模拟高原水下爆炸特征参数的实验研究

黄 麟，张 立，熊 苏，李雪交，邱明灿

（安徽理工大学， 安徽淮南 232001）

模拟高原水下爆炸特征参数的实验研究

黄 麟，张 立，熊 苏，李雪交，邱明灿

（安徽理工大学， 安徽淮南 232001）

高原地区进行的水下爆破工程，因水体表面气压随海拔的升高而线性降低，其装药爆炸后的特征参数是否发生变化，对爆破施工有重要意义；采用密闭的高压爆炸容器，模拟高原气压条件，对雷管水下爆炸参数进行了实验研究，研究结果表明：在海拔0～4 500m范围内随着气压降低，冲击波峰值压力大小与气压无关，冲击波衰减时间却有一定增长，导致比冲击波能微小增大；气泡脉动周期按二阶多项式规律显著增大，但由于气压随海拔升高而变小，装药深度处的总静水压力随之降低，使比气泡能微量减小，而爆炸总能量基本不变。

水下爆炸； 高原地区； 冲击波； 气泡脉动波； 爆炸能量

1 引言

随着我国经济建设的日益发展，在高原地带的矿山开采和城市交通建设都已相继提上日程。如青藏铁路的修建，铁路沿线海拔大部分在3 000 m以上，有不少工程项目需要采用水下爆破，这对爆破器材与技术就有了特殊的要求。但是关于海拔高度对炸药做功能力影响的报道很少，而在高海拔地区的水下爆炸研究更是缺乏，因此研究高原地区的水下爆炸能量具有重要的理论和实际意义。

本实验研究利用了密闭的球形高压爆炸压力容器，采取抽气压的方式调节水体表面气压，以模拟高原水下爆炸环境，探究水下爆炸能量分布规律。通过测试可以得出冲击波峰值压力Pm、冲击波衰减时间θ、气泡脉动周期tb以及总静水压力P H，经过计算能分别求出比冲击波能、比气泡能和总能量。

2 研究装置及设计条件

球形高压爆炸容器的内径1.5 m，容积1.767 m3，设计压力2.5 MPa，最高耐压实验压力2.625 MPa，符合GB150－98产品标准。在容器中部的东、西、南、北方向各有一个直径为0.25 m的观测窗，窗口盲板可以安装水下爆炸压力传感器。顶部是一个直径0.40 m的人孔，底端有一放水口。在人孔法兰盖上安装有连接起爆系统的接线柱，在容器的上部设计有进气和抽气阀［1］。测试系统采用CY－YD－202型压力传感器、STYV－2低噪声电缆、YE5850A电荷放大器、54815A数字储存示波器和计算机。整个研究装置如图1所示。

气压随海拔高度而变化，海拔越高，气压越小。在海拔小于5 000 m高度的范围内，气压随海拔高度呈线性变化，由于气压的变化受到季节温度及各地区重力加速度不同的影响，所以在相关资料中显示海拔高度与气压降低幅值有微小的出入，但都遵循气压每降低100 Pa，海拔升高9.5 m这一规律［2］，故本文实验采取这一标准。图2是气压和海拔高度关系图（由于原数据只提供了2 500 m以下的气压值，分析这些数据是呈线性关系，相关系数r2＝0.998 6；因此2 500～4 500 m的数值为外推得到）。在水下爆炸中，装药所承受的压力为装药入水深度的静水压和水表面所受的气压之和。通过改变水体表面气压可以改变装药所承受的压力以模拟高原低气压环境。因此抽取的气压为5 300 Pa、10 600 Pa、15 900 Pa、21 200 Pa、26 500 Pa、31 800 Pa、37 100 Pa、42 400 Pa和47 700 Pa时，可以分别模拟500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m、3 000 m、3 500 m、4 000 m、4 500 m海拔高度（装药放置在容器中心水下0.6 m处，这段距离和海拔高度相比数值相差很大，可忽略不计）。在海拔高于4 500 m的高原地区，水主要以冰雪、冻土的形式存在，所以本文不予考虑。同时由于实验条件限制，文中对由于海拔升高而产生的温度和重力加速度改变未予考虑。

图1 研究装置及测试系统图

图2 海拔高度与大气压关系图

3 计算公式与实验数据处理

3.1 压力传感器标定

装药采用8号金属壳电雷管，由雷管内各层装药的爆热，折合TNT当量为1.07×10－3kg，装药中心距压力传感器0.394 m，由TNT的冲击波压力经验公式得［3］［4］：

由两次实测的P－t曲线，读取最大输出电压；用下式算出压力传感器的电荷灵敏度：

式中：V m为电压峰值，mv；K v为电荷放大器增益，mv/pc。

对两组灵敏度数值进行加权平均，得到所用传感器的的动态灵敏度Sq。

3.2 冲击波峰值压力

由上所得的压力传感器灵敏度测量出不同海拔高度下的最大输出电压V m，代入公式Pm＝V m/（K v·Sq），即可算出水中爆炸的冲击波峰值压力。冲击波峰值压力在10.716～11.812 MPa范围内，与海拔高度回归关系如图3所示。

图3 冲击波峰值压力和海拔高度关系图

由图3可知冲击波峰值压力和海拔高度的关系图为一条水平直线，说明在这个范围内，冲击波峰值压力基本保持不变。由于装药在低气压条件下的约束没有改变，爆炸过程中冲击波传播速度远超过水中声速，冲击波上升时间也仅为几μs，可以认为低气压环境对有外壳装药的爆炸冲击波峰值压力几乎无影响。

3.3 气泡脉动周期

本文研究中所指的气泡脉动周期是修正到同一标准压力下的结果，实验中大气压力和标准大气压数值相等，故修正后的Tb和原来实测的t b数值相同。将所得的数据绘制成曲线，如图4所示。

图4 旗袍脉动周期与海拔高度关系图

由图4的曲线可以看出：在0～4 500 m海拔高度范围内，随着海拔高度的逐渐增大，气泡脉动周期按二阶多项式方程：y＝6E－07x2＋0.001 1x＋27.982逐渐增加。曲线相关系数为：r2＝0.998 8，符合度很高。图4的气泡脉动周期随海拔高度发生如此显著的变化，主要原因是随着海拔高度的升高，水体表面的气压随之降低，导致装药所处位置的总静水压力降低，当爆炸产生的气体产物在膨胀过程中，所受的阻力逐渐的减小，同时由于周围介质的静压力降低，在气体膨胀中到达与周围介质静压力相等的时间变长，从而导致气泡脉动周期随海拔高度的增加而增大。

3.4 水下爆炸能量

水下爆炸能量包括比冲击波能、比气泡能以及总能量，从实测的冲击波和气泡脉动波的P－t曲线可得Pm、θ、tb等参数，代入下式计算出比冲击波能［5］：

式中：Es为测点处的比冲击波能，MJ/kg；ρw为水的密度，为1 000 kg/m3；Cw为水中声速，为1 460 m/s；W为雷管的TNT当量，kg；R为装药中心至传感器距离，m；θ为冲击波衰减时间常数，μs。

对实测的气泡脉动周期进行了修正后，将Tb代入下式计算出比气泡能：

爆炸总能量为：Et＝K f（μ·Es＋Eb）MJ/kg式中：Et为雷管爆炸总能量，MJ/kg；K f为装药形状修正系数，对于8号雷管，属柱状装药，为1.08；μ为冲击波损失系数（μ·Es是单位质量炸药原本传到水中的冲击波能），取1.92；将实验中测出的数据经以上公式计算后，得到了相应不同海拔高度的Es、Eb、Et。水下爆炸能量与海拔高度关系如图5所示。

图5 水下爆炸能量与海拔高度关系图

对图5分析可以得出：比冲击波能随海拔升高微小增大，而影响比冲击波能数值的因素只有冲击波峰值压力和冲击波衰减时间常数，由前述分析得知冲击波峰值压力不随海拔高度而变化，但冲击波衰减时间常数随海拔升高其值也随之变大，如图6所示，海拔升高使水表面的气压降低，总静水压力也随之降低，导致冲击波衰减速度减慢，冲击波衰减时间自然增大。这也是比冲击波能微量增大的原因。

图6 衰减时间常数与海拔高度关系

由前面分析得知气泡脉动周期随海拔高度增加而显著增大。而图5显示比气泡能却略微减小，究其原因是比气泡能的大小受到气泡脉动周期和总静水压力共同作用，由于气压随海拔升高而变小，但装药深度处的总静水压力却随之降低，从而使比气泡能微量减小。

比冲击波能的微量增大和比气泡能的微量减小使水下爆炸总能量保持了不变。

4 结语

本文研究所用的8号金属壳工业雷管，是某厂生产线上装配的产品，装药量很难做到精准，使测试结果有一定的变化。但从数据的分析中可以得出以下规律：

冲击波峰值压力几乎不随海拔升高度而变化，但冲击波衰减时间常数却随之增大，导致比冲击波能微量增大。

气泡的脉动周期随海拔升高而发生了明显的增大趋势，但装药深度处的总静水压力却随之降低，使比气泡能微量减小。气泡脉动的周期的增大，将会对水中、水面被爆介质的作用时间变长，能否对介质抛掷或破碎效果产生影响有待进一步研究，这是与低海拔地区水下爆炸的明显区别。

研究显示装药爆炸的总能量没有因海拔的升高而改变，但高原地区除了气压低外，温湿度、重力加速度等因素毕竟不同于常压条件，对水下爆破各参数的设计（炸药选择、孔距、排距、单耗等）提出了较高的要求。

［1］ Zhang Li，Yan Shi－long，Sun Yue－guang，Zhang Ming－xiao.Explosion Vessel for Simulation Exploding in Deep Water of Small Charge［N］//APS Blasting 2 NEW DEVELOPMENT ON ENGINEERING BLASTING.北京：冶金工业出版社.2009.

［2］ 海拔高度大气压对照表［EB/OL］.［2011－12－20］.http：//wenku.baidu.com/view/4c9482fb770bf78a652954b4.html.

［3］ 钟帅，张立.深水8号雷管爆炸冲击波参数的研究［J］.煤矿爆破，2007，（1）：4－6.

［4］ 孙跃光.模拟深水装药爆炸作功能力研究［D］.淮南：安徽理工大学，2008.

［5］ 张立.爆破器材性能与爆炸效应测试［M］.合肥：中国科技大学出版社，2006.

Experimental Research on Underwater Explosion Parameters in the Simulated Plateau Condition

HUANG Lin，ZHANG Li，XIONG Su，LI Xue－jiao，QIU Ming－can
（Anhui University of Science ＆Technology，Huainan Anhui232001）

The air pressure of water surface decreases linearly with the altitude increasing for underwater explosion engineering in plateau area，it has very important significance on the blasting construction whether underwater explosion parameters change or not after the charge explosion.It has researched the parameters after the detonator explosion by simulating plateau condition in the closed and high pressure explosive vessel in this paper.The results show that the peak pressure shock wave have no relation with the air pressure when the air pressure decreases gradually in the range of 0－4500m，but the attenuated time of shock wave rises in a certain degree，which causes the specific shock wave energy increasing slightly and the period of bubble pulsation increasing significantly by the rule of second order polynomial，but the air pressure decreases with the increase of altitude，the total of hydrostatic pressure of the charge spot reduces，which makes specific bubble energy have a little decreased；but the total energy keeps invariant basically.

underwater explosion；plateau area；shock wave；bubble pulsation wave；explosion energy

TQ560.72

B

1671－4733（2011）06－0019－04

10.3969/j.issn.1671－4733.2011.06.007

2011－12－20

黄麟（1986－），男，浙江衢州人，研究生，研究方向为水下爆破，电话：13637113733。