CN109142103A - 一种大当量地下爆炸效应模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大当量地下爆炸效应模拟装置，包括容器罐、与容器罐相连的抽真空装置、爆源装置；爆源装置包括充压装置、活塞缸、第一活塞、弹性件、密封圈、第二活塞、炮管、膜片、罩壳、弹珠、泄压开关、套在炮管外的玻璃罩，与玻璃罩相连的空气压力调节装置；活塞缸与炮管相连；炮管顶连有罩壳，罩壳上设有填充有弹珠的发射孔；第二活塞设置在炮管内；膜片设置在炮管上端；第一活塞位于活塞缸内；第一活塞下端设有弹性件，且第一活塞上端与活塞缸之间设有第密封圈；第一活塞下端将活塞缸分为两个空腔；第一活塞下端设有连通两个空腔的气孔，且内设有第一单向阀；充压装置与活塞缸的下空腔连通；活塞缸与泄压开关相连；本装置安全可控。
Description
技术领域
本发明属于地下防护工程建设及防护技术和工程爆破研究领域，特别涉及一种大当量地下爆炸效应模拟装置。
背景技术
随着各种爆破技术在交通、水利水电工程建设、能源和矿产资源的勘察与开发，地质灾害的防灾与减灾等领域的成功应用，工程爆破的规模不断扩大。大量的爆破实践表明，在增大地下爆炸规模时，必须考虑重力在抛掷弹坑形成过程中的作用，研制一种考虑重力影响的大当量地下爆炸效应的模拟装置，能够准确地模拟地下爆炸过程中各种影响因素对弹坑和鼓包形成的影响，使人们更容易全面把握爆破过程中岩体的运动、变形及破坏特性，是研究地下爆破问题，特别是地下核爆炸问题的一种有效的方法。
当前，考虑重力影响的地下爆炸物理模型试验装置主要有离心机爆炸模拟装置和真空室爆炸模拟装置。真空室爆炸模型试验装置可控性强，模拟适用范围广，在大当量大埋深地下爆炸成坑现象模拟时具有明显的优势。在已有的真空室爆炸模拟装置中，国外最早由前苏联地球物理研究所的M.A.Sadovskii和V.V.Adushkin等学者制造出了真空室地下爆炸模拟装置，该装置的爆源装置采用球形镍铬丝金属栅格内置薄壁橡胶气囊做成的，通过低压电流加热镍铬丝来烧裂橡胶球达到释放压缩气体的目的。但是，该装置的起爆方式镍铬丝的加热时间不可控，橡胶气囊很可能随机地从某处开一裂口造成气体喷出的不均匀，与地下抛掷爆炸成坑物理过程不相符，对试验模拟结果造成影响。国内的真空室地下爆炸效应模拟装置最早由陆军工程大学(原解放军理工大学)爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室在文献(徐小辉，邱艳宇，王明洋等.大当量浅埋地下爆炸抛掷成坑效应的缩比模拟试验装置研制(J).爆炸与冲击，DOI:10.11883/bzycj)中报道，该装置中的爆源装置采用是柔性导爆索中心传爆破碎玻璃球罩的方式模拟地下爆炸空腔。但是该装置中由于需要使用电雷管、导爆索等危险易爆物品，对试验条件要求高、试验的安全性、操作性不高。大当量(0.1～200千吨)地下爆炸效应模拟试验装置可进一步提高国内此类装置的安全性和操作性。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种大当量地下爆炸效应模拟装置，以实现安全可控的真空室模拟试验装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种大当量地下爆炸效应模拟装置，包括容器罐、抽真空装置、爆源装置；所述第一抽真空装置通过管道与容器罐相连，用于对容器罐做抽真空处理，以使容器罐内的压力达到模拟工作所需的压力；
所述爆源装置包括玻璃罩、充压装置、活塞缸、第一活塞、弹性件、第一密封圈、第二活塞、炮管、膜片、罩壳、弹珠、泄压开关、空气压力调节装置；
所述活塞缸顶端设有通孔，通孔与炮管相连，炮管底部与活塞缸内部相连通；所述炮管顶端固连有罩壳，罩壳上设有多个发射孔，发射孔内填充有弹珠；所述玻璃罩套在炮管外部，玻璃罩与炮管之间密封，且玻璃罩与空气压力调节装置相连；所述第二活塞设置在炮管内，可在炮管内上下滑动；所述膜片设置在炮管上端，以对炮管上端进行密封；所述第一活塞设置在活塞缸内，可在活塞缸内上下滑动；所述第一活塞纵剖面为工字型；且下端面面积大于上端面面积；所述第一活塞下端设有弹性件，弹性件向上推动第一活塞上端与活塞缸上端内壁接触，且第一活塞上端与活塞缸之间设有第一密封圈，第一密封圈对活塞缸顶端通孔进行密封；所述第一活塞下端将活塞缸内部空腔分隔为上、下两个空腔；所述第一活塞下端设有通气孔，通气孔将上、下空腔连通，且通气孔内设有第一单向阀，第一单向阀使气体只能从下空腔经通气孔流向上空腔；所述充压装置通过活塞缸底部的管道与活塞缸的下空腔相连通；所述活塞缸底部的管道还与泄压开关相连，以对活塞缸下空腔气体进行泄压。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明采用二级高压驱动弹珠阵列同步弹射玻璃罩的方式实现了爆源的精确起爆，不仅爆破效果好，而且重复性好，提高了模拟爆源的真实性和应用性。
(2)本发明整套装置特别是爆源装置的安全性高，相比于采用电雷管、导爆索等危险易爆物品作为模拟装置的起爆装置，本装置试验操作的安全性高，可控性强。
(3)装置的试验参数如真空度、玻璃罩压力值、可调可控，模拟范围广，无需像土工离心机提供额外的加速度，在模拟大规模地下爆炸成坑效应时具有明显的优势。
(4)通用性强：能够模拟球形装药和柱形装药条件下地下浅埋化学爆炸抛掷现象，能够模拟不同地质地形条件、多层介质中抛掷爆炸现象，并具备量测功能。
(5)相比于现有模拟装置采用离心机动辄几千万甚至上亿的制造成本，本发明装置造价成本低廉，相关的试验成果可广泛应用于钻地核武器成坑毁伤机制和大型工程爆破效果的预测预报。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明模拟装置总体结构示意图。
图2为爆源装置的结构示意图。
图3为炮管顶部连接放大示意图。
图4(a-g)为爆炸模拟试验变化爆炸过程摄像机获取的图片。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1-3，本发明的一种大当量地下爆炸效应模拟装置，包括容器罐100、第一抽真空装置300、爆源装置200；
所述第一抽真空装置通过管道与容器罐100相连，用于对容器罐100做抽真空处理，以使容器罐100内的压力达到模拟工作所需的压力；
所述爆源装置200包括玻璃罩1、充压装置、活塞缸26、第一活塞22、弹性件28、第一密封圈25、第二活塞21、炮管15、膜片19、罩壳17、弹珠16、泄压开关、空气压力调节装置；
所述活塞缸26顶端设有通孔，通孔与炮管15相连，炮管15底部与活塞缸26内部相连通；所述炮管15顶端固连有罩壳17，罩壳17上设有多个发射孔，发射孔内填充有弹珠16；所述玻璃罩1套在炮管15外部，玻璃罩1下端与炮管15之间通过密封塞20密封，且玻璃罩1与空气压力调节装置相连；所述空气压力调节装置用以调节玻璃罩1内的空气压力，以达到实验所需要求；所述第二活塞21设置在炮管15内，可在炮管15内上下滑动；所述膜片19设置在炮管15上端，以对炮管15上端进行密封；所述第一活塞22设置在活塞缸26内，可在活塞缸26内上下滑动；所述第一活塞22纵剖面为工字型；且下端面面积大于上端面面积；所述第一活塞22下端设有弹性件28，弹性件28向上推动第一活塞22上端与活塞缸26上端内壁接触，且第一活塞22上端与活塞缸26之间设有第一密封圈25，第一密封圈25对活塞缸26顶端通孔进行密封；所述第一活塞22下端将活塞缸26内部空腔分隔为上、下两个空腔；所述第一活塞22下端设有通气孔24，通气孔24连通上下两个空腔，且通气孔24内设有第一单向阀27，第一单向阀27使气体只能从下空腔经通气孔24流向上空腔；所述充压装置通过活塞缸26底部的管道与活塞缸26的下空腔相连通，以对活塞缸26进行充入压力的气体；所述活塞缸26底部的管道还与泄压开关相连，以对活塞缸26下空腔气体进行泄压。
进一步的，所述空气压力调节装置包括气针3、连接件4、第一电磁阀5、第一开关6、电池7、压力缓冲器8、压力表9、泄压安全阀10、第一真空计11、空压机12、第一真空泵13、球阀14；
所述气针3一端穿过第一密封塞2与玻璃罩1相连，另一端通过连接件4与第一电磁阀5相连；所述第一电磁阀5另一端与压力缓冲器8相连；所述压力表9、第一真空计11、空压机12、第一真空泵13均通过球阀14与压力缓冲器8相连；所述压力缓冲器8上还安装有泄压安全阀10；所述球阀14用于控制空压机12、第一真空泵13与压力缓冲器8的接通或关闭；当压力缓冲器8与空压机12接通时，压力表9用于测量压力缓冲器8内压力，即测量玻璃罩1内的压力；当压力缓冲器8与第一真空泵13连通时，第一真空计11用于测量压力缓冲器8内的真空度，即测量玻璃罩1内的真空度；所述电池7通过第一开关6与第一电磁阀5相连，电池7通过第一开关6对第一电磁阀5通断电，以控制第一电磁阀5的开启和关闭。
进一步的，所述第一活塞22与下端与活塞缸26内壁配合，所述第一活塞22与活塞缸26之间设有导向机构，以保证第一活塞22在活塞缸26内的滑动稳定。
作为一种实施方式，所述导向机构为导向板，所述导向板23固定在活塞缸26的上空腔内，所述导向板23上设有导向孔和多个通气孔；所述第一活塞22中间与导向孔配合，可沿导向孔上下滑动，通气孔以保证活塞缸26的上空腔不被导向板23隔断。
作为另外一种实施方式，所述导向机构为导向环；所述导向环设置在活塞缸26上端内部；导向环轴向与活塞缸26上端通孔轴向同轴；所述第一活塞22上端外壁与导向环内壁贴合，所述第一活塞22上端可在导向环内上下滑动。
在另外一些实施方式中，所述导向机构为导向杆，所述导向杆设置在活塞缸26上端内部，从活塞式上壁向下延伸有导向杆，所述第一活塞22上端设有导向孔，且导向孔位于第一密封圈25外部，导向杆与第一活塞22的导向孔配合，第一活塞22可沿导向杆上下滑动。
进一步的，所述充压装置包括高压气瓶35、减压阀34、第二单向阀32；所述高压气瓶35经减压阀34与第二单向阀32相连，所述第二单向阀32与活塞缸26底部的管道相连。高压气瓶35的高压气体经减压阀34减压后，由第二单向阀32对活塞缸26内充填高压气体。
进一步的，所述爆源装置200还设有测压装置，以准确检测充压装置填充的气体压力。
在一些实施方式中，所述测压装置为压力表33，所述压力表33设置在减压阀34后的出气管上。
在另外一些实施方式中，所述测压装置为压力传感器，所述压力传感器设置在减压阀34后的出气管、活塞缸26底部的管道或与活塞缸26内部空腔相连。
优选的，所述泄压开关包括第二电磁阀31、第二开关30；所述第二电磁阀31与活塞缸26底部的管道相连；所述第二开关30对第二电磁阀31通断电，通过第二电磁阀31实现对活塞缸26下空腔内的气体自动泄压。
结合图3，进一步的，所述炮管15上端靠近膜片19向上直径逐渐减小，或炮管15上端设有向上直径逐渐减小的锥体18，使得第二活塞21沿炮管15向上运动时，第二活塞21由于高速运动穿过膜片19后，嵌在炮管15上端，从而达到密封效果，避免第二活塞21底部的高压气体进入罩壳17里，以对测试环境参数产生影响，从而使得弹珠16的发射速度定量化量测，提高了实验测量准确性。
进一步的，所述活塞缸26底部为可拆卸结构，以便拆卸安装，所述活塞缸26底部设有封盖，封盖与缸体之间设有第二密封圈29进行密封。
进一步的，所述弹珠16的形状可以是球形、椭球、圆柱形等其它形状，可以在罩壳17上以半球形、锥形或其它形状的阵列分布。
进一步的，所述弹性件28为弹簧或橡胶。
进一步的，所述抽真空装置包括第二真空泵300、第二真空计110；所述第二真空泵300、第二真空计110均与容器罐100相连，分别用于对容器罐100内进行抽真空处理和对真空度进行显示。所述真空泵300为滑片泵和罗茨泵组成的多级泵。
作为优选的实施方式，所述容器罐100为圆柱形腔体结构，采用卧式；在一些实施方式中，所述容器罐100也可以是立方体腔体结构、圆形腔体结构、多边形或其他形状的腔体结构，采用立式；容器罐100内设有箱体600，用于填充石英砂、土体等爆炸模拟所需的埋设填充物900。
在一些实施方式中，所述容器罐100主体材质为复合钢板(不锈钢+容器板)、外部缠绕隔音材料层和玻璃钢层。
作为对上述实施方式的进一步改进，整个模拟装置还包括图像采集装置，可实现整个爆炸试验过程中的图像采集，所述图像采集装置包括高速摄像机400、计算机500、LED灯700；高速摄像机400设置在容器罐100的外端，并与计算机500相连，计算机500将高速摄像机400拍摄的图像进行存储；所述容器罐100设有观察窗，用于高速摄像机400进行拍摄；LED灯700的数量根据需要设定在容器罐100内的不同位置。进一步的，观察窗可以安装在容器罐100的密封门上，也可以设置在容器罐100的腔体上的不同位置上，以便不同位置进行拍摄观察。
工作时，将爆源装置200放在箱体600内，箱体600内填充有石英砂或土体的填充物900，并将玻璃罩1覆盖；关好容器罐100密封门，开启LED灯700，将高速摄像机400安装到位并开启；启动第一真空泵300，对容器罐100内进行抽真空，达到试验所需的真空度。
试验时，通过空气压力调节装置可调节玻璃罩1内的压力。根据试验需要，当需要将玻璃罩1内部的气体压力调到超过大气压力时，关闭第一真空泵13和第一真空计11上相应的球阀14，打开空压机12、压力表9及开启第一开关6，对压力缓冲器8充气，达到所需压力时，停止充气，断开第一开关6，此时玻璃罩1内部充有一定压力的气体。
当需要将玻璃罩1内部的气体压力调到低于大气压力时，关闭空压机12和压力表9上相应的球阀14，开启第一真空泵13和第一真空计11上相应的球阀14及开启第一开关6，对压力缓冲器8抽气，达到所需真空度时，停止抽气，关闭第一开关6，此时玻璃罩1内部达到一定压力。
当玻璃罩1内压力调到所需压力值时，打开高压气瓶35，通过充压装置对活塞缸26充填高压气体到额定压力后，关闭高压气瓶35和减压阀34。此时高压气体经过第一单向阀27和通气孔24后，充满第一活塞22上下两个腔体内部，由于第一活塞22下端面面积大于上端面面积，第一活塞22向上使得第一密封圈25处于压紧状态，从而密封活塞缸26；当活塞缸26充满额定试验压力气体时，关闭高压气瓶35和减压阀34，打开第二开关30，启动第二电磁阀31，活塞缸26下腔体内的高压气体经第二电磁阀31快速释放，由于第一单向阀27的作用，活塞缸26上腔体内的高压气体无法通过气孔24流出，第一活塞22在巨大压差作用下快速向下滑动并压缩弹性件28，此时活塞缸26上腔体内的高压气体从第一活塞22的顶端喷出，驱动第二活塞21向上高速运动，从而压缩炮管15内部气体产生二级压缩气体，第二活塞21沿炮管15向上运动时，最终嵌在炮管15上端，达到密封效果，只有炮管15内的高压气体作用于弹珠16上，避免了活塞缸26内大量的高压气体进入罩壳17，从而使得弹珠的发射速度定量化量测，提高了实验测量准确性。当炮管15内高压气体达到破膜压力时，膜片19被压破后，罩壳17内部的弹珠16在高压气体作用下高速弹射，完成发射并击碎玻璃罩1，释放玻璃罩1内部的压缩气体。玻璃罩1附近的石英砂或土体的填充物900在爆源压缩气体作用下向自由面运动，从而形成抛掷弹坑或地表塌陷带。打开第二开关30的同时，启动高速摄影机400，对实验过程进行记录；实验结束后，对容器罐100进行泄压，待容器罐100内外气压平衡时，打开容器罐100，对爆炸实验结果如成坑半径、体积等进行记录。
图4(a-g)为填充石英砂后的地下爆炸塌陷成坑模拟过程中摄像机获取的图片,可以看出，本发明的爆炸效应模拟装置能够有效的模拟爆炸过程中的现象，本发明可通过调节玻璃罩1内的压力与容器罐100内的真空度以实现模拟0.1～200千吨、埋深20～1000m范围内的地下核爆炸抛掷成坑、疏松鼓包和塌陷成坑现象，同时也可以用于工程爆破效果和效应的预测预报等科学问题的实验研究。
Claims (10)
1.一种大当量地下爆炸效应模拟装置，其特征在于，包括容器罐(100)、抽真空装置(300)、爆源装置(200)；所述抽真空装置通过管道与容器罐(100)相连，用于对容器罐(100)做抽真空处理，以使容器罐(100)内的压力达到模拟工作所需的压力；
所述爆源装置(200)包括玻璃罩(1)、充压装置、活塞缸(26)、第一活塞(22)、弹性件(28)、第一密封圈(25)、第二活塞(21)、炮管(15)、膜片(19)、罩壳(17)、弹珠(16)、泄压开关、空气压力调节装置；
所述活塞缸(26)顶端设有通孔，通孔与炮管(15)相连，炮管(15)底部与活塞缸(26)内部相连通；所述炮管(15)顶端固连有罩壳(17)，罩壳(17)上设有多个发射孔，发射孔内填充有弹珠(16)；所述玻璃罩(1)套在炮管(15)外部，玻璃罩(1)与炮管(15)之间密封，且玻璃罩(1)与空气压力调节装置相连；所述第二活塞(21)设置在炮管(15)内，可在炮管(15)内上下滑动；所述膜片(19)设置在炮管(15)上端，以对炮管(15)上端进行密封；所述第一活塞(22)设置在活塞缸(26)内，可在活塞缸(26)内上下滑动；所述第一活塞(22)纵剖面为工字型；且下端面面积大于上端面面积；所述第一活塞(22)下端设有弹性件(28)，弹性件(28)向上推动第一活塞(22)上端与活塞缸(26)上端内壁接触，且第一活塞(22)上端与活塞缸(26)之间设有第一密封圈(25)，第一密封圈(25)对活塞缸(26)顶端通孔进行密封；所述第一活塞(22)下端将活塞缸(26)内部空腔分隔为上、下两个空腔；所述第一活塞(22)下端设有通气孔(24)，通气孔(24)将上、下空腔连通，且通气孔(24)内设有第一单向阀27，第一单向阀(27)使气体只能从下空腔经通气孔(24)流向上空腔；所述充压装置通过活塞缸(26)底部的管道与活塞缸(26)的下空腔相连通；所述活塞缸(26)底部的管道还与泄压开关相连，以对活塞缸(26)下空腔气体进行泄压。
2.根据权利要求1所述大当量地下爆炸效应模拟装置，其特征在于，所述空气压力调节装置包括气针(3)、连接件(4)、第一电磁阀(5)、第一开关(6)、电池(7)、压力缓冲器(8)、压力表(9)、泄压安全阀(10)、第一真空计(11)、空压机(12)、第一真空泵(13)、球阀(14)；
所述气针(3)一端穿过第一密封塞(2)与玻璃罩(1)相连，另一端通过连接件(4)与第一电磁阀(5)相连；所述第一电磁阀(5)另一端与压力缓冲器(8)相连；所述压力表(9)、第一真空计(11)、空压机(12)、第一真空泵(1)3均通过球阀(14)与压力缓冲器(8)相连；所述压力缓冲器(8)上还安装有泄压安全阀(10)；所述球阀(14)用于控制空压机(12)、第一真空泵(13)与压力缓冲器(8)的接通或关闭；当压力缓冲器(8)与空压机(12)接通时，压力表(9)用于测量压力缓冲器(8)内压力，即测量玻璃罩(1)内的压力；当压力缓冲器(8)与第一真空泵(13)连通时，第一真空计(11)用于测量压力缓冲器(8)内的真空度，即测量玻璃罩(1)内的真空度；所述电池(7)通过第一开关(6)与第一电磁阀(5)相连，电池(7)通过第一开关(6)对第一电磁阀(5)通断电，以控制第一电磁阀(5)的开启和关闭。
3.根据权利要求1所述的爆炸效应模拟的爆源装置，其特征在于，所述第一活塞(22)与下端与活塞缸(26)内壁配合，所述第一活塞(22)与活塞缸(26)之间设有导向机构，以保证第一活塞(22)在活塞缸(26)内的滑动稳定。
4.根据权利要求1所述的爆炸效应模拟的爆源装置，其特征在于，所述充压装置包括高压气瓶(35)、减压阀(34)、第二单向阀(32)；所述高压气瓶(35)经减压阀(34)与第二单向阀(32)相连，所述第二单向阀(32)与活塞缸(26)底部的管道相连。
5.根据权利要求1所述的爆炸效应模拟的爆源装置，其特征在于，所述爆源装置200还设有检测充压装置填充的气体压力的测压装置。
6.根据权利要求1所述的爆炸效应模拟的爆源装置，其特征在于，根据权利要求(1)所述的爆炸效应模拟的爆源装置，其特征在于，所述测压装置为压力表(33)或压力传感器。
7.根据权利要求1所述的爆炸效应模拟的爆源装置，其特征在于，所述泄压开关包括第二电磁阀(31)、第二开关(30)；所述第二电磁阀(31)与活塞缸(26)底部的管道相连；所述第二开关(30)对第二电磁阀(31)通断电。
8.根据权利要求1所述的爆炸效应模拟的爆源装置，其特征在于，所述炮管(15)上端向上直径逐渐减小，或炮管(15)上端还设有向上直径逐渐减小的锥体(18)，使得第二活塞(21)沿炮管(15)向上运动时，第二活塞(21)由于高速运动穿过膜片(19)后，嵌在炮管(15)上端。
9.根据权利要求1所述的爆炸效应模拟的爆源装置，其特征在于，所述抽真空装置包括第二真空泵(300)、第二真空计(110)；所述第二真空泵(300)、第二真空计(110)均与容器罐(100)相连，分别用于对容器罐(100)内进行抽真空处理和对真空度进行显示。
10.根据权利要求1所述的爆炸效应模拟的爆源装置，其特征在于，还包括图像采集装置，所述图像采集装置包括高速摄像机(400)、计算机(500)、LED灯(700)；高速摄像机(400)设置在容器罐(100)的外端，并与计算机(500)相连，计算机(500)将高速摄像机(400)拍摄的图像进行存储；所述容器罐(100)设有观察窗，用于高速摄像机(400)进行拍摄。
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