炮孔约束下双槽聚能管对乳化炸药殉爆距离影响的研究①

李启月， 曾海登， 赵新浩， 王宏伟， 郑 静， 张建秋

(1.中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙410083； 2.中交一公局第五工程有限公司,新疆 哈密839000)

随着地下空间工程的快速发展,传统光面爆破装药存在效率低、成本高、工序复杂等弊端,为使施工工序简单化以及降低材料成本,传统光面爆破装药结构逐渐转向基于殉爆的新型装药结构,主要表现为取消周边孔装药结构中竹片和沿炮孔全长敷设的导爆索,通过采用导爆管雷管直接起爆炸药,然后依靠殉爆原理引爆被发药包,从而实现周边孔中药包的起爆。 被发药包殉爆概率100%时主发药包与被发药包之间介质的最大长度称为最大稳定殉爆距离［1］。 为增大隧道开挖循环进尺和减少凿岩钻孔的时间,凿岩台车已逐渐成为凿岩钻孔的优选设备。 炮孔长度增大,使得周边孔新型装药结构中对炸药在轴向上殉爆距离的要求也提高了。

对于炸药殉爆距离的影响因素,国内外许多学者开展了大量研究工作,并取得了丰硕成果［2-5］。 但是,在工程施工中,炸药会受到炮孔的约束,且为使炸药爆炸产生的径向爆轰波得到高效利用,各类径向聚能管被广泛应用于周边孔装药结构中,起到控制围岩超欠挖现象和增大周边孔间距以及减小隧道开挖成本等作用［6-9］。 除此之外,聚能管非聚能面对炸药亦起到一定约束作用,然而目前关于径向聚能管对炸药殉爆距离影响的研究并不多见。 因此,研究在炮孔约束条件下聚能管对乳化炸药殉爆距离的影响具有前瞻性意义。

本文以某隧道周边孔装药使用的乳化炸药和“乳化炸药+双槽聚能管”为研究对象,采用无缝钢管模拟周边孔对试验药包进行约束,研究测试无缝钢管约束下乳化炸药在有无双槽聚能管条件下的最大稳定殉爆距离,为研究炸药在约束条件下的殉爆距离提供借鉴。

1 殉爆试验

1.1 试验样品

图1 双槽聚能管

如图1 所示,双槽聚能管具有2 个沿管长分布且方向相反的聚能槽、1 个自由面(对炸药无约束作用)和1 个约束面,长度为17 cm。 应用于隧道周边孔装药结构中,聚能槽与开挖轮廓线重合或平行,自由面指向光爆层,其目的是高效利用炸药爆炸沿径向传播的冲击波能量,可增大周边孔间距以及作用于光爆层的爆炸能量。 约束面指向开挖轮廓外围岩,通过管壁衰减作用于围岩上的冲击波,起到保护围岩的作用。 针对钢管约束下乳化炸药在有无双槽聚能管条件下的殉爆距离测试试验,聚能管对炸药爆炸所产生的径向爆轰波起一定约束作用,增大沿管轴向传播的空气冲击波能量,进一步增大作用于被发药包上的起爆能量。

试验炸药为塑膜装2＃岩石乳化炸药,其规格参数如表1 所示。 雷管选取MS1 的导爆管雷管。 试验分为乳化炸药(乳化普通药包)和“乳化炸药+双槽聚能管”(即乳化聚能药包)的殉爆距离测试试验,试验乳化炸药卷长度均取为17 cm。 主发药包和被发药包相向端部均采用美工刀切平,避免药包端部形状对炸药殉爆距离的影响。

表1 试验炸药规格参数

1.2 试验装置设计

试验模拟隧道周边孔装药结构如图2 所示。 图中Xi为主发药包与被发药包之间空气介质长度,即殉爆距离；Li为主发药包起始爆轰端距管口的距离,为使乳化普通药包和乳化聚能药包爆炸产生的冲击波在无缝钢管中稳定传播,从而保证最大稳定殉爆距离测试真实性和可靠性,被发药包非装药段的钢管长度应不小于殉爆测试距离,即Li≥Xi；此外为防止被发药包未殉爆就被空气冲击波推出钢管,被发药包端部与管口之间距离不应过小,综合考虑取值为23 cm。

图2 殉爆试验装药结构

试验装置如图3 所示,通过观察见证板上是否有残留的乳化炸药,结合被发药包装药段钢管断裂情况共同判断被发药包是否发生殉爆。

图3 殉爆试验装置

试验采用两端支撑法,即U 型钢支撑结构支撑无缝钢管两端,使其悬空,并通过水平尺找到无缝钢管水平状态,确保主发药包与被发药包轴线处于水平状态并重合。 试验管材规格参数见表2。

表2 试验管材规格参数

1.3 试验方案

前期在无缝钢管、混凝土模型以及隧道周边孔中进行的不同药量乳化炸药殉爆距离测试结果如表3 所示。 结合前期试验结果,本文均选取110 cm 作为初始殉爆测试距离,并取10 cm 作为初始殉爆步距。

表3 前期乳化炸药殉爆试验结果

在初始殉爆距离下,通过殉爆见证板和被发药包装药段钢管断裂情况判断被发药包是否发生殉爆,若殉爆,则以10 cm 的初始步距增大殉爆测试距离,否则减小殉爆测试距离,确定出普通药包和聚能药包在无缝钢管中的最大殉爆距离区间范围。 然后减小步距至5 cm,通过减小或增大殉爆测试距离,测出普通药包和聚能药包在无缝钢管中被发药包稳定殉爆的最大殉爆距离。 取3 次均能稳定殉爆的最大距离作为试验结果。

2 试验结果及分析

2.1 殉爆试验结果

表4 为钢管约束下长度17 cm 的乳化炸药在有无双槽聚能管条件下的殉爆距离测试结果。 针对试验误差的存在,且为确保被发药包100%发生殉爆,试验中不考虑进一步减小步距至2.5 cm 进行殉爆距离为107.5 cm 和132.5 cm 的测试试验。 由此可知,在外径57 mm、壁厚4 mm 的无缝钢管中,长度17 cm 的乳化炸药在有无双槽聚能管约束作用下的被发药包100%殉爆的最大殉爆距离分别为105 cm 和130 cm。

表4 钢管中乳化炸药殉爆试验结果

图4 为试验中被发药包发生殉爆时无缝钢管断裂整体效果。 当被发药包发生殉爆时,钢管在主发和被发药包装药段均发生断裂。 图5 为被发药包未发生殉爆的钢管断裂整体效果。 当被发药包未发生殉爆时,无缝钢管中被发药包装药段未发生断裂,且未殉爆的被发药包被空气冲击波推出钢管时在管内壁和见证板上残留下乳化炸药。

图4 被发药包发生殉爆的整体效果

2.2 结果分析

长度17 cm 的乳化普通药包和乳化聚能药包在外径57 mm、壁厚4 mm 的无缝钢管中的最大稳定殉爆距离分别为105 cm 和130 cm,表明双槽聚能管对乳化炸药爆炸所产生的径向爆轰波的约束作用对乳化炸药殉爆距离影响极大,增大了乳化炸药在钢管中的殉爆距离。 对比可知乳化炸药在双槽聚能管约束条件下的殉爆距离增加值可达25 cm,且钢管发生断裂导致炸药爆炸能量大量泄漏,从能量守恒的角度分析,说明双槽聚能管在炮孔装药结构对炸药爆炸径向传播的爆轰波能量约束程度更大,从而较大程度增大轴向传播的冲击波能量。

文献［5］采用约束材料为外径50 mm、壁厚2 mm的低碳铁管,本文采用约束材料为外径57 mm、壁厚4 mm 的无缝钢管,殉爆距离测试结果对比如表5 所示。本文所用试验炸药量较文献［5］试验药量小,测出试验炸药殉爆距离均较文献［5］的殉爆距离大,且加双槽聚能管后的殉爆距离更大。 表明对比药量对乳化炸药殉爆距离的影响,外界约束条件对乳化炸药殉爆距离影响极其明显,约束条件越好,乳化炸药殉爆距离越大。

表5 不同约束条件下的殉爆距离测试结果

实际工程中,炮孔周围为无限域岩石,对比无缝钢管对乳化炸药爆炸能量的约束,炮孔约束条件较钢管好。 即使存在影响乳化炸药在炮孔约束条件下殉爆距离的其他外界因素,如炮孔中存在裂隙、炮孔与水平线之间存在夹角、凿岩钻孔孔内残留直径较大的岩石颗粒以及水炮孔等,但相比于钢管中装药段断裂导致炸药能量大量泄漏对炸药殉爆距离的影响,这些影响因素是可忽略的。 因此,在无缝钢管中所测得长度17 cm 的“乳化炸药+双槽聚能管”药包的最大稳定殉爆距离为130 cm,可推理出药包在隧道周边孔中的最大稳定殉爆距离值不小于130 cm,试验中所测得被发药包100%殉爆的最大殉爆距离可推广应用于隧道新型装药结构中。

2.3 双槽聚能管对殉爆距离的影响机理

对比图2 中乳化普通药包和聚能药包装药结构,普通药包为偏心不耦合装药,同时底部耦合,药包爆炸产生的爆轰波在径向上仅受到底部钢管管壁约束,在非约束面则100%压缩空气作用于钢管内壁上；聚能药包虽为偏心不耦合装药,但乳化炸药为耦合装药,炸药径向方向均被不同材料约束,即约束材料的强度在爆炸后产生高爆压、高爆速、超高温的爆轰产物作用下可被忽略；但约束材料在径向上仍会对爆轰产物起到一定的惯性约束作用,且爆轰产物与约束材料特性阻抗不匹配,当爆轰产物冲击聚能管壁时,由于管壳(塑料)的密度大于爆轰波阵面上爆轰产物的密度,约束材料介质的压缩性小于爆轰产物的压缩性,使炸药爆炸产生的爆轰波在界面上发生透反射现象,减小炸药爆炸产生沿径向传播至空气介质中的冲击波能量,增大沿轴向传播的冲击波能量。 因此在炸药起爆能量一定的条件下,双槽聚能管可对其爆轰波能量起到一定的约束作用,增大轴向同轴点处冲击波能量,从而增大炸药稳定殉爆距离。

3 结 论

1) 乳化普通药包和乳化聚能药包在外径57 mm、壁厚4 mm 的无缝钢管中被发药包100%发生殉爆的最大殉爆距离分别为105 cm 和130 cm,表明双槽聚能管对乳化炸药爆炸所产生的径向爆轰波的约束作用对乳化炸药殉爆距离影响极大,增大了乳化炸药在无缝钢管中的殉爆距离。

2) 对比药量对乳化炸药殉爆距离的影响,约束条件的影响极其明显,约束条件越好,乳化炸药殉爆距离越大。

3) 双槽聚能管与爆轰产物特性阻抗不匹配,使炸药爆炸产生的径向爆轰波在界面上发生透反射现象,根据能量守恒规律,增大了轴向上同轴点处冲击波能量。

4) 等药量的“乳化炸药+双槽聚能管”药包在炮孔约束下的殉爆距离不小于在无缝钢管中的最大稳定殉爆距离。 因此,在无缝钢管中所测得“乳化炸药+双槽聚能管”药包的被发药包100%发生殉爆的殉爆距离可直接推广应用于隧道周边孔新型装药结构中。