炮孔約束下炸藥殉爆距離試驗(yàn)研究

馬晶晶,龍運(yùn)杰,唐虹靖,田軍

(西藏中金新聯(lián)爆破工程有限公司,西藏拉薩 850000)

0 引言

炸藥殉爆是指某一藥包爆炸后引起惰性介質(zhì)內(nèi)相隔一定距離處另一藥包爆炸的現(xiàn)象。炸藥的殉爆距離對(duì)于炸藥的生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯存、使用以及工程上盲炮事故的處理、炮孔參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)的確定等方面具有重要的指導(dǎo)意義[1]。對(duì)于隧道或巷道光面爆破而言,光爆孔通常采用空氣間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu),通常需要將炸藥間隔地綁在竹片上,并采用導(dǎo)爆索傳爆,具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工復(fù)雜、效率低、成本高等問題。炮孔約束條件下炸藥殉爆距離會(huì)增加的特性,為解決這些難題提供了新思路,合理地利用這一特性,可以在光爆孔實(shí)現(xiàn)無竹片捆綁、無導(dǎo)爆索起爆。因此,對(duì)炮孔約束條件下炸藥殉爆距離的研究具有較大的實(shí)際意義。

對(duì)于炸藥的殉爆距離,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。張福宏[2]建立了炮孔中炸藥殉爆的經(jīng)驗(yàn)公式,并應(yīng)用于隧道光面爆破,取得了較好的效果;陳慶凱等[3]通過殉爆測(cè)試,得到了乳化炸藥在不同約束條件下的殉爆距離以及兩種不耦合系數(shù)下的殉爆距離;李啟月等[4]研究了在炮孔約束條件下雙槽聚能管對(duì)乳化炸藥殉爆距離的影響,分別獲得乳化普通藥包和聚能藥包在無縫鋼管中的最大穩(wěn)定殉爆距離;袁俊明等[5]基于流固耦合方法,通過調(diào)整距離模擬計(jì)算得到了傳爆管的臨界殉爆距離和殉爆安全距離,并分析了殉爆過程中JO-9C 爆轟波的成長(zhǎng)歷程及傳播規(guī)律;YANG 等[6]提出了一種解決交感爆轟時(shí)空多尺度問題的直接數(shù)值模擬(DNS)方案,并且給出了組合物B 的傳輸距離和安全距離,試驗(yàn)與數(shù)值仿真結(jié)果吻合良好。

由上述研究可知,在炮孔約束條件下,炸藥的殉爆距離會(huì)顯著增大,而對(duì)殉爆距離增大的具體數(shù)值以及科學(xué)的計(jì)算方法研究較少。本文基于爆炸沖擊壓力殉爆理論,提出了一種炮孔約束條件下炸藥殉爆距離的計(jì)算方法,然后用鋼管模擬炮孔、在混凝土模型預(yù)留炮孔和光面爆破周邊孔約束條件下進(jìn)行殉爆試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果得到2#巖石乳化炸藥在不同約束條件下的殉爆距離,并驗(yàn)證了本文所提出的理論計(jì)算方法的合理性,可為研究炮孔約束條件下炸藥的殉爆距離提供借鑒。

1 殉爆距離理論計(jì)算

根據(jù)爆炸沖擊波壓力殉爆理論[7],當(dāng)主發(fā)藥包爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力大于等于炸藥臨界起爆壓力時(shí),被發(fā)藥包將會(huì)被引爆。因此,計(jì)算炸藥在炮孔內(nèi)的殉爆距離需確定炸藥起爆的臨界壓力。首先在自由場(chǎng)條件下測(cè)得炸藥殉爆距離,通過無約束條件下沖擊波壓力計(jì)算公式求解出該炸藥在殉爆距離處的沖擊波壓力,即為炸藥的臨界起爆壓力。然后結(jié)合炮孔內(nèi)炸藥爆炸沖擊波壓力計(jì)算公式,令其等于炸藥起爆的臨界壓力,即可求得炮孔約束條件下炸藥殉爆距離的計(jì)算公式。最后,利用該公式求得炮孔約束下炸藥的理論殉爆距離。

1.1 無約束條件下炸藥臨界起爆壓力

本文采用懸吊法[7]對(duì)2#巖石乳化炸藥在無約束條件下的殉爆距離進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,該炸藥在自由場(chǎng)條件下的殉爆距離為3 cm。無約束條件下沖擊波壓力按式(1)進(jìn)行計(jì)算:

式中,PFree為自由場(chǎng)沖擊波壓力,MPa;ΔP為沖擊波超壓峰值,MPa;PAir為大氣壓力,0.1 MPa。選取Sadovskyi[8-9]經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)沖擊波超壓進(jìn)行計(jì)算:

式中,m為球狀藥包質(zhì)量,kg;x為距爆炸中心的距離,m。

2#巖石乳化炸藥的TNT 當(dāng)量系數(shù)可以根據(jù)能量相似原理按爆熱進(jìn)行換算,亦可通過兩種炸藥在相同位置處產(chǎn)生相等的爆炸沖擊波峰值壓力或正壓沖量所需藥量比值來計(jì)算。相關(guān)學(xué)者研究表明該炸藥的TNT 當(dāng)量系數(shù)為0.609～0.708[10],本文取其平均值0.659。以上研究是以球狀藥包為基礎(chǔ),而2#巖石乳化炸藥為柱狀藥包,為了準(zhǔn)確研究該炸藥產(chǎn)生的沖擊波壓力,需要將柱狀藥包簡(jiǎn)化為10個(gè)長(zhǎng)徑比0.937的球狀藥包來計(jì)算沖擊波壓力。

將以上參數(shù)代入式(2),得到2#巖石乳化炸藥的臨界起爆壓力為316 MPa。

1.2 炮孔約束條件下炸藥殉爆距離計(jì)算

1.2.1 孔內(nèi)沖擊波壓力

沖擊波壓力實(shí)際上是關(guān)于距離和時(shí)間的函數(shù),可利用空氣間隔不耦合裝藥時(shí)孔壁初始沖擊壓力的計(jì)算公式來計(jì)算約束條件下的沖擊波壓力[11],并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,對(duì)公式中的一些參數(shù)進(jìn)行修正。修正后的孔壁初始?jí)毫τ?jì)算公式為:

式中,PHole為孔壁沖擊壓力,Pa;n為爆轟產(chǎn)物撞擊炮眼時(shí)孔壁壓力增大系數(shù),取8～11;PVP為爆炸氣體壓力,Pa;PK為炸藥的臨界壓力,200 MPa;m1為爆轟壓力修正系數(shù),取1.15;PW為炸藥爆轟壓力,Pa;KD、KL分別為徑向和軸向不耦合系數(shù)。

1.2.2 殉爆距離的理論計(jì)算

根據(jù)以上研究,當(dāng)主發(fā)藥包在炮孔中產(chǎn)生的沖擊壓力PHole大于等于被發(fā)藥包的臨近起爆壓力PFree時(shí),可以發(fā)生殉爆現(xiàn)象,令PFree=PHole,即可求出炮孔約束條件下炸藥的殉爆距離。同時(shí)結(jié)合殉爆過程,在計(jì)算殉爆距離時(shí),可取為空氣間隔距離總和的1/2。綜上所述,得到炮孔約束條件下2#巖石乳化炸藥的殉爆距離計(jì)算公式為:

式中,Lxb為炮孔約束條件下炸藥殉爆距離,cm;LAir為空氣間隔總和,cm;Le為藥卷長(zhǎng)度,cm。

將以上研究參數(shù)代入式(4)中,求得炮孔約束條件下2#巖石乳化炸藥的理論殉爆距離為100 cm。

2 殉爆試驗(yàn)

考慮到現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)的特殊性,在炮孔內(nèi)殉爆試驗(yàn)務(wù)必保證成功。根據(jù)約束相似,擬先在鋼管內(nèi)完成模擬炮孔約束試驗(yàn),然后在混凝土模型預(yù)留炮孔中進(jìn)行殉爆距離測(cè)試試驗(yàn),最后在掌子面炮孔中進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.1 鋼管模擬炮孔殉爆試驗(yàn)

試驗(yàn)采用外徑為56 mm,壁厚為4 mm(內(nèi)徑48 mm)的鋼管作為約束管道;炸藥選用2#巖石乳化炸藥,炸藥卷長(zhǎng)300 mm、直徑32 mm、質(zhì)量300 g;選用7 m 長(zhǎng)的導(dǎo)爆管雷管起爆主發(fā)藥包。鋼管模擬試驗(yàn)裝置如圖1所示,主發(fā)藥包放置在距離管口左端不小于Xcm 處,被發(fā)藥包距主發(fā)藥包Xcm,被發(fā)藥包端部距離管道端部大約20 cm;導(dǎo)爆管雷管插入主發(fā)藥包頭部,完全沒入;采用導(dǎo)爆管非電起爆方式退至60 m 外擋墻處安全區(qū)起爆。

圖1 鋼管內(nèi)炸藥殉爆試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果見表1,經(jīng)10次鋼管內(nèi)殉爆試驗(yàn)可以確定:在該種約束條件下殉爆距離為110 cm。

表1 約束條件下炸藥殉爆距離試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.2 混凝土模型預(yù)留炮孔殉爆試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)要求,所澆筑的混凝土模型長(zhǎng)、寬、高分別為400 cm、340 cm、340 cm,預(yù)留炮孔通過在澆筑混凝土?xí)r埋入與炮孔直徑相當(dāng)?shù)腜VC 管材,待模型成型后取出,得到混凝土模型預(yù)留炮孔直徑為50 mm,預(yù)留炮孔及混凝土模型如圖2所示。該試驗(yàn)炮孔內(nèi)藥包布置與鋼管殉爆試驗(yàn)一致,在預(yù)留炮孔被發(fā)藥包一側(cè)孔口位置豎立一塊鋼板,用來檢驗(yàn)被發(fā)藥包是否殉爆,采用導(dǎo)爆管非電起爆方式退至60 m外擋墻處安全區(qū)起爆。

圖2 預(yù)留炮孔及混凝土模型

混凝土模型預(yù)留炮孔殉爆試驗(yàn)共進(jìn)行6次,試驗(yàn)結(jié)果見表1。當(dāng)空氣間隔距離為120 cm 時(shí),被發(fā)藥包3 次全部殉爆,當(dāng)空氣間隔距離為130 cm 和125 cm 時(shí),被發(fā)藥包均不能殉爆,由此表明炸藥在該約束條件下的殉爆距離為120 cm。

2.3 掌子面光爆孔殉爆試驗(yàn)

掌子面光爆孔約束條件下的殉爆試驗(yàn)在新疆東天山隧道進(jìn)行,試驗(yàn)區(qū)段圍巖等級(jí)為III級(jí),采用光面爆破方案開挖,其中光爆孔孔深在4.0～4.3 m 之間,裝藥3～4 節(jié)。試驗(yàn)炮孔選擇在邊墻及拱頂位置,孔內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。孔內(nèi)炸藥分為3個(gè)部分:炮孔底部裝藥1.5～2節(jié)(過深炮孔裝藥2節(jié)),作為被發(fā)藥包1;距被發(fā)藥包1端部Xcm 處放置1節(jié)藥包,作為主發(fā)藥包;距主發(fā)藥包端部Xcm處放置1節(jié)藥包,作為被發(fā)藥包2。試驗(yàn)時(shí)首先選取2～6個(gè)周邊孔作為試驗(yàn)孔,用油漆在孔外圍巖上做標(biāo)記。采用在炮棍表面作標(biāo)記的方法將炸藥捅至預(yù)先設(shè)定的位置。爆破后通過觀察炮孔痕跡、爆破痕跡、是否存留根坎、是否掛門簾,確定是否殉爆。為保證試驗(yàn)的成功率,初次殉爆試驗(yàn)取X為70 cm。

圖3 試驗(yàn)炮孔裝藥結(jié)構(gòu)圖(單位:m)

掌子面炮孔約束條件下殉爆試驗(yàn)共進(jìn)行6次,結(jié)果見表1。當(dāng)空氣間隔取70～110 cm 時(shí),可以得到良好的爆破效果,炮孔痕跡較為明顯,且未發(fā)現(xiàn)存留根坎現(xiàn)象。當(dāng)空氣間隔距離增大至110 cm 時(shí),試驗(yàn)炮孔孔口出現(xiàn)了少量掛門簾現(xiàn)象,但與導(dǎo)爆索傳爆的炮孔爆破痕跡對(duì)比,可以確定當(dāng)空氣間隔距離為110 cm 時(shí),被發(fā)藥包可以殉爆,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。當(dāng)距離增大至120 cm 時(shí),炮孔痕跡較為明顯,在出渣完成后現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)亦未發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)炮孔底部存在殘留藥卷,且未發(fā)現(xiàn)炮孔底部存留根坎現(xiàn)象,被發(fā)藥包在炮孔底部能夠殉爆。但是孔口部位出現(xiàn)了范圍較大的掛門簾現(xiàn)象,結(jié)合采用導(dǎo)爆索傳爆的炮孔可以看出,炮孔上部的藥包處爆炸痕跡不甚明顯,試驗(yàn)炮孔上部的被發(fā)藥包不能夠穩(wěn)定殉爆,結(jié)果如圖5所示。綜上所述,可以得到炸藥在炮孔約束條件下的殉爆距離為:孔口位置110 cm、孔底位置120 cm。

圖4 空氣間隔距離110 cm 試驗(yàn)結(jié)果

圖5 空氣間隔距離120 cm 試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由3 種約束條件下炸藥殉爆距離試驗(yàn)結(jié)果可知,炸藥在鋼管、混凝土模型中的殉爆距離分別為110 cm、120 cm,在光爆孔內(nèi)的殉爆距離為孔口位置110 cm、孔底位置120 cm。本文通過理論計(jì)算求得炮孔約束條件下炸藥的殉爆距離為100 cm,略小于試驗(yàn)得到的殉爆距離,主要是由于殉爆試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生溫度較高的爆轟產(chǎn)物對(duì)炸藥殉爆起到了促進(jìn)作用。在3種約束條件下,當(dāng)炸藥間距設(shè)置為理論殉爆距離時(shí),炸藥殉爆率為100%。因此,該計(jì)算方法可用于炮孔約束下炸藥殉爆距離的預(yù)測(cè)。

鋼管模擬炮孔約束條件下的殉爆距離略小于混凝土模型預(yù)留炮孔、掌子面光爆孔。鋼管作為約束材質(zhì),雖然有較強(qiáng)的抗拉、抗壓強(qiáng)度,但是相對(duì)于爆炸時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力,其值仍然較小,在爆炸完成后的較短時(shí)間內(nèi),管壁會(huì)被破壞,隨之爆轟氣體從破壞處泄漏,造成鋼管內(nèi)的氣體壓力下降。相較于鋼管約束,混凝土預(yù)留炮孔、掌子面炮孔的約束可看成是無限巖體,對(duì)爆轟氣體有抑制作用,爆轟氣體泄漏極少,產(chǎn)生的沖擊波壓力更大,因此其殉爆距離大。

混凝土模型預(yù)留炮孔與掌子面炮孔約束試驗(yàn)結(jié)果較為接近,但仍然有一定的出入,主要有以下原因。

(1)掌子面炮孔在鉆孔時(shí)會(huì)存留一部分液態(tài)水、巖渣,加快了沖擊波衰減速度,增加了沖擊波傳播過程中的能量損耗?；炷聊Ｐ皖A(yù)留炮孔內(nèi)無水、無巖渣,且內(nèi)壁光滑,沖擊波衰減速度慢、能量損耗低。因此,孔口位置殉爆距離略小于混凝土模型預(yù)留炮孔內(nèi)的殉爆距離。

(2)混凝土模型預(yù)留炮孔是兩端開口的,直接和空氣相鄰。掌子面炮孔是一端開口的,另一端為無限巖體,沖擊波遇到無限巖體時(shí)會(huì)反射回來,造成沖擊波壓力的疊加?？椎撞康臒o限巖體相當(dāng)于端部約束,相較于端部無約束條件下,有端部約束的炸藥承受的沖擊壓力更大,炸藥更容易被壓縮,內(nèi)部更容易形成灼熱核,有利于炸藥殉爆。

(3)炮孔底部的密閉環(huán)境使爆轟氣體無法泄漏,產(chǎn)生的沖擊波比孔口更大。由此可知,在炮孔約束條件下,被發(fā)藥包端部施加約束有利于殉爆距離的增加。

4 結(jié)論

(1)基于臨界壓力殉爆判據(jù),提出了一種炮孔約束條件下炸藥殉爆距離的計(jì)算方法,殉爆試驗(yàn)驗(yàn)證了該計(jì)算方法的準(zhǔn)確性,能夠較好地應(yīng)用于炮孔約束條件下殉爆距離的計(jì)算。

(2)2#巖石乳化炸藥在鋼管模擬炮孔內(nèi)的殉爆距離為110 cm,在混凝土模型預(yù)留炮孔內(nèi)的殉爆距離為120 cm,在掌子面炮孔內(nèi)的殉爆距離為孔口位置110 cm、孔底位置120 cm。炮孔約束條件下的殉爆距離為無約束條件下殉爆距離的1.1～1.2倍。

(3)光面爆破周邊孔采用無導(dǎo)爆索間隔裝藥結(jié)構(gòu)可以取得常規(guī)裝藥結(jié)構(gòu)相同的爆破效果,炮孔痕跡明顯,超挖、欠挖不明顯,光爆效果良好;同時(shí)能夠節(jié)省導(dǎo)爆索、竹片等成本,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。