e n t a la p p 啪t u s 锄ds b ∞l t u b eB l ∞t i n gc u m r I g 胡如t 图4 卡钻爆破现场图 F i g ．4S c e ∞d i a g m mo fd r i Uj 姗b l 酗t i n g 4 ．2 爆破作业注意事项 1 切割弹安装必须由受过爆破训练的人员操 作，处理切割弹内起爆线路接头时应由专业电工进 行操作，注意最后切割弹顶部的密封工作，避免井下 高压环境中渗水。 2 为确保切割弹起爆，设计了2 条起爆线路，放 线过程中应确保总长度超过4 0 0m ，并且电线完好。 3 要严格精确地将切割弹置于靠近钻头上方 钻杆处，为避免在下放过程中将电线磨断，每隔2m 将电线用胶带绑在悬挂水下爆破切割弹的钢丝绳 上，整个下放过程要缓慢细心。 4 严格控制杂散电流来源，预防雷电危害，并 严格执行脚线短路操作制度“ J 。 5 结论 在地质钻探工程中，因钻杆内径小，炸药使用量 受到限制，一旦发生卡钻事故，采用常规方法很难处 理。新型水下爆破切割弹将聚能射流引入到卡钻事 故中，通过爆破切割实验和工程实践可知，新型水下 爆破切割弹能够很好的解决卡钻问题。 [ 1 ] 陈华腾，钮强，谭胜禹，等．爆破计算手册[ M ] ．沈 阳辽宁科学技术出版社，1 9 9 1 ． [ 2 ] 王鹤鸣，崔年生，耿德川，等．桩孔内钻头配重的爆破 切割打捞[ J ] ．工程爆破，2 0 0 3 ，9 1 9 l - 9 3 ． [ 2 ] w A N GH e m i n g ，c u lN i a n s h e n g ，G E N GD e - c h u 锄，e t a 1 ．B l ∞t i n gc u m n g 蛐ds a l v a g e o fd r i U h e a d 7 sc o u n t e r w e i g h ti n ap i l eh o l e 【J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 3 ， 9 1 9 l - 9 3 ． i nC h i n e s e [ 3 ] 蒋耀港，沈兆武。龚志刚，等．柔性线性聚能切割器的 应用研究[ J ] ．含能材料，2 0 “，4 1 9 4 5 4 ．4 5 8 ． [ 3 ] J I A N GY a o g 龇l g ，s H E NZ h a o w u ，G O N cz h i - g a n g ．A p - p l i c a t i o ns t u d yo fn e 【i b l e 柚dl i n e a rs h a p e dc h a r g ec u t t e r [ J ] ．C h i n e 驰J o 岍l a lo fE n e r g e t i cM a t e r i a l s ，2 0 1 l ， 4 1 9 4 5 4 4 5 8 ． i nC h i n e 靶 [ 4 ] 李磊，沈兆武，马宏昊．大孔径双向聚能射孔弹的研 究[ J ] ．高压物理学报，2 0 l l ，2 5 6 5 3 9 ．5 4 8 ． [ 4 ] uL e i ，S H E Nz h ∞- w u ，M AH o n g - h a o ．S t u d yo nb i ge n t r y h o kb i d i - e c t i ∞a ls h a p e dc h a f g e [ J ] ．c h i n e 靶J o 啪a Io f H i g hP k 鹞u 陀P h y s i c s ，2 0 l l ，2 5 6 5 3 9 ．5 4 8 ． i nC h i - n e s e [ 5 ]马宏吴，沈兆武，孙宇新．水下多次爆破法解决大口径 深井卡钻问题[ J ] ．工程爆破，2 0 0 8 ，1 4 1 3 8 4 0 ． [ 5 ] M AH o n g - h ∞，S H E Nz h ∞- w u ，s u NY u x i n ．s o l u t i 吨t o d r i I Ij a mw i t I Im t I I t i p l eu n d e r 啪t e rb I 鹞t i n gi ne x c a v a t i 伽 o fl a r g ed i 锄e t e rd e e pt u n n e l [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a 8 t i n g ， 2 0 0 8 ，1 4 1 3 8 4 0 ． i nC l l i n e s e 万方数据