爆破構筑單人掩體裝藥條件研究

吳 均,汪艮忠,毛 立,謝興博,潘偉綱,李天根,馬軍喜,王志強,黃寅生

(1.浙江利民化工有限公司,浙江 麗水 323300;2.南京理工大學 化工學院,江蘇 南京 210094;3.陸軍工程大學 化學與化工學院,江蘇 南京 210007)

單人掩體是一種對單人起保護作用的環(huán)型防護工事[1]。即便是簡單構筑的單人掩體也可以有效地防御輕武器火力、炮彈彈片、飛機掃射轟炸以及坦克的輾壓,大幅提高部隊生存率[2]。

野外開挖單人掩體工事面臨著例如惡劣天氣與地理環(huán)境等很多困難,配備的工兵鏟與工兵鎬對凍土或巖石的挖掘能力不夠,開挖時會耗費大量時間與體力。

目前,關于巖石爆破與模擬仿真國內外已經有很多學者進行了研究,周文海[3]仔細研究了露天礦深孔臺階爆破中逐孔起爆延時的影響。崔新男等[4]采用束狀孔爆破和孔內延時起爆相結合的方式,完成了雙分層爆破實驗。高文學等[5]通過實驗證明高精度電子雷管可以有效削弱爆破振動強度。韓濤等[6]采用新型數碼電子雷管,完成了可控高精度延期爆破。李世超等[7]采用LS-DYNA軟件研究了水下多點起爆沖擊波的疊加效應。TATSUYA等[8]對采用電子延期雷管減弱爆破振動強度進行了研究。SONG等[9]對孔間距以及起爆延期時間兩因素與深孔爆破效果之間關系進行了研究。

針對目前開挖單人掩體工事面臨的問題,本文研究采用分段裝藥,延期爆破的方法構筑單人掩體,并通過多組實驗研究了不同延期時間以及裝藥條件對產生的單人掩體尺寸影響,得出了爆破效果較好所需要的裝藥條件以及延期時間。

1 成壕裝藥組成與藥包布置

成壕裝藥藥筒采用塑料作為外殼材料,炸藥裝藥為乳化炸藥,裝填密度為1.18 g/cm3,2塊炸藥包中間用細沙作為隔爆層,上下各用一發(fā)毫秒級數碼電子延期雷管來起爆炸藥裝藥,鉆孔孔徑比裝藥直徑大20 mm,裝藥上部及周邊采用細沙填實。成壕藥筒如圖1所示,裝藥布置如圖2所示。

圖1 成壕藥筒示意圖

成壕藥包爆破的主要作用原理如下:

①在毫秒延時爆破中,上方藥包起爆后,便形成爆破漏斗,對后起爆炮孔來說,相當于增加了新的自由面。由于新產生的臨空面,減輕了下方藥包的爆破阻力,更利于發(fā)揮炸藥爆炸能量的破巖作用與拋撒能力。

②兩藥包爆破后產生的應力波互相疊加。上方藥包爆炸后生成應力波,在應力波消散前起爆下方藥包,會引起兩藥包爆炸應力波疊加,大幅加強爆破破巖能力,減小爆破巖石的塊度,從而改善爆破效果。

③2個藥包爆炸碎塊空中相互擠壓碰撞產生輔助破碎作用。由于上、下兩段裝藥起爆間隔時間較短,上方藥包爆破拋撒的巖塊在未落地之前,與下方藥包起爆拋擲的巖塊于空中發(fā)生撞擊,使拋撒出的大體積巖塊進一步破裂,起到補充爆炸破碎的效果,進而提高爆破巖塊的破碎程度。

爆破延期間隔時間的選擇主要與巖石性質、抵抗線、巖體移動速度以及對破碎效果和減振要求等因素有關。通常,按照露天鉆孔臺階爆破時,毫秒延期間隔時間為10～60 ms,以保證一定破碎質量、合理的拋撒能力,改善爆破效果。

2 成壕爆破的數值模擬與仿真

2.1 數值仿真模型

為了獲得單兵成壕爆破的合理裝藥參數,對裝藥量、裝藥結構、延期時間、堵塞條件等進行數值模擬與仿真,分析裝藥結構參數對爆破漏斗形狀大小的影響規(guī)律,以獲得合理的爆破構筑單人掩體。

本研究采用AUTODYN 軟件進行模擬仿真。模型高為9 m,長為8 m,相當于圓柱體模型的一個截面,為了簡化計算,構建了3個實心長方形模型。3個模型均采用垂直排布的2個藥包以從上至下毫秒延時的起爆方式,上方藥包埋深均為0.5 m,建立的模型示意圖如圖3所示。

圖3 爆破成壕計算模型

SPH算法可以很好地模擬高速飛散的粒子產生的空腔及爆炸引起的介質拋擲現象,因此模型選用該算法。

選擇乳化炸藥材料作為炸藥包裝藥,炸藥爆轟產物的壓力用JWL狀態(tài)方程來描述,AUTODYN計算中乳化炸藥材料的JWL狀態(tài)方程參數見表1。表中,ρ為密度,vD為爆速,pCJ為爆壓,A、B、ω為待定常數,E0為單位體積炸藥的初始總能量。

表1 乳化炸藥材料參數及JWL狀態(tài)方程參數

由于起爆雷管的藥量較小,對爆破漏斗大小及形狀影響不大,所以對其進行簡化處理,采用中心點起爆的方式起爆乳化炸藥。

數值模擬采用的巖土材料和沙土材料相關參數見表2和表3。

表2 巖土材料相關參數

表3 沙土材料相關系數

選用的巖土材料在計算較為簡便而精確的同時能夠較好地模擬研究的應用場景,即對于硬度較大的巖石、凍土等進行爆破成壕。

2.2 數值仿真計算結果

通過改變延期時間、上部裝藥量、下部裝藥量的方式建立了9組模型,其模型初始條件如表4所示,各模型對應的裝藥直徑為7 cm,打孔直徑為9 cm,隔爆長度為60 cm,封堵高度為50 cm。

表4 模型初始條件

在程序模擬結果文件中,通過調節(jié)網格附件,測得爆破過程結束后的炸坑頂部直徑,底部直徑、深度以及體積如表5所示。

表5 模型計算結果

不同上部裝藥產生的炸坑如圖4所示,可以看出,隨著上部裝藥量的增加,炸坑的上部直徑明顯增加,炸坑深度也隨裝藥量增加而增加,因此炸坑的體積也隨之增加。

圖4 上部裝藥量對炸坑的影響

不同下部裝藥產生的炸坑如圖5所示,可以看出,隨著下部裝藥藥量的增加,炸坑的下部直徑呈現出增大的趨勢,炸坑深度也隨下部裝藥量增加而增加,因此炸坑的體積與下部裝藥量成正相關關系。

圖5 下部裝藥量對炸坑的影響

不同延期時間產生的炸坑如圖6所示,可以看出,隨著延期時間的增加,炸坑的上部直徑、下部直徑、深度有一定變化,其中延期時間50 ms的炸坑深度最高,炸坑體積也最大。

圖6 延期時間對炸坑的影響

其中裝藥條件為上部裝藥2 kg,下部裝藥2 kg,延時50 ms的爆破模型模擬產生的兩爆破漏斗基本融合,之間只有松散的巖塊,融合的爆破漏斗上部直徑為1.72 m,下部直徑為0.74 m,深度為2.08 m,計算得到爆破漏斗體積為2.60 m3,由于爆炸拋撒后巖土回填現象的產生,巖土回填后的炸坑尺寸與形狀基本可以滿足單兵站姿戰(zhàn)壕的需求。

3 現場爆破試驗

3.1 爆破現場的選擇

爆破試驗地點位于浙江省麗水市遂昌縣清水源水庫工程處,試驗場地巖土如圖7,顏色為灰色以及淺黃色,屬淺風化石灰?guī)r地質條件,適合于模擬對于硬度較大的巖石、凍土等進行爆破成壕試驗。

圖7 爆破試驗地點巖土情況

3.2 爆破器材與裝藥設計

成壕裝藥主要材料為2號巖石乳化炸藥,裝藥密度為1.18 g/cm3,猛度≥16 mm,爆速≥400 m/s,做功能力≥260 mL,生產廠家為浙江凱特化工有限公司利民分公司。

成壕裝藥的延時起爆通過數碼電子雷管實現,實驗采用的是8號數碼電子雷管,生產廠家為浙江物產新聯(lián)民爆光華民爆器材有限公司。

為了研究不同裝藥量、隔爆長度、延期時間對爆破成壕效果的影響,選取不同的爆破參數進行了12組實驗,爆破參數如表6所示。試驗中對應的裝藥直徑為7 cm,打孔直徑為9 cm,隔爆長度為60 cm,封堵高度為50 cm。

表6 炸藥延期時間與裝藥情況

3.3 爆破試驗與模擬結果分析

清理巖土碎塊后的爆破漏斗如圖8所示,從圖中可以看出,隨著裝藥量、隔爆長度、延期時間的改變,爆破的效果也有所不同,爆破后產生的可見漏斗經過清理后其形狀近似于一個底部直徑小且頂部直徑大的圓臺。

圖8 清理后炸坑

對12組實驗產生的可見爆破漏斗進行測量,爆坑的頂部直徑、底部直徑、深度以及炸坑體積數據如表7所示。

表7 清理后炸坑尺寸

3組不同底部裝藥產生的炸坑底部直徑如圖9所示。爆破產生的底部漏斗直徑與底部裝藥量存在正相關關系,破碎巖石主要靠炸藥爆炸釋放出的能量,因此底部裝藥量越大,產生的爆炸能量越大,對巖石的爆破效果越充分,生成的可見漏斗底部尺寸越大。

圖9 炸坑底部直徑與底部藥量的關系

3組不同頂部裝藥產生的炸坑頂部直徑如圖10所示,由圖中可知,隨著頂部裝藥量的增加,爆破產生的可見漏斗頂部直徑也隨之增加,當頂部裝藥量增加時,爆轟壓力隨之增大,爆轟波更強,巖石孔壁受爆轟波激發(fā)產生更劇烈的沖擊波以及應力波,使炮孔周圍的巖土粉碎破裂更加充分,拋撒入空中的巖土體積更多,使得產生可見漏斗頂部直徑增加。

圖10 炸坑頂部直徑與上部藥量的關系

兩段裝藥中間的隔爆長度與產生的炸坑體積關系如圖11所示。從圖中可以看出,隔爆長度為30 cm和40 cm時爆炸產生的炸坑體積明顯小于隔爆長度為50 cm和60 cm時的炸坑體積,這是因為下端裝藥延期時間保持在50 ms不變時,頂部裝藥先起爆,產生強烈的爆轟波,通過隔爆層傳播至底部裝藥并起爆底部裝藥,使底部裝藥產生殉爆,由于底部裝藥不是由雷管起爆,爆炸并不充分,對巖土的爆破作用不完全,產生的可見漏斗體積減小了。

圖11 炸坑體積與隔爆長度的關系

下端裝藥的延期時間與爆破產生可見漏斗的體積關系如圖12所示。從圖中可以看出,延期時間設置為50 ms時產生的炸坑體積最大,延期時間較長時頂部裝藥爆炸拋撒出的巖土受到重力作用回落入爆破漏斗中,對底部裝藥的爆破效果產生不利影響,阻礙了爆破漏斗的進一步擴大,因此延期時間不宜設置過長。

圖12 炸坑體積與延期時間的關系

4 結論

①采用AUTODYN軟件,選擇合理的材料參數建立不同延期時間、上部裝藥量、下部裝藥量共9個模型,通過對其產生爆破漏斗尺寸與形狀的對比,發(fā)現在一定范圍內漏斗尺寸與上、下部裝藥量成正相關,與延期時間也存在一定關系。1號模型產生的兩爆破漏斗基本融合,之間只有松散的巖塊,融合的爆破漏斗上部直徑為1.72 m,下部直徑為0.74 m,深度為2.08 m,計算得到爆破漏斗體積為2.60 m3,由于爆炸拋撒后巖土回填現象的產生,巖土回填后的炸坑尺寸與形狀基本可以滿足單兵站姿戰(zhàn)壕的需求。

②通過爆破實驗的方式對爆破模型模擬的情況進行了驗證,計算的數據比較符合實驗結果。當上下部裝藥量增加時,爆轟壓力隨之增大,更強爆轟波傳到炮孔孔壁時,孔壁上的巖石激發(fā)成更強烈的沖擊波和應力波,使炮孔周圍的巖土粉碎破裂更加充分,拋撒入空中的巖土體積更多,使得產生可見漏斗直徑增加。

③爆破產生的可見漏斗體積與延期時間有關,延期時間50 ms爆破時產生的炸坑體積最大,2段裝藥隔爆長度在50 cm以下時可能會發(fā)生殉爆現象,所以裝藥隔爆長度不能過短,士兵在實戰(zhàn)情況下可以根據觀察到的巖土物理、力學性質來對2段炸藥的裝藥量進行調整,以達到最合適的爆破效果,產生適合隱蔽及作戰(zhàn)的單兵掩體。