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基于利文斯顿漏斗理论的爆破破冰试验研究

2016-03-03 16:25:09.0 责任编辑:崔玮娜

梁向前1  吴瑞波2  武彩岗2  杨  译1  张富贵3

(1.中国水利水电科学研究院,北京,100048;

2.中国人民解放军66267部队,河北石家庄,050081;

3.包头市正大爆破有限责任公司,内蒙古包头,014000)

摘要:利文斯顿爆破漏斗理论是土岩爆破机理研究的基础。论文以黄河包头磴口段开河期冰盖为试验对象,采用2号岩石乳化炸药集中药包,从炸药重量、入水深度两个参数系统试验了冰盖爆破破冰体积的变化情况。试验得到在2kg、4kg、6kg和8kg药量下,爆破破冰体积随药包入水深度Ky的变化遵循利文斯顿爆破漏斗理论,同一炸药量下存在临界入水深度Le、最佳入水深度Lj和最大破冰体积Vmax。总结提出了在黄河开河期,使用乳化炸药包爆破破冰时,炸药包最佳入水深度比△j为0.36~0.40,冰体变形能量系数为2.36。研究成果为冰凌爆破设计、破冰装备研制和除险工艺提供理论支持。

关键词:黄河破冰;乳化炸药;C.W.Livinston理论;临界入水深度;最佳入水深度比;冰体变形能量系数

引言

论文以“十二五”国家科技支撑计划“防凌破冰关键技术研究及装备研制”课题为依托,于2012~2014年在包头黄河磴口段,根据该地区冰层厚度、河道水深等环境参数,对炸药量、入水深度、药包孔网参数等关键技术进行了爆破破冰综合试验,借鉴于土岩爆破中已有的利文斯顿爆破漏斗理论,探讨黄河冰盖的爆破规律,为爆破破冰机理研究、凌灾除险及工程应用提供支撑。

2 C.W.Livingston爆破漏斗理论

2.1 C.W.Livingston基本理论

利文斯顿(C.W.Livingston)是美国科罗拉多((Colorada)矿业大学的教授,他在矿山爆破中对不同矿岩进行了大量试验,发现“同一种矿岩在一定药量情况下,随着药包埋深的变化,爆破矿岩的体积也随着改变,但是在药包埋深由深入浅变化过程中,存在一个最佳埋深,在此深度爆破的矿岩体积达到最大值”。他根据试验的资料,总结得到了矿山爆破的一套经验公式,尤其是最佳深度和最佳深度比的计算,在美国和加拿大等国家矿山爆破中得到了广泛的应用,并且取得了极大的经济效益。西方把他提出的矿山最佳爆破理念,称为利文斯顿漏斗理论(Livingston Crater theory)[1]

利文斯顿把将药包埋深由深入浅爆破矿岩的破坏变形状态分成四区[2]

(1)弹性变形区:药包在岩体内部深处爆破,爆破后地表的岩石略有隆起,而内部处于弹性变形状态。此时,药包的埋深称为临界深度(Le)。

(2)冲击破裂区:当药包上移超过临界深度Le时,内部岩体受到冲击破坏变形,地表岩石出现飞片、裂缝和大鼓包,进而形成爆破破碎漏斗。当药包埋深达到某个深度时,此时炸药能量得到最大限度的利用,使爆破破碎的体积达到最大值,此时的埋深称为最佳深度(Lj)

(3)破碎区:当药包继续上移时,地表附近的岩石出现粉碎性破坏变形,破碎岩块被抛散,地表面出现可见漏斗,爆炸气体冲出形成空气冲击波和噪声。

(4)空爆区:药包继续上移,岩石冲击变形加剧,破碎岩块得到的动能增加,抛掷更远,爆炸气体冲出形成强烈的空气冲击波和更大声响,地面形成了更大的可见爆破漏斗。

2.2冰下水中爆破破冰的作用机理

在2013年3月的爆破破冰试验中,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试验结果中发现:“同一药量在不同入水深度爆破时,得到的破冰体积不同。在药包入水深度由浅入深变化中,存在一个最佳深度,在此深度破冰体积达到极大值”。这个现象与土岩爆破中的利文斯顿爆破漏斗效应十分相似。但是土岩爆破中,炸药是埋在同一介质中,爆破得到的利文斯顿爆破漏斗理论适用于该介质的爆破规律,可是冰下水中爆破破冰与此不同,它是把炸药包埋置在水中,爆炸是通过水这种不可压缩的介质把能量传递给冰体而使冰体破坏的。因此两者在爆破破碎的机理上是不同的。冰下水中爆破破冰的机理与水压爆破相似:由于水介质的不可压缩性,水中炸药爆炸后首先产生压缩冲击波,直接作用到冰体,当其强度超过冰体抗压强度时,冰体就会出现破坏,之后压缩波在临空面反射产生拉伸波、在超过冰体抗拉强度时会使冰体进一步破碎;同时,爆炸产生的气体在水中上升并产生脉动,脉动压力使冰体受到二次冲击,当爆炸气体上升自冰体裂缝中冲出时,由于负压作用,会把破碎冰块和水裹携到空气中散落。比较两者,在爆破效应上,有相似之处,在机理上又有不同特点。因此,为了进一步探讨冰下水中爆破破冰的作用规律,拟参考土岩爆破中的利文斯顿爆破漏斗理论,从试验找到药包的临界入水深度和最佳入水深度,找出药包入水深度与爆破做冰体积的关系,从而得到与利文斯顿爆破漏斗理论相似的经验公式。

3现场爆破破冰试验

2014年2月中旬,在黄河包头磴口段开河期进行了爆破破冰的相应试验。试验区条件为冰厚50~80cm,冰下水深浅处为3.8m,深处大于6.Om,水流流速为1.0~1.5m/s。为研究水中爆破破冰作用特性,试验采用集中药包在不同入水深度处爆破,深度从冰下0~9.Om不等,分析对比爆破后冰洞直径、冰洞体积等效果参数,总结不同重量炸药的最佳爆破参数。

试验采用2号乳化炸药,药卷直径Ф180mm,炸药密度最大为1.30g/cm3,爆速不小于3200m/s。试验区爆破点布置及爆破效果如图1所示,从北到南,8kg药包入水深度分别为0~9.Om,共14点,6kg药包分别为0~8.Om,共12点,4kg药包分别为0~7.Om,共11点,2kg药包分别为0~4.0m,共12点,共计49个爆破点位。

303145701.jpg 

试验得到的相同药量下爆破破冰体积V随药包入水深度Ly的变化规律如图2所示。

 303145702.jpg

从爆破后破冰效果宏观观测和图2所示曲线可知,在相同药量条件下,破冰体积V随药包入水深度Ly的增加而增大,当Ly达到最佳入水深度Lj时V达到最大值,随后V随Ly增加而减小,当Ly达到某一深度(临界入水深度Le)时,冰面不再有破碎冰块的飞散,只有冰面鼓包隆起的现象出现。该变化规律基本符合土岩爆破中的利文斯顿(C.W.Livingston)爆破漏斗效应。同时,破冰体积V随药包入水深度Ly的关系曲线呈近似正态分布规律,正态拟合曲线与实测数据点相关性较好。

4冰体爆破漏斗特性分析

4.1 V/Q-△曲线

从现场爆破破冰试验效果和图2所示曲线拟合规律推算,不同炸药药量下的最佳人水深度Lj、临界入水深度Le、最大破冰体积Vmax的实测值和计算值见表l。

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根据利文斯顿爆破漏斗特性,为消除炸药量Q的变化影响,以单位炸药重量下爆破破冰体积(V/Q,m3/kg)为纵坐标,深度比△(药包入水深度Ly除以临界深度Le)为横坐标,绘制V/Q-△曲线,如图3所示。

 3031457031.jpg

由图3得到不同药量下的最佳入水深度比△j和最大破冰效率V/Q,见表2。

30315022.jpg 

4.2 Le和Lj计算

依据土岩爆破利文斯顿爆破漏斗理论,推导水中爆破破冰的经验公式:

Le=E 

式中Le——临界深度,m,指药包在此入水深度爆破时,在冰面上没有出现冰块碎片,只有冰面裂纹或隆起现象;

Q——炸药药包重量,kg;

E——冰体变形能量系数,与炸药、冰层的性质状态有关,使用乳化炸药在黄河开河期破冰时,由现场试验数据计算得到E的平均值为2.36(见表3)。

当药包入水深度Ly等于最佳入水深度Lj时,由深度比△公式可得:

Lj=jLe=△jE  

式中△j——最佳深度比,取值见表3。

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5结论

论文以黄河包头磴口段开河期冰盖为试验对象,采用2号岩石乳化炸药,集中药包形式,进行了2kg、4kg、6kg、8kg四种药量分别在不同入水深度处的爆破破冰试验。通过对试验数据的分析计算,得到了如下结论:

(1)冰盖封闭的水中爆炸机理较土岩介质中的爆炸机理复杂,但是与水压爆破的作用机理相似。

(2)四种药量在不同入水深度处爆炸的破冰效果,反映了破冰体积V随药包入水深度Ly的增加而增大,当Ly达到最佳入水深度Lj时,V达到最大值,随后V随Ly增加而减小,当Ly达到临界入水深度Le时,冰面不再有破碎冰块的飞散,只有冰面鼓包隆起的现象出现。该变化规律符合土岩爆破中的利文斯顿(C.W.Livingston)爆破漏斗效应。

(3)根据利文斯顿(C.W.Livingston)爆破最佳深度理论,分析计算单位药量爆破破冰体积(V/Q)随深度比△的关系曲线,得到了不同药量下的最佳入水深度比△j和最大破冰效率V/Q。

(4)在黄河开河期,使用乳化炸药爆破破冰时,试验得到冰体变形能量系数E均值为2.36,最佳入水深度比△j为0.36~O.40。

(5)随着新型破冰装备的研制,爆破破冰法应用越加广泛。试验提出的爆破破冰的“利文斯顿爆破漏斗效应”和爆破入水最佳深度的经验公式为爆破破冰关键技术参数的计算提供了科学依据,为爆破破冰基础理论增添了新的内容,在爆破破冰理论和破冰工程上有着十分重要的价值。

参考文献

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

[2]中国力学学会工程爆破专业委员会.爆破工程[M].北京:冶金工业出版社,1979.

[3]殷怀堂,杨学海,江淼,金骥良.冰凌下水中延长药包爆破破冰的试验研究[J].工程爆破,2010,16(3):12~15.

[4]梁向前,何秉顺,谢文辉.黄河冰层的爆炸破冰及作用效应试验[J].工程爆破,2012,18(2):83~85.

[5]梁向前.水下爆破技术[M].北京:化学工业出版社,2013.

[6]刘殿中,杨仕春.工程爆破实用手册[M].北京:冶金工业出版社,2007.

摘自《中国爆破新进展》