周志強(qiáng)，易建政，閆軍，龔華雄

（1.軍械工程學(xué)院，石家莊 050003；2.總裝工程兵軍代局駐重慶地區(qū)軍代室，重慶400010；3.78618部隊(duì)，成都 610100）

地下軍事設(shè)施是戰(zhàn)時(shí)作戰(zhàn)指揮、通信、人員生存及武器裝備、彈藥、物資儲(chǔ)存的重要場(chǎng)所，具有隱蔽性、封閉性、抗毀性等優(yōu)點(diǎn)。但是，隨著現(xiàn)代偵察技術(shù)和大威力精確制導(dǎo)武器的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程精確打擊地下軍事設(shè)施等堅(jiān)固軍事目標(biāo)具有現(xiàn)實(shí)可能性，地下軍事設(shè)施戰(zhàn)損搶修清障是面臨的實(shí)際問(wèn)題。由于戰(zhàn)時(shí)搶修工作時(shí)間緊、強(qiáng)度高、頭緒多，周?chē)h(huán)境極其復(fù)雜，地下設(shè)施內(nèi)部空間有限，清障機(jī)械無(wú)法作業(yè)。因此，功效高、易實(shí)施的爆破法將成為清理障礙物的重要手段，探求適用于地下軍事設(shè)施戰(zhàn)損搶修清障的爆破方法成為現(xiàn)實(shí)需求。

1 工況概述及爆破方法的選擇

地下軍事設(shè)施環(huán)境特點(diǎn)主要是：1）洞內(nèi)空間約束，影響操作手順利施工，搬運(yùn)機(jī)械無(wú)法作業(yè)；2）存放的特殊物資（如彈藥，火炮等軍械裝備）對(duì)震動(dòng)、空氣沖擊波等危害的防護(hù)要求較高；3）處于半開(kāi)放或密閉環(huán)境，爆破的危害效應(yīng)倍增，若對(duì)爆破危害控制不嚴(yán)，可能使洞庫(kù)損傷程度進(jìn)一步加重?；诘叵萝娛略O(shè)施戰(zhàn)損環(huán)境特點(diǎn)以及搶修時(shí)限，對(duì)清障爆破的要求是：1）時(shí)間緊，搶修任務(wù)重，作業(yè)效率要求高；2）為確保洞庫(kù)內(nèi)武器彈藥和人員的安全，防止損傷加劇，對(duì)震動(dòng)、空氣沖擊波等爆破危害的控制標(biāo)準(zhǔn)高；3）爆破破碎塊度需適當(dāng)，便于人工清渣。

地下軍事設(shè)施戰(zhàn)損搶修過(guò)程中清障爆破的主要對(duì)象是人工無(wú)法移除的大塊體?？紤]到地下軍事設(shè)施環(huán)境特點(diǎn)和爆破對(duì)象，廣泛比較各類(lèi)控制爆破方法，其中高能燃燒劑爆破和聚能切割爆破具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2 高能燃燒劑爆破

2.1 概述

高能燃燒劑爆破是一種特殊爆破施工技術(shù)，主要利用高能燃燒劑的高溫高壓來(lái)破碎巖石或混凝土，特點(diǎn)是在施工過(guò)程中沒(méi)有或極低少在震動(dòng)、飛石、聲響等危害。因此，在地下軍事設(shè)施環(huán)境下的清障工作中具有傳統(tǒng)爆破作業(yè)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。研制成功的高能燃燒劑爆破與其他爆破方式的比較見(jiàn)表1。

從表1 中可以看出，高能燃燒劑具有快速作用的優(yōu)勢(shì)，只要工藝設(shè)計(jì)合理，使用高能燃燒劑便可實(shí)現(xiàn)快速、安全的準(zhǔn)靜態(tài)爆破。因此，要解決地下軍事設(shè)施戰(zhàn)損搶修中障礙物的快速清理問(wèn)題，高能燃燒劑爆破可優(yōu)先考慮。

2.2 原理[2—3]

高能燃燒劑通常采用金屬氧化劑和金屬還原劑按一定配比混合而成。燃燒劑在密閉介質(zhì)中被點(diǎn)燃后，能迅速產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，釋放一定量的氣態(tài)生成物和熱量，使周?chē)橘|(zhì)急劇受熱。介質(zhì)在氣態(tài)產(chǎn)物膨脹應(yīng)力及熱應(yīng)力共同作用下，因其膨脹程度不同而脹裂；同時(shí)，氣體產(chǎn)物進(jìn)入裂縫，通過(guò)氣刃的尖劈效應(yīng)，使裂縫進(jìn)一步發(fā)展和擴(kuò)大，炮孔間裂縫貫通達(dá)到自由面，從而使介質(zhì)被切割和破碎。

常見(jiàn)的燃燒劑化學(xué)反應(yīng)式如下：

為了增加燃燒劑的能量，有的產(chǎn)品中還加入可燃物，如木粉、硫磺粉和非金屬氧化物硝酸銨等。由實(shí)驗(yàn)可知，燃燒劑反應(yīng)生成物受熱后雖被氣化，但當(dāng)溫度降至反應(yīng)產(chǎn)物的沸點(diǎn)以下時(shí)，即變?yōu)楣虘B(tài)。因此，當(dāng)氣態(tài)產(chǎn)物擴(kuò)散到自由面變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，壓力會(huì)驟然下降，所以破塊的飛散距離、噪聲及震動(dòng)效應(yīng)等均比工業(yè)炸藥爆破要小得多。

2.3 高能燃燒劑配方設(shè)計(jì)

目前我國(guó)常用的燃燒劑主要分為2 大類(lèi)：一類(lèi)是金屬燃燒劑，由金屬氧化劑和金屬還原劑按一定比例配制而成，燃燒后的反應(yīng)產(chǎn)物為沸點(diǎn)很高的金屬和金屬氧化物；另一類(lèi)是復(fù)合燃燒劑，成分中除了主要為金屬氧化劑和金屬還原劑之外，還含有一定的非金屬氧化劑和非金屬還原劑，燃燒后的反應(yīng)物除了有沸點(diǎn)很高的金屬和金屬氧化物之外，還有沸點(diǎn)較低的非金屬和非金屬氧化物。相對(duì)于金屬燃燒劑，復(fù)合燃燒劑的成本較低，威力較大，飛石、震動(dòng)、聲響及對(duì)介質(zhì)切割面的損傷程度也大。國(guó)內(nèi)典型的幾種燃燒劑的配方見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)幾種燃燒劑的配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）[3]Table 2 Composition of several kinds of combustion agent in domestic%

3 聚能切割爆破

3.1 原理

聚能效應(yīng)又叫空心效應(yīng)或諾爾曼效應(yīng)，它是利用裝藥一端的空穴使能量集中從而提高爆炸后局部破壞作用[4]。聚能裝藥爆破的作用過(guò)程可分為4 個(gè)階段[5—6]：1）帶楔形罩的聚能裝藥在炮孔內(nèi)起爆后，爆炸波到達(dá)藥型罩罩面時(shí)，金屬罩由于受到強(qiáng)烈的壓縮，高速向其對(duì)稱面運(yùn)動(dòng)，形成金屬射流；2）射流首先作用在炮孔壁巖石上形成切縫，即初始導(dǎo)向切縫；3）炮孔連線方向上巖石初始導(dǎo)向切縫形成的同時(shí)，炸藥爆轟產(chǎn)物流充滿整個(gè)炮孔空間，對(duì)整個(gè)炮孔壁巖石施加準(zhǔn)靜態(tài)載荷，炮孔壁初始切縫在這一準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下起裂、擴(kuò)展和貫通；4）爆生氣體的殘壓作用將開(kāi)裂的巖塊向外推移一定距離。聚能裝藥爆破作用過(guò)程如圖1所示。

圖1 聚能裝藥爆破作用過(guò)程Fig.1 Schematic diagram of energy-concentrated charge blasting process

3.2 聚能藥包設(shè)計(jì)

3.2.1 炸藥

影響炸藥對(duì)材料侵徹深度的主要因素是炸藥爆壓。隨著炸藥爆壓的增加，侵徹深度也會(huì)增加。因此，聚能切割爆破時(shí)，為了提高裂縫長(zhǎng)度，盡量選用高爆壓的炸藥，即爆速高、猛度大、密度較高的炸藥，如TNT或黑梯混合炸藥等。

3.2.2 楔形罩結(jié)構(gòu)

楔形罩的作用是將炸藥的爆轟能量轉(zhuǎn)換成罩的動(dòng)能，從而提高聚能作用，達(dá)到理想的切割效果。楔形罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)聚能射流速度以及最終切割效果影響很大，主要包括錐角、壁厚和炸高等。各參數(shù)設(shè)計(jì)的具體分析如下[6—7]。

1）楔形罩錐角直接影響金屬射流的速度和質(zhì)量。按照流體力學(xué)理論，射流速度隨著楔形罩錐角的減小而增大，射流質(zhì)量則隨著錐角的減小而減小。射流速度高，有利于提高侵徹深度；射流速度低，侵徹深度變小，但射流質(zhì)量高，侵徹直徑增大。

2）楔形罩壁厚對(duì)射流性能和聚能威力有顯著影響。壁厚是隨著藥型罩材料比重的減小而增加，隨錐角的增大而增加，隨罩的直徑的增大和外殼的加厚而增加。

3）楔形罩炸高也會(huì)影響切割效果。炸高增加能使侵徹射流增長(zhǎng)，從而提高侵徹深度；但炸高增加太多會(huì)使射流產(chǎn)生分散和擺動(dòng)，甚至引起射流斷裂，導(dǎo)致侵徹深度下降。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為，楔形罩頂角在80～90°時(shí)侵徹深度最佳，楔形罩厚度為其底部寬度的0.05～0.08 倍時(shí)切割效果最好。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為有利的炸高是楔形罩底部寬度的0.8～1.05倍。

3.2.3 楔形罩材料

在選取楔形罩材料時(shí)，必須滿足：材料的可壓縮性小，密度大，塑性和延展性好，在形成射流過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生氣化。表3中列出了不同罩材料的侵徹深度，從中可以看出紫銅罩的侵徹深度最大。

表3 不同材料藥型罩的破甲試驗(yàn)結(jié)果[4]Table 3 Test results of shaped charges with different linear

4 爆破試驗(yàn)

4.1 模型試驗(yàn)

試驗(yàn)所選用的方石模型為大理巖，抗壓強(qiáng)度110.5 MPa，抗拉強(qiáng)度6.1 MPa，彈性模量37 GPa，密度2.35×103kg/m3，中孔直徑38～40 mm，孔深600 mm，長(zhǎng)寬高分別為300，300，800 mm。試驗(yàn)用高能燃燒劑配方為m（鋁）∶m（氧化銅）∶m（硝酸銨）=3∶7∶1，電點(diǎn)火頭起爆件，起爆件為8 號(hào)電雷管。對(duì)比試驗(yàn)炸藥為T(mén)NT，其余條件同。兩次爆破的裝藥量均為20 g，堵塞長(zhǎng)度為300 mm，選用MFB100 型發(fā)爆器電點(diǎn)火起爆。爆后巖塊照片如圖2所示。

圖2 爆后巖塊照片F(xiàn)ig.2 Photo of square rock after blasting

單次起爆后對(duì)巖塊塊度和飛石距離進(jìn)行了測(cè)量，高能燃燒劑爆破的爆后巖塊為3 塊，如圖2a 所示，巖塊散布于距離起爆點(diǎn)0.3～0.7 m 的范圍內(nèi)；炸藥爆破的爆后巖塊，如圖2b 所示，飛石散布于距離起爆點(diǎn)5～6 m的范圍內(nèi)。另外，高能燃燒劑爆破的聲響極小，且無(wú)地震效應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，高能燃燒劑爆破的安全性顯著優(yōu)于炸藥爆破，“氣楔”切割效能明顯。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)所用的巖石為大理巖，抗壓強(qiáng)度123.7 MPa，抗拉強(qiáng)度 6.9 MPa，彈性模量 42 GPa，密度2.54×103kg/m3。兩塊巖石樣品形狀相似，上表面的面積約為1.5 m2，高約1.2 m，近似為正方體。炮孔深度為800 mm，孔徑為34～36 mm。試驗(yàn)中采用的高能燃燒劑配方為m（鋁）∶m（氧化銅）∶m（硝酸銨）=3∶7∶1，TNT 聚能藥包直徑17 mm，不耦合系數(shù)約為2，其金屬楔形罩的材質(zhì)為生鐵，底部寬度5 mm，錐角取90°，厚度0.3 mm。2 次爆破的裝藥量均為30 g，堵塞長(zhǎng)度為500 mm。爆后現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3 和圖4所示。

圖3 高能燃燒劑爆破現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 The photo of high combustion agent blasting

圖4 聚能切割爆破現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Photo of energy-concentrated charge blasting

通過(guò)圖3和圖4以及現(xiàn)場(chǎng)狀況可以看出：大石塊有效開(kāi)裂，雖然高能燃燒劑爆破的貫穿成縫效能稍弱，但爆破空氣沖擊波和聲響極小，無(wú)飛石產(chǎn)生；聚能裝藥爆破的切割效能明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，高能燃燒劑爆破和聚能切割爆破除具有較高的破碎效能外，還能有效控制爆破危害，適合在如地下軍事設(shè)施等特殊環(huán)境下應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)特殊環(huán)境下的清障爆破方法進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，高能燃燒劑爆破和聚能切割爆破在地下軍事設(shè)施戰(zhàn)損搶修清障爆破中的應(yīng)用是可行的。下一步應(yīng)規(guī)劃施工流程、開(kāi)展爆破參數(shù)設(shè)計(jì)、確定危害控制指標(biāo)等。

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