鋁纖維混合燃料破巖激波管作用機理研究

黃 宇，馬宏昊,2，王林桂，沈兆武，張中雷，姚象洋，陳亞建，王奕鑫

(1.中國科學技術大學中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室，合肥 230026；2.中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥 230026；3.大昌建設集團有限公司，浙江 舟山 316021)

炸藥自發明問世以來，由于其巨大的威力，迅速成為人們改造自然、創造財富的一個有力工具，炸藥和雷管在礦業生產、基本建設、海洋工程和特種爆炸加工等行業有著廣泛的應用[1]。但是另一方面，突發的炸藥爆炸事故也給社會帶來了大量的人員傷亡和財產損失[2-4]。因此，找到一種更為安全、環保的爆破技術一直是相關研究人員努力的方向。為此，國內外相關學者從不同角度提出了一些非炸藥爆炸破巖方法，可分為三類：機械類破巖方法如液壓劈裂機[5]、液壓破碎錘[6]、隧道掘進機[7-8]等；物化做功類如靜態膨脹劑法[9]、二氧化碳致裂器法[10-13]、金屬燃燒劑法[14]等；電氣設備類如等離子體爆破法[15]、熱力劈巖法[16-18]等。盡管目前的非炸藥爆炸破巖方法相對于炸藥爆炸破巖來說依然存在著成本高、效率低等劣勢，但是安全、環保、可持續發展是大勢所趨，在未來，非炸藥爆炸破巖方法一定會成為破巖的一種重要方式。針對這一發展趨勢，本文介紹一種非炸藥爆炸破巖的新方法。該方法利用鋁纖維和常用燃料作為能源，在密閉的鋼管內裝入鋁纖維和常用燃料，將鋼管置入巖石炮孔內，向鋼管中壓入適當壓力的氧氣，再對鋁纖維高壓放電，迫使鋁纖維和燃料爆燃，通過鋼管上設置的泄能口產生高壓氣體激波和射流，對巖石沖擊作用，達到破巖的目的。文中所闡述的工作是對非炸藥破巖方法的一個補充，提供了另一種選擇和探索。

1 實驗裝置和材料

1.1 實驗裝置

實驗裝置主體是一根由厚壁無縫鋼管制作而成的破巖激波管，其鋼管兩端內壁加工有螺紋，兩端采用螺栓密封，在厚壁無縫鋼管靠下位置對稱設置多個圓形泄能口，進氣閥安裝在頂部密封螺栓上，用于壓入高壓氧氣，充氣完成后關閉；點火引線用于連接外部放電點火裝置；點火端用于連接管內鋁纖維混合燃料能量條；定壓封堵塊用于在起爆之前封堵氧氣不外泄(見圖1)。

圖1 破巖激波管作業結構
Fig.1 Operation structure of shock tube for rock breaking

后續實驗中使用的破巖激波管內徑22 mm，外徑37 mm，在靠近下端處對稱開設了兩個直徑10 mm的泄能口，泄能口處使用環氧樹脂膠封堵。破巖激波管實物如圖2所示。

圖2 破巖激波管
Fig.2 Shock tube for rock breaking

1.2 實驗材料

鋁是活性很高的金屬材料，在高溫氧環境下可發生爆炸性的燃燒，鋁粉常被作為高能燃料加入到乳化炸藥、TNT、黑索金等炸藥中。鋁纖維(見圖3)與鋁粉相比，強度高，比表面積小，提前氧化量少，活性保持效果明顯且在制作、運輸和使用過程中相較于鋁粉更安全、環保，使用更方便[19-22]。

圖3 鋁纖維束
Fig.3 Aluminum fiber bundle

乙醇是一種常用燃料，充分燃燒反應后生成水和二氧化碳，在破巖激波管中乙醇充分燃燒產生的水蒸氣和二氧化碳氣體可以作為反應能量做功的傳遞介質。鋁纖維、乙醇的特性如表1所示，與氧氣充分燃燒反應方程式如下：

(1)

表1 鋁纖維和乙醇的特性

為了保證安全，將鋁纖維和乙醇用塑料薄膜袋制成能量條(見圖4)。使用時，將能量條置入破巖管內，密封后再壓入高壓氧氣。這樣在點火之前燃料和氧氣彼此隔絕，杜絕事故的發生。此外，能量條內的鋁纖維和乙醇分布更均勻，使得反應更加充分。

圖4 破巖激波管內所用能量條
Fig.4 Energy bar used in shock tube for rock breaking

2 安全校核

2.1 校核的必要性和重點

在爆破相關領域中，安全始終是第一位的，本文提出鋁纖維混合燃料非炸藥爆炸破巖技術的初衷也是為了提高施工過程中的安全性，保障人的生命以及財產安全。而且所設計的破巖激波管可以重復使用，降低了使用成本，為了防止使用過程中發生爆管事件，有必要對破巖激波管使用時的結構安全進行校核。

破巖管可簡化為一根厚壁圓筒，盡管存在著進氣口、點火端以及兩端的封閉螺栓等不規則的形狀，但是加工過程中是要保證這些部件的連接強度高于厚壁圓管本身的強度，因此校核的時候可以不考慮這些部分。

2.2 動載系數法

這里強度校核遵循一般抗爆防護構造物設計中所用的方法，求出動載荷Pmax對應的等效靜載Pe，有了靜載荷之后按照通常的靜載設計進行校核[23-24]。令:

Pe=Pmax·Cd

(2)

式中：Cd為動載系數，其值與壓力隨時間的變化特征、壓力作用的持續時間和殼體的自振頻率有關。

由典型的壓力載荷波形(見圖5)可以看出：①載荷波形近似于三角波，為方便起見，將這一類波形當做三角波處理；②第一個主峰的脈寬τ=1.247×10-3s。

圖5 壓力時程
Fig.5 Time history of pressure

對于柱殼，如果只考慮擴展振動的基頻，則自振周期

(3)

將激波管外徑R=0.037 m，激波管彈性模量E=210 GPa，激波管密度ρ=7 850 kg/m3帶入式(3)，可得T0=0.449×10-4s。

(4)

將ω=2.227×104s-1(ω=2π/T0)，τ=1.247×10-3s帶入式(4)得Cd=1.899。

2.3 強度校核

將強度校核問題簡化成靜力學中一個圓管受內壓力作用的問題(見圖6)，這個問題在彈性力學[25]里解答如下：

(5)

(6)

式中：a、b分別為圓管的內半徑和外半徑。

圖6 圓管受力分析
Fig.6 Force analysis of circular tube

由于設計的破巖激波管需要重復使用，所以要求在許用工況下破巖管不能發生塑性變形，依據第三強度理論，等效應力[σ]=σφ-σp，取Q235鋼的屈服強度235 MPa為許用應力，則破巖激波管安全的判定條件為

σφ-σp<235 MPa

(7)

將式(5)～式(6)帶入式(7)，得

(8)

進一步簡化得

(9)

即

(10)

以實驗中所用破巖激波管為例，其內半徑a為0.011 m，外半徑b為0.018 5 m，動載系數Cd為1.889，代入式(10)算得：Pmax<113.7 MPa，即該破巖激波管允許的管內最大爆炸壓力為113.7 MPa。

3 實驗

3.1 實驗設計

為了直觀地展示依據該方法設計的破巖激波管的破巖效果，澆筑了水泥砂漿試件作為待破壞物。其配比：500#普通硅酸鹽水泥、砂子和水的質量比為1∶2∶0.4。室外養護超一個月以上。

共澆筑兩種試件，試件1：高200 mm，直徑100 mm，在試件端面中心鉆孔，孔深150 mm，孔徑50 mm；試件2和試件3：高200 mm，直徑200 mm，在試件端面中心鉆孔，孔深150 mm，孔徑50 mm。

所用破巖器材為破巖激波管，試件1破壞實驗所用燃料條內置鋁纖維1 g、乙醇10 mL ，破巖管內預充氧氣壓強1 MPa；試件2破壞實驗和試件3破壞實驗所用燃料條內置鋁纖維2 g、乙醇15 mL，破巖管內預充氧氣壓強2 MPa(見表2)。實驗裝置如圖7所示。

表2 實驗條件

圖7 實驗裝置
Fig.7 Experimental device

3.2 實驗結果

共進行了4組破巖實驗，第1組在1 g鋁纖維、10 mL乙醇、1 MPa氧氣的工況下將試件1炸碎；第2組在1 g鋁纖維、10 mL乙醇、1 MPa氧氣的工況下對試件2做破巖嘗試，結果試件沒有破裂，無明顯裂縫；第3組和第4組在2 g鋁纖維、15 mL乙醇、2 MPa氧氣的工況下分別將試件2和試件3炸碎。具體破碎效果如圖8～10所示。

圖8 試件1破碎效果
Fig.8 Destruction effect of sample 1

圖9 試件2破碎效果
Fig.9 Destruction effect of sample 2

圖10 試件3破碎效果
Fig.10 Destruction effect of sample 3

3.3 結果分析

試件1在軸向上被沖擊截為3段，并且沿徑向裂開為5段；試件2和試件3均是沿徑向方向被壓裂為4大塊以及數個小塊體，4處裂縫2個分布在正對泄能口處，2個分布在泄能口連線的垂線上。

點火起爆后，破巖管內能量條與氧氣發生爆燃反應，產生大量高溫、高壓氣體產物，產物通過泄能口噴出，沖擊正對著的巖壁產生初始裂縫，隨后爆生氣體通過裂縫促使裂縫擴展，在垂直于泄能口連線處的位置，巖體所受拉應力最大，達到試件的抗拉極限時便產生裂縫，在爆生氣體的聯合作用下裂縫擴大，最終呈現出不同程度的破碎效果，試件開裂破碎原理如圖11所示。

圖11 試件開裂破碎原理
Fig.11 Principle of sample cracking

4 結論

1)利用鋁纖維和乙醇作為能源，在密閉的鋼管內裝入由鋁纖維和乙醇做成的能量條，將鋼管置入巖石炮孔內，向鋼管中壓入適當壓力的氧氣，再對鋁纖維高壓放電，迫使鋁纖維和燃料爆燃，通過鋼管上設置的泄能口產生高壓氣體激波和射流，對巖石沖擊作用，在沖擊正對著的巖壁處產生初始裂縫，裂縫在高壓爆生氣體作用下延伸、擴展，從而達到致裂、破碎巖石的目的。

2)采用動載系數法校核了破巖激波管的實際許用強度，給出了在要求破巖激波管不發生塑性變形的條件下管內最大的允許反應壓力，這對于破巖激波管的規范設計提供了指導。對于本例中所設計的內徑22 mm，外徑37 mm的破巖管，依據動載系數法得出的管內最大允許反應壓力為113.7 MPa。

3)澆筑了兩種水泥砂漿試件實際檢驗所設計的破巖管的破巖效果。在鋁纖維1 g、乙醇10 mL，氧氣1 MPa的情況下壓裂破碎了試件1；在鋁纖維2 g、乙醇15 mL ，氧氣2 MPa的情況下壓裂破碎了試件2、3。被破壞試件在沿著和垂直于泄能口連線方向上產生了4道主要裂縫，試件破碎的塊度和破碎度均很好。

4)本文介紹的破巖方法未使用炸藥便可達到破巖效果，所使用的鋁纖維、燃料、氧氣等耗材均屬于日常生產生活中常用的類別，價格低廉、來源廣泛，且其儲存、運輸、使用均無需行政許可。該方法破巖及準備過程簡單、現場實施方便，可以同時多排組網使用，適用于不同的作業要求，可以在一些特殊場合替代炸藥爆炸破巖，是非炸藥爆炸破巖技術的一個補充。