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基于利文斯頓漏斗理論的爆破破冰試驗研究

2016-03-03 16:25:09 責任編輯:崔瑋娜

梁向前1  吳瑞波2  武彩崗2  楊  譯1  張富貴3

(1.中國水利水電科學研究院,北京,100048;

2.中國人民解放軍66267部隊,河北石家莊,050081;

3.包頭市正大爆破有限責任公司,內蒙古包頭,014000)

摘要:利文斯頓爆破漏斗理論是土巖爆破機理研究的基礎。論文以黃河包頭磴口段開河期冰蓋為試驗對象,采用2號巖石乳化炸藥集中藥包,從炸藥重量、入水深度兩個參數系統試驗了冰蓋爆破破冰體積的變化情況。試驗得到在2kg、4kg、6kg和8kg藥量下,爆破破冰體積隨藥包入水深度Ky的變化遵循利文斯頓爆破漏斗理論,同一炸藥量下存在臨界入水深度Le、最佳入水深度Lj和最大破冰體積Vmax。總結提出了在黃河開河期,使用乳化炸藥包爆破破冰時,炸藥包最佳入水深度比△j為0.36~0.40,冰體變形能量系數為2.36。研究成果為冰凌爆破設計、破冰裝備研制和除險工藝提供理論支持。

關鍵詞:黃河破冰;乳化炸藥;C.W.Livinston理論;臨界入水深度;最佳入水深度比;冰體變形能量系數

引言

論文以“十二五”國家科技支撐計劃“防凌破冰關鍵技術研究及裝備研制”課題為依托,于2012~2014年在包頭黃河磴口段,根據該地區冰層厚度、河道水深等環境參數,對炸藥量、入水深度、藥包孔網參數等關鍵技術進行了爆破破冰綜合試驗,借鑒于土巖爆破中已有的利文斯頓爆破漏斗理論,探討黃河冰蓋的爆破規律,為爆破破冰機理研究、凌災除險及工程應用提供支撐。

2 C.W.Livingston爆破漏斗理論

2.1 C.W.Livingston基本理論

利文斯頓(C.W.Livingston)是美國科羅拉多((Colorada)礦業大學的教授,他在礦山爆破中對不同礦巖進行了大量試驗,發現“同一種礦巖在一定藥量情況下,隨著藥包埋深的變化,爆破礦巖的體積也隨著改變,但是在藥包埋深由深入淺變化過程中,存在一個最佳埋深,在此深度爆破的礦巖體積達到最大值”。他根據試驗的資料,總結得到了礦山爆破的一套經驗公式,尤其是最佳深度和最佳深度比的計算,在美國和加拿大等國家礦山爆破中得到了廣泛的應用,并且取得了極大的經濟效益。西方把他提出的礦山最佳爆破理念,稱為利文斯頓漏斗理論(Livingston Crater theory)[1]

利文斯頓把將藥包埋深由深入淺爆破礦巖的破壞變形狀態分成四區[2]

(1)彈性變形區:藥包在巖體內部深處爆破,爆破后地表的巖石略有隆起,而內部處于彈性變形狀態。此時,藥包的埋深稱為臨界深度(Le)。

(2)沖擊破裂區:當藥包上移超過臨界深度Le時,內部巖體受到沖擊破壞變形,地表巖石出現飛片、裂縫和大鼓包,進而形成爆破破碎漏斗。當藥包埋深達到某個深度時,此時炸藥能量得到最大限度的利用,使爆破破碎的體積達到最大值,此時的埋深稱為最佳深度(Lj)

(3)破碎區:當藥包繼續上移時,地表附近的巖石出現粉碎性破壞變形,破碎巖塊被拋散,地表面出現可見漏斗,爆炸氣體沖出形成空氣沖擊波和噪聲。

(4)空爆區:藥包繼續上移,巖石沖擊變形加劇,破碎巖塊得到的動能增加,拋擲更遠,爆炸氣體沖出形成強烈的空氣沖擊波和更大聲響,地面形成了更大的可見爆破漏斗。

2.2冰下水中爆破破冰的作用機理

在2013年3月的爆破破冰試驗中,得到了冰下水中爆破破冰比冰上裸露爆破的破碎效果要大十倍以上的效果;而在冰下水中爆破破冰試驗結果中發現:“同一藥量在不同入水深度爆破時,得到的破冰體積不同。在藥包入水深度由淺入深變化中,存在一個最佳深度,在此深度破冰體積達到極大值”。這個現象與土巖爆破中的利文斯頓爆破漏斗效應十分相似。但是土巖爆破中,炸藥是埋在同一介質中,爆破得到的利文斯頓爆破漏斗理論適用于該介質的爆破規律,可是冰下水中爆破破冰與此不同,它是把炸藥包埋置在水中,爆炸是通過水這種不可壓縮的介質把能量傳遞給冰體而使冰體破壞的。因此兩者在爆破破碎的機理上是不同的。冰下水中爆破破冰的機理與水壓爆破相似:由于水介質的不可壓縮性,水中炸藥爆炸后首先產生壓縮沖擊波,直接作用到冰體,當其強度超過冰體抗壓強度時,冰體就會出現破壞,之后壓縮波在臨空面反射產生拉伸波、在超過冰體抗拉強度時會使冰體進一步破碎;同時,爆炸產生的氣體在水中上升并產生脈動,脈動壓力使冰體受到二次沖擊,當爆炸氣體上升自冰體裂縫中沖出時,由于負壓作用,會把破碎冰塊和水裹攜到空氣中散落。比較兩者,在爆破效應上,有相似之處,在機理上又有不同特點。因此,為了進一步探討冰下水中爆破破冰的作用規律,擬參考土巖爆破中的利文斯頓爆破漏斗理論,從試驗找到藥包的臨界入水深度和最佳入水深度,找出藥包入水深度與爆破做冰體積的關系,從而得到與利文斯頓爆破漏斗理論相似的經驗公式。

3現場爆破破冰試驗

2014年2月中旬,在黃河包頭磴口段開河期進行了爆破破冰的相應試驗。試驗區條件為冰厚50~80cm,冰下水深淺處為3.8m,深處大于6.Om,水流流速為1.0~1.5m/s。為研究水中爆破破冰作用特性,試驗采用集中藥包在不同入水深度處爆破,深度從冰下0~9.Om不等,分析對比爆破后冰洞直徑、冰洞體積等效果參數,總結不同重量炸藥的最佳爆破參數。

試驗采用2號乳化炸藥,藥卷直徑Ф180mm,炸藥密度最大為1.30g/cm3,爆速不小于3200m/s。試驗區爆破點布置及爆破效果如圖1所示,從北到南,8kg藥包入水深度分別為0~9.Om,共14點,6kg藥包分別為0~8.Om,共12點,4kg藥包分別為0~7.Om,共11點,2kg藥包分別為0~4.0m,共12點,共計49個爆破點位。

303145701.jpg 

試驗得到的相同藥量下爆破破冰體積V隨藥包入水深度Ly的變化規律如圖2所示。

 303145702.jpg

從爆破后破冰效果宏觀觀測和圖2所示曲線可知,在相同藥量條件下,破冰體積V隨藥包入水深度Ly的增加而增大,當Ly達到最佳入水深度Lj時V達到最大值,隨后V隨Ly增加而減小,當Ly達到某一深度(臨界入水深度Le)時,冰面不再有破碎冰塊的飛散,只有冰面鼓包隆起的現象出現。該變化規律基本符合土巖爆破中的利文斯頓(C.W.Livingston)爆破漏斗效應。同時,破冰體積V隨藥包入水深度Ly的關系曲線呈近似正態分布規律,正態擬合曲線與實測數據點相關性較好。

4冰體爆破漏斗特性分析

4.1 V/Q-△曲線

從現場爆破破冰試驗效果和圖2所示曲線擬合規律推算,不同炸藥藥量下的最佳人水深度Lj、臨界入水深度Le、最大破冰體積Vmax的實測值和計算值見表l。

30315021.jpg 

根據利文斯頓爆破漏斗特性,為消除炸藥量Q的變化影響,以單位炸藥重量下爆破破冰體積(V/Q,m3/kg)為縱坐標,深度比△(藥包入水深度Ly除以臨界深度Le)為橫坐標,繪制V/Q-△曲線,如圖3所示。

 3031457031.jpg

由圖3得到不同藥量下的最佳入水深度比△j和最大破冰效率V/Q,見表2。

30315022.jpg 

4.2 Le和Lj計算

依據土巖爆破利文斯頓爆破漏斗理論,推導水中爆破破冰的經驗公式:

Le=E 

式中Le——臨界深度,m,指藥包在此入水深度爆破時,在冰面上沒有出現冰塊碎片,只有冰面裂紋或隆起現象;

Q——炸藥藥包重量,kg;

E——冰體變形能量系數,與炸藥、冰層的性質狀態有關,使用乳化炸藥在黃河開河期破冰時,由現場試驗數據計算得到E的平均值為2.36(見表3)。

當藥包入水深度Ly等于最佳入水深度Lj時,由深度比△公式可得:

Lj=jLe=△jE  

式中△j——最佳深度比,取值見表3。

30315023.jpg 

5結論

論文以黃河包頭磴口段開河期冰蓋為試驗對象,采用2號巖石乳化炸藥,集中藥包形式,進行了2kg、4kg、6kg、8kg四種藥量分別在不同入水深度處的爆破破冰試驗。通過對試驗數據的分析計算,得到了如下結論:

(1)冰蓋封閉的水中爆炸機理較土巖介質中的爆炸機理復雜,但是與水壓爆破的作用機理相似。

(2)四種藥量在不同入水深度處爆炸的破冰效果,反映了破冰體積V隨藥包入水深度Ly的增加而增大,當Ly達到最佳入水深度Lj時,V達到最大值,隨后V隨Ly增加而減小,當Ly達到臨界入水深度Le時,冰面不再有破碎冰塊的飛散,只有冰面鼓包隆起的現象出現。該變化規律符合土巖爆破中的利文斯頓(C.W.Livingston)爆破漏斗效應。

(3)根據利文斯頓(C.W.Livingston)爆破最佳深度理論,分析計算單位藥量爆破破冰體積(V/Q)隨深度比△的關系曲線,得到了不同藥量下的最佳入水深度比△j和最大破冰效率V/Q。

(4)在黃河開河期,使用乳化炸藥爆破破冰時,試驗得到冰體變形能量系數E均值為2.36,最佳入水深度比△j為0.36~O.40。

(5)隨著新型破冰裝備的研制,爆破破冰法應用越加廣泛。試驗提出的爆破破冰的“利文斯頓爆破漏斗效應”和爆破入水最佳深度的經驗公式為爆破破冰關鍵技術參數的計算提供了科學依據,為爆破破冰基礎理論增添了新的內容,在爆破破冰理論和破冰工程上有著十分重要的價值。

參考文獻

[1]Livingston C W.Theory of Fragmentation in Blasting[C]//Sixth Annual Drilling and Blasting Symposium,University of Minnesota,1956.

[2]中國力學學會工程爆破專業委員會.爆破工程[M].北京:冶金工業出版社,1979.

[3]殷懷堂,楊學海,江淼,金驥良.冰凌下水中延長藥包爆破破冰的試驗研究[J].工程爆破,2010,16(3):12~15.

[4]梁向前,何秉順,謝文輝.黃河冰層的爆炸破冰及作用效應試驗[J].工程爆破,2012,18(2):83~85.

[5]梁向前.水下爆破技術[M].北京:化學工業出版社,2013.

[6]劉殿中,楊仕春.工程爆破實用手冊[M].北京:冶金工業出版社,2007.

摘自《中國爆破新進展》


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