壳体环向聚能致裂器的作用原理与应用研究.pdf

2 0 1 5 年6 月壳体环向聚能致裂器的作用原理与应用研究陈伟，等 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 5 ．0 3 ．0 0 6 壳体环向聚能致裂器的作用原理与应用研究米 陈伟马宏昊沈兆武王德宝 中国科学技术大学近代力学系 安徽合肥，2 3 0 0 2 7 『摘要]针对岩巷掘进等工程爆破中掏槽爆破效率低的问题，采用“先切后掏”的爆破技术，设计了一种壳体环 向聚能致裂器。其结构特点是直接利用弹壳材料作为聚能材料，在圆管形弹壳上设置多个聚能环，既减少装药量 又能提高炸药能量利用率。装药起爆后，在轴向同时形成多排环向聚能射流，对周围岩石介质进行致裂，裂缝在爆 生气体的径向准静态载荷作用下进一步扩展，形成交错的裂纹网。通过掏槽爆破模型试验对该致裂器的作用原理 进行了验证，结果表明掏槽爆破的炮孔利用率达到9 8 ％，能有效提高爆破效率和循环进尺，降低爆破成本。 [ 关键词]掏槽爆破；聚能致裂；聚能环；模型试验 『分类号] T D 2 3 5 引言 聚能效应[ 13 是利用装药结构一端特殊的空穴， 在炸药爆炸时爆轰产物聚集在轴线上，汇聚成一股 速度和压力都很高的聚能流，使爆轰产物的能量集 中作用在较小面积上．大大提高了在特定方向上局 部的破坏作用。这种装药结构不仅节约炸药，而且 提高了能量利用率，增强炸药的爆炸效果。线性聚 能切割器[ 2 ] 就是一种利用炸药聚能效应对目标进 行切割的新型技术，装药起爆后，爆轰波由起爆点向 前传播，当爆轰波波阵面到达聚能罩时，在爆轰压力 作用下药型罩以极高速度被压垮，随着爆轰波的继 续传播，被压垮的聚能罩材料在对称面上发生碰撞 并汇聚于对称面上，形成一股高温、高压和能量密集 的具有很强穿透和切割能力的金属射流刀，当这种 射流作用到周围目标介质上时，对目标施加巨大的 径向准静态载荷而将其破坏，可用于切割钢板、岩石 等坚硬物体。 随着线性聚能装药在军事和工程领域应用范围 的拓展，出现了环向聚能切割器∞J ，该切割器能够 产生环向高温、高压和能量密集的平面射流刀，对环 向目标介质进行破坏。张英才等[ 4 1 利用自制的环 向聚能切割弹在排除深井卡钻事故中获得了理想的 爆破效果；夏红兵等- 5 ] 研制的多向线性聚能切割弹 使用圆管作为外壳，由多个圆形铜管两两相邻且相 切作为线性药型罩．结合L S D N Y A 商业软件对该切 割弹进行爆炸切割试验的数值模拟，并成功将其应 用在油气井、矿井卡钻等问题上；李新会等[ 6 1 利用 环向射流原理进行炸断或破损水下柔性索链赵根 等[ 7 ] 研制的环向聚能药包应用在建基面开挖中，在 保证质量的前提下，加快施工进度，为建基面的开挖 提供一种新的方法。 在岩巷掘进和矿山开采爆破工程中，掏槽效果 的好坏直接决定了整个爆破效率和循环进尺。自瑞 典学者把聚能装药引入岩石爆破并提出线性聚能装 药爆破方法以来。2J ，国内外学者对该技术在岩巷掘 进等工程爆破领域进行了大量的试验和理论研究， 特别是切缝药包应用在掏槽爆破中的已十分普遍和 成熟[ 8 J 1 I ，但是将环向聚能装药结构应用在该领域 还鲜有介绍。 由于掏槽爆破只有一个自由面，随着开采深度 的增加，岩石的夹制作用也显著增加，并且岩石在破 碎过程中没有充足的空间进行体积膨胀。为了克服 这些不利的因素，本研究设计了一种壳体环向聚能 致裂器 图1 。通过模型试验对该致裂器的爆炸作 用效果进行研究。采用了“先切后掏”的爆破技术， 即先利用环向装药结构在炸药爆炸后产生多排环向 射流，对装药孔周围岩体进行分段致裂，并在爆轰气 体的径向准静态载荷作用下，使得岩石的裂隙进一 步扩展，增加了岩石的破碎效率．最后在后续爆炸作 用下，槽腔内岩体破碎充分，并被抛出槽腔。 米收稿日期2 0 1 4 ．1 0 1 4 基金项目国家自然科学基金重点项目 5 1 1 3 4 0 1 2 ；国家自然科学基金面上项目 5 1 1 7 4 1 8 3 ，5 1 3 7 4 1 8 9 作者简介陈伟 1 9 8 8 一 ，男，博士，主要从事现代爆炸技术与安全工程研究。E m a i l c h w e i m a i l ．I l S t Ce d u ．e n 通信作者马宏吴 1 9 8 0 ～ ，男，博士，副教授，主要从事爆破器材与安全工程研究。E ．m a i l h h m a u s t e ．e d me n 万方数据 2 8 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第3 期 4 7 1 一上盖；2 一导爆索；3 一圆管形弹壳；4 一聚能环外壳； 5 一聚能射流；6 一主装药；7 一下盖；8 一装药分层器 图1壳体环向爆炸聚能致裂器结构示意图 F i g ．1 S t r u c t u r ed i a g r a mo ft h es h e l la n n u l a r c u m u l a t i v ec r a c k i n gd e v i c e 1 壳体环向聚能致裂器设计 1 ．1 结构设计 本文设计并制作了一种充分利用弹壳的材料作 为聚能材料，由壳体环向聚能装药结构构成的壳体 环向聚能致裂器，在圆管形弹壳的外圆面上设置相 互平行的环形槽，该环形槽的作用相当于药型罩，具 有聚能作用，称为聚能环，横截面形状为楔形或半圆 形。图1 所示为楔形壳体环向聚能致裂器的结构示 意图。 利用装药分层器 如图1 所示 将炸药集中装 在环形槽腔内，弹壳非环形槽段用装药分层器隔开， 这样既能减少装药量，充分利用炸药的爆轰能量，又 能合理分配炸药能量。该结构在轴向上能同时形成 多排环向射流，显著增强爆破效果，提高爆破效率， 节约爆破成本。 1 ．2 参数设计 1 ．2 ．1 聚能罩 1 ．2 ．1 ．1 形状 聚能罩能将炸药的爆轰能量转换为罩体材料的 射流动能，从而提高聚能装药对目标的局部破坏能 力。聚能罩的形状决定了聚能效果。在工程上，环 向聚能装药横截面一般常采用楔形和半圆形罩。 根据不可压缩流体的聚能射流理论。射流质量 m i 和射流速度秽；与聚能罩锥顶角d 的关系[ 1 ] 如下 ’2 昙；1mj m s l n 2 了；LJ 秽i 1 3 0 t a n ‘1 詈。 2 式 1 和式 2 中m 和％分别为汇聚来流的质量 和速度 即单位时间内流过入射来流横截面的流体 质量 。 由式 1 和式 2 可知，射流质量m ；随着聚能 罩锥顶角O L 的减小而减小，射流速度口；随锥顶角“ 的减小而增大。锥顶角小时射流头部速度较高，射 流质量较低；锥顶角大时则射流头部速度较低，射流 质量较高。相关研究表明聚能罩锥顶角在3 0 。。 7 0 。时，射流具有足够的质量和速度；锥顶角大时射 流质量大，利于增大孔径，提高后效作用。考虑到聚 能罩的加工难度，本文设计的壳体环向聚能致裂器 的聚能罩采用楔形。设计锥角为6 0 0 ～9 0 0 。 1 ．2 ．1 ．2 壁厚 聚能罩的另一个关键性设计变量是壁厚[ 3 ] ，聚 能罩壁厚对聚能射流形成的质量和破坏能力有着显 著的影响。通常采用等壁厚的聚能罩，但有时为改 善射流性能，一般也采用变壁厚的聚能罩，即顶部 厚、底部薄，形成的射流速度小，质量大，穿孔浅但孔 口较大；或顶部薄、底部厚的反向变壁厚聚能罩，射 流速度大，质量小，孔口较小但穿孔深度较大。为了 使试验效果达到最好，本研究采用顶部薄、底部厚的 变壁厚聚能罩。 1 ．2 ．2 炸药 环向爆炸聚能致裂器应确保对岩石介质具有足 够的致裂能力。致裂器在聚能罩结构确定后，影响 炸药爆炸聚能致裂效果的主要因素是爆压。因此。 为了提高致裂器的致裂能力．应尽量选取高爆压的 炸药。按照流体力学中的爆轰理论，炸药的爆轰压 力可表示为 1 n 2 p c J2 矿o D 。 3 式中p 。，为炸药的爆轰压力；p 。为装药密度；D 为爆 轰波传播速度。 由式 3 可以看出，选用爆速高、密度大的炸 药，有利于提高聚能装药的爆炸威力。同时，对于同 一种炸药来说，爆速与装药密度间存在线性关系，为 提高爆炸致裂能力，应尽量选择高爆压炸药。并尽可 能提高装药密度。T N T 、R D X 以及T N T ．R D X 等炸 药，常用来制作聚能装药。 2 试验研究 试验设计及爆破效果如图2 所示。 选用外径为1 6m m 、壁厚1m m 、长3 2 0m m 的圆 柱形铜管作为弹壳，每2 0a m 压制一个深度为1 ．5 m m 的楔形凹槽，锥顶角6 0 。，共1 4 个，见图2 a 。 装药采用m R D X m 乳化基质 8 0 2 0 ，其中 乳化基质起黏结剂作用，由雷管起爆高爆速导爆索， 万方数据 2 0 1 5 年6 月壳体环向聚能致裂器的作用原理与应用研究陈伟，等 2 9 ＼1 。 ＼、P ，0 c 炮孔布置 d 爆破效果图 图2 掏槽爆破试验及效果图 F i g ．2 C u tb l a s t i n ge x p e r i m e n ta n dr e n d e r i n g 导爆索再起爆环形装药。 为了验证壳体环向聚能致裂器在岩石中的爆破 效果，根据相似准则，在无缝钢管模型内浇筑水泥墩 进行掏槽爆破模拟试验，无缝钢管不但可以保证试 件成型后具有高强度，还可以削弱在实验室现有条 件下模型的边缘效应[ 12 | 。选取无缝钢管的直径 3 1 0m m ，长度5 0 0m m 。模型的砂浆试件材料配比 为m 5 0 0 。普通硅酸盐水泥 m 砂子 m 水 1 ．0 2 ．0 0 ．4 。其单轴抗压强度为1 7 ．4M P a ，泊松 比为0 ．1 7 ，密度为2 ．1 3g ／c m 3 。在水泥墩中心用 P V C 管预留直径为2 5m m 、长度为5 0 0m m 的深孔， 在中心孔直径为1 4 0m m 的圆周上预留6 个直径为 2 5m m 、长度为5 0 0m m 的深孔。将上述壳体环向聚 能致裂器置于中间孑L ，其余6 个周边孔装填由太安 装药的导爆索，见图2 b ，中心起爆，周边孔延迟 1 0 0m s 起爆。上下封孑L 长度为8 0 ～1 0 0m m ，堵塞材 料为黄沙。 对于采用聚能装药进行掏槽爆破、岩巷掘进等 工程爆破，炮孔内装药形式一般采用不耦合装药，不 耦合系数一般由理论计算结果和工程经验确定。本 试验中不耦合系数为1 ．5 6 ，该参数由炮孑L 和弹壳直 径决定。 掏槽孔爆破目的是在开挖面上形成槽腔，增加 断面自由度，使其余炮孔能向槽腔顺利地爆破。周 边孑L 是掏槽爆破中为装药孔预先设置的自由面，给 中心装药孔爆破后岩石破碎和膨胀岩体提供空间， 如图2 c 所示。 3 试验结果分析与讨论 从图2 d 的爆破效果可以看出，壳体环向聚能 致裂器爆破后具有良好的掏槽爆破效果，可以明显 看到在水泥墩的中间形成囝1 4 0m m 的孔洞，掏槽眼 成型质量好，孔壁平整，炮孔利用率达到9 8 ％。由 以上结果分析可知，聚能装药在孑L 中由引爆装置引 爆后。爆轰波沿着金属圆管轴向传播，作用到弹壳聚 能环上，在爆轰压力作用下，聚能环以极高速度被压 垮．形成一股向对称面汇聚的环向高速运动的平面 射流，整个弹壳就会在极短时差内形成多排高速运 动的环向聚能射流刀，高速撞击岩体，在岩体孔壁上 形成初始诱导裂缝，减弱了围岩的夹制作用，增加了 新的自由面，如图3 所示。由于试验中未发生冲炮 现象，说明堵塞效果好，爆轰气体被密封在炮孔内， 根据岩石断裂力学的原理，聚能装药爆炸后产生的 高温、高压爆炸气体只能从射流产生的裂缝处撞击 孔壁产生初始裂纹．裂纹在气楔和应力集中共同作 用下向前扩展。 A A A 厂A 爆炸传 1 一聚能环；2 一炮孔；3 一弹壳；4 一聚能射流形成的 初始裂缝；5 ～裂缝进一步扩展为裂纹；6 一导爆索 图3 壳体环向聚能致裂器爆炸致裂示意图 F i g ．3S t r u c t u r ed i a g r a mo fe x p l o s i v ef r a c t u r i n go f t h es h e Ha n n u l a rc u m u l a t i v ec r a c k i n gd e v i c e 由于聚能环在壳体上可均匀分布，分段式集中 装药结构对炸药的能量在炮孔内起到一定的均匀分 布作用，合理分配能量只要聚能环间距合适，整个 孑L 内装药爆炸完成后．在爆生气体的准静态载荷作 用下，由射流所产生的裂缝进一步扩展形成裂纹，形 成交错的裂纹网，能有效减小大块率，便于爆破后岩 石的清运。在后续周边炮孔延迟爆炸能量作用下， 使槽腔内的岩体充分破碎，并被抛出槽腔。 4 结论 本文设计并制作了一种壳体环向聚能致裂器， 由试验结果及分析可以得出以下结论 1 炮孔利用率9 8 ％，证明其在掏槽爆破中的可 行性，能有效提高爆破效率和循环进尺。 2 弹壳上的聚能环在爆炸压力的作用下，形成 多排环向高速运动的平面射流，高温、高压、能量密 集的金属射流高速撞击岩体，在岩体孔壁上形成初 始诱导裂缝，裂缝在爆生气体的准静态载荷作用下 进一步扩展，形成交错的裂纹网。 - 黟 暮蕃 万方数据 3 0 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第3 期 3 结构简单，加工和使用方便，单次起爆药量 少，振动小。 4 充分利用装药处壳体形成聚能环，弹壳材料 和炸药能量利用率高，安全性有保证，可以提高工作 效率，降低生产成本，具有良好的工程应用前景。 参考文献 [ 1 ] 几兀．奥尔连科．爆炸物理学[ M ] ．孙承纬，译．北京 科学出版社，2 0 1 1 ． 几F I ．O P ／I E N K O ．E x p l o s i o np h y s i c s [ M ] ．T r a n s l a t e db y S u nC h e n g w e i ．B e i j i n g S c i e n c eP r e s s ，2 0 11 ． [ 2 ]S j a r n h o hG ，H o l m b e r gR ，O u c h t e r l o n gF ．Al i n e a r s h a p e dc h a r g es y s t e mf o rc o n t o u rb l a s t i n g [ C ] ／／K o n y a CC ．P r o c e e d i n go f9 t hc o n f e r e n c eo ne x p l o s i v e sa n d b l a s t i n gt e c h n i q u e ．D a l l a s S o c i e t yo fE x p l o s i v e sE n g i n e e r s ，1 9 8 3 3 5 0 3 5 8 ． 『3 ]沃尔特斯WP ，朱卡斯JA ．成型装药原理及其应用 『M ] ．王树魁，贝静芬，等，译．北京兵器工业出版 社．1 9 9 2 ． 『4 ]张英才，孙玉宁，冯冠军．环向聚能平面切割弹的研制 [ J ] ．力学与实践，1 9 9 7 ，1 9 4 5 4 5 5 ． [ 5 ]夏红兵，李磊，马宏吴，等．多向线性聚能切割弹的研 究与应用[ J ] ．含能材料，2 0 1 3 ，2 1 1 8 5 - 9 1 ． X i aH o n g b i n g ，L iL e i ，M aH o n g h a o ，e ta 1 ．A p p l i c a t i o no f t h em u l t i d i r e c t i o n a ll i n e a rc u m u l a t i v ec u t t e r [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a lo fE n e r g e t i cM a t e r i a l s ，2 0 1 3 ，2 1 1 8 5 9 1 ． 『6 ]李新会，高频．环状聚能爆炸切割器水下性能研究 [ J ] ．爆破，2 0 0 8 ，2 5 4 7 9 8 1 ． L iX i n h u i ，G a oP i n ．U n d e r w a t e rb l a s t i n g p e r f o r m a n c e r e s e a r c ho fr i n ge n e r g y a c c u m u l a t e db a n g a l o r et o r p e d o [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 8 ，2 5 4 7 9 8 1 ． 『7 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．爆炸与冲击，2 0 0 6 ，2 6 3 2 5 0 2 5 5 ． L u oY o n g ，S h e nZ h a o w u ．A p p l i c a t i o ns t u d yo nd i r e c t i o n a lf r a c t u r ec o n t r o l l e db l a s t i n gw i t hs h a p e dc h a r g ei n r o c k [ J ] ．E x p l o s i o na n dS h o c kW a v e s ，2 0 0 6 ，2 6 3 2 5 0 - 2 5 5 ． [ 1 1 ]周瑶，李孝林，佟彦军，等．双向聚能预裂爆破切割器 的研制与应用[ J ] ．火炸药学报，2 0 0 6 ，2 9 3 7 0 7 2 ． Z h o uY a o ，L iX i a o l i n ，T o n gY a n j u n ，e ta 1 ．T h ed e v e l o p m e n to ft w o - - d i r e c t i o n a le n e r g y f o c u s i n gc u t t e ra n di t s a p p l i c a t i o nf o rf o r e s p l i t t i n gb l a s t i n g [ J ] ．C h i n e s eJ o u r - n a lo fE x p l o s i v e s ＆P r o p e l l a n t s ，2 0 0 6 ，2 9 3 7 0 - 7 2 ． 『1 2 ]罗勇，沈兆武，崔晓荣．线性聚能切割器的应用研究 [ J ] ．含能材料，2 0 0 6 ，1 4 3 2 3 6 2 4 0 ． L u oY o n g ，S h e nZ h a o w u ，C u iX i a o r o n g ．A p p l i c a t i o n s t u d yo nb l a s t i n gw i t hl i n e a rc u m u l a t i v ec u t t i n gc h a r g ei n r o c k [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fE n e r g e t i cM a t e r i a l s ， 2 0 0 6 ，1 4 3 2 3 6 2 4 0 ． M e c h a n i s ma n dA p p l i c a t i o nS t u d yo ft h eS h e l lA n n u l a rC u m u l a t i v eC r a c k i n gD e v i c e C H E NW e i ，M AH o n g h n o ，S H E NZ h a o w u ，W A N GD e b a o D e p a r t m e n to fM o d e r nM 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 dT e c h n o l o g yo fC h i n a A n h u iH e f e i ，2 3 0 0 2 7 [ A B S T R A C T ]A i m i n ga ts o l v i n gt h el o wc u tb l a s t i n ge f f i c i e n c yi nr o c kd r i f t i n g ，as h e l la n n u l a rc u m u l a t i v ec r a c k i n gd e v i c ew a sp r o p o s e db a s e do nt h e ”c u t t i n gt os l o t t i n g ”t e c h n o l o g y ．T h es h e l lm a t e r i a l sw e r eu s e dt ob es h a p e dm a t e r i a l sa n d m u l t i p l es h a p e dt i n g sw e r ee q u i p p e do nt h ec i r c u l a rt u b e ．I tc o u l dn o to n l yr e d u c ec h a r g eq u a n t i t yb u ta l s or a i s et h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fe x p l o s i v ee n e r g y ．A f t e re x p l o s i o n ，t h em u l t i p l ea n n u l a rs h a p e dj e tc o u l db ef o r m e dM o n gt h ea x i a ll i n es i m u h a n e o u s l y ，r e s u l t i n gi nt h ec r a c ko ft h es u r r o u n d i n gr o c km e d i u m ．T h ec r a c kn e t w o r kw o u l db ef u r t h e rd e v e l o p e du n d e rt h e a c t i o no fq u a s is t a t i cl o a d i n go fd e t o n a t i o ng a s ．T h i sd e v i c ew a st e s t e dt h r o u g ht h ec u tb l a s t i n gm o d e le x p e r i m e n t ．T h e r e s u h ss h o wt h a t ．w i t ht h i sd e v i c e ．t h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fb l a s t i n gh o l ea c h i e v e s9 8 ％．T h eb l a s t i n ge f f i c i e n c ya n dc y c l i c a l f o o t a g ec anb ei m p r o v e de f f e c t i v e l ya n dt h ec o s to fd r i f t i n gc a na l s ob er e d u c e d ． [ K E YW O R D S ] c u tb l a s t i n g ；s h a p e df r a c t u r i n g ；s h a p e dr i n g ；m o d e le x p e r i m e n t 万方数据