炮孔約束下雙槽聚能管對乳化炸藥殉爆距離影響的研究①

李啟月， 曾海登， 趙新浩， 王宏偉， 鄭 靜， 張建秋

(1.中南大學 資源與安全工程學院,湖南 長沙410083； 2.中交一公局第五工程有限公司,新疆 哈密839000)

隨著地下空間工程的快速發(fā)展,傳統(tǒng)光面爆破裝藥存在效率低、成本高、工序復雜等弊端,為使施工工序簡單化以及降低材料成本,傳統(tǒng)光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)向基于殉爆的新型裝藥結(jié)構(gòu),主要表現(xiàn)為取消周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)中竹片和沿炮孔全長敷設(shè)的導爆索,通過采用導爆管雷管直接起爆炸藥,然后依靠殉爆原理引爆被發(fā)藥包,從而實現(xiàn)周邊孔中藥包的起爆。 被發(fā)藥包殉爆概率100%時主發(fā)藥包與被發(fā)藥包之間介質(zhì)的最大長度稱為最大穩(wěn)定殉爆距離［1］。 為增大隧道開挖循環(huán)進尺和減少鑿巖鉆孔的時間,鑿巖臺車已逐漸成為鑿巖鉆孔的優(yōu)選設(shè)備。 炮孔長度增大,使得周邊孔新型裝藥結(jié)構(gòu)中對炸藥在軸向上殉爆距離的要求也提高了。

對于炸藥殉爆距離的影響因素,國內(nèi)外許多學者開展了大量研究工作,并取得了豐碩成果［2-5］。 但是,在工程施工中,炸藥會受到炮孔的約束,且為使炸藥爆炸產(chǎn)生的徑向爆轟波得到高效利用,各類徑向聚能管被廣泛應(yīng)用于周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)中,起到控制圍巖超欠挖現(xiàn)象和增大周邊孔間距以及減小隧道開挖成本等作用［6-9］。 除此之外,聚能管非聚能面對炸藥亦起到一定約束作用,然而目前關(guān)于徑向聚能管對炸藥殉爆距離影響的研究并不多見。 因此,研究在炮孔約束條件下聚能管對乳化炸藥殉爆距離的影響具有前瞻性意義。

本文以某隧道周邊孔裝藥使用的乳化炸藥和“乳化炸藥+雙槽聚能管”為研究對象,采用無縫鋼管模擬周邊孔對試驗藥包進行約束,研究測試無縫鋼管約束下乳化炸藥在有無雙槽聚能管條件下的最大穩(wěn)定殉爆距離,為研究炸藥在約束條件下的殉爆距離提供借鑒。

1 殉爆試驗

1.1 試驗樣品

圖1 雙槽聚能管

如圖1 所示,雙槽聚能管具有2 個沿管長分布且方向相反的聚能槽、1 個自由面(對炸藥無約束作用)和1 個約束面,長度為17 cm。 應(yīng)用于隧道周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)中,聚能槽與開挖輪廓線重合或平行,自由面指向光爆層,其目的是高效利用炸藥爆炸沿徑向傳播的沖擊波能量,可增大周邊孔間距以及作用于光爆層的爆炸能量。 約束面指向開挖輪廓外圍巖,通過管壁衰減作用于圍巖上的沖擊波,起到保護圍巖的作用。 針對鋼管約束下乳化炸藥在有無雙槽聚能管條件下的殉爆距離測試試驗,聚能管對炸藥爆炸所產(chǎn)生的徑向爆轟波起一定約束作用,增大沿管軸向傳播的空氣沖擊波能量,進一步增大作用于被發(fā)藥包上的起爆能量。

試驗炸藥為塑膜裝2＃巖石乳化炸藥,其規(guī)格參數(shù)如表1 所示。 雷管選取MS1 的導爆管雷管。 試驗分為乳化炸藥(乳化普通藥包)和“乳化炸藥+雙槽聚能管”(即乳化聚能藥包)的殉爆距離測試試驗,試驗乳化炸藥卷長度均取為17 cm。 主發(fā)藥包和被發(fā)藥包相向端部均采用美工刀切平,避免藥包端部形狀對炸藥殉爆距離的影響。

表1 試驗炸藥規(guī)格參數(shù)

1.2 試驗裝置設(shè)計

試驗?zāi)M隧道周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 圖中Xi為主發(fā)藥包與被發(fā)藥包之間空氣介質(zhì)長度,即殉爆距離；Li為主發(fā)藥包起始爆轟端距管口的距離,為使乳化普通藥包和乳化聚能藥包爆炸產(chǎn)生的沖擊波在無縫鋼管中穩(wěn)定傳播,從而保證最大穩(wěn)定殉爆距離測試真實性和可靠性,被發(fā)藥包非裝藥段的鋼管長度應(yīng)不小于殉爆測試距離,即Li≥Xi；此外為防止被發(fā)藥包未殉爆就被空氣沖擊波推出鋼管,被發(fā)藥包端部與管口之間距離不應(yīng)過小,綜合考慮取值為23 cm。

圖2 殉爆試驗裝藥結(jié)構(gòu)

試驗裝置如圖3 所示,通過觀察見證板上是否有殘留的乳化炸藥,結(jié)合被發(fā)藥包裝藥段鋼管斷裂情況共同判斷被發(fā)藥包是否發(fā)生殉爆。

圖3 殉爆試驗裝置

試驗采用兩端支撐法,即U 型鋼支撐結(jié)構(gòu)支撐無縫鋼管兩端,使其懸空,并通過水平尺找到無縫鋼管水平狀態(tài),確保主發(fā)藥包與被發(fā)藥包軸線處于水平狀態(tài)并重合。 試驗管材規(guī)格參數(shù)見表2。

表2 試驗管材規(guī)格參數(shù)

1.3 試驗方案

前期在無縫鋼管、混凝土模型以及隧道周邊孔中進行的不同藥量乳化炸藥殉爆距離測試結(jié)果如表3 所示。 結(jié)合前期試驗結(jié)果,本文均選取110 cm 作為初始殉爆測試距離,并取10 cm 作為初始殉爆步距。

表3 前期乳化炸藥殉爆試驗結(jié)果

在初始殉爆距離下,通過殉爆見證板和被發(fā)藥包裝藥段鋼管斷裂情況判斷被發(fā)藥包是否發(fā)生殉爆,若殉爆,則以10 cm 的初始步距增大殉爆測試距離,否則減小殉爆測試距離,確定出普通藥包和聚能藥包在無縫鋼管中的最大殉爆距離區(qū)間范圍。 然后減小步距至5 cm,通過減小或增大殉爆測試距離,測出普通藥包和聚能藥包在無縫鋼管中被發(fā)藥包穩(wěn)定殉爆的最大殉爆距離。 取3 次均能穩(wěn)定殉爆的最大距離作為試驗結(jié)果。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 殉爆試驗結(jié)果

表4 為鋼管約束下長度17 cm 的乳化炸藥在有無雙槽聚能管條件下的殉爆距離測試結(jié)果。 針對試驗誤差的存在,且為確保被發(fā)藥包100%發(fā)生殉爆,試驗中不考慮進一步減小步距至2.5 cm 進行殉爆距離為107.5 cm 和132.5 cm 的測試試驗。 由此可知,在外徑57 mm、壁厚4 mm 的無縫鋼管中,長度17 cm 的乳化炸藥在有無雙槽聚能管約束作用下的被發(fā)藥包100%殉爆的最大殉爆距離分別為105 cm 和130 cm。

表4 鋼管中乳化炸藥殉爆試驗結(jié)果

圖4 為試驗中被發(fā)藥包發(fā)生殉爆時無縫鋼管斷裂整體效果。 當被發(fā)藥包發(fā)生殉爆時,鋼管在主發(fā)和被發(fā)藥包裝藥段均發(fā)生斷裂。 圖5 為被發(fā)藥包未發(fā)生殉爆的鋼管斷裂整體效果。 當被發(fā)藥包未發(fā)生殉爆時,無縫鋼管中被發(fā)藥包裝藥段未發(fā)生斷裂,且未殉爆的被發(fā)藥包被空氣沖擊波推出鋼管時在管內(nèi)壁和見證板上殘留下乳化炸藥。

圖4 被發(fā)藥包發(fā)生殉爆的整體效果

2.2 結(jié)果分析

長度17 cm 的乳化普通藥包和乳化聚能藥包在外徑57 mm、壁厚4 mm 的無縫鋼管中的最大穩(wěn)定殉爆距離分別為105 cm 和130 cm,表明雙槽聚能管對乳化炸藥爆炸所產(chǎn)生的徑向爆轟波的約束作用對乳化炸藥殉爆距離影響極大,增大了乳化炸藥在鋼管中的殉爆距離。 對比可知乳化炸藥在雙槽聚能管約束條件下的殉爆距離增加值可達25 cm,且鋼管發(fā)生斷裂導致炸藥爆炸能量大量泄漏,從能量守恒的角度分析,說明雙槽聚能管在炮孔裝藥結(jié)構(gòu)對炸藥爆炸徑向傳播的爆轟波能量約束程度更大,從而較大程度增大軸向傳播的沖擊波能量。

文獻［5］采用約束材料為外徑50 mm、壁厚2 mm的低碳鐵管,本文采用約束材料為外徑57 mm、壁厚4 mm 的無縫鋼管,殉爆距離測試結(jié)果對比如表5 所示。本文所用試驗炸藥量較文獻［5］試驗藥量小,測出試驗炸藥殉爆距離均較文獻［5］的殉爆距離大,且加雙槽聚能管后的殉爆距離更大。 表明對比藥量對乳化炸藥殉爆距離的影響,外界約束條件對乳化炸藥殉爆距離影響極其明顯,約束條件越好,乳化炸藥殉爆距離越大。

表5 不同約束條件下的殉爆距離測試結(jié)果

實際工程中,炮孔周圍為無限域巖石,對比無縫鋼管對乳化炸藥爆炸能量的約束,炮孔約束條件較鋼管好。 即使存在影響乳化炸藥在炮孔約束條件下殉爆距離的其他外界因素,如炮孔中存在裂隙、炮孔與水平線之間存在夾角、鑿巖鉆孔孔內(nèi)殘留直徑較大的巖石顆粒以及水炮孔等,但相比于鋼管中裝藥段斷裂導致炸藥能量大量泄漏對炸藥殉爆距離的影響,這些影響因素是可忽略的。 因此,在無縫鋼管中所測得長度17 cm 的“乳化炸藥+雙槽聚能管”藥包的最大穩(wěn)定殉爆距離為130 cm,可推理出藥包在隧道周邊孔中的最大穩(wěn)定殉爆距離值不小于130 cm,試驗中所測得被發(fā)藥包100%殉爆的最大殉爆距離可推廣應(yīng)用于隧道新型裝藥結(jié)構(gòu)中。

2.3 雙槽聚能管對殉爆距離的影響機理

對比圖2 中乳化普通藥包和聚能藥包裝藥結(jié)構(gòu),普通藥包為偏心不耦合裝藥,同時底部耦合,藥包爆炸產(chǎn)生的爆轟波在徑向上僅受到底部鋼管管壁約束,在非約束面則100%壓縮空氣作用于鋼管內(nèi)壁上；聚能藥包雖為偏心不耦合裝藥,但乳化炸藥為耦合裝藥,炸藥徑向方向均被不同材料約束,即約束材料的強度在爆炸后產(chǎn)生高爆壓、高爆速、超高溫的爆轟產(chǎn)物作用下可被忽略；但約束材料在徑向上仍會對爆轟產(chǎn)物起到一定的慣性約束作用,且爆轟產(chǎn)物與約束材料特性阻抗不匹配,當爆轟產(chǎn)物沖擊聚能管壁時,由于管殼(塑料)的密度大于爆轟波陣面上爆轟產(chǎn)物的密度,約束材料介質(zhì)的壓縮性小于爆轟產(chǎn)物的壓縮性,使炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波在界面上發(fā)生透反射現(xiàn)象,減小炸藥爆炸產(chǎn)生沿徑向傳播至空氣介質(zhì)中的沖擊波能量,增大沿軸向傳播的沖擊波能量。 因此在炸藥起爆能量一定的條件下,雙槽聚能管可對其爆轟波能量起到一定的約束作用,增大軸向同軸點處沖擊波能量,從而增大炸藥穩(wěn)定殉爆距離。

3 結(jié) 論

1) 乳化普通藥包和乳化聚能藥包在外徑57 mm、壁厚4 mm 的無縫鋼管中被發(fā)藥包100%發(fā)生殉爆的最大殉爆距離分別為105 cm 和130 cm,表明雙槽聚能管對乳化炸藥爆炸所產(chǎn)生的徑向爆轟波的約束作用對乳化炸藥殉爆距離影響極大,增大了乳化炸藥在無縫鋼管中的殉爆距離。

2) 對比藥量對乳化炸藥殉爆距離的影響,約束條件的影響極其明顯,約束條件越好,乳化炸藥殉爆距離越大。

3) 雙槽聚能管與爆轟產(chǎn)物特性阻抗不匹配,使炸藥爆炸產(chǎn)生的徑向爆轟波在界面上發(fā)生透反射現(xiàn)象,根據(jù)能量守恒規(guī)律,增大了軸向上同軸點處沖擊波能量。

4) 等藥量的“乳化炸藥+雙槽聚能管”藥包在炮孔約束下的殉爆距離不小于在無縫鋼管中的最大穩(wěn)定殉爆距離。 因此,在無縫鋼管中所測得“乳化炸藥+雙槽聚能管”藥包的被發(fā)藥包100%發(fā)生殉爆的殉爆距離可直接推廣應(yīng)用于隧道周邊孔新型裝藥結(jié)構(gòu)中。