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爆破破冰新技術的研究

2017-01-18 16:41:34 責任編輯:崔瑋娜

楊學海1  吳瑞波1  梁向前2  郝明盛2  殷懷堂3

吳建明4  張明方5  牛維博6  王澤民6

(1.中國人民解放軍66267部隊,河北石家莊,050081;2.中國水利科學研究院,北京,100089;

3.北京軍區工程爆破設計研究院,北京,100089;4.軍械工程學院,河北石家莊,050003;

5.包頭正大工程爆破有限公司,內蒙古包頭,014000;

6.河北久信減災裝備研究所,河北石家莊,050081)

摘要:根據“十二五”國家科技支撐計劃“應急裝備關鍵技術研究與裝備研制”科研項日的“防凌破冰關鍵技術研究及裝備研制”課題要求,通過爆破破冰的大量試驗,掌握了爆破破冰的關鍵技術參數(藥量、破冰體積、藥包入水深度、藥包間距等)之間的關系,發現了爆破破冰的“利文斯頓爆破漏斗”效應,得到了爆破破冰水中沖擊波和振動的傳播規律,這些研究成果填補了我國爆破破冰基礎理論的空白。應用這些科研成果,創新研制了“兩彈、兩車”破冰裝備(兩彈是潛水破冰彈和兩級時差安全破冰彈;兩車是輕型兩棲鉆孔臺車和冰上新型混裝炸藥車),這些裝備已在黃河破冰爆破中得到了應用,獲得了很好的效果。

關鍵詞:爆破;水下破冰;新技術

 

引言

我國北方的大河,如黃河、黑龍江、松花江,容易發生凌汛。歷史上每年封、開河時都要發生不同程度的冰凌災害。冰凌會破壞水利設施和水工建筑物,阻斷河水造成漫流,給沿岸人民生命財產帶來巨大損失。如黃河,新中國成立以后的60多年間,發生嚴重災害造成極大損失的就有8次。為了解決冰凌災害,國家每年都要投入大量人力、物力,各部門采取了不少方法和手段,如民兵投藥包、飛機扔炸彈、排炮轟冰蓋等,但是成效不大。為了從根本上消除冰凌災害,2011年,國家把“防凌破冰關鍵技術研究及裝備研制”列為“十二五”科技支撐計劃“應急裝備關鍵技術研究與裝備研制”科研項目內的一個課題,根據該課題的任務要求,我們于2012年3月1日至2014年3月10日黃河開河期間,先后三次在內蒙古包頭市東河區河段進行了大量爆破破冰試驗,得到了爆破破冰許多新的研究成果和設備技術創新。

2爆破破冰基礎理論的新成果

2.1冰下水中破冰爆破效果

冰下水中破冰爆破比冰上裸露爆破的破冰效果大得多,在相同藥量條件下,冰下水中破冰體積是冰上裸露爆破破冰體積的10~12倍。

爆破破冰試驗采用2號巖石乳化炸藥,按照設計藥量人工制作集中藥包。冰上裸露爆破和冰下水中爆破破冰的試驗數據(見表1)表明:冰下爆破形成的冰洞直徑和冰洞破碎體積比冰上爆破效果要好;從安全上看,冰上裸露爆破產生的空氣沖擊波和噪聲很大,而冰下爆破就沒有這些有害效應,比較安全。

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2.2水下爆破破冰時主要參數間的關系

炸藥包在水中不同深度爆破破冰時,其主要參數間的關系與土巖爆破中的利文斯頓爆破漏斗效應十分相似,這是一個嶄新的發現。

2012~2014年在黃河包頭段試驗地區進行了大量乳化炸藥不同藥量集中藥包的爆破破冰試驗,分別得到了不同入水深度下爆破破冰的結果,典型的曲線如圖l所示。

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從圖1所示可以看到,在藥量一定的情況下,爆破破冰體積隨著入水深度的增加而增加,在達到最佳入水深度時,爆破破冰的體積達到最大值,而后爆破破冰體積隨著入水深度增加而減少。這與土巖爆破中的利文斯頓爆破漏斗效應十分相似。

依據土巖爆破中的利文斯頓爆破漏斗經驗公式,我們推導爆破破冰的經驗公式,設公式為: 

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式中  We——臨界深度,是指藥包在此入水深度爆破時,在冰面上沒有出現冰塊碎片,只有冰面隆起鼓包,m;

  E——冰塊的變形能量系數;

  Q——主要要報的質量,kg。

從藥包入水深度與破冰體積之間關系曲線可以得到實測的We和Wj數據,再應用幾何相似原理,可以得到最佳深度比△j和破冰變形能量系數E。

從而得到爆破破冰時,藥包入水深度W與腰包藥量Q之間的經驗公式為

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式中   W——藥包入水深度,m;

       We——最佳藥包入水深度,m;

      E——破冰變形能量系數,與炸藥、冰層的性質狀態有關;

      j——最佳深度比,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,可取。

根據集中藥包不同入水深度與破冰體積的實驗數據,可以得到不同藥量情況下的最佳入水深度、臨界深度和最大破冰體積見表2。分析總結可以得到:使用乳化炸藥,對黃河開河期的冰體,破冰變形能量系數為E=2﹒4;最佳深度比為△j=0﹒4。

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通過三年多大量的爆破破冰試驗,發現了爆破破冰的規律符合土巖爆破中的“利文斯頓爆破漏斗效應”,這是一個嶄新的研究成果,它填補了我國爆破破冰基礎理論的空白。

2.3冰下爆炸破冰時水中沖擊波和爆破振動的傳播規律

集中藥包爆炸能量在破碎冰蓋或大塊流凌的同時產生強烈的水中沖擊波和地震波,它可能會給周圍環境產生有害效應,因此必須對此進行測試,以確保爆破破冰時的安全。我們對集中藥包爆破破冰水中爆炸沖擊波和振動進行了測試,從大量的數據中歸納分析得到了水中沖擊波和振動傳播規律。

2.3.1  單個集中藥包冰蓋下爆炸破冰時水中沖擊波的規律

以單發或有延時的單發集中藥包為主,藥包布置于水深1.5m處的爆破監測數據為基準,并參考腰包在1.2m和1.8m的數據,歸納得到以下回歸關系公式:

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回歸統計的相關系數為γ=0.97。

2.3.2群發集中藥包冰蓋下爆炸破冰時水中沖擊波的規律

把按一定間距組合的多個集中藥包,同時或多段起爆的集中藥包爆破破冰試驗時的監測數據進行回歸,得到水中沖擊波經驗公式:

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式中,p2為壓力,105Pa;Q為乳化炸藥藥量,kg;R為爆點至測點距離,m。

回歸統計的相關系數為γ=0.99。

2.3.3冰蓋覆蓋下爆破破冰振動傳播衰減規律

破冰爆破的地震效應主要來自三個方面:一是爆破直接作用形成的地震波;二是水中爆破沖擊波水底邊界所產生的沖擊地震波;三是爆破能量和水中沖擊波沖擊壓力作用于上覆冰蓋引起冰蓋的振動。以集中藥包試驗期間監測的冰蓋和黃河內堤大量數據為基礎,來分析冰蓋覆蓋下爆破地震波沿冰蓋和黃河內堤的傳播衰減規律。

應用公式    112161501.jpg 形式,由試驗得到的冰蓋體振動傳播衰減公式為:

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式中v——質點峰值振動速度,cm/s;

Q——乳化炸藥一次齊爆藥量,kg;

R——測點到爆源的距離,m;

K,α——與爆破方式、裝藥結構、爆破點至測點間的地形、地質條件等有關的系數或衰減指數。

建(構)筑物受到地震波作用時,一般表現為水平受剪破壞,因此,黃河內堤的振動特征分析主要以水平徑向振速值和三向振速矢量和為主,進行振動傳播衰減規律分析。試驗得到黃河內堤爆破振動的衰減公式為:

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黃河冰蓋下水中爆破沖擊波和冰蓋爆破振動特征及冰蓋地震波傳播特征研究在國內外水中爆破沖擊波很少見到,這次現場爆破破冰試驗獲取了大量的科學數據,分析得到了冰蓋下水中爆爆破沖擊波的傳播規律和冰蓋、黃河內堤的振動傳播衰減規律,這在國內外是第一次,這對于進一步研究冰蓋破碎機理和爆破對周圍環境安全具有極大的參考價值,也為我國爆破破冰理論增添了新的內容。

3爆破破冰技術的創新(“兩彈、兩車、一機”)

根據爆破破冰理論研究的成果,應用獲得的爆破破冰關鍵技術參數,我們研制了實施爆破破冰的關鍵裝備,即“兩彈、兩車”。

3.1潛水破冰彈的研制

試驗初期,集中藥包采用的是用尼龍布包裝的藥包,在水中定位采用的是吊繩,如圖2所示。后來經過多次試驗改進,又根據試驗得到的藥量與入水深度關系,我們研制了能夠調節入水深度和具有在水中漂浮定位功能的專用潛水破冰彈(QSPBD),如圖3所示。

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潛水破冰彈的構造分成彈體和浮子腔兩部分,彈體部分包括裝藥腔外端蓋、內端蓋,定時起爆及延時銷毀裝置,防水墊,定深繩,防水插頭,連接電纜等,如圖3所示。

2014年2月20日,在包頭磴口地區的黃河冰蓋上,我們對研制的定型潛水破冰彈與相同藥量的集中藥包進行了對比試驗。結果如圖4所示。

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  從圖形比較,兩者的最佳入水深度在1.5~2.Om之間,最佳破冰體積為46~47m3。基本沒有什么太大的變化。因此潛水破冰彈是集中藥包試驗結果的定型化,這為破冰彈藥的商品化提供了科學依據。

3.2兩級時差安全破冰彈的研制

從集中藥包破冰試驗得知,水中爆破破冰比冰上裸露爆破的效果大10倍以上,但是水中爆破必須先在冰上機械鉆孔,能不能做到一彈兩用,即打洞和入水爆破一體化。調研和查閱國內外資料后,對已有的兩級破冰彈(水科院、重慶5013工廠合作研制的專用冰下破冰彈和濟寧淄博732工廠研制的黃河防凌彈)在2013年3月爆破破冰試驗中進行了實彈爆炸試驗。從試驗結果可以得到:(1)732工廠和5013工廠破冰彈的破冰效果相差不大;(2)兩種破冰彈使用的炸藥都是軍用炸藥,民間使用很少,申請困難;(3)都使用了金屬,爆炸碎片飛到200m外,安全性差;(4)兩種破冰彈彈體小、輕型,但是制作成本比較高。由于存在上述問題,我們進行了改進,吸取了 732工廠和5013工廠破冰彈的長處,炸藥采用乳化炸藥,彈體制作全塑化,改進后的新型破冰彈(S-A-PBD)-01)如圖5所示。

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2014年2月18日~2月20日,對改進后的兩級時差安全破冰彈進行了試驗,其破冰效果與2013年的試驗相近,安全效果十分理想,破碎的塑料飛散在40~50m范圍內,不存在安全隱患。

3.3輕型兩棲鉆孔臺車

研制了專用破冰彈,下一步就是應用什么裝備予以實施。由于冰上作業與陸地作業不同,特別是冰上作業的安全性必須保證,因此研制相應配套的設備和機具,也要適合冰上安全作業的條件,以完成鉆孔、裝藥、起爆整個爆破破冰的施工作業。

在試驗初期,冰蓋鉆孔采用的是內燃螺旋鉆機,鉆頭直徑為Ф180~250mm。它需要兩個人在冰上操作,安全得不到保障。因此,需要研制能夠在冰上進行機械鉆孔的臺車來取代人工作業。

鉆孔臺車必須適應水、冰兩棲作業。我們進行了大量調研,參考了國外引進的破冰機械,應用了軍用裝甲車的技術,與有關單位共同研制了輕型的冰上鉆孔臺車,如圖6所示。根據冰性脆且抗拉強度小的特點,配備液壓螺旋鉆機進行鉆孔作業。

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輕型冰上鉆孔臺車的技術性能參數見表3。

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臺車上有爆破作業配套的液壓螺旋鉆機、裝藥作業平臺和切割鋸,具有冰上鉆孔、冰蓋切割、布設破冰彈和連接爆破網路等作業功能,可以承擔破冰開鑿流凌通道,破碎水中和冰塞上面的大塊冰凌,在冰壩關鍵部位上布置破冰彈瓦解潰壩的任務。

3.4冰上輕型混裝炸藥車

試驗初期,采用的是卷裝的乳化炸藥,人工制作藥包。在制作成定型的潛水破冰彈以后,彈體用藥卷來裝藥比較麻煩,如果采用現場混裝炸藥灌裝就比較方便,可以提高作業效率。在2013年3月的破冰試驗中,我們應用混裝乳化炸藥車在現場灌裝了大量的條形藥包,事實證明裝藥速度有很大提高(如圖7所示)。但是礦山應用的混裝裝藥車比較大,我們需要的是能在冰上進行裝藥作業的小型臺車。于是與北京礦冶研究總院、山東沃爾華集團公司合作研制了新型的冰上混裝乳化炸藥車(如圖8所示)。

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新型冰上混裝乳化炸藥車的技術參數見表4。

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3.5無人機投送破冰彈專用系統

破除大塊流凌是防止冰塞、冰壩形成的有效方法,但是冰凌是流動的,用船只靠近冰凌人工投擲炸藥包的方法很不安全,而且藥包定位不好控制,能不能應用近年來發展的無人機進行地面遙控投彈,我們進行了初步設計構想,如圖9所示。

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2012年3月,應用風扇形無人機和螺旋槳形無人機的無人機進行了投擲試驗。試驗結果顯示:風扇形無人機的性能不穩定,遙控裝置操作復雜,難以操縱;螺旋槳形無人機載重量小,最大不能超過4kg,不能滿足破冰的要求,必須予以改進。

課題組在總結上述試驗的基礎上,根據破冰的具體要求,研制了多旋翼形無人機,如圖10所示。

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無人機的技術性能參數見表5。

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無人機在破冰爆破上的主要作用是投彈破冰,它可以運載專用破冰彈投擲到指定的大塊冰凌上進行爆破,還可以對冰塞和冰壩的關鍵部位投擲潛水破冰彈進行水下潛伏爆破,也能夠連續投擲兩級時差破冰彈對冰蓋實施破碎爆破。

它的投彈裝置有電磁鎖的掛彈器和延時起爆系統(如圖11所示)。掛彈器可以套入專用破冰彈,卡住彈體。無人機可以攜帶破冰彈飛行至預定投放點后,通過地面遙控指令使電磁鎖釋放,破冰彈下落潛入到冰下,同時包裹破冰彈的水溶膜在水中溶解,破冰彈的浮子腔和彈體分離,由于浮力和定深繩的相互作用,彈體定深于水中(冰下)一定深度,按照設計指定的延時起爆,實施破冰。

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4 研究和技術創新成果的應用

4.1  爆破理論研究成果的應用

(1)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,在爆破破冰工程上有著十分有用的價值。

(2)冰蓋下水中爆破沖擊波的傳播規律和冰蓋、黃河內堤的振動傳播衰減規律,這在國內外是第一次,這對于進一步研究冰蓋破碎機理和爆破對周圍環境安全具有極大的參考價值,也為我國爆破破冰工程安全規程的制定提供了豐富的資料數據。

4.2技術創新成果的應用

防凌破冰爆破技術創新的成果已經在黃河防凌破冰中進行了實際應用,收到了很好的效果,得到黃河水利委員會、內蒙古水利廳等領導和當地政府有關部門的贊揚和肯定。

(1)群藥包爆破冰蓋,開鑿流凌通道,疏導冰凌,預防冰塞冰壩的形成。應用集中藥包,按照需要開鑿冰凌通道的長度和寬度,在冰蓋上用兩棲鉆孔臺車鉆孔,布放彈藥,連線起爆。如2013年3月6日,布設的試驗爆破孔位設計如圖12所示。試驗采用12個3kg集中藥包,10個5kg的集中藥包,入水深度1.5m,瞬時起爆,切割冰蓋范圍42m×60m,中心區域均勻布置3個10kg集中藥包,入水深度1.5m,延時2.5s起爆。利用爆破能量和水中壓力使整塊冰蓋破碎。試驗破碎冰蓋2520m2,在經過24h以后,發現爆破后已經破碎冰蓋,整體向下游漂移了1.2km,達到了快速開啟流凌通道的目的(如圖13所示)。

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(2)無人機投彈破碎大塊冰凌、瓦解消除冰塞、冰壩。應用無人機裝載潛水破冰彈,在上游投放,潛入大塊冰凌們冰塞、冰壩下面,進行爆破破冰,能夠阻止和瓦解冰塞、冰壩的形成,達到避免和消除冰凌災害的目的。

2014年3月4日,在包頭王大漢浮橋下游3km處有正在形成的冰塞,如圖14(a)所示,我們設計在冰塞的左邊,布設一排兩級時差破冰彈,如圖14(b)所示;在冰塞上游采用無人機連續投擲潛水破冰彈。兩級時差破冰彈先爆,而后無人機投彈,如圖14(c)所示。在無人機投擲兩發潛水破冰彈后,這小段寬約60m的冰塞就開始瓦解潰移。

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5結論

上述爆破破冰理論研究和技術創新成果是“十二五”國家科技支撐計劃“應急裝備關鍵技術研究與裝備研制”科研項目“防凌破冰關鍵技術研究與裝備研制”課題中的一部分。總課題已于2014年4月28 日,由主持單位公安部科技信息化局組織專家通過了驗收。驗收報告(即成果鑒定)中的有關結論如下:

(1)研制的以兩棲破冰車、潛水爆破帶、潛水破冰彈、雙級差時破冰彈等為主體的疏導處險裝備,主要指標經相關單位測試,均達到課題任務書的考核要求。

(2)課題研究在防凌工作思路、破冰理論和工藝方法、破冰技術裝備等方面具有重大突破和創新。

(3)主要研究成果在黃河開河期進行了試驗試用,運用該成果先后消除三處冰塞,實現了提前干預、主動疏導、平穩開河的良好效果,得到了國家防總、水利部黃河水利委員會、內蒙古自治區等單位領導和專家的認可,具有廣泛的推廣和應用前景。

參考文獻

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摘自《中國爆破新進展》