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聚能爆破开孔弹岩石毁伤效能研究

发布日期:2020-09-05   来源:矿道网   投稿者:曾虎   浏览次数:2177

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       作为爆破领域的重要技术,爆破开孔技术已经成为陆地爆破、矿山开采以及水下爆破等作业的重要手段。运用聚能爆破的方式进行岩石破碎,方法简单易于施工,只需将聚能爆破弹提前加工制成,需用时将其运至爆破地域,无需大型机械设备,爆破点灵活易于设置,爆破角度易于调整,施工进度比普通裸露药包爆破法速度快,同时聚能弹爆炸时产生的冲击波方向性好、能量集中、开孔深,而且节省炸药,在有需要保护的水工建筑周围进行水下爆破开孔时,产生的爆破危害小,具有广泛的使用前景。

聚能效应可以使爆炸能量相对一个方向集中,极大提高其破坏毁伤能力。根据聚能爆破侵彻体的形状及毁伤元素,聚能爆破弹可划分为聚能射流、聚能杆式弹丸和爆炸成型弹丸三种。聚能射流具有低炸高、侵彻深度大等特点,但开孔孔径较小,后效作用不大;爆炸成型弹丸大炸高、后效作用好、侵彻孔径大;聚能杆式弹丸介于两者之间。3 种聚能爆破侵彻体类型各有其优劣,本文试验只研究爆炸成型弹丸对岩石的毁伤效应。利用聚能效应,采用大锥角药型罩、球缺型药型罩等方式进行聚能装药,聚能装药爆炸后,在聚能爆轰作用下,药型罩被压垮、翻转,并形成一个具有高质心速度的高速弹体,以动能侵彻毁伤目标,这种方式形成的高速弹体称为爆炸成形弹丸EFP(Explosively Formed Projectile)相较于聚能金属射流侵彻,聚能爆炸成型弹丸EFP 形状能够保持稳定,不容易被拉长或断裂,可以在 800~1000 倍装药直径距离上有效作用,对炸高不敏感,避免了在复杂环境中调整炸高,简化了爆破工艺流程和方法,降低了成本;同时侵彻毁伤作用面积大,能够引起目标部位大量崩落,形成一个钻孔作业面,适合为后续施工提供平台。爆炸成型弹丸 EFP 形成机理复杂,没有现成的设计标准,影响其爆破毁伤效果的因素有很多,如:药型罩结构、材料、角度、厚度、起爆方式、隔板及起爆点选择、壳体设计、炸药性能和装药结构等,这些因素直接影响 EFP 的速度、质量等参数,对侵彻威力和开孔效果有着很大影响。试验设计聚能爆破弹采用 2 号岩石乳化炸药作为炸药填充物,其主要成分是以硝酸盐为主的氧化剂水溶液与复合燃料经乳化而成的油包水型膏状含水炸药。根据聚能爆破原理和他人的研究成果,设计和加工制作一种爆炸成型弹丸 EFP 装药结构,该结构由外壳、主装药、药型罩、雷管、封闭橡胶圈等组成。选择聚能弹装置外壳时,因为壳体可以在装药爆炸时提供支撑约束作用,增强爆破效果,如果壳体模量小,在爆轰波作用下被压缩,爆轰波的作用效果会减弱,炸药能量不能充分释放,因此,宜选择模量大的聚能弹装置外壳。选择药型罩材料时,要求药型罩必须能够承受高温、高压和高应变率的爆轰波作用影响,因此宜选择密度较大、延伸率较高、动态力学性能较好的金属材料,比较常见的是紫铜、铝、铁、钢、铅、钼、锆等。综合考虑机械加工性能、试验效果和经济成本因素,试验所用的聚能装置外壳和球缺型聚能罩采用模量较大的Q235 钢材。

为了使聚能爆破弹更加合理适用,充分利用装药能量,提高化学能转化为毁伤动能的转化率,设计制作的 EFP 上部采用上小下大的锥柱体结构,减少不必要炸药量和爆破危害,减小经济成本;EFP底部采用球缺型聚能罩,分为上下两个部分,上部留出 2 根雷管引线,必要时在壳体上下两部分中间采用螺纹螺丝将其紧密连接,垫上封闭橡胶圈保证密封,并优化设计参数,设计制作完成的聚能弹经济适用、便于携带、性能良好,EFP 爆破开孔弹如图 2、图 3 所示。

在同等药量情况下,EFP 爆破开孔方式比裸露爆破效果要好,相较于聚能射流开孔,开孔直径相对较大,适宜为后续钻孔作业提供平台;EFP对岩石的破坏毁伤范围约为装药直径的 3~5 倍,侵彻范围约为装药直径的 1~2 倍,侵彻深度约为装药直径的 0.5~2.0 倍;在一定范围内,长径比增大,EFP 对岩石侵彻深度增大。

聚能爆破弹的结构形状对岩石具有侵彻毁伤效果,在试验中合理设计制作聚能弹,可以减小炸药用量和爆破危害。起爆点的设置对岩石的毁伤效果有影响,为达到较好的侵彻深度,在设计制作聚能弹时,可采用药柱后多点起爆或者平面起爆等方式代替单点中心起爆。

试验采用 Q235 钢材作为药型罩材料,在实际工程中,可综合考虑加工、经济成本等因素,合理选择 EFP 聚能罩材质进行参数优化设计,在装药量等参数一定的情况下,可以有效增加对目标的毁伤效能。

EFP 聚能爆破能量集中、方向性好,配套设计使用角度固定装置,可以使聚能爆破弹能够适应各种岩体坡度角度爆破,也可拓展应用至水下爆破开孔。

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