金屬雷管聚能射流和金屬飛片防護的試驗研究

孔祥雷，何曉光，王喜剛，張淑坤

(1.遼寧科技學院資源與土木工程學院，遼寧 本溪 117004；2.遼寧工程技術(shù)大學土木工程學院，遼寧 阜新123000)

目前我國很多爆破工程中仍然采用普通塑料導爆管雷管起爆網(wǎng)路，由于地表雷管爆炸后產(chǎn)生的聚能射流及高速金屬飛片會超前破壞未傳爆的塑料導爆管，使網(wǎng)路拒爆的現(xiàn)象時有發(fā)生。普遍認為地表網(wǎng)路傳爆節(jié)點采用正向起爆方式，具有較強的起爆能力，但雷管聚能射流、金屬飛片容易破壞未傳爆的網(wǎng)路引起拒爆；而反向起爆可以避免這個問題，但其起爆可靠性略差。伍朝勝[1]認為，用雷管起爆導爆管網(wǎng)路時，起爆導爆管的雷管與導爆管應正向連接?！侗瓢踩?guī)程》 GB 6722-2014[2]要求，須有防止雷管聚能射流切斷導爆管的措施，很多技術(shù)人員也早已提出了現(xiàn)場用膠布包纏的方法[3-5]。陳福梅[6]在雷管凹穴壓入炸藥和沙子阻礙聚能射流的形成，鄭洪智[7]就地取材提出了用泥團或包裝箱紙團干擾聚能射流的方法。結(jié)合同行的研究工作和成果，本文提出了采用防護帽對金屬雷管聚能射流和金屬飛片進行防護的方法，對帶有聚能穴的雷管爆炸后產(chǎn)生的聚能射流及金屬飛片進行了研究。

1 防護帽設計

1.1 防護原理

試驗表明，正向起爆節(jié)點金屬雷管對導爆管網(wǎng)路的破壞，主要是聚能射流及軸向個別獲得較大動能的金屬飛片[8]，導爆管的爆速在1 700～2 000 m/s范圍內(nèi)，而雷管聚能射流近端速度超過4 000 m/s[9]，軸向個別飛片速度可達2 000 m/s以上[10]?？梢赃@樣認為，雷管的聚能射流和軸向金屬飛片問題是密切關(guān)聯(lián)的。由高速攝影的結(jié)果可以看出[9，11]，雷管聚能射流的形成存在初始-成長-衰減過程，如果在初始階段就對其進行破壞，則可以阻礙聚能射流的形成。為此，防護雷管聚能射流和金屬飛片的方法及原理是在聚能穴前端安裝一個吸能體，在雷管起爆后聚能射流形成的初始階段時對其進行破壞，同時又可減少軸向飛片數(shù)量，降低飛片速度。吸能體自身吸收能量后變形、解體，并以較低的動能飄散，不產(chǎn)生二次碎片破壞，達到防止雷管聚能射流及軸向飛片切斷導爆管的目的。

1.2 防護材料

FRP(纖維增強復合材料)是以玻璃纖維及其制品作為增強材料，以合成樹脂作基體材料的一種復合材料。具有質(zhì)量輕、強度高、耐高溫等特點，而且不參與爆炸反應，其破壞后變成纖維狀(見圖1)。因雷管直徑為6.7 mm，選用直徑為8 mm的玻纖棒，將其截成長2 cm一段作為吸能體，用熱塑膠管固定在雷管前端作為聚能射流的防護帽(見圖2)[12]。

2 試驗方案

2.1 試驗方法

由于雷管爆炸后金屬飛片數(shù)量多、體積小、速度快，具有極強的破壞力，常規(guī)的方法難以對其觀測，所以采用靶痕法，即根據(jù)雷管爆炸后留在靶紙上的孔痕數(shù)量、大小、形狀、切口利度、分布情況等靜態(tài)特征，研究金屬碎片的運動、分布情況等動態(tài)規(guī)律，其方法簡單，效果直觀，成本低廉。具體為：用白紙卷成直徑為28 cm，高34 cm的紙筒作為徑向靶紙，外襯厚3 mm的橡膠板筒，用于捕捉雷管爆炸產(chǎn)生的徑向金屬飛片；在徑向靶紙底部鋪上一張白紙作為軸向靶紙，下墊4 mm厚塑料泡沫墊和3 mm厚鋁板，用于捕捉雷管爆炸產(chǎn)生的金屬射流和軸向金屬飛片(見圖3)。用3.5 mm厚鐵板焊接40 cm×40 cm×40 cm的防爆鐵箱，下部敞口，上部中心留一個7 mm的圓孔，用以插入導爆管雷管(見圖4)。

圖3 靶筒結(jié)構(gòu)Fig.3 Target tube structure

圖4 防爆鐵箱Fig.4 Explosion proof iron box

2.2 試驗過程

根據(jù)設計的靶痕試驗法，分別對單發(fā)雷管、安裝防護帽的單發(fā)雷管、綁扎導爆管的單發(fā)雷管和安裝防護帽并綁扎導爆管的單發(fā)雷管4 種工況開展了相應的起爆試驗。采用帶有聚能穴的8#普通塑料導爆管鋼殼雷管，將靶紙按試驗順序編號，將鐵箱居中扣在靶紙上，從上部圓孔將雷管置于徑向靶紙中央(見圖5)，聚能穴距軸向靶紙約25 cm，距徑向靶紙約13.5 cm，此時可以不考慮沖擊波和爆生氣體對靶紙的影響[6]，其他涉及火工品的相關(guān)程序由持證的同一爆破員按要求操作，依序起爆。

圖5 試驗系統(tǒng)裝置Fig.5 Test system device

3 試驗結(jié)果及分析

圖6 雷管爆炸后的靶紙Fig.6 Target paper after detonator explosion

按照設計共進行4 次試驗，雷管爆炸后，金屬飛片在靶紙上留下了大量的穿孔痕跡(見圖6)，雷管防護帽吸能后破碎成束狀玻璃纖維(見圖7)，而且4次試驗金屬飛片在靶紙上的分布范圍、數(shù)量、形狀、切口利度等均不相同。

圖7 吸能破壞后的防護帽Fig.7 Protective cap after energy absorption damage

3.1 試驗結(jié)果

3.1.1 單發(fā)雷管(1#靶紙)

在軸向靶紙中央有一金屬射流穿孔，近似圓形，直徑約5.5 mm，切口邊緣較整齊，有輕微高溫灼燒痕跡。在半徑23.3 cm范圍內(nèi)，散落分布著約170 個穿孔，其中聚能穿孔周圍分布的穿孔較集中，形狀有條形、橢圓形、L形、點狀等，最長約2.8 mm，最小0.5 mm，絕大多數(shù)穿孔邊緣整齊鋒利，少數(shù)穿孔邊緣有毛邊(見圖8)。

圖8 軸向碎片穿孔分布Fig.8 Axial fragment perforation distribution

在徑向靶紙上形成較規(guī)則的穿孔破碎帶，寬約3 cm，展開近似直線，破碎帶前方20 cm范圍較均勻地分布一定數(shù)量的穿孔，尺寸較小，在3 mm之內(nèi)，但1 mm以內(nèi)居多，多數(shù)穿孔邊緣較整齊；在破碎帶中后方有較大的碎片穿孔，最大直徑6 mm，邊緣不整齊，有毛邊，穿孔以2 mm的居多。靶紙上有褐色的斑點狀炸藥反應殘留物。破碎帶及其后部靶紙破損較嚴重(見圖9)。

圖9 徑向碎片穿孔分布Fig.9 Radial fragment perforation distribution

3.1.2 單發(fā)雷管安裝防護帽(2#靶紙)

帶有防護帽的單發(fā)雷管如圖10所示，在軸向靶紙上沒有聚能穿孔，有5 個撞擊撕裂處，最長4 cm，在半徑14 cm范圍內(nèi)僅有2 個點狀穿孔，毛邊，1個灼燒點狀孔，直徑均不超過0.9 mm；由于向側(cè)前方飛散的金屬碎片穿透徑向靶紙和橡膠筒，在半徑14 cm外留有約30 個直徑0.5 mm的小孔，邊緣有毛邊，另有約40 個凹痕，較大的為0.8 mm(見圖11)。

圖10 安裝防護帽的雷管Fig.10 Detonators with protective cap

圖11 軸向碎片穿孔分布Fig.11 Axial fragment perforation distribution

在徑向靶紙上形成比較規(guī)則的穿孔破碎帶，寬約6 cm，穿孔以點狀居多，還有一部分點狀孔痕，破碎帶前13 cm范圍內(nèi)碎片穿孔較密集，多數(shù)尺寸較小，切口毛邊，最大尺寸不超過3 mm，防護帽破碎成束狀纖維玻璃絲，個別嵌在靶紙上；破碎帶后方穿孔較大，個別達5 mm。破碎帶及其后部靶紙已嚴重破損(見圖12)。

圖12 徑向碎片穿孔分布Fig.12 Radial fragment perforation distribution

3.1.3 單發(fā)雷管綁扎6 根導爆管(3#靶紙)

綁扎導爆管的單發(fā)雷管如圖13所示，在軸向靶紙上沒有明顯的聚能穿孔，在半徑14 cm范圍內(nèi)均勻分布約100 個穿孔，以外約有20 個穿孔(原因同上)，絕大多數(shù)邊緣不規(guī)則，有毛邊，多數(shù)直徑2 mm左右，最小的點為0.1 mm；其中有4 個條形撞擊撕裂孔，最大的長4 cm(應為導爆管撞擊所致)，有約10 個3 mm以上穿孔，最大的尺寸約4 mm，切口不整齊有毛邊，邊緣無灼痕(見圖14)。

圖13 綁扎導爆管的雷管Fig.13 Detonator with nonel

圖14 軸向碎片穿孔分布Fig.14 Axial fragment perforation distribution

在徑向靶紙上形成極不規(guī)則的穿孔破碎帶，寬約7 cm，破碎帶中心兩側(cè)20 cm范圍內(nèi)有大量碎片穿孔，平均尺寸2～3 mm，最小的點狀穿孔0.1 mm，個別撕裂孔接近10 cm(應為導爆管撞擊所致)，絕大多數(shù)穿孔邊緣有毛邊。破碎帶靶紙破損嚴重，靶紙表面殘留大量黑色點狀殘留物(見圖15)。

圖15 徑向碎片穿孔分布Fig.15 Radial fragment perforation distribution

3.1.4 單發(fā)雷管安裝防護帽并綁扎導爆管(4#靶紙)

同時安裝防護帽并綁扎6根導爆管的單發(fā)雷管如圖16所示，與2#靶紙情況相似，在軸向靶紙上無聚能穿孔，半徑14 cm范圍內(nèi)無碎片穿孔分布，有5 個撞擊破裂孔(應為導爆管撞擊所致)，以外散落約15 個較小的穿孔，直徑最大約1 mm，最小的約0.1 mm，切口邊緣不規(guī)則有毛邊。還有一部分點狀未穿透凹痕(見圖17)。

圖16 安裝防護帽綁扎導爆管的雷管Fig.16 Detonator with protective cap and nonel

圖17 軸向碎片穿孔分布Fig.17 Axial fragment perforation distribution

在徑向靶紙上形成不規(guī)則的穿孔破碎帶，寬度約7 cm，邊緣整體呈條狀撕裂，破壞嚴重，破碎帶10 cm范圍內(nèi)分布較多的條、點狀碎片穿孔，尺寸在1.5 mm以內(nèi)，多數(shù)穿孔邊緣毛邊，破碎帶內(nèi)穿孔較密集。破碎帶靶紙破損更為嚴重(見圖18)。

圖18 徑向碎片穿孔分布Fig.18 Radial fragment perforation distribution

3.2 防護效果分析

為了簡化問題便于分析，將熱縮管和防護帽作為一個整體考慮，忽略其影響；同時僅將徑向靶紙的結(jié)果作為參考，重點分析軸向。

2#靶紙與1#靶紙相比，軸向：聚能穿孔消失，中央金屬飛片穿孔區(qū)消失，穿孔體積變小，邊緣變鈍，未穿透的點痕增多。徑向：飛片穿孔的分布集中于破碎帶，穿孔邊緣變鈍。說明在比較理想條件下，防護帽在25 cm 范圍以內(nèi)完全破壞了聚能射流，金屬碎片體積變小，數(shù)量減少，動能降低，同時改變了金屬飛片的分布。

3#靶紙與1#靶紙相比，軸向：沒有聚能穿孔，但有數(shù)量較多、尺寸較大的飛片穿孔，穿孔邊緣不鋒利，說明綁扎導爆管吸收了一部分能量，對聚能射流產(chǎn)生了破壞作用，對金屬飛片也產(chǎn)生了一定影響，這與文獻[8]是吻合的。徑向：破碎帶極不規(guī)則，寬度變大，穿孔邊緣不鋒利，說明綁扎導爆管后吸收了一部分能量，改變了金屬飛片的狀態(tài)，同時導爆管起爆后的氣體沖擊加劇了靶紙的破壞。

4#靶紙與3#靶紙相比，軸向：穿孔數(shù)量減少80%以上，與2#靶紙相比穿孔數(shù)量減少50%，與1#靶紙相比穿孔數(shù)量減少90%以上，說明防護帽對雷管軸向金屬飛片具有極高的防護率，防護帽與綁扎導爆管共同作用提升了防護效果。徑向：與3#靶紙相比，破碎帶破碎更嚴重，穿孔分布范圍集中于破碎帶，說明防護帽使徑向金屬飛片范圍發(fā)生改變。

雷管起爆導爆管是各種因素共同作用的，復雜的物理、化學、力學過程，在雷管前端施加較強約束(防護帽)、側(cè)向和側(cè)前端施加較弱約束(膠布、導爆管)以及在前端施加較強(防護帽)和側(cè)向較弱(膠布、導爆管)約束，對聚能射流、金屬飛片的狀態(tài)均產(chǎn)生了不同的影響?？梢姡ㄟ^改變外界約束條件就可以控制起爆效果，防護帽的實質(zhì)就是改變雷管爆炸的外界約束條件，改變爆炸產(chǎn)物和能量的分配從而保護起爆網(wǎng)路。

4 結(jié)論與展望

1)防護帽能夠吸收聚能射流能量，在一定范圍內(nèi)破壞雷管的聚能射流作用。

2)防護帽能夠極大降低雷管軸向金屬飛片的數(shù)量，具有較高的防護率，因此降低雷管軸向金屬飛片破壞導爆管網(wǎng)路的概率。

3)單獨起爆導爆管時，金屬射流和飛片分布、狀態(tài)也發(fā)生了較有利地改變，因此用膠布綁扎導爆管本身就是一種對雷管金屬射流、飛片的防護。

4)靶痕試驗法是研究雷管爆炸后金屬飛片數(shù)量、形狀、分布等問題的一種簡單、實用的有效手段。

本文對相關(guān)生產(chǎn)、研究等工作提供了有價值的啟示和參考。也有諸多不足及未能解決的問題，如徑向靶紙破損較嚴重、防護帽是否會增加徑向金屬飛片對網(wǎng)路的破壞幾率等，今后可在防護帽的形狀、尺寸、材質(zhì)與防護效果關(guān)系，以及在起爆、運搬過程中降低意外事故的概率和風險問題等方面開展大量試驗、研究工作，使防護帽能廣泛用于工業(yè)雷管的安全防護。