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，達到同時破壞多個方向目標的目的。正是由于上述結(jié)構(gòu)特點，使得環(huán)向聚能裝藥具有廣泛的軍事和工業(yè)應(yīng)用價值，對其進行設(shè)計和研究具有十分重要的意義。
　　巖巷掘進工程爆破中掏槽爆破存在炮孔利用率低、爆破震動強度大，以及中深孔露天臺

2、階爆破超深嚴重、巖石破碎不均勻等問題，針對上述問題提出采用“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，以及消除超深或盡量減小超深，進而提高循環(huán)進尺。
　　本文首先基于聚能原理和炮孔的具體形態(tài)，設(shè)計了一種殼體環(huán)向聚能致裂器，并對其可行性進行了實驗驗證。其結(jié)構(gòu)特點是:直接利用殼體材料作為聚能材料，在圓形管殼上設(shè)置多個聚能環(huán)，裝藥起爆后，在軸向同時形成多排環(huán)向聚能射流圓盤刀，對周圍目標介質(zhì)進行

3、侵徹致裂。為了減少非裝藥段管殼爆炸后形成破片對實驗結(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。最后對環(huán)向聚能射流在運動過程中的受力情況進行了分析，由于環(huán)向聚能裝藥的結(jié)構(gòu)特點，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)相似準則，在無縫鋼管內(nèi)澆筑的水泥砂漿進行掏槽爆破模擬實驗。實驗結(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，炮孔利用率達到98％。結(jié)合射流破巖及巖石爆破原理對環(huán)向聚能致裂器的爆炸致裂機理進行了分析，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展，能夠有效形成交錯的裂紋網(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)射流形成的細微觀過程，彌補了實驗測量技術(shù)的不足，同時能夠節(jié)約實驗成本，為射流的機理研究提供理論參考依據(jù)。應(yīng)用商業(yè)軟件LS-DYNA對環(huán)向聚能射流的形成過程進行三維數(shù)值模擬，通過軸對稱算法研究了起爆方式的不同對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，兩端對稱起爆形成的射流頭部速度最大

6、，中心點起爆次之，端點起爆最小。端點起爆的爆轟波以非對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稱面運動。通過對同截面尺寸的錐形、線型和環(huán)向聚能裝藥侵徹靶板進行數(shù)值模擬，比較了三種典型聚能裝藥對靶板的侵徹能力。采用流固耦合方法對小尺寸的環(huán)向聚能致裂器侵徹鋼靶進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，同時小尺寸的環(huán)向聚能致裂器對鋼靶具有足夠的侵徹能力，因而可以對脆性材料如巖石產(chǎn)生強烈的環(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，為下一步二次水