環(huán)向聚能裝藥的數(shù)值模擬與應(yīng)用研究.pdf

1、環(huán)向聚能裝藥是在傳統(tǒng)錐形聚能裝藥的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其顯著特點(diǎn)是藥型罩的結(jié)構(gòu)為環(huán)型，區(qū)別于圓錐藥型罩和線型藥型罩。裝藥起爆后，在爆轟壓力的作用下環(huán)向聚型罩被壓垮，形成360°與裝藥軸線垂直的圓盤射流向外（內(nèi)）噴射，達(dá)到同時(shí)破壞多個(gè)方向目標(biāo)的目的。正是由于上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得環(huán)向聚能裝藥具有廣泛的軍事和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究具有十分重要的意義。
　　巖巷掘進(jìn)工程爆破中掏槽爆破存在炮孔利用率低、爆破震動(dòng)強(qiáng)度大，以及中深孔露天臺(tái)

2、階爆破超深嚴(yán)重、巖石破碎不均勻等問題，針對(duì)上述問題提出采用“先切后掏”的爆破思想，通過改變炮孔裝藥結(jié)構(gòu)來提高炮孔利用率和巖石破碎率，降低爆破振動(dòng)，以及消除超深或盡量減小超深，進(jìn)而提高循環(huán)進(jìn)尺。
　　本文首先基于聚能原理和炮孔的具體形態(tài)，設(shè)計(jì)了一種殼體環(huán)向聚能致裂器，并對(duì)其可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:直接利用殼體材料作為聚能材料，在圓形管殼上設(shè)置多個(gè)聚能環(huán)，裝藥起爆后，在軸向同時(shí)形成多排環(huán)向聚能射流圓盤刀，對(duì)周圍目標(biāo)介質(zhì)進(jìn)行

3、侵徹致裂。為了減少非裝藥段管殼爆炸后形成破片對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，聚能環(huán)間采用裝藥分層器隔開，優(yōu)化后的環(huán)向聚能致裂器的結(jié)構(gòu)不僅提高了炸藥能量的利用率，而且能夠有效避免由端點(diǎn)起爆導(dǎo)致的射流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在此基礎(chǔ)上研究了小尺寸環(huán)向聚能致裂器的侵徹性能。最后對(duì)環(huán)向聚能射流在運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況進(jìn)行了分析，由于環(huán)向聚能裝藥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，射流很容易在徑向拉伸（速度梯度的存在）和切向拉伸的雙重作用下從射流頭部至杵體依次斷裂成非連續(xù)的點(diǎn)狀射流圓盤，因此過大

4、的炸高將導(dǎo)致射流的侵徹能力急劇下降。
　　根據(jù)相似準(zhǔn)則，在無縫鋼管內(nèi)澆筑的水泥砂漿進(jìn)行掏槽爆破模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)向聚能致裂器爆破后具有良好的掏槽爆破效果，掏槽眼成型質(zhì)量好，孔壁平整，炮孔利用率達(dá)到98％。結(jié)合射流破巖及巖石爆破原理對(duì)環(huán)向聚能致裂器的爆炸致裂機(jī)理進(jìn)行了分析，由于聚能射流的侵徹作用，在孔壁環(huán)向產(chǎn)生初始誘導(dǎo)裂縫，并在后續(xù)爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下，裂縫在氣楔和應(yīng)力集中的共同作用下向前擴(kuò)展，能夠有效形成交錯(cuò)的裂紋網(wǎng)

5、絡(luò)。最后提出利用環(huán)向聚能致裂器解決中深孔露天臺(tái)階爆破超深和大塊率問題。
　　數(shù)值模擬作為研究聚能裝藥的有效技術(shù)手段之一，能夠形象的再現(xiàn)射流形成的細(xì)微觀過程，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)的不足，同時(shí)能夠節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，為射流的機(jī)理研究提供理論參考依據(jù)。應(yīng)用商業(yè)軟件LS-DYNA對(duì)環(huán)向聚能射流的形成過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過軸對(duì)稱算法研究了起爆方式的不同對(duì)射流的成型和射流速度的影響，結(jié)果表明由于爆轟波的疊加作用，兩端對(duì)稱起爆形成的射流頭部速度最大

6、，中心點(diǎn)起爆次之，端點(diǎn)起爆最小。端點(diǎn)起爆的爆轟波以非對(duì)稱形式作用在藥型罩兩側(cè)，且兩側(cè)爆轟壓力峰值相差較大，故形成的射流偏離對(duì)稱面運(yùn)動(dòng)。通過對(duì)同截面尺寸的錐形、線型和環(huán)向聚能裝藥侵徹靶板進(jìn)行數(shù)值模擬，比較了三種典型聚能裝藥對(duì)靶板的侵徹能力。采用流固耦合方法對(duì)小尺寸的環(huán)向聚能致裂器侵徹鋼靶進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，同時(shí)小尺寸的環(huán)向聚能致裂器對(duì)鋼靶具有足夠的侵徹能力，因而可以對(duì)脆性材料如巖石產(chǎn)生強(qiáng)烈的環(huán)向侵徹效果，便于在巖石中

7、形成初始誘導(dǎo)裂縫，為巖石的起裂和開裂創(chuàng)造條件。
　　頁巖氣儲(chǔ)層具有低孔隙度和超低滲透率的物性特征，極大地影響了頁巖氣的開采效率。在原有工作的基礎(chǔ)上提出柔性環(huán)向聚能致裂器實(shí)現(xiàn)頁巖爆炸致裂技術(shù)的新設(shè)想，利用爆炸后產(chǎn)生的環(huán)向聚能射流圓盤刀，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(dòng)和高能氣體作用下，使巖體內(nèi)初始誘導(dǎo)裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，與頁巖中初始天然裂隙形成大范圍相互交錯(cuò)的裂紋網(wǎng)，增加頁巖的孔隙度和滲透率，為下一步二次水