鋁纖維混合燃料破巖激波管作用機(jī)理研究

黃 宇，馬宏昊,2，王林桂，沈兆武，張中雷，姚象洋，陳亞建，王奕鑫

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026；3.大昌建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 舟山 316021)

炸藥自發(fā)明問(wèn)世以來(lái)，由于其巨大的威力，迅速成為人們改造自然、創(chuàng)造財(cái)富的一個(gè)有力工具，炸藥和雷管在礦業(yè)生產(chǎn)、基本建設(shè)、海洋工程和特種爆炸加工等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用[1]。但是另一方面，突發(fā)的炸藥爆炸事故也給社會(huì)帶來(lái)了大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[2-4]。因此，找到一種更為安全、環(huán)保的爆破技術(shù)一直是相關(guān)研究人員努力的方向。為此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者從不同角度提出了一些非炸藥爆炸破巖方法，可分為三類(lèi)：機(jī)械類(lèi)破巖方法如液壓劈裂機(jī)[5]、液壓破碎錘[6]、隧道掘進(jìn)機(jī)[7-8]等；物化做功類(lèi)如靜態(tài)膨脹劑法[9]、二氧化碳致裂器法[10-13]、金屬燃燒劑法[14]等；電氣設(shè)備類(lèi)如等離子體爆破法[15]、熱力劈巖法[16-18]等。盡管目前的非炸藥爆炸破巖方法相對(duì)于炸藥爆炸破巖來(lái)說(shuō)依然存在著成本高、效率低等劣勢(shì)，但是安全、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展是大勢(shì)所趨，在未來(lái)，非炸藥爆炸破巖方法一定會(huì)成為破巖的一種重要方式。針對(duì)這一發(fā)展趨勢(shì)，本文介紹一種非炸藥爆炸破巖的新方法。該方法利用鋁纖維和常用燃料作為能源，在密閉的鋼管內(nèi)裝入鋁纖維和常用燃料，將鋼管置入巖石炮孔內(nèi)，向鋼管中壓入適當(dāng)壓力的氧氣，再對(duì)鋁纖維高壓放電，迫使鋁纖維和燃料爆燃，通過(guò)鋼管上設(shè)置的泄能口產(chǎn)生高壓氣體激波和射流，對(duì)巖石沖擊作用，達(dá)到破巖的目的。文中所闡述的工作是對(duì)非炸藥破巖方法的一個(gè)補(bǔ)充，提供了另一種選擇和探索。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和材料

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主體是一根由厚壁無(wú)縫鋼管制作而成的破巖激波管，其鋼管兩端內(nèi)壁加工有螺紋，兩端采用螺栓密封，在厚壁無(wú)縫鋼管靠下位置對(duì)稱(chēng)設(shè)置多個(gè)圓形泄能口，進(jìn)氣閥安裝在頂部密封螺栓上，用于壓入高壓氧氣，充氣完成后關(guān)閉；點(diǎn)火引線(xiàn)用于連接外部放電點(diǎn)火裝置；點(diǎn)火端用于連接管內(nèi)鋁纖維混合燃料能量條；定壓封堵塊用于在起爆之前封堵氧氣不外泄(見(jiàn)圖1)。

圖1 破巖激波管作業(yè)結(jié)構(gòu)
Fig.1 Operation structure of shock tube for rock breaking

后續(xù)實(shí)驗(yàn)中使用的破巖激波管內(nèi)徑22 mm，外徑37 mm，在靠近下端處對(duì)稱(chēng)開(kāi)設(shè)了兩個(gè)直徑10 mm的泄能口，泄能口處使用環(huán)氧樹(shù)脂膠封堵。破巖激波管實(shí)物如圖2所示。

圖2 破巖激波管
Fig.2 Shock tube for rock breaking

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

鋁是活性很高的金屬材料，在高溫氧環(huán)境下可發(fā)生爆炸性的燃燒，鋁粉常被作為高能燃料加入到乳化炸藥、TNT、黑索金等炸藥中。鋁纖維(見(jiàn)圖3)與鋁粉相比，強(qiáng)度高，比表面積小，提前氧化量少，活性保持效果明顯且在制作、運(yùn)輸和使用過(guò)程中相較于鋁粉更安全、環(huán)保，使用更方便[19-22]。

圖3 鋁纖維束
Fig.3 Aluminum fiber bundle

乙醇是一種常用燃料，充分燃燒反應(yīng)后生成水和二氧化碳，在破巖激波管中乙醇充分燃燒產(chǎn)生的水蒸氣和二氧化碳?xì)怏w可以作為反應(yīng)能量做功的傳遞介質(zhì)。鋁纖維、乙醇的特性如表1所示，與氧氣充分燃燒反應(yīng)方程式如下：

(1)

表1 鋁纖維和乙醇的特性

為了保證安全，將鋁纖維和乙醇用塑料薄膜袋制成能量條(見(jiàn)圖4)。使用時(shí)，將能量條置入破巖管內(nèi)，密封后再壓入高壓氧氣。這樣在點(diǎn)火之前燃料和氧氣彼此隔絕，杜絕事故的發(fā)生。此外，能量條內(nèi)的鋁纖維和乙醇分布更均勻，使得反應(yīng)更加充分。

圖4 破巖激波管內(nèi)所用能量條
Fig.4 Energy bar used in shock tube for rock breaking

2 安全校核

2.1 校核的必要性和重點(diǎn)

在爆破相關(guān)領(lǐng)域中，安全始終是第一位的，本文提出鋁纖維混合燃料非炸藥爆炸破巖技術(shù)的初衷也是為了提高施工過(guò)程中的安全性，保障人的生命以及財(cái)產(chǎn)安全。而且所設(shè)計(jì)的破巖激波管可以重復(fù)使用，降低了使用成本，為了防止使用過(guò)程中發(fā)生爆管事件，有必要對(duì)破巖激波管使用時(shí)的結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行校核。

破巖管可簡(jiǎn)化為一根厚壁圓筒，盡管存在著進(jìn)氣口、點(diǎn)火端以及兩端的封閉螺栓等不規(guī)則的形狀，但是加工過(guò)程中是要保證這些部件的連接強(qiáng)度高于厚壁圓管本身的強(qiáng)度，因此校核的時(shí)候可以不考慮這些部分。

2.2 動(dòng)載系數(shù)法

這里強(qiáng)度校核遵循一般抗爆防護(hù)構(gòu)造物設(shè)計(jì)中所用的方法，求出動(dòng)載荷Pmax對(duì)應(yīng)的等效靜載Pe，有了靜載荷之后按照通常的靜載設(shè)計(jì)進(jìn)行校核[23-24]。令:

Pe=Pmax·Cd

(2)

式中：Cd為動(dòng)載系數(shù)，其值與壓力隨時(shí)間的變化特征、壓力作用的持續(xù)時(shí)間和殼體的自振頻率有關(guān)。

由典型的壓力載荷波形(見(jiàn)圖5)可以看出：①載荷波形近似于三角波，為方便起見(jiàn)，將這一類(lèi)波形當(dāng)做三角波處理；②第一個(gè)主峰的脈寬τ=1.247×10-3s。

圖5 壓力時(shí)程
Fig.5 Time history of pressure

對(duì)于柱殼，如果只考慮擴(kuò)展振動(dòng)的基頻，則自振周期

(3)

將激波管外徑R=0.037 m，激波管彈性模量E=210 GPa，激波管密度ρ=7 850 kg/m3帶入式(3)，可得T0=0.449×10-4s。

(4)

將ω=2.227×104s-1(ω=2π/T0)，τ=1.247×10-3s帶入式(4)得Cd=1.899。

2.3 強(qiáng)度校核

將強(qiáng)度校核問(wèn)題簡(jiǎn)化成靜力學(xué)中一個(gè)圓管受內(nèi)壓力作用的問(wèn)題(見(jiàn)圖6)，這個(gè)問(wèn)題在彈性力學(xué)[25]里解答如下：

(5)

(6)

式中：a、b分別為圓管的內(nèi)半徑和外半徑。

圖6 圓管受力分析
Fig.6 Force analysis of circular tube

由于設(shè)計(jì)的破巖激波管需要重復(fù)使用，所以要求在許用工況下破巖管不能發(fā)生塑性變形，依據(jù)第三強(qiáng)度理論，等效應(yīng)力[σ]=σφ-σp，取Q235鋼的屈服強(qiáng)度235 MPa為許用應(yīng)力，則破巖激波管安全的判定條件為

σφ-σp<235 MPa

(7)

將式(5)～式(6)帶入式(7)，得

(8)

進(jìn)一步簡(jiǎn)化得

(9)

即

(10)

以實(shí)驗(yàn)中所用破巖激波管為例，其內(nèi)半徑a為0.011 m，外半徑b為0.018 5 m，動(dòng)載系數(shù)Cd為1.889，代入式(10)算得：Pmax<113.7 MPa，即該破巖激波管允許的管內(nèi)最大爆炸壓力為113.7 MPa。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了直觀(guān)地展示依據(jù)該方法設(shè)計(jì)的破巖激波管的破巖效果，澆筑了水泥砂漿試件作為待破壞物。其配比：500#普通硅酸鹽水泥、砂子和水的質(zhì)量比為1∶2∶0.4。室外養(yǎng)護(hù)超一個(gè)月以上。

共澆筑兩種試件，試件1：高200 mm，直徑100 mm，在試件端面中心鉆孔，孔深150 mm，孔徑50 mm；試件2和試件3：高200 mm，直徑200 mm，在試件端面中心鉆孔，孔深150 mm，孔徑50 mm。

所用破巖器材為破巖激波管，試件1破壞實(shí)驗(yàn)所用燃料條內(nèi)置鋁纖維1 g、乙醇10 mL ，破巖管內(nèi)預(yù)充氧氣壓強(qiáng)1 MPa；試件2破壞實(shí)驗(yàn)和試件3破壞實(shí)驗(yàn)所用燃料條內(nèi)置鋁纖維2 g、乙醇15 mL，破巖管內(nèi)預(yù)充氧氣壓強(qiáng)2 MPa(見(jiàn)表2)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

表2 實(shí)驗(yàn)條件

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置
Fig.7 Experimental device

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

共進(jìn)行了4組破巖實(shí)驗(yàn)，第1組在1 g鋁纖維、10 mL乙醇、1 MPa氧氣的工況下將試件1炸碎；第2組在1 g鋁纖維、10 mL乙醇、1 MPa氧氣的工況下對(duì)試件2做破巖嘗試，結(jié)果試件沒(méi)有破裂，無(wú)明顯裂縫；第3組和第4組在2 g鋁纖維、15 mL乙醇、2 MPa氧氣的工況下分別將試件2和試件3炸碎。具體破碎效果如圖8～10所示。

圖8 試件1破碎效果
Fig.8 Destruction effect of sample 1

圖9 試件2破碎效果
Fig.9 Destruction effect of sample 2

圖10 試件3破碎效果
Fig.10 Destruction effect of sample 3

3.3 結(jié)果分析

試件1在軸向上被沖擊截為3段，并且沿徑向裂開(kāi)為5段；試件2和試件3均是沿徑向方向被壓裂為4大塊以及數(shù)個(gè)小塊體，4處裂縫2個(gè)分布在正對(duì)泄能口處，2個(gè)分布在泄能口連線(xiàn)的垂線(xiàn)上。

點(diǎn)火起爆后，破巖管內(nèi)能量條與氧氣發(fā)生爆燃反應(yīng)，產(chǎn)生大量高溫、高壓氣體產(chǎn)物，產(chǎn)物通過(guò)泄能口噴出，沖擊正對(duì)著的巖壁產(chǎn)生初始裂縫，隨后爆生氣體通過(guò)裂縫促使裂縫擴(kuò)展，在垂直于泄能口連線(xiàn)處的位置，巖體所受拉應(yīng)力最大，達(dá)到試件的抗拉極限時(shí)便產(chǎn)生裂縫，在爆生氣體的聯(lián)合作用下裂縫擴(kuò)大，最終呈現(xiàn)出不同程度的破碎效果，試件開(kāi)裂破碎原理如圖11所示。

圖11 試件開(kāi)裂破碎原理
Fig.11 Principle of sample cracking

4 結(jié)論

1)利用鋁纖維和乙醇作為能源，在密閉的鋼管內(nèi)裝入由鋁纖維和乙醇做成的能量條，將鋼管置入巖石炮孔內(nèi)，向鋼管中壓入適當(dāng)壓力的氧氣，再對(duì)鋁纖維高壓放電，迫使鋁纖維和燃料爆燃，通過(guò)鋼管上設(shè)置的泄能口產(chǎn)生高壓氣體激波和射流，對(duì)巖石沖擊作用，在沖擊正對(duì)著的巖壁處產(chǎn)生初始裂縫，裂縫在高壓爆生氣體作用下延伸、擴(kuò)展，從而達(dá)到致裂、破碎巖石的目的。

2)采用動(dòng)載系數(shù)法校核了破巖激波管的實(shí)際許用強(qiáng)度，給出了在要求破巖激波管不發(fā)生塑性變形的條件下管內(nèi)最大的允許反應(yīng)壓力，這對(duì)于破巖激波管的規(guī)范設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。對(duì)于本例中所設(shè)計(jì)的內(nèi)徑22 mm，外徑37 mm的破巖管，依據(jù)動(dòng)載系數(shù)法得出的管內(nèi)最大允許反應(yīng)壓力為113.7 MPa。

3)澆筑了兩種水泥砂漿試件實(shí)際檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的破巖管的破巖效果。在鋁纖維1 g、乙醇10 mL，氧氣1 MPa的情況下壓裂破碎了試件1；在鋁纖維2 g、乙醇15 mL ，氧氣2 MPa的情況下壓裂破碎了試件2、3。被破壞試件在沿著和垂直于泄能口連線(xiàn)方向上產(chǎn)生了4道主要裂縫，試件破碎的塊度和破碎度均很好。

4)本文介紹的破巖方法未使用炸藥便可達(dá)到破巖效果，所使用的鋁纖維、燃料、氧氣等耗材均屬于日常生產(chǎn)生活中常用的類(lèi)別，價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛，且其儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用均無(wú)需行政許可。該方法破巖及準(zhǔn)備過(guò)程簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方便，可以同時(shí)多排組網(wǎng)使用，適用于不同的作業(yè)要求，可以在一些特殊場(chǎng)合替代炸藥爆炸破巖，是非炸藥爆炸破巖技術(shù)的一個(gè)補(bǔ)充。