李啟月， 曾海登， 趙新浩， 王宏偉， 鄭 靜， 張建秋

(1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙410083； 2.中交一公局第五工程有限公司,新疆 哈密839000)

隨著地下空間工程的快速發(fā)展,傳統(tǒng)光面爆破裝藥存在效率低、成本高、工序復(fù)雜等弊端,為使施工工序簡(jiǎn)單化以及降低材料成本,傳統(tǒng)光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)向基于殉爆的新型裝藥結(jié)構(gòu),主要表現(xiàn)為取消周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)中竹片和沿炮孔全長(zhǎng)敷設(shè)的導(dǎo)爆索,通過(guò)采用導(dǎo)爆管雷管直接起爆炸藥,然后依靠殉爆原理引爆被發(fā)藥包,從而實(shí)現(xiàn)周邊孔中藥包的起爆。 被發(fā)藥包殉爆概率100%時(shí)主發(fā)藥包與被發(fā)藥包之間介質(zhì)的最大長(zhǎng)度稱(chēng)為最大穩(wěn)定殉爆距離［1］。 為增大隧道開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺和減少鑿巖鉆孔的時(shí)間,鑿巖臺(tái)車(chē)已逐漸成為鑿巖鉆孔的優(yōu)選設(shè)備。 炮孔長(zhǎng)度增大,使得周邊孔新型裝藥結(jié)構(gòu)中對(duì)炸藥在軸向上殉爆距離的要求也提高了。

對(duì)于炸藥殉爆距離的影響因素,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開(kāi)展了大量研究工作,并取得了豐碩成果［2-5］。 但是,在工程施工中,炸藥會(huì)受到炮孔的約束,且為使炸藥爆炸產(chǎn)生的徑向爆轟波得到高效利用,各類(lèi)徑向聚能管被廣泛應(yīng)用于周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)中,起到控制圍巖超欠挖現(xiàn)象和增大周邊孔間距以及減小隧道開(kāi)挖成本等作用［6-9］。 除此之外,聚能管非聚能面對(duì)炸藥亦起到一定約束作用,然而目前關(guān)于徑向聚能管對(duì)炸藥殉爆距離影響的研究并不多見(jiàn)。 因此,研究在炮孔約束條件下聚能管對(duì)乳化炸藥殉爆距離的影響具有前瞻性意義。

本文以某隧道周邊孔裝藥使用的乳化炸藥和“乳化炸藥+雙槽聚能管”為研究對(duì)象,采用無(wú)縫鋼管模擬周邊孔對(duì)試驗(yàn)藥包進(jìn)行約束,研究測(cè)試無(wú)縫鋼管約束下乳化炸藥在有無(wú)雙槽聚能管條件下的最大穩(wěn)定殉爆距離,為研究炸藥在約束條件下的殉爆距離提供借鑒。

1 殉爆試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

圖1 雙槽聚能管

如圖1 所示,雙槽聚能管具有2 個(gè)沿管長(zhǎng)分布且方向相反的聚能槽、1 個(gè)自由面(對(duì)炸藥無(wú)約束作用)和1 個(gè)約束面,長(zhǎng)度為17 cm。 應(yīng)用于隧道周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)中,聚能槽與開(kāi)挖輪廓線(xiàn)重合或平行,自由面指向光爆層,其目的是高效利用炸藥爆炸沿徑向傳播的沖擊波能量,可增大周邊孔間距以及作用于光爆層的爆炸能量。 約束面指向開(kāi)挖輪廓外圍巖,通過(guò)管壁衰減作用于圍巖上的沖擊波,起到保護(hù)圍巖的作用。 針對(duì)鋼管約束下乳化炸藥在有無(wú)雙槽聚能管條件下的殉爆距離測(cè)試試驗(yàn),聚能管對(duì)炸藥爆炸所產(chǎn)生的徑向爆轟波起一定約束作用,增大沿管軸向傳播的空氣沖擊波能量,進(jìn)一步增大作用于被發(fā)藥包上的起爆能量。

試驗(yàn)炸藥為塑膜裝2＃巖石乳化炸藥,其規(guī)格參數(shù)如表1 所示。 雷管選取MS1 的導(dǎo)爆管雷管。 試驗(yàn)分為乳化炸藥(乳化普通藥包)和“乳化炸藥+雙槽聚能管”(即乳化聚能藥包)的殉爆距離測(cè)試試驗(yàn),試驗(yàn)乳化炸藥卷長(zhǎng)度均取為17 cm。 主發(fā)藥包和被發(fā)藥包相向端部均采用美工刀切平,避免藥包端部形狀對(duì)炸藥殉爆距離的影響。

表1 試驗(yàn)炸藥規(guī)格參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)M隧道周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 圖中Xi為主發(fā)藥包與被發(fā)藥包之間空氣介質(zhì)長(zhǎng)度,即殉爆距離；Li為主發(fā)藥包起始爆轟端距管口的距離,為使乳化普通藥包和乳化聚能藥包爆炸產(chǎn)生的沖擊波在無(wú)縫鋼管中穩(wěn)定傳播,從而保證最大穩(wěn)定殉爆距離測(cè)試真實(shí)性和可靠性,被發(fā)藥包非裝藥段的鋼管長(zhǎng)度應(yīng)不小于殉爆測(cè)試距離,即Li≥Xi；此外為防止被發(fā)藥包未殉爆就被空氣沖擊波推出鋼管,被發(fā)藥包端部與管口之間距離不應(yīng)過(guò)小,綜合考慮取值為23 cm。

圖2 殉爆試驗(yàn)裝藥結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)裝置如圖3 所示,通過(guò)觀察見(jiàn)證板上是否有殘留的乳化炸藥,結(jié)合被發(fā)藥包裝藥段鋼管斷裂情況共同判斷被發(fā)藥包是否發(fā)生殉爆。

圖3 殉爆試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用兩端支撐法,即U 型鋼支撐結(jié)構(gòu)支撐無(wú)縫鋼管兩端,使其懸空,并通過(guò)水平尺找到無(wú)縫鋼管水平狀態(tài),確保主發(fā)藥包與被發(fā)藥包軸線(xiàn)處于水平狀態(tài)并重合。 試驗(yàn)管材規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)管材規(guī)格參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方案

前期在無(wú)縫鋼管、混凝土模型以及隧道周邊孔中進(jìn)行的不同藥量乳化炸藥殉爆距離測(cè)試結(jié)果如表3 所示。 結(jié)合前期試驗(yàn)結(jié)果,本文均選取110 cm 作為初始殉爆測(cè)試距離,并取10 cm 作為初始殉爆步距。

表3 前期乳化炸藥殉爆試驗(yàn)結(jié)果

在初始殉爆距離下,通過(guò)殉爆見(jiàn)證板和被發(fā)藥包裝藥段鋼管斷裂情況判斷被發(fā)藥包是否發(fā)生殉爆,若殉爆,則以10 cm 的初始步距增大殉爆測(cè)試距離,否則減小殉爆測(cè)試距離,確定出普通藥包和聚能藥包在無(wú)縫鋼管中的最大殉爆距離區(qū)間范圍。 然后減小步距至5 cm,通過(guò)減小或增大殉爆測(cè)試距離,測(cè)出普通藥包和聚能藥包在無(wú)縫鋼管中被發(fā)藥包穩(wěn)定殉爆的最大殉爆距離。 取3 次均能穩(wěn)定殉爆的最大距離作為試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 殉爆試驗(yàn)結(jié)果

表4 為鋼管約束下長(zhǎng)度17 cm 的乳化炸藥在有無(wú)雙槽聚能管條件下的殉爆距離測(cè)試結(jié)果。 針對(duì)試驗(yàn)誤差的存在,且為確保被發(fā)藥包100%發(fā)生殉爆,試驗(yàn)中不考慮進(jìn)一步減小步距至2.5 cm 進(jìn)行殉爆距離為107.5 cm 和132.5 cm 的測(cè)試試驗(yàn)。 由此可知,在外徑57 mm、壁厚4 mm 的無(wú)縫鋼管中,長(zhǎng)度17 cm 的乳化炸藥在有無(wú)雙槽聚能管約束作用下的被發(fā)藥包100%殉爆的最大殉爆距離分別為105 cm 和130 cm。

表4 鋼管中乳化炸藥殉爆試驗(yàn)結(jié)果

圖4 為試驗(yàn)中被發(fā)藥包發(fā)生殉爆時(shí)無(wú)縫鋼管斷裂整體效果。 當(dāng)被發(fā)藥包發(fā)生殉爆時(shí),鋼管在主發(fā)和被發(fā)藥包裝藥段均發(fā)生斷裂。 圖5 為被發(fā)藥包未發(fā)生殉爆的鋼管斷裂整體效果。 當(dāng)被發(fā)藥包未發(fā)生殉爆時(shí),無(wú)縫鋼管中被發(fā)藥包裝藥段未發(fā)生斷裂,且未殉爆的被發(fā)藥包被空氣沖擊波推出鋼管時(shí)在管內(nèi)壁和見(jiàn)證板上殘留下乳化炸藥。

圖4 被發(fā)藥包發(fā)生殉爆的整體效果

2.2 結(jié)果分析

長(zhǎng)度17 cm 的乳化普通藥包和乳化聚能藥包在外徑57 mm、壁厚4 mm 的無(wú)縫鋼管中的最大穩(wěn)定殉爆距離分別為105 cm 和130 cm,表明雙槽聚能管對(duì)乳化炸藥爆炸所產(chǎn)生的徑向爆轟波的約束作用對(duì)乳化炸藥殉爆距離影響極大,增大了乳化炸藥在鋼管中的殉爆距離。 對(duì)比可知乳化炸藥在雙槽聚能管約束條件下的殉爆距離增加值可達(dá)25 cm,且鋼管發(fā)生斷裂導(dǎo)致炸藥爆炸能量大量泄漏,從能量守恒的角度分析,說(shuō)明雙槽聚能管在炮孔裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)炸藥爆炸徑向傳播的爆轟波能量約束程度更大,從而較大程度增大軸向傳播的沖擊波能量。

文獻(xiàn)［5］采用約束材料為外徑50 mm、壁厚2 mm的低碳鐵管,本文采用約束材料為外徑57 mm、壁厚4 mm 的無(wú)縫鋼管,殉爆距離測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表5 所示。本文所用試驗(yàn)炸藥量較文獻(xiàn)［5］試驗(yàn)藥量小,測(cè)出試驗(yàn)炸藥殉爆距離均較文獻(xiàn)［5］的殉爆距離大,且加雙槽聚能管后的殉爆距離更大。 表明對(duì)比藥量對(duì)乳化炸藥殉爆距離的影響,外界約束條件對(duì)乳化炸藥殉爆距離影響極其明顯,約束條件越好,乳化炸藥殉爆距離越大。

表5 不同約束條件下的殉爆距離測(cè)試結(jié)果

實(shí)際工程中,炮孔周?chē)鸀闊o(wú)限域巖石,對(duì)比無(wú)縫鋼管對(duì)乳化炸藥爆炸能量的約束,炮孔約束條件較鋼管好。 即使存在影響乳化炸藥在炮孔約束條件下殉爆距離的其他外界因素,如炮孔中存在裂隙、炮孔與水平線(xiàn)之間存在夾角、鑿巖鉆孔孔內(nèi)殘留直徑較大的巖石顆粒以及水炮孔等,但相比于鋼管中裝藥段斷裂導(dǎo)致炸藥能量大量泄漏對(duì)炸藥殉爆距離的影響,這些影響因素是可忽略的。 因此,在無(wú)縫鋼管中所測(cè)得長(zhǎng)度17 cm 的“乳化炸藥+雙槽聚能管”藥包的最大穩(wěn)定殉爆距離為130 cm,可推理出藥包在隧道周邊孔中的最大穩(wěn)定殉爆距離值不小于130 cm,試驗(yàn)中所測(cè)得被發(fā)藥包100%殉爆的最大殉爆距離可推廣應(yīng)用于隧道新型裝藥結(jié)構(gòu)中。

2.3 雙槽聚能管對(duì)殉爆距離的影響機(jī)理

對(duì)比圖2 中乳化普通藥包和聚能藥包裝藥結(jié)構(gòu),普通藥包為偏心不耦合裝藥,同時(shí)底部耦合,藥包爆炸產(chǎn)生的爆轟波在徑向上僅受到底部鋼管管壁約束,在非約束面則100%壓縮空氣作用于鋼管內(nèi)壁上；聚能藥包雖為偏心不耦合裝藥,但乳化炸藥為耦合裝藥,炸藥徑向方向均被不同材料約束,即約束材料的強(qiáng)度在爆炸后產(chǎn)生高爆壓、高爆速、超高溫的爆轟產(chǎn)物作用下可被忽略；但約束材料在徑向上仍會(huì)對(duì)爆轟產(chǎn)物起到一定的慣性約束作用,且爆轟產(chǎn)物與約束材料特性阻抗不匹配,當(dāng)爆轟產(chǎn)物沖擊聚能管壁時(shí),由于管殼(塑料)的密度大于爆轟波陣面上爆轟產(chǎn)物的密度,約束材料介質(zhì)的壓縮性小于爆轟產(chǎn)物的壓縮性,使炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波在界面上發(fā)生透反射現(xiàn)象,減小炸藥爆炸產(chǎn)生沿徑向傳播至空氣介質(zhì)中的沖擊波能量,增大沿軸向傳播的沖擊波能量。 因此在炸藥起爆能量一定的條件下,雙槽聚能管可對(duì)其爆轟波能量起到一定的約束作用,增大軸向同軸點(diǎn)處沖擊波能量,從而增大炸藥穩(wěn)定殉爆距離。

3 結(jié) 論

1) 乳化普通藥包和乳化聚能藥包在外徑57 mm、壁厚4 mm 的無(wú)縫鋼管中被發(fā)藥包100%發(fā)生殉爆的最大殉爆距離分別為105 cm 和130 cm,表明雙槽聚能管對(duì)乳化炸藥爆炸所產(chǎn)生的徑向爆轟波的約束作用對(duì)乳化炸藥殉爆距離影響極大,增大了乳化炸藥在無(wú)縫鋼管中的殉爆距離。

2) 對(duì)比藥量對(duì)乳化炸藥殉爆距離的影響,約束條件的影響極其明顯,約束條件越好,乳化炸藥殉爆距離越大。

3) 雙槽聚能管與爆轟產(chǎn)物特性阻抗不匹配,使炸藥爆炸產(chǎn)生的徑向爆轟波在界面上發(fā)生透反射現(xiàn)象,根據(jù)能量守恒規(guī)律,增大了軸向上同軸點(diǎn)處沖擊波能量。

4) 等藥量的“乳化炸藥+雙槽聚能管”藥包在炮孔約束下的殉爆距離不小于在無(wú)縫鋼管中的最大穩(wěn)定殉爆距離。 因此,在無(wú)縫鋼管中所測(cè)得“乳化炸藥+雙槽聚能管”藥包的被發(fā)藥包100%發(fā)生殉爆的殉爆距離可直接推廣應(yīng)用于隧道周邊孔新型裝藥結(jié)構(gòu)中。