炸藥能量的和平利用(II)

沈兆武， 馬宏昊， 李雪交， 余 勇， 王 飛， 陳 偉， 任麗杰， 程揚帆， 繆廣紅

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點實驗室， 合肥 230026；

2.安徽理工大學(xué)， 安徽淮南 232001)

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炸藥能量的和平利用(II)

沈兆武1， 馬宏昊1， 李雪交1， 余 勇1， 王 飛1， 陳 偉1， 任麗杰1， 程揚帆2， 繆廣紅2

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點實驗室， 合肥 230026；

2.安徽理工大學(xué)， 安徽淮南 232001)

摘要：介紹了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)爆炸力學(xué)實驗室多年來在和平利用炸藥能量方面的工作成果，內(nèi)容涉及起爆器材如飛片雷管、線延期技術(shù)和爆炸二極管，并將其應(yīng)用到煤礦高溫火區(qū)等特種爆破中；采用蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥和雙面爆炸復(fù)合技術(shù)生產(chǎn)多層金屬復(fù)合板和復(fù)合管，減小了爆炸復(fù)合能量和環(huán)境污染；提出環(huán)向柔性聚能致裂器使巖層形成網(wǎng)絡(luò)裂紋，并應(yīng)用到頁巖氣開采中。

關(guān)鍵詞：爆炸二極管； 特種爆破； 飛片雷管； 爆炸復(fù)合； 頁巖氣； 炸藥

1引 言

與很多常見物質(zhì)相比，炸藥的總能量并不高，但炸藥的反應(yīng)速度非?？臁⒐β矢?、做功能力強。人們利用炸藥的這種特性將其應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如武器、彈藥、爆破、爆炸合成新材料、醫(yī)學(xué)等。筆者在多年的教學(xué)科研中，在炸藥能量利用方面開展了一些工作，本文主要擷取與民用相關(guān)的研究成果。

2高安全起爆器材

2.1高安全飛片式無起爆藥雷管體系〔1-9〕

高安全飛片式無起爆藥雷管技術(shù)自1987年首次提出此概念以來，歷經(jīng)二十多年的發(fā)展，已形成多代技術(shù)并發(fā)展成熟。該技術(shù)是為了解決起爆藥雷管的安全性問題，發(fā)軔于沖擊片雷管的設(shè)計理念，以“激發(fā)裝置”這一核心元件的定型而成熟。其起爆原理是使用高速運動的飛片撞擊雷管主裝藥，依據(jù)非均質(zhì)炸藥短脈沖起爆判據(jù)，當飛片撞擊能量大于臨界起爆能量時，即可實現(xiàn)雷管起爆。飛片雷管不含起爆藥，避免了因起爆藥引發(fā)的感度過高的安全問題，如圖2.1所示。各種實驗均表明，飛片雷管具有安全、可靠、無污染的特點，適合我國國情，具備大規(guī)模推廣的價值。目前，該技術(shù)已在國內(nèi)十余家企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，并于2012年獲國家知識產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的中國專利獎優(yōu)秀獎以及2013年安徽省科學(xué)技術(shù)獎三等獎。

圖2.1　延期飛片電雷管與飛片非電雷管Fig.2.1　Instantaneous flyer detonator and delayed flyer detonator

2.2線延期技術(shù)

傳統(tǒng)延期技術(shù)多為鉛芯拉拔技術(shù)：將裝有延期藥的粗鉛管材料經(jīng)過多次拉拔工藝，成為其外徑與雷管內(nèi)徑(通常為7mm左右)能松動配合的鉛管(通常在5.5mm～6.5mm范圍內(nèi))，再根據(jù)延期時間長短的需要切成合適的長度即為延期元件，然后將其裝入雷管中，如圖2.2所示。

圖2.2　線延期技術(shù)Fig.2.2　Linear delay technic

受雷管管殼尺寸限制，傳統(tǒng)延期技術(shù)需要多種配方來實現(xiàn)不同延時段別的延時效果，配方眾多，精度難以保證。

筆者受導(dǎo)爆管啟發(fā)，由于導(dǎo)爆管主要起傳爆作用，內(nèi)部傳爆藥粉爆轟后具有較高點火能力，同時延期雷管的導(dǎo)爆管長度較長?；谶@兩點，提出線延期技術(shù)(圖2.2)。線延期技術(shù)是將延期體經(jīng)多次拉拔后減小其直徑(1.4mm~1.5mm)，使之能夠插入普通導(dǎo)爆管空腔內(nèi)。導(dǎo)爆管內(nèi)部傳爆藥粉能夠?qū)⒀悠诰€引燃，同時，導(dǎo)爆管的長度保證了線延期體的長度，使得線延期體能夠?qū)崿F(xiàn)較長時間延期。線延期體保證一定筆直度，切長根據(jù)延時時間需要確定，僅使用少量配方即可實現(xiàn)所需延時需求，具有延時精度高、成本低、延期方式靈活的特點，可與飛片雷管技術(shù)配合使用。

3煤礦高溫火區(qū)爆破

近年來在高溫火區(qū)煤礦爆破開采過程中已經(jīng)發(fā)生多起重大安全事故，原因皆是在爆破作業(yè)中子網(wǎng)路炮孔發(fā)生早爆、誤爆引發(fā)整個起爆網(wǎng)路誤爆，這些事故嚴重威脅了人員的生命安全、影響了礦產(chǎn)資源的開采效率〔10〕。治理火區(qū)爆破已成為當前的一項重要課題〔11-15〕。筆者針對高溫火區(qū)存在的爆破網(wǎng)路不安全性問題，設(shè)計了一種爆炸二極管邏輯元件，在借鑒邏輯元件設(shè)計原理的基礎(chǔ)上組成的一種由爆炸二極管和常規(guī)導(dǎo)爆索等火工品構(gòu)成的爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有布爾邏輯判斷能力和類似電子電路的信號處理功能，爆炸二極管在網(wǎng)絡(luò)中可對來自不同方向爆轟信號做出邏輯判斷，選擇是否傳播或關(guān)閉起到控制爆轟信號傳播方向的作用〔16-18〕。針對高溫孔中炸藥耐溫問題，設(shè)計了一種隔熱膠體保護結(jié)構(gòu)，通過在炸藥外層耦合添加膠凝體隔熱層，延長炸藥升溫時間，增加爆破作業(yè)安全時間。

3.1爆炸邏輯網(wǎng)路

爆炸二極管〔19-20〕結(jié)構(gòu)包括兩端敞口外殼、中空橡膠結(jié)構(gòu)、熄爆通道、隔爆序列、兩端密封件、爆轟信號輸入端(A端)、輸出端(B端)，A、B端根據(jù)使用插入導(dǎo)爆索、金屬導(dǎo)爆索等火工品。元件外殼是兩端開口的筒形，兩端插入密封件后留有足夠長度的空腔，使A、B端火工品插入外殼后與外殼過盈配合。隔爆序列外殼是一端開口、一端封閉的敞口筒形殼體，通過卡口固定位置，內(nèi)部由激發(fā)裝置和不同密度分層鈍感裝藥構(gòu)成，為了避免激發(fā)藥在激發(fā)內(nèi)帽中流動，在激發(fā)藥上方壓蓋蠟紙密封(圖3.1)。隔爆序列內(nèi)部由分層裝藥構(gòu)成，底層9為高密度造粒鈍化后的太安，中層10為松散密度下造粒鈍化后的太安，上層激發(fā)裝置由激發(fā)藥與激發(fā)內(nèi)帽組成，激發(fā)藥組分為太安/石墨/鋁粉/氧化劑。正向傳爆和反向隔爆試驗表明(圖3.2)，所設(shè)計的爆炸邏輯網(wǎng)路具有正向傳爆可靠、反向隔爆穩(wěn)定的效果，能夠解決爆炸網(wǎng)路中的安全性問題。

1/7-密封件Sealing element；2-中空橡膠結(jié)構(gòu)Hollow rubber structure；3-密封蠟紙Sealing wax paper；4-激發(fā)內(nèi)帽Excitationinner capsule；5-金屬殼體Metal shell；6-隔爆序列Flame-proof structure；8-爆轟信號輸出端Detonation signal output end；9-一次裝藥1st charge；10-二次裝藥2nd charge；11-激發(fā)藥Excitation powder；12-卡口固定Bayonet fixing；13-熄爆通道Extinction channel；14-爆轟信號輸入端Detonation signal input end圖3.1　爆炸二極管元件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3.1　The structure diagram of explosive diode

圖3.2　正向傳爆與隔爆安全性實驗Fig.3.2　The explosion test and results

3.2膠體隔熱保護結(jié)構(gòu)

圖3.3　膠體水形態(tài)圖Fig.3.3　Water in colloform

針對高溫火區(qū)高溫炮孔，傳統(tǒng)方法采用注水降溫。但在我國西北地區(qū)水資源匱乏，注水降溫過程中，水會沿著炮孔裂縫流失，無法高效率利用其降溫，且造成水資源浪費；注水降溫過程會形成大量高溫水蒸氣，還容易燙傷施工人員。筆者設(shè)計了一種膠體隔熱保護結(jié)構(gòu)〔21〕，采用高比熱容、隔熱效果好的膠凝體材料(圖3.3)耦合密實的包裹在所用起爆器材以及工業(yè)炸藥外層，膠凝體外層采用支撐材料固定，膠體結(jié)構(gòu)起到隔熱防火、延長高溫孔中炸藥升溫時間，增加爆破安全作業(yè)時間的作用。膠凝體層具有高比熱容、隔熱、阻燃性質(zhì)。在高溫炮孔中結(jié)構(gòu)本身可以吸收大量熱量；在持續(xù)升溫情況下，有一部分膠體會通過吸熱汽化帶走熱量從而到達增加安全作用的時間，大大節(jié)省了水資源。

現(xiàn)場驗證實驗設(shè)計如下: 用一根3m鐵管，一端用陶瓷纖維布加鋁箔布密封，內(nèi)部分別裝入水溶液與膠體水作為隔熱層，鐵管內(nèi)部用熱電偶測溫，整體測溫結(jié)構(gòu)置于高溫炮孔中(360℃~380℃)，測溫時長60min。溫升曲線(圖3.4)表明，膠體水與水溶液相比升溫速率基本相同，蒸發(fā)速度不同，膠體水明顯比水溶液慢。實驗中，水溶液在整體沸騰后頂部會噴出，膠體水則不會。膠體水中熱對流受到了阻滯，降低了熱的對流與傳導(dǎo)，自由水分子減少，減緩了水分子熱運動，比單純水溶液吸熱、隔熱效果有明顯優(yōu)勢。

圖3.4　水溶液與膠體水溫升曲線Fig.3.4　Heating curve of water and water in colloform

4爆炸加工

爆炸復(fù)合技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展經(jīng)歷了大約七十年，國內(nèi)外學(xué)者對目前仍在廣泛使用的較為原始的僅利用炸藥一側(cè)能量的大裝藥量的單面爆炸復(fù)合進行了很多深入的計算和研究，由于僅利用了炸藥一側(cè)的能量，導(dǎo)致大部分的能量以沖擊波的形式釋放在空間中，造成了炸藥的能量利用率極低、成本增加、爆炸產(chǎn)生的噪聲，即便在5km之外仍能達到80db~90db。還存在如下問題：工作量大、粉塵污染嚴重，損害操作人員的身心健康、機械化程度低等。這些問題的存在嚴重限制了該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。筆者所開展的爆炸加工有別于傳統(tǒng)爆炸方法，主要解決了多層金屬一次性爆炸復(fù)合問題，并期望解決傳統(tǒng)爆炸復(fù)合炸藥能量利用率低的問題。

4.1多金屬板爆炸復(fù)合技術(shù)〔22-26〕

金屬復(fù)合材料充分發(fā)揮單一金屬組元各自的優(yōu)點，同時節(jié)約了大量貴重金屬，具有很高的經(jīng)濟價值和應(yīng)用前景。目前金屬復(fù)合板的生產(chǎn)廣泛采用爆炸復(fù)合法。傳統(tǒng)爆炸復(fù)合一次只能實現(xiàn)雙層金屬板的復(fù)合，而且多層金屬材料復(fù)合需要將雙層復(fù)合材料較平、打磨后再次爆炸復(fù)合，工藝復(fù)雜、復(fù)合效率低，結(jié)合強度不穩(wěn)定。對此，筆者提出多金屬板爆炸復(fù)合技術(shù)，通過一次爆炸工藝復(fù)合雙層、三層及以上金屬板，可簡化工藝、降低生產(chǎn)成本、減小焊接炸藥藥量并提高效率，且覆層厚度不受限制，可廣泛應(yīng)用于化工設(shè)備、電力、軍事裝備、航空航天、艦船制造以及核電站等領(lǐng)域?！颁X-鋼”復(fù)合板金相(圖4.1)表明，復(fù)合板界面結(jié)合良好，具有很好的應(yīng)用前景。

圖4.1　鋁/鋼界面金相組織Fig.4.1　OM photo at the interface of Al/Steel clad

4.2多金屬爆炸復(fù)合管技術(shù)

2013年青島輸油管道爆炸事故(圖4.2)造成62人遇難，136人受傷，直接經(jīng)濟損失7.5億元。

圖4.2　青島爆炸事故現(xiàn)場Fig.4.2　Qingdao oil pipeline explosion site

其根本原因是輸油管在潮濕環(huán)境中不斷腐蝕〔27〕、失效穿孔引發(fā)原油泄漏。筆者當年參與了事故原因調(diào)查，之后開展了金屬管道的爆炸復(fù)合研究工作。調(diào)研表明，金屬管道腐蝕每年都會給國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟損失，僅石化行業(yè)就達數(shù)千億元。多金屬復(fù)合管〔28-29〕通過不同材料的組合獲得耐高溫、耐磨損、高導(dǎo)電性的復(fù)合管材，能經(jīng)濟有效地解決鋼管腐蝕問題。

對鋁/鋼/鋁、鈦/鋼/不銹鋼復(fù)合管的研究表明，爆炸復(fù)合方法〔30-31〕可一次性形成多層金屬管，生產(chǎn)效率高，復(fù)層金屬可厚可薄，界面結(jié)合緊密，在溫差較大的環(huán)境下也不會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，是一種理想的復(fù)合方法。課題組設(shè)計并優(yōu)化了一種高能量利用率、低損傷性的復(fù)合管爆炸焊接系統(tǒng)〔32〕，利用該系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了鋁-鋼-鋁、鋁-銅-鋁、鈦-鋼-不銹鋼等組合金屬管的爆炸復(fù)合(圖4.3~圖4.4)。

圖4.3　鋁-鋼-鋁三層復(fù)合管 Fig.4.3　Al/Steel/Al composite pipe

圖4.4　鋁-銅-鋁三層復(fù)合管 Fig.4.4　Al/Cu/Al composite pipe

對于細長管的復(fù)合，該系統(tǒng)較傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢明顯，利用其復(fù)合出的長徑比超過65∶1的鋁-鋼-鋁三層復(fù)合管(圖4.5)未出現(xiàn)大變形，基本上不需要進行二次加工便可投入使用。對利用3mm爆炸索(藥量約為4g/m)復(fù)合出的鋁-鋼復(fù)合管截取長徑比為1∶1的試樣進行壓剪試驗。得到壓力時程曲線圖(圖4.6)。經(jīng)計算得到其結(jié)合強度為3.19MPa，超過石油天然氣行業(yè)標準規(guī)定的0.5MPa以及民用建筑行業(yè)規(guī)定的0.2MPa。該方法具有很好的市場應(yīng)用前景。

圖4.5　大長徑比鋁-鋼-鋁復(fù)合管Fig.4.5　Al/Steel/Al composite pipe with large aspect ratio

圖4.6　壓剪試驗壓力時程曲線Fig.4.6　 Curve of compression-shear test

4.3雙面爆炸復(fù)合技術(shù)〔33-38〕

為了解決現(xiàn)行爆炸復(fù)合中存在的問題，筆者設(shè)計了一種新型的雙面爆炸復(fù)合方法(圖4.7)，并設(shè)計了專用蜂窩結(jié)構(gòu)裝藥。

圖4.7　雙面爆炸復(fù)合裝置圖Fig.4.7 　Sketch map of device

圖4.8　蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥 Fig.4.8 　Honeycomb structure explosive

試驗表明，蜂窩結(jié)構(gòu)裝藥(圖4.8)能夠?qū)⑷榛ㄋ幣R界厚度降低至5mm。不銹鋼/Q235鋼的雙面爆炸復(fù)合板表征表明：復(fù)合板結(jié)合界面呈現(xiàn)波長15μm~18μm(圖4.9)。波幅為5μm~8μm連續(xù)的微波狀結(jié)合界面。一般認為爆炸復(fù)合具有三種形式的波狀界面，微波(波長100μm左右，波幅20μm左右)、小波(波長50μm~200μm，波幅50μm左右)、大波(波長300μm左右，波幅100μm~150μm)。由爆炸復(fù)合的三種結(jié)合界面可知，微波狀結(jié)合和大小波狀結(jié)合相比，沒有疏松狀的空洞物和縫隙，幾乎沒有過渡區(qū)域等缺陷，說明微波狀結(jié)合爆炸復(fù)合板具有較高的結(jié)合強度。

圖4.9　不銹鋼與Q235鋼復(fù)合板界面OM圖Fig.4.9　OM photo at the interface of stainless steel-Q235 steel clad plate

5頁巖氣開采

頁巖氣儲層具有低孔隙度和超低滲透率的物性特征，導(dǎo)致氣流阻力比常規(guī)天然氣大，極大地影響了頁巖氣的開采效率。由于頁巖氣儲層與常規(guī)能源儲層差異很大，必須采用先進的開采技術(shù)，尤其是水平井鉆井、完井及壓裂技術(shù)，才能實現(xiàn)經(jīng)濟有效的開發(fā)。壓裂技術(shù)是頁巖氣開采的關(guān)鍵技術(shù)之一，頁巖氣能否有效產(chǎn)出，很大程度上取決于壓裂裂縫和壓裂過程中誘導(dǎo)天然裂縫開啟而形成的相互交錯的網(wǎng)絡(luò)裂縫面積大小。因此，如何形成有效的網(wǎng)絡(luò)裂縫是開采頁巖氣的根本所在。

筆者利用高能炸藥，結(jié)合仿生結(jié)構(gòu)裝藥(圖5.1)，擬將柔性環(huán)向聚能致裂器〔39-40〕應(yīng)用在頁巖氣開采過程中增加頁巖儲層的滲透率，有效促使頁巖裂隙充分發(fā)展，提高頁巖氣的開采效率。

圖5.1　節(jié)肢動物蜈蚣和單個環(huán)向聚能致裂器Fig.5.1　Arthropod centipede and a single radial jet cutter

利用爆炸產(chǎn)生的360°環(huán)向聚能射流高速侵徹巖體，在巖體孔壁上形成初始誘導(dǎo)裂縫，并在爆炸產(chǎn)生的振動和高能氣體作用下，使巖體內(nèi)初始誘導(dǎo)裂縫進一步擴展，與頁巖中初始天然裂隙形成大范圍相互交錯的裂紋網(wǎng)，增加頁巖的孔隙度和滲透率(圖5.2)。通過切割鋼管模擬實驗對該致裂器的作用原理進行了實驗驗證，并對環(huán)向聚能裝藥侵徹混凝土靶板進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示環(huán)向聚能射流能夠產(chǎn)生大量環(huán)向損傷裂隙，并進一步擴展形成相互交錯的復(fù)雜裂紋網(wǎng)絡(luò)。

圖5.2　柔性環(huán)向聚能致裂器及爆炸致裂示意圖Fig.5.2　Schematic diagram of the flexible radial jet cracker and explosion fracturing

6總 結(jié)

《炸藥能量的和平利用(I)》〔41〕及本文介紹了筆者在爆炸力學(xué)方面的研究工作，內(nèi)容涉及聚能射流、爆破器材、含能材料、爆炸復(fù)合、高溫火區(qū)爆破、頁巖氣開采等。炸藥能量的和平利用可以有多種方式，可以根據(jù)我們的目的選擇合理、巧妙的方式使用炸藥。愿與同行們共同促進我國爆炸力學(xué)向多元化、實用化、結(jié)合國計民生的需求方向發(fā)展。

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The peaceful use of explosive energy(II)

SHEN Zhao-wu1, MA Hong-hao1, LI Xue-jiao1, YU Yong1,WANG Fei1, CHEN Wei1, REN Li-jie1, CHENG Yang-fan2, MIAO Guang-hong2

(1.CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials (LMBD), University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China； 2. Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, Anhui, China)

ABSTRACT：Works on how to utilize energy of explosive in many ways in USTC were introduced in the paper. Flyer detonator, linear delay technic and explosive diode were introduced and applied for special blasting such as coal mine with high temperature. Honeycomb structure explosive and double explosive cladding technology were used to manufacture multi-layer composite plates and pipes, which could decrease explosive cladding energy and environmental pollution. Flexible radial jet cracker was proposed, which could make network crack formed in rock stratums and used in the shale gas extraction.

KEY WORDS:Explosive diode; Special blasting; Flyer detonator; Explosive cladding; Shale gas; Explosive

中圖分類號：TD235； TJ-55

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.006

作者簡介：沈兆武(1953-)，男，教授、博士生導(dǎo)師，一直從事爆破器材與爆炸技術(shù)的教學(xué)科研與技術(shù)開發(fā)工作。E-mail: hhma@ustc.edu.cn

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目(51374189)

收稿日期：2015-10-30

文章編號：1006-7051(2016)01-0030-08