铝纤维混合燃料破岩激波管作用机理研究

黄 宇，马宏昊,2，王林桂，沈兆武，张中雷，姚象洋，陈亚建，王奕鑫

(1.中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，合肥 230026；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥 230026；3.大昌建设集团有限公司，浙江 舟山 316021)

炸药自发明问世以来，由于其巨大的威力，迅速成为人们改造自然、创造财富的一个有力工具，炸药和雷管在矿业生产、基本建设、海洋工程和特种爆炸加工等行业有着广泛的应用[1]。但是另一方面，突发的炸药爆炸事故也给社会带来了大量的人员伤亡和财产损失[2-4]。因此，找到一种更为安全、环保的爆破技术一直是相关研究人员努力的方向。为此，国内外相关学者从不同角度提出了一些非炸药爆炸破岩方法，可分为三类：机械类破岩方法如液压劈裂机[5]、液压破碎锤[6]、隧道掘进机[7-8]等；物化做功类如静态膨胀剂法[9]、二氧化碳致裂器法[10-13]、金属燃烧剂法[14]等；电气设备类如等离子体爆破法[15]、热力劈岩法[16-18]等。尽管目前的非炸药爆炸破岩方法相对于炸药爆炸破岩来说依然存在着成本高、效率低等劣势，但是安全、环保、可持续发展是大势所趋，在未来，非炸药爆炸破岩方法一定会成为破岩的一种重要方式。针对这一发展趋势，本文介绍一种非炸药爆炸破岩的新方法。该方法利用铝纤维和常用燃料作为能源，在密闭的钢管内装入铝纤维和常用燃料，将钢管置入岩石炮孔内，向钢管中压入适当压力的氧气，再对铝纤维高压放电，迫使铝纤维和燃料爆燃，通过钢管上设置的泄能口产生高压气体激波和射流，对岩石冲击作用，达到破岩的目的。文中所阐述的工作是对非炸药破岩方法的一个补充，提供了另一种选择和探索。

1 实验装置和材料

1.1 实验装置

实验装置主体是一根由厚壁无缝钢管制作而成的破岩激波管，其钢管两端内壁加工有螺纹，两端采用螺栓密封，在厚壁无缝钢管靠下位置对称设置多个圆形泄能口，进气阀安装在顶部密封螺栓上，用于压入高压氧气，充气完成后关闭；点火引线用于连接外部放电点火装置；点火端用于连接管内铝纤维混合燃料能量条；定压封堵块用于在起爆之前封堵氧气不外泄(见图1)。

图1 破岩激波管作业结构
Fig.1 Operation structure of shock tube for rock breaking

后续实验中使用的破岩激波管内径22 mm，外径37 mm，在靠近下端处对称开设了两个直径10 mm的泄能口，泄能口处使用环氧树脂胶封堵。破岩激波管实物如图2所示。

图2 破岩激波管
Fig.2 Shock tube for rock breaking

1.2 实验材料

铝是活性很高的金属材料，在高温氧环境下可发生爆炸性的燃烧，铝粉常被作为高能燃料加入到乳化炸药、TNT、黑索金等炸药中。铝纤维(见图3)与铝粉相比，强度高，比表面积小，提前氧化量少，活性保持效果明显且在制作、运输和使用过程中相较于铝粉更安全、环保，使用更方便[19-22]。

图3 铝纤维束
Fig.3 Aluminum fiber bundle

乙醇是一种常用燃料，充分燃烧反应后生成水和二氧化碳，在破岩激波管中乙醇充分燃烧产生的水蒸气和二氧化碳气体可以作为反应能量做功的传递介质。铝纤维、乙醇的特性如表1所示，与氧气充分燃烧反应方程式如下：

(1)

表1 铝纤维和乙醇的特性

为了保证安全，将铝纤维和乙醇用塑料薄膜袋制成能量条(见图4)。使用时，将能量条置入破岩管内，密封后再压入高压氧气。这样在点火之前燃料和氧气彼此隔绝，杜绝事故的发生。此外，能量条内的铝纤维和乙醇分布更均匀，使得反应更加充分。

图4 破岩激波管内所用能量条
Fig.4 Energy bar used in shock tube for rock breaking

2 安全校核

2.1 校核的必要性和重点

在爆破相关领域中，安全始终是第一位的，本文提出铝纤维混合燃料非炸药爆炸破岩技术的初衷也是为了提高施工过程中的安全性，保障人的生命以及财产安全。而且所设计的破岩激波管可以重复使用，降低了使用成本，为了防止使用过程中发生爆管事件，有必要对破岩激波管使用时的结构安全进行校核。

破岩管可简化为一根厚壁圆筒，尽管存在着进气口、点火端以及两端的封闭螺栓等不规则的形状，但是加工过程中是要保证这些部件的连接强度高于厚壁圆管本身的强度，因此校核的时候可以不考虑这些部分。

2.2 动载系数法

这里强度校核遵循一般抗爆防护构造物设计中所用的方法，求出动载荷Pmax对应的等效静载Pe，有了静载荷之后按照通常的静载设计进行校核[23-24]。令:

Pe=Pmax·Cd

(2)

式中：Cd为动载系数，其值与压力随时间的变化特征、压力作用的持续时间和壳体的自振频率有关。

由典型的压力载荷波形(见图5)可以看出：①载荷波形近似于三角波，为方便起见，将这一类波形当做三角波处理；②第一个主峰的脉宽τ=1.247×10-3s。

图5 压力时程
Fig.5 Time history of pressure

对于柱壳，如果只考虑扩展振动的基频，则自振周期

(3)

将激波管外径R=0.037 m，激波管弹性模量E=210 GPa，激波管密度ρ=7 850 kg/m3带入式(3)，可得T0=0.449×10-4s。

(4)

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

2.3 强度校核

将强度校核问题简化成静力学中一个圆管受内压力作用的问题(见图6)，这个问题在弹性力学[25]里解答如下：

(5)

(6)

式中：a、b分别为圆管的内半径和外半径。

图6 圆管受力分析
Fig.6 Force analysis of circular tube

由于设计的破岩激波管需要重复使用，所以要求在许用工况下破岩管不能发生塑性变形，依据第三强度理论，等效应力[σ]=σφ-σp，取Q235钢的屈服强度235 MPa为许用应力，则破岩激波管安全的判定条件为

σφ-σp<235 MPa

(7)

将式(5)～式(6)带入式(7)，得

(8)

进一步简化得

(9)

即

(10)

以实验中所用破岩激波管为例，其内半径a为0.011 m，外半径b为0.018 5 m，动载系数Cd为1.889，代入式(10)算得：Pmax<113.7 MPa，即该破岩激波管允许的管内最大爆炸压力为113.7 MPa。

3 实验

3.1 实验设计

为了直观地展示依据该方法设计的破岩激波管的破岩效果，浇筑了水泥砂浆试件作为待破坏物。其配比：500#普通硅酸盐水泥、砂子和水的质量比为1∶2∶0.4。室外养护超一个月以上。

共浇筑两种试件，试件1：高200 mm，直径100 mm，在试件端面中心钻孔，孔深150 mm，孔径50 mm；试件2和试件3：高200 mm，直径200 mm，在试件端面中心钻孔，孔深150 mm，孔径50 mm。

所用破岩器材为破岩激波管，试件1破坏实验所用燃料条内置铝纤维1 g、乙醇10 mL ，破岩管内预充氧气压强1 MPa；试件2破坏实验和试件3破坏实验所用燃料条内置铝纤维2 g、乙醇15 mL，破岩管内预充氧气压强2 MPa(见表2)。实验装置如图7所示。

表2 实验条件

图7 实验装置
Fig.7 Experimental device

3.2 实验结果

共进行了4组破岩实验，第1组在1 g铝纤维、10 mL乙醇、1 MPa氧气的工况下将试件1炸碎；第2组在1 g铝纤维、10 mL乙醇、1 MPa氧气的工况下对试件2做破岩尝试，结果试件没有破裂，无明显裂缝；第3组和第4组在2 g铝纤维、15 mL乙醇、2 MPa氧气的工况下分别将试件2和试件3炸碎。具体破碎效果如图8～10所示。

图8 试件1破碎效果
Fig.8 Destruction effect of sample 1

图9 试件2破碎效果
Fig.9 Destruction effect of sample 2

图10 试件3破碎效果
Fig.10 Destruction effect of sample 3

3.3 结果分析

试件1在轴向上被冲击截为3段，并且沿径向裂开为5段；试件2和试件3均是沿径向方向被压裂为4大块以及数个小块体，4处裂缝2个分布在正对泄能口处，2个分布在泄能口连线的垂线上。

点火起爆后，破岩管内能量条与氧气发生爆燃反应，产生大量高温、高压气体产物，产物通过泄能口喷出，冲击正对着的岩壁产生初始裂缝，随后爆生气体通过裂缝促使裂缝扩展，在垂直于泄能口连线处的位置，岩体所受拉应力最大，达到试件的抗拉极限时便产生裂缝，在爆生气体的联合作用下裂缝扩大，最终呈现出不同程度的破碎效果，试件开裂破碎原理如图11所示。

图11 试件开裂破碎原理
Fig.11 Principle of sample cracking

4 结论

1)利用铝纤维和乙醇作为能源，在密闭的钢管内装入由铝纤维和乙醇做成的能量条，将钢管置入岩石炮孔内，向钢管中压入适当压力的氧气，再对铝纤维高压放电，迫使铝纤维和燃料爆燃，通过钢管上设置的泄能口产生高压气体激波和射流，对岩石冲击作用，在冲击正对着的岩壁处产生初始裂缝，裂缝在高压爆生气体作用下延伸、扩展，从而达到致裂、破碎岩石的目的。

2)采用动载系数法校核了破岩激波管的实际许用强度，给出了在要求破岩激波管不发生塑性变形的条件下管内最大的允许反应压力，这对于破岩激波管的规范设计提供了指导。对于本例中所设计的内径22 mm，外径37 mm的破岩管，依据动载系数法得出的管内最大允许反应压力为113.7 MPa。

3)浇筑了两种水泥砂浆试件实际检验所设计的破岩管的破岩效果。在铝纤维1 g、乙醇10 mL，氧气1 MPa的情况下压裂破碎了试件1；在铝纤维2 g、乙醇15 mL ，氧气2 MPa的情况下压裂破碎了试件2、3。被破坏试件在沿着和垂直于泄能口连线方向上产生了4道主要裂缝，试件破碎的块度和破碎度均很好。

4)本文介绍的破岩方法未使用炸药便可达到破岩效果，所使用的铝纤维、燃料、氧气等耗材均属于日常生产生活中常用的类别，价格低廉、来源广泛，且其储存、运输、使用均无需行政许可。该方法破岩及准备过程简单、现场实施方便，可以同时多排组网使用，适用于不同的作业要求，可以在一些特殊场合替代炸药爆炸破岩，是非炸药爆炸破岩技术的一个补充。