CN113383206B - 利用在炮孔装药的射流单元的爆破方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供衬管、配件和垫片，以装配喷射单元，使得这些作为炸药和雷管，形成间隔距离和空气间隔空间。衬管释放射流以及配件和垫片设计用于将衬管牢固地连接到炸药上，诱导产生空腔效应。本发明的目的是提供一种利用射流单元克服感应爆炸极限的爆破方法，该方法根据对炮孔爆破中观察结果的分析，采用了一种理想的机制。射流起爆单元在炮孔爆破中的应用克服了炸药制造的性能限制和雷管功能的概念限制，改善了通道效应、死压、功率损失和起爆停止等。特别是，在保证浆状或乳化炸药安全性的前提下，可以不受限制地进行控制爆破和空气间隔。

Description

利用在炮孔装药的射流单元的爆破方法

发明领域

本发明涉及炸药爆破，尤其涉及一种利用聚能装药效应的射流单元实现理想的爆炸破坏机理分析的炮孔爆破方法。

发明背景

爆破的历史可以分为炸药和雷管的发展，以及它们用途的变化。到目前为止，人们在观察各种现象的基础上，想方设法地寻找更好的爆破方法。

炸药已从黑火药发展到炸药、铵油炸药、泥浆、乳化炸药等，类似地，而电雷管、非电雷管和电子雷管的演变也从爆破雷管和炸药的发明开始。从而大大提高了炸药的安全性和雷管的精度。至于爆破技术的进步，在炮孔装药爆破是从17世纪开始的。在对各种现象进行观察的基础上，采用了分析爆轰反应的空气间隔方法，并对射流动力聚能装药进行了研究。

特别值得注意的是，在1893年，当诺克斯发现并获得专利时，炮孔内的空隙(空气间隔)提高了装药时的爆破效率。关于雷管，G.Bloem于1883年申请了雷管半球形底座形成的专利，以增加爆炸力。

根据迄今为止已知的宏观机理分析，由于爆炸反应的动态和静态效应，岩石破裂达9ms。碎石在9ms后开始移动，在15～30ms内完成弹坑的产生。

另外，对空气间隔的微观机理进行了报道，发现4～8ms范围内的冲击波对岩石的破裂有决定性的影响[Liu L，Katsabanis PD岩石爆破破碎，Monhanty(ed.)Balkema，鹿特丹(1996)，生产和控制爆破中空气间隔/解耦效应的数值模拟。第319-330页。)

聚能装药基本原理的发展起步早得多，所用时间也比空气间隔长。现代聚能装药的基本结构(包括从观察空腔效应开始的间隔距离)大约用了150年才建立起来[唐纳德R.肯尼迪.聚能装药效应的历史：第一个100年，国防技术信息中心，(1990)pp.3-14]。在这一过程中，提出了多项发明专利。

另一方面，雷管的起爆作用又可分为碎片起爆、热起爆和冲击波起爆。对于雷管敏感炸药的起爆，碎片在引爆炸药时起着最重要的作用。据报道，硝酸铵在实验中被炸药碎片引爆的距离为1米。

在聚能装药效应射流中，炸药起爆时产生的冲击波传递到衬管上，坍塌的衬管在轴向形成高温高压射流。衬管与目标之间的间隔距离进一步增强了效果。对于金属衬管，喷射温度在500度以上，速度达到12.5公里/秒，是引物碎片速度的两倍多。

发明内容

【技术问题】

根据迄今为止钻孔爆破的分析观测和实际应用，最理想的机制是在破坏炮孔壁之前，在分子基础上立即完成装药炸药的爆轰反应。因此，可以通过将一次爆轰反应的冲击波能量和二次反应产物的化学能转换为动能来完成爆破体的开裂和破碎。换言之，减少装药炸药爆轰反应的完成时间，提高完备性，并根据爆轰反应诱导化学产物的冲击波发射，将显著延长混响持续时间。

然而，就目前的爆破方法而言，有两个因素阻碍了理想机理的发展。这些可分为炸药和雷管的制造和实际限制。

在炸药方面，基于气泡绝热压缩热点理论的浆状炸药和乳化炸药(目前占据了工业炸药的大部分，与炸药相比具有优越的稳定性)的爆炸具有制造局限性。在起爆方面，雷管的精度和准确度已达到1ms，但其作用仅在起爆瞬间完成，传播的概念是依赖于装药的感应爆炸。

因此，炸药能量在炮孔爆破中不能得到有效利用。在台阶爆破、隧道爆破、水爆破等各种场地的使用中，出现了通道效应、死压现象或在狭窄钻孔或深孔情况下减速、爆轰失效等不利现象。特别是空气间隔装药法理论上更能有效地使用10-30％的装药炸药，然而，在实践中，炮孔直径越小、深度越深，问题的发生也越来越频繁。因此，使得结果比传统方法效率低。

在这种情况下，美国No.6330860专利说明书中仍然没有违背早期发现的空气间隔的虚构用途，也没有考虑到在感应爆炸中爆炸速度和功率的损失。因此，不一定能提供本发明所述的实际替代方案。No.5705768美国专利说明书是虚构的，没有开发由已有外壳、炸药、雷管和衬管组成的聚能装药的基本形式。没有使用间隔距离；只考虑方向，不考虑速度。衬管的作用也仅限于空腔效应，而不限于射流效应。使用半球形衬管的射流速度是锥形衬管的一半，而使用高速锥形衬管的射流效果也是负面的教导，因此很难达到足够的射流爆炸效果。Kennedy的上述报告让人想起WASAG(1910)专利，该专利仅将空腔效应应用于直接压裂，因为迄今为止，空腔效应在炮孔爆破中一直没有得到有效的应用。换言之，它不是聚能装药的原理，而是仅由聚能装药产生的部分形状。

在这种方法中，两项专利都应用了爆破历史上的特殊现象，每项专利都有其自身的局限性，这就为应用和实施炮孔爆破的理想概念提出了相反的方向。根据热点理论和雷管功能的概念限制，这些方法制约于炸药制造的局限性，这些局限性依赖于炮孔爆破的感应爆炸。此外，炸药能量无法有效利用，在各种爆破环境或其他装药方法(如空气间隔)中的应用暴露出许多问题。

【技术方案】

本发明的目的是提供一种利用射流装置的爆破方法，在上述观察结果分析的基础上，将聚能装药效应作为实践理想的炮孔爆破机理的方法。

在炮孔爆破的历史上，人们提出了许多较好的方法，但通过对观测资料的分析，还没有提出理想爆破概念的技术解决方案。究其原因，是在发现上述两种现象时，分析比较困难。使用黑火药和炸药可能是显然不需要考虑根据热点理论生产的炸药的死压现象，或空气间隔现象的广泛应用的原因。

提供衬管、垫片和配件，以形成喷射单元在爆破孔中充当炸药和雷管。衬管可以由金属、塑料、陶瓷或玻璃等材料制成，在爆炸反应过程中能够发射射流。衬管的形状为平面、球形、圆锥形等，根据预期用途，衬管可改变喷射射流的速度、长度和横截面宽度。主要是顶角为40到90度的锥形体，这就是母线直线或曲线足以引起喷射发射。垫片和配件可以由塑料和类似塑料的材料或环保材料制成。垫片的端部可以被塑造成衬管的形状，以支撑衬管或其他垫片，并在装药炸药中诱导空腔效应。配件的一侧设计用于容纳引物、助推器或装药炸药，同时也与衬管紧密接触，而另一侧可进一步延伸以形成间隔距离，或容纳炸药和/或垫片。

1.按照预定的计划，在岩石或混凝土等破裂物体上钻孔。

2.关于射流起爆单元的装药方法，一个或多个引物、助推器或柱状装药装在爆破孔中；在装载的炸药上安装至少一个衬管，以便喷射点火；在用作间隔距离的炸药和空气间隔之间形成空隙。长度根据岩石强度、钻孔方式和炸药类型进行调整。在这种情况下，使用垫片或配件连接以增加可加工性。

3.再次检查装药，引爆引物，当射流被衬管释放引爆时，完成传播。

【有益效果】

射流爆轰比装药炸药爆轰进行得更快，超过了装药与炮孔之间冲击波(通过气隙)的传播速度，释放的射流碎片及其能量使炮孔内的装药迅速起爆。此外，装药炸药的爆轰反应沿轴线向各个方向传播，以最大限度地提高效率。

因此，喷射装置克服了炸药制造的性能限制和雷管功能的概念限制，还提高了通道效应和死压的有效性，并防止了功率损失和爆炸停止等。在保证浆状或乳化炸药安全性的前提下，可以不受限制地控制爆破和空气间隔。

特别是，通过空气间隔装药方法对岩石破碎的微观观察已证明对4-8ms内的冲击波有决定性影响。其前提条件是缩短炸药爆轰反应的完成时间，提高炸药的成熟度，诱导和维持爆轰反应后化学产物的冲击波释放。射流单元缩短了爆轰反应的完成时间，提高了爆轰反应的完成程度。间隔距离进一步加快了射流速度，再加上空气间隔的合理布置，也保证了爆轰反应的化学产物以冲击波的形式释放能量，大大改善了其混响效果。

射流单元提高了炸药在炮孔爆破中的效率，从而减少了隧道爆破对邻近炮孔的影响，提高了挖掘速度，有利于超爆管理。它克服了水下爆破中水压引起的爆轰效应，提高了水下爆破的生产率和可加工性，是控制爆破中必不可少的应用。应用于全孔爆破时，可提高爆破效率，提高生产效率，防止振动、噪声等污染和环境问题。

在炮孔爆破中，采用射流单元进行爆破，会引起工业炸药制造方法中的敏感度、耐压性、爆炸速度等基本设计要素的重新考虑和改变。除了工业炸药的分类(目前分为火帽敏感型和助推器敏感型)，还可以通过调整喷射爆轰的活化能来制造更安全的喷射敏感型炸药。此外，通过在分子基础上立即引爆装载炸药，将加速实现上述效率的方法。

附图说明

参考附图以描述本发明的配置、操作和应用：

图1A示出了雷管引爆反应区的剖面侧视图。

图1B示出了通道效应的死压现象的剖面侧视图。

图1C示出了聚能装药产生的射流的剖面侧视图。

图1D示出了射流的爆轰反应区的剖面侧视图。

图2A示出了爆破衬管的形状的图表。

图2B示出了配件和垫片的形状的图表。

图3A示出了喷射单元上的一雷管。

图3B示出了喷射单元的基本形状。

图3C示出了具有间隔距离的喷射单元的基本形状。

图4A示出了根据现有技术的筒装炸药装药方法的剖面侧视图。

图4B示出了根据现有技术的散装炸药装药方法的剖面侧视图。

图4C示出了根据现有技术的预裂装药方法的剖面侧视图。

图4D示出了根据现有技术的空气间隔装药方法的剖面侧视图。

图5A示出了根据本发明实施例的筒装炸药装药方法的剖面侧视图。

图5B示出了根据本发明实施例的散装炸药装药方法的剖面侧视图。

图5C示出了根据本发明实施例的预裂装药方法的剖面侧视图。

图5D示出了根据本发明实施例的空气间隔装药方法的剖面侧视图。

具体实施方式

图1A至1D说明了现有技术的问题及其由起爆射流提供的解决方案。

图1A示出了由雷管120的炸药110传播引起的爆轰反应。在爆轰反应区180中产生冲击波和爆炸产物190。

图1B示意了通道效应的起因。雷管120起爆产生的冲击波在炮孔100和炸药110之间通过，到达尚未起爆的炸药110，从而降低了灵敏度。这降低了炸药110的效率，并导致装药失火。当在小隧道中使用根据热点理论制造的泥浆或乳化炸药时，这种现象变得明显，降低了施工和采矿中控制爆破和台阶爆破的效率，并限制了空气间隔的潜在地更广泛实施。

图1C示意了聚能装药被雷管120引爆时产生的射流170。炸药110产生的冲击波传送到衬管150并使衬管150坍塌。坍塌的衬管150在轴向上形成高温高压射流170。射流170的温度在500度以上，速度达到12.5公里/秒，是雷管120碎片速度的两倍多。此时，间隔距离160，即衬管150到目标的距离，进一步加速了衬管150发射的射流170。

图1D示意了由聚能装药发射的射流170引爆的筒装炸药110的爆轰反应区180。因此，可以看出，由射流170形成的爆轰反应区180与由图1A中的雷管120形成的爆轰反应区180大不相同。衬管150的射流170产生的爆轰比在炮孔100爆破中通过常规感应爆炸产生的爆轰传播速度快，并且超过由炮孔100气隙的冲击波产生的压力的传播速度。

如上所述，通过图3A到3C的喷射单元进行爆轰是为了减少爆轰反应的完成时间和增加完成程度，以有效地使用炸药110，并且改善通道效应、死压现象，并且防止功率损失和爆轰停止。这是因为发射的射流170碎片及其能量不仅能在短时间内引爆炮孔100内的炸药110，而且装药炸药110的爆轰反应沿轴线发生，使其效率最大化。

参照图2A和图2B中的图表对衬管(1～10)、配件(11～22)和垫片(23～25)的制造进行了说明。在本发明的实践中，可以通过简单地将衬管(1～10)连接到炸药110来装载，但是如图2B所示，为了安装衬管(1～10)的方便性和可操作性以及形成间隔距离160，可根据每个任务的特点选择例如整体型(11～13)、可拆卸型(14～16)、双向型(17、18)、防水型(19、20)、应用型(21、22)的配件(11～22)以及垫片(23～25)。特别地，当垫片(23～25)的两端形成为衬管形状时，例如曲面23或圆锥形24，它们适合于支撑衬管150并对装药炸药110诱导空腔效应，这与本方法的含义一致。

如果爆破孔的直径大于图2B中配件或垫片的直径，则图3A、3B和3C中所示的喷射单元应平行于爆破孔安装，使其能够将直翼或圆翼连接到垫片或配件上。

图2A示出了可用于制造爆轰衬管1至10的各种形状。

平面型(1，2)、曲线型(3)、圆锥形(4)、喇叭型(5)、双锥型(6，7)、平顶型(8)、凹型(9)、双接短管型(10)。衬管(1～10)可根据其形状在射流170的横截面的速度、长度和宽度上变化。其材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃，约在炸药110发射出射流170。

图2B示出了可用于制造配件(11～22)和垫片(23～25)的各种形状。整体式配件和衬管(11)、具有延伸物的整体式配件和衬管(12)、具有间隔距离的整体式配件和衬管(13)、可拆卸式配件和衬管(14)、具有间隔距离的可拆卸式配件和衬管(15、16)、双向配件和衬管(17)，带间隙的双向配件和衬管(18)、防水配件和衬管(19)、防水配件和衬管(20)、球形配件和衬管(21)、具有喷射集中射流的应用型(22)、球形垫片(23)、锥形垫片(24)、垫片支撑衬管，以及另一侧带筒体接收器(25)。

双向配件(17、18)可通过引物嵌件202安装引物120。防水配件(19、20)可用于使用炸药110并关闭盖203进行防水。球形21可用于大直径，而应用型22可用于高爆炸115和低爆炸116，其中射流必须集中在一个地方。配件(11、22)和垫片(23～25)可以由塑料、类似塑料的材料或环保材料制成。

图3A、3B和3C示意了炮孔爆破中用于射流起爆的射流单元。它们起着炸药110和雷管120的作用，从发明雷管120以来，在“所有爆轰的传播都取决于装药炸药之间的感应爆炸”这一隐含概念的约束下，通过观察和分析，实现了理想的炮孔爆破。如图3C所示，具有(13、15、16、18、20)和不具有(11、12、14、17、19、22)间隔距离160的配件可能更有效和方便。间隔距离160加速射流170并用作空气间隔140的空间，使得炸药110能够比传统的空气间隔140方法更有效地使用。

对于炮孔爆破中的射流起爆：

首先，主要通过使用圆锥形母线的直线或曲线将衬管150连接到炸药110、引物111、助推器112或柱状装药113，以充分诱导射流170的发射。连接衬管150的方法如图3A所示。在圆锥体形状的情况下，圆锥体150的旋转轴与炮孔100、筒装炸药110、雷管120的设定长轴重合，并且底面与待连接炸药的底面相连接。应确保炸药110与衬管150的外表面紧密接触。

其次，在连接衬管150之后，通过设置间隔距离160，可以在衬管150释放的射流170上诱导加速。因此，放大引物120的起爆力。在长孔爆破的情况下，这具有进一步加速起爆的优点。在锥形衬管4的情况下，间隔距离160可应用于直径的2到8倍，这取决于为钢的穿透或切割而制造的材料。间隔距离的较短或较长的改变不会干扰炸药的引爆。作为一种根据现场情况进行的简单试爆，可以考虑衬管150的材料和形状等各种变化。

第三，在上述台阶爆破、隧道爆破、控制爆破、水下爆破等中，根据工作情况确定装药量，附上衬管150，设置间隔距离160，然后在药包之间使用垫片(23～25)。通过这种结构，可以提高各种爆破方法的效率，特别是空气间隔法可以得到广泛的应用。可根据上述操作的类型和特征来选择如图2A和2B所示的各种类型的衬管(1～10)、配件(11～22)和垫片(23～25)。

图4A至4D示意了主要依赖感应爆炸的装药炸药(111～114)的传统的爆轰方法。针对炮孔爆破中的一个问题，将炮孔壁破碎后的冲击波能量消耗在污染中。

图4A是现有技术的一种代表性方法，在将带有雷管120的引物111放置在炮孔100的底部之后，将柱状装药113放置在顶部，并使用炮塞130。在某些情况下，引物111可以放置在装药的中间或炮塞130的正前方。

图4B是一种传统的技术，在装有散装炸药114的炮孔底部放置一引物111和一雷管120。在大多数情况下，为了增加起爆功率，在装药的中间放置一个助推器112。即使将助推器112放置在装药的中间，作为感应爆炸方法的爆破效率也受到限制，并且空气间隔的潜在广泛实施也受到限制。当应用于大型台阶爆破时，动力损失和爆炸停止不明显，但理想的起爆反应方法仍有很大的改进空间。

图4C是一种预裂方法，是现有技术的一种控制爆破。炸药110(直径小于爆炸孔直径)以固定间隔连接到导爆索117以引爆它们。采用去耦合装药进行控制爆破，以软化爆破过程中的冲击波。当应用空气间隔方法以避免由导爆索117产生的噪声时，由于通道效应，工作性较差。

图4D是本发明现有技术中对引物111和柱状装药113进行装填的空气间隔140装填方法，主要设置在装药的底部、中心和顶部的空位。因此，柱状装药113依赖于感应爆炸，降低爆轰速度；从而限制了空气间隔的使用。关于爆轰反应的理想用途，如图4B所示，还有很大的改进空间。

图5A至5D示意了本发明的射流起爆的装药方法，将作为炸药110和雷管120的射流单元装于炮孔100中，射流单元集中并放大雷管120的起爆力；缩短了爆轰反应的完成时间，提高了爆轰反应的完成程度。特别是，使用与衬管形状相同的曲面端23或圆锥形24的垫片300支撑衬管150，形成间隔距离160和空气间隔140。利用射流170爆轰和装药炸药110的空腔效应，进一步增强了理想机理。

图5A是一种将喷射爆轰应用于现有技术的最简单装药方式的方法。炸药110和雷管120放置在炮孔100中，引物111放置在装药中间。通过部置用作炸药110的喷射单元和使用起爆衬管150的雷管120，可以进一步加速爆轰的传播并且减少爆炸反应的完成时间。由于缺少间隔距离160和空气间隔140，降低了炸药的效率，但更快的起爆速度进一步提高了炸药的威力，使其比需要投掷的传统抛掷爆破方法更有效。

图5B中示意了装在炮孔100中的散装炸药114。衬管150连接在引物111上，并安装了一个垫片300，以使射流170加速。此外，通过将衬管150连接到助推器112和垫片300，爆轰传播可以比传统方法进一步加速，以及缩短完成时间和增加爆轰的完成程度，以使空气间隔能够不受限制地进行。

图5C示意了不耦合装药的一个例子，在炮孔100中交替装填炸药110和垫片300。将引物放置在中间可以缩短起爆完成时间。在预裂、缓冲爆破、光面爆破等控制爆破中，采用了不耦合装药。不耦合装药是利用比炮孔直径小2～3倍的炸药110控制作用在孔壁100上的冲击波的一种爆破方法。使用导爆索117的传统方法产生噪声，并且空气管方法存在感应爆炸的问题。根据本发明的方法使用衬管150和垫片300可以解决上述两个问题，并且还可以通过延长间隔距离160和空气间隔140来应用于采石。

图5D示意了本发明的空气间隔140装药方法，其中双向喷射单元部置在装药中心。空气间隔可以放置在破坏程度增加的地方，选择中间爆轰的位置可以缩短爆轰完成的时间。配件200和垫片300将允许对喷射单元的位置和空气间隔装药方法进行各种改变。通过在炮孔100的下部和上部使用垫片形成空气间隔140，并且将具有固定在其上的雷管120的引物111放置在中心，以及形成衬管150的间隔距离160。用空气间隔140装药方法的破碎效应的微观观察表明，在4～8ms范围内对冲击波有决定性的影响，而用衬管150装药的射流单元缩短了装药炸药爆轰反应的完成时间，提高了炸药的成熟度。间隔距离160和垫片300之间的间距足以允许爆轰反应的化学产物190以冲击波的形式释放其能量，并且混响的持续时间大大改善。通过对爆轰反应机理的分析，根据爆破实验理论，采用射流单元进行射流起爆，使其在实际应用中得到理想的实现。

Claims (6)

1.一种利用射流单元减少爆轰反应完成时间，以及增加爆炸力的岩石爆破的方法，包括以下步骤：在破裂物体上钻炮孔；设置用于容纳炸药的多个配件，其中所述配件的一侧与衬管紧密接触，所述配件的另一侧设置或不设置衬管，两侧均具有衬管的配件为双向喷射单元，所述衬管的形状为半球形或圆锥形用于改变喷射射流的长度、速度和横截面宽度；设置一端或两端为所述衬管的形状的垫片，以支撑所述衬管，并在炸药中诱导空腔效应；在所述炮孔中装填所述配件，其中所述双向喷射单元位于装药中心，所述双向喷射单元上固定有雷管和引物，所述双向喷射单元下方的配件为下端具有衬管，双向喷射单元上方的配件为上端具有衬管，在所述炮孔的下部和上部使用所述垫片形成空气间隔，且所述炮孔底部为垫片，检查后引爆装药，以产生射流并引爆所述炮孔。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述衬管连接到所述引物和/或将所述衬管连接到设置在所述炮孔中的柱状装药。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述衬管由金属、塑料、陶瓷、或玻璃制成，以在引爆时释放射流。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述配件和所述垫片由塑料制成。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述配件设有用于炸药和所述垫片的接收部分。

6.如权利要求4所述的方法，其中，所述垫片的一端或两端做成半球形或圆锥形，以适合所述衬管的安装并引起空腔效应。