爆破构筑单人掩体装药条件研究

吴 均,汪艮忠,毛 立,谢兴博,潘伟纲,李天根,马军喜,王志强,黄寅生

(1.浙江利民化工有限公司,浙江 丽水 323300;2.南京理工大学 化工学院,江苏 南京 210094;3.陆军工程大学 化学与化工学院,江苏 南京 210007)

单人掩体是一种对单人起保护作用的环型防护工事[1]。即便是简单构筑的单人掩体也可以有效地防御轻武器火力、炮弹弹片、飞机扫射轰炸以及坦克的辗压,大幅提高部队生存率[2]。

野外开挖单人掩体工事面临着例如恶劣天气与地理环境等很多困难,配备的工兵铲与工兵镐对冻土或岩石的挖掘能力不够,开挖时会耗费大量时间与体力。

目前,关于岩石爆破与模拟仿真国内外已经有很多学者进行了研究,周文海[3]仔细研究了露天矿深孔台阶爆破中逐孔起爆延时的影响。崔新男等[4]采用束状孔爆破和孔内延时起爆相结合的方式,完成了双分层爆破实验。高文学等[5]通过实验证明高精度电子雷管可以有效削弱爆破振动强度。韩涛等[6]采用新型数码电子雷管,完成了可控高精度延期爆破。李世超等[7]采用LS-DYNA软件研究了水下多点起爆冲击波的叠加效应。TATSUYA等[8]对采用电子延期雷管减弱爆破振动强度进行了研究。SONG等[9]对孔间距以及起爆延期时间两因素与深孔爆破效果之间关系进行了研究。

针对目前开挖单人掩体工事面临的问题,本文研究采用分段装药,延期爆破的方法构筑单人掩体,并通过多组实验研究了不同延期时间以及装药条件对产生的单人掩体尺寸影响,得出了爆破效果较好所需要的装药条件以及延期时间。

1 成壕装药组成与药包布置

成壕装药药筒采用塑料作为外壳材料,炸药装药为乳化炸药,装填密度为1.18 g/cm3,2块炸药包中间用细沙作为隔爆层,上下各用一发毫秒级数码电子延期雷管来起爆炸药装药,钻孔孔径比装药直径大20 mm,装药上部及周边采用细沙填实。成壕药筒如图1所示,装药布置如图2所示。

图1 成壕药筒示意图

成壕药包爆破的主要作用原理如下:

①在毫秒延时爆破中,上方药包起爆后,便形成爆破漏斗,对后起爆炮孔来说,相当于增加了新的自由面。由于新产生的临空面,减轻了下方药包的爆破阻力,更利于发挥炸药爆炸能量的破岩作用与抛撒能力。

②两药包爆破后产生的应力波互相叠加。上方药包爆炸后生成应力波,在应力波消散前起爆下方药包,会引起两药包爆炸应力波叠加,大幅加强爆破破岩能力,减小爆破岩石的块度,从而改善爆破效果。

③2个药包爆炸碎块空中相互挤压碰撞产生辅助破碎作用。由于上、下两段装药起爆间隔时间较短,上方药包爆破抛撒的岩块在未落地之前,与下方药包起爆抛掷的岩块于空中发生撞击,使抛撒出的大体积岩块进一步破裂,起到补充爆炸破碎的效果,进而提高爆破岩块的破碎程度。

爆破延期间隔时间的选择主要与岩石性质、抵抗线、岩体移动速度以及对破碎效果和减振要求等因素有关。通常,按照露天钻孔台阶爆破时,毫秒延期间隔时间为10～60 ms,以保证一定破碎质量、合理的抛撒能力,改善爆破效果。

2 成壕爆破的数值模拟与仿真

2.1 数值仿真模型

为了获得单兵成壕爆破的合理装药参数,对装药量、装药结构、延期时间、堵塞条件等进行数值模拟与仿真,分析装药结构参数对爆破漏斗形状大小的影响规律,以获得合理的爆破构筑单人掩体。

本研究采用AUTODYN 软件进行模拟仿真。模型高为9 m,长为8 m,相当于圆柱体模型的一个截面,为了简化计算,构建了3个实心长方形模型。3个模型均采用垂直排布的2个药包以从上至下毫秒延时的起爆方式,上方药包埋深均为0.5 m,建立的模型示意图如图3所示。

图3 爆破成壕计算模型

SPH算法可以很好地模拟高速飞散的粒子产生的空腔及爆炸引起的介质抛掷现象,因此模型选用该算法。

选择乳化炸药材料作为炸药包装药,炸药爆轰产物的压力用JWL状态方程来描述,AUTODYN计算中乳化炸药材料的JWL状态方程参数见表1。表中,ρ为密度,vD为爆速,pCJ为爆压,A、B、ω为待定常数,E0为单位体积炸药的初始总能量。

表1 乳化炸药材料参数及JWL状态方程参数

由于起爆雷管的药量较小,对爆破漏斗大小及形状影响不大,所以对其进行简化处理,采用中心点起爆的方式起爆乳化炸药。

数值模拟采用的岩土材料和沙土材料相关参数见表2和表3。

表2 岩土材料相关参数

表3 沙土材料相关系数

选用的岩土材料在计算较为简便而精确的同时能够较好地模拟研究的应用场景,即对于硬度较大的岩石、冻土等进行爆破成壕。

2.2 数值仿真计算结果

通过改变延期时间、上部装药量、下部装药量的方式建立了9组模型,其模型初始条件如表4所示,各模型对应的装药直径为7 cm,打孔直径为9 cm,隔爆长度为60 cm,封堵高度为50 cm。

表4 模型初始条件

在程序模拟结果文件中,通过调节网格附件,测得爆破过程结束后的炸坑顶部直径,底部直径、深度以及体积如表5所示。

表5 模型计算结果

不同上部装药产生的炸坑如图4所示,可以看出,随着上部装药量的增加,炸坑的上部直径明显增加,炸坑深度也随装药量增加而增加,因此炸坑的体积也随之增加。

图4 上部装药量对炸坑的影响

不同下部装药产生的炸坑如图5所示,可以看出,随着下部装药药量的增加,炸坑的下部直径呈现出增大的趋势,炸坑深度也随下部装药量增加而增加,因此炸坑的体积与下部装药量成正相关关系。

图5 下部装药量对炸坑的影响

不同延期时间产生的炸坑如图6所示,可以看出,随着延期时间的增加,炸坑的上部直径、下部直径、深度有一定变化,其中延期时间50 ms的炸坑深度最高,炸坑体积也最大。

图6 延期时间对炸坑的影响

其中装药条件为上部装药2 kg,下部装药2 kg,延时50 ms的爆破模型模拟产生的两爆破漏斗基本融合,之间只有松散的岩块,融合的爆破漏斗上部直径为1.72 m,下部直径为0.74 m,深度为2.08 m,计算得到爆破漏斗体积为2.60 m3,由于爆炸抛撒后岩土回填现象的产生,岩土回填后的炸坑尺寸与形状基本可以满足单兵站姿战壕的需求。

3 现场爆破试验

3.1 爆破现场的选择

爆破试验地点位于浙江省丽水市遂昌县清水源水库工程处,试验场地岩土如图7,颜色为灰色以及浅黄色,属浅风化石灰岩地质条件,适合于模拟对于硬度较大的岩石、冻土等进行爆破成壕试验。

图7 爆破试验地点岩土情况

3.2 爆破器材与装药设计

成壕装药主要材料为2号岩石乳化炸药,装药密度为1.18 g/cm3,猛度≥16 mm,爆速≥400 m/s,做功能力≥260 mL,生产厂家为浙江凯特化工有限公司利民分公司。

成壕装药的延时起爆通过数码电子雷管实现,实验采用的是8号数码电子雷管,生产厂家为浙江物产新联民爆光华民爆器材有限公司。

为了研究不同装药量、隔爆长度、延期时间对爆破成壕效果的影响,选取不同的爆破参数进行了12组实验,爆破参数如表6所示。试验中对应的装药直径为7 cm,打孔直径为9 cm,隔爆长度为60 cm,封堵高度为50 cm。

表6 炸药延期时间与装药情况

3.3 爆破试验与模拟结果分析

清理岩土碎块后的爆破漏斗如图8所示,从图中可以看出,随着装药量、隔爆长度、延期时间的改变,爆破的效果也有所不同,爆破后产生的可见漏斗经过清理后其形状近似于一个底部直径小且顶部直径大的圆台。

图8 清理后炸坑

对12组实验产生的可见爆破漏斗进行测量,爆坑的顶部直径、底部直径、深度以及炸坑体积数据如表7所示。

表7 清理后炸坑尺寸

3组不同底部装药产生的炸坑底部直径如图9所示。爆破产生的底部漏斗直径与底部装药量存在正相关关系,破碎岩石主要靠炸药爆炸释放出的能量,因此底部装药量越大,产生的爆炸能量越大,对岩石的爆破效果越充分,生成的可见漏斗底部尺寸越大。

图9 炸坑底部直径与底部药量的关系

3组不同顶部装药产生的炸坑顶部直径如图10所示,由图中可知,随着顶部装药量的增加,爆破产生的可见漏斗顶部直径也随之增加,当顶部装药量增加时,爆轰压力随之增大,爆轰波更强,岩石孔壁受爆轰波激发产生更剧烈的冲击波以及应力波,使炮孔周围的岩土粉碎破裂更加充分,抛撒入空中的岩土体积更多,使得产生可见漏斗顶部直径增加。

图10 炸坑顶部直径与上部药量的关系

两段装药中间的隔爆长度与产生的炸坑体积关系如图11所示。从图中可以看出,隔爆长度为30 cm和40 cm时爆炸产生的炸坑体积明显小于隔爆长度为50 cm和60 cm时的炸坑体积,这是因为下端装药延期时间保持在50 ms不变时,顶部装药先起爆,产生强烈的爆轰波,通过隔爆层传播至底部装药并起爆底部装药,使底部装药产生殉爆,由于底部装药不是由雷管起爆,爆炸并不充分,对岩土的爆破作用不完全,产生的可见漏斗体积减小了。

图11 炸坑体积与隔爆长度的关系

下端装药的延期时间与爆破产生可见漏斗的体积关系如图12所示。从图中可以看出,延期时间设置为50 ms时产生的炸坑体积最大,延期时间较长时顶部装药爆炸抛撒出的岩土受到重力作用回落入爆破漏斗中,对底部装药的爆破效果产生不利影响,阻碍了爆破漏斗的进一步扩大,因此延期时间不宜设置过长。

图12 炸坑体积与延期时间的关系

4 结论

①采用AUTODYN软件,选择合理的材料参数建立不同延期时间、上部装药量、下部装药量共9个模型,通过对其产生爆破漏斗尺寸与形状的对比,发现在一定范围内漏斗尺寸与上、下部装药量成正相关,与延期时间也存在一定关系。1号模型产生的两爆破漏斗基本融合,之间只有松散的岩块,融合的爆破漏斗上部直径为1.72 m,下部直径为0.74 m,深度为2.08 m,计算得到爆破漏斗体积为2.60 m3,由于爆炸抛撒后岩土回填现象的产生,岩土回填后的炸坑尺寸与形状基本可以满足单兵站姿战壕的需求。

②通过爆破实验的方式对爆破模型模拟的情况进行了验证,计算的数据比较符合实验结果。当上下部装药量增加时,爆轰压力随之增大,更强爆轰波传到炮孔孔壁时,孔壁上的岩石激发成更强烈的冲击波和应力波,使炮孔周围的岩土粉碎破裂更加充分,抛撒入空中的岩土体积更多,使得产生可见漏斗直径增加。

③爆破产生的可见漏斗体积与延期时间有关,延期时间50 ms爆破时产生的炸坑体积最大,2段装药隔爆长度在50 cm以下时可能会发生殉爆现象,所以装药隔爆长度不能过短,士兵在实战情况下可以根据观察到的岩土物理、力学性质来对2段炸药的装药量进行调整,以达到最合适的爆破效果,产生适合隐蔽及作战的单兵掩体。