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1炸藥爆炸的裝藥配方

為提高爆炸放炮波能量，很多研究人員采用增大藥量和增加激發(fā)井深的辦法實現(xiàn)，但由于費用高、效率低的原因，應(yīng)用受到一定限制。此后，人們把研究的重點集中在炸藥爆炸的本質(zhì)特征，試圖通過改變炸藥的組分和配比來調(diào)節(jié)炸藥的爆炸性能，達到提高爆炸放炮波能量的目的。Lex等[10]研制了一種石油勘探用爆炸藥劑，配方組分包括：硝酸銨、烏洛托品、涂料級鋁粉、硝酸鉀、瀝青。Tite等[11]采用高能鋁粉（AL）和富氧物高氯酸銨（AP）作為主體能源，二甘醇（EG）作為載體，配置了一種高能炸藥（HEMCE），配方組分及質(zhì)量比為：AL/AP/EG=20/56/24。單炮實驗結(jié)果表明，與常規(guī)爆炸相比，HEMCE激發(fā)的放炮波能量（均方根振幅值）提高了約35％。Bremner等[12]基于對爆炸過程和熱力學(xué)模擬，研究了巖土中爆炸放炮波能量的轉(zhuǎn)化問題，據(jù)此合理設(shè)計炸藥爆炸參數(shù)（如爆速、能量密度、爆容等），研制了一種含有金屬粉的地震專用炸藥（dBX），單炮記錄顯示dBX激發(fā)的放炮波能量在目的層提高了12dB。Annikov等配置了一種低爆速、低爆壓、高做功能量的含水炸藥，這種炸藥主要以硝酸銨、水、鋁粉、尿素為主體成分，采用柔性聚合物管裝藥，具有小型化、淺埋深、穩(wěn)定性好的特點。中國地質(zhì)施爆始于20世紀50年代，長期以來普遍使用硝銨炸藥作為爆炸。隨著地質(zhì)施爆技術(shù)的發(fā)展和高精度勘探要求的不斷提高，炸藥爆炸的激發(fā)技術(shù)逐漸得到重視。陸明等采用膨化硝銨代替硝酸銨，先后研制了高、中、低3種爆速的爆炸藥柱，使內(nèi)填藥中的TNT含量降低50％。羅洪成等[18]探討了石油勘探炸藥設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，研究認為炸藥中應(yīng)加入一定量的負氧化物提高炸藥的爆溫，加入適當鋁粉提高炸藥的爆熱。2004年，陸明等通過建立配方設(shè)計數(shù)學(xué)模型，制備了一種威力高于常規(guī)硝銨炸藥15％的爆炸藥柱，配方為：膨化硝銨67.3％、木粉1％、柴油0.3％、石蠟0.7％、TNT25％、鋁粉5.7％。近20年，中國炸藥爆炸的發(fā)展較為迅速，此間產(chǎn)生了一系列關(guān)于爆炸裝藥及配方的專利。這些專利基本涵蓋了中國現(xiàn)用的4種主要的爆炸裝藥成分，即銨梯爆炸藥柱，膨化硝銨爆炸藥柱、膠質(zhì)炸藥爆炸藥柱和乳化炸藥爆炸藥柱。此外，有學(xué)者利用廢棄發(fā)射藥、炸藥作為爆炸藥柱，使廢棄發(fā)射藥有了合理有效的利用價值。總體來看，爆炸裝藥配方的研究主要以提高爆炸放炮波能量為主要目的，研究手段基本采用炸藥中添加高能金屬來實現(xiàn)。2炸藥爆炸的裝藥結(jié)構(gòu)炸藥的裝藥結(jié)構(gòu)即炸藥的裝填形式及藥柱的空間分布狀態(tài)，決定了炸藥爆炸能量的輸出形式和傳播方向。裝藥結(jié)構(gòu)不同的炸藥在巖土中爆炸時，爆炸波與周圍巖土介質(zhì)會形成不同的作用方式，并產(chǎn)生相應(yīng)的地震效應(yīng)。多年來，國內(nèi)外研究人員基于各自的研究理論，結(jié)合長期的實踐經(jīng)驗和試驗結(jié)果，設(shè)計了多種適用于地質(zhì)施爆的爆炸裝藥結(jié)構(gòu)，其中主要包括多級延遲疊加爆炸、低爆速細長型爆炸、聚能爆炸、多井組合爆炸和螺旋裝藥爆炸。

2多級延遲疊加

多級延遲疊加爆炸是針對深層勘探提出的一種炸藥激發(fā)方式。在地質(zhì)施爆中，放炮波的主頻和振幅（能量）之間存在的矛盾仍然是激發(fā)技術(shù)面臨的瓶頸。研究表明[35~37]，小藥量激發(fā)地震子波的主頻高、能量弱，而大藥量激發(fā)地震子波的能量高，但高頻能量相對較弱。為達到高分辨率、深層勘探的要求，實現(xiàn)高能量、高主頻的激發(fā)特性，多級延遲疊加爆炸應(yīng)運而生。這種爆炸結(jié)構(gòu)的設(shè)計是建立在波動理論和爆炸理論基礎(chǔ)上，按照多級藥柱縱向間隔分布的裝藥形式，采用由上至下延遲起爆的激發(fā)方式，使各爆炸單元所產(chǎn)生的放炮波的波前在垂直向下的方向得到同相疊加，同時實現(xiàn)對放炮波主頻和下傳能量的提高，并減小對地表的振動和破壞。1936年，Voorhees等最早指出單發(fā)集中藥包一次起爆產(chǎn)生放炮波振幅衰減速度快，不具備波動持續(xù)性，并認為這種激發(fā)方式得到的大部分是沖擊波，不利于放炮波能量的轉(zhuǎn)化。為改善激發(fā)效果，他們首次提出了多個藥柱垂向間隔分布的裝藥結(jié)構(gòu)，打破了以往使用的集中裝藥結(jié)構(gòu)，雖然采用的是同時起爆方式，但多級延遲疊加爆炸的裝藥形式已初見雛形。此后，在Voorhees提出的裝藥結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，出現(xiàn)許多關(guān)于延時起爆的研究工作。Lang采用長度可調(diào)式元件作為兩節(jié)藥柱的連接件，通過改變中間元件長度的方法改變爆炸需要的時間。Martner等提出了藥間距的設(shè)計方法。Tite等[41]在每節(jié)藥柱之間裝有一個障礙物，通過調(diào)節(jié)障礙物來控制延遲時間，可控制范圍在0.1～100ms。Eisler[42]說明了延遲時間的控制方法。Morris[43]利用電脈沖起爆技術(shù)對炸藥延遲時間進行控制。Arnold等利用延遲疊加爆炸獲得了較高的地震子波主頻和能量。中國早期涉足延遲疊加爆炸的研究工作始于20世紀80年代，劉業(yè)厚等分析了延遲疊加爆炸的激發(fā)原理和關(guān)鍵技術(shù)。之后，國內(nèi)很多學(xué)者（胡立新等[46]、譚紹泉[47]、徐淑合等[7]、于世煥等、張文等、宋玉龍等應(yīng)用彈性波動力學(xué)理論分析了延遲疊加技術(shù)原理，并與常規(guī)爆炸進行對比試驗，研究認為，疊加爆炸的影響因素主要是炸藥性質(zhì)、藥量、級數(shù)及級間距。李文彬等[51~53]分別采用實驗和數(shù)值模擬的方法研究了延遲疊加爆炸對激發(fā)放炮波能量的影響，認為藥柱間隔距離應(yīng)大于單級藥柱的破壞半徑，以保證放炮波疊加的可靠性。前人的研究結(jié)果表明，多級延遲疊加爆炸的關(guān)鍵技術(shù)是對延遲時間的控制。目前，雷管是炸藥爆炸普遍采用的起爆件，是控制爆炸激發(fā)時間的主要部件，由于雷管存在較大的起爆誤差（幾十個毫秒量級），延遲時間始終未能達到延遲疊加爆炸的技術(shù)要求，進而限制了延遲疊加爆炸的使用。

作者：陳健單位：中國船舶信息中心