CN1920472A - 水下爆破聚能弹及水下布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下爆破聚能弹。它包括起爆装置、装药、外壳、药型罩，起爆点位于装药顶部中心，药型罩位于装药底部、为锥形、半球型或球缺型中的一种；其特征在于：在药型罩内充满不吸水泡沫塑料，以形成泡沫和药型罩组合体，将药型罩底边与包装外壳底板密封连接。本发明适用于不同岩石强度、不同岩层厚度，特别是水下炸礁中使用的聚能爆破技术。本发明的关键在于将陆地上聚能爆破技术应用于水下炸礁，施工方便、快捷、初始投入低，相比普通裸露药包水下爆破能更好的满足水下施工的需要，降低水下爆破工程成本，进一步提高经济效益。

Description

水下爆破聚能弹及水下布设方法

技术领域

本发明涉及适用于不同岩石强度、不同岩层厚度，特别是水下炸礁中使用的聚能爆破装置及水下布设方法。

背景技术

目前，水下炸礁工程主要采用水下钻孔爆破方法进行施工，该方法需要配备炸礁船及相应设备，所钻孔通常有1.8m的超深，且水下钻孔爆破作业环境比较复杂，既受水面风浪、海潮涌浪、河流水位、水流速度、泥砂运动等因素影响，又因爆破介质处于水饱和状态并受水层压力和水的阻力双重作用，因此钻孔定位、开孔精度、炮孔装药堵塞质量控制均较陆地施工困难，容易产生偏差。尽管水中裸露药包爆破比钻孔爆破具有施工简单、机动灵活、易于掌握、无需特殊设备等优点，但其爆破单位炸药消耗量大、效率较低、爆破效果准确性差、有害效应较大，并受水文气象条件的限制，而且一次破碎深度一般也仅仅在1.0～1.5m。这对于小工程量及岩层较薄的工程成本太高，很不经济。为了提高其一次破碎深度，有必要采用一种方便、快捷、初始投入低的方法来降低工程成本，进一步提高经济效益。

在陆地利用聚能装药钻孔或破碎介质的研究范围很广。如在石油开采中利用聚能射孔弹穿裂井壁来增加油路和流量；利用聚能装药先在冰冻地区的泥土中钻孔，后在孔中装药爆破冻土，可以免去钻孔的困难，提高爆破冻土的效率；采用聚能装药破碎大块效率高，还可以节省炸药。

由此可知，若能将聚能爆破技术应用于水下炸礁，则能有效的避免以上缺点，可以减少钻孔、堵塞等相关作业环节，对于降低成本、缩短施工周期、提高爆破效果、增加经济效益都有很大帮助。此外，对于炸礁施工中出现的大量孤石，也可以采用聚能弹进行爆破，比通常采用的裸露药包法，效果有显著提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下爆破聚能弹及水下布设方法，以解决将陆地上聚能爆破技术应用于水下炸礁，降低水下爆破工程成本，进一步提高经济效益等问题。

本发明所述的一种水下爆破聚能弹包括起爆装置、装药、外壳、药型罩，起爆点位于装药顶部中心，药型罩位于装药底部、为锥形、半球型或球缺型中的一种；其特征在于：在药型罩内充满不吸水泡沫塑料，以形成泡沫和药型罩组合体，将药型罩底边与包装外壳底板密封连接。

如上所述的水下爆破聚能弹，药型罩内充满不吸水泡沫塑料，将泡沫与药型罩粘接成一体，形成泡沫和药型罩组合体。

如上所述的水下爆破聚能弹，所述的不吸水泡沫塑料为不吸水的聚氯乙烯泡沫塑料。

如上所述的水下爆破聚能弹，主装药密度超过1.2g/cm³，爆速超过6000m/s且防水的炸药。

如上所述的水下爆破聚能弹，在外壳内药型罩上方设置一个水平放置的隔板，所述的隔板中心线与药型罩的对称轴重合。

如上所述的水下爆破聚能弹，所述的隔板在药型罩底面上投影是药型罩底面积的2/3，隔板厚度是药型罩壁厚的0.8～5倍。

如上所述的水下爆破聚能弹，所述的隔板为塑料、木材、石墨等惰性材料制作。

如上所述的水下爆破聚能弹，所述的隔板形状为圆形。

如上所述的一种水下爆破聚能弹的水下布弹方法：布设采用潜水员敷设或采用沉排法投放，采用潜水员敷设法，先对船进行准确定位，充分利用水底孤石、礁石通常固有的多面临水的特点和受长期侵蚀形成的表面凹凸不平形状，潜水员潜入水下将聚能药包紧贴于水下孤石顶部凹岩，然后上压沙袋等重物固定；聚能弹采用沉排法进行投放，利用重沙袋进行定位；安放聚能弹前清理水下岩面表层淤泥和浮渣；聚能弹从开挖边界向中心布设，最外侧聚能弹至开挖边界距离在1至2m，药包间距1.5～2m，按同心圆方式布置：井筒中心布置1个聚能弹，以此为圆心，半径为2m的圆周上布置6个，离开挖边界1m的圆周上布置12个；在爆区水面上，采用浮箱组成方型框架平台，用尼龙绳拉成坐标网，定出每个聚能弹的坐标，用浮吊将聚能弹沉入水底；采用导爆管雷管引爆聚能弹，防水导爆管传爆；每层分两次爆破，每次爆破9～10聚能弹。

如上所述的一种水下爆破聚能弹的水下布弹方法，导爆管雷管采用的起爆网路是簇联网路，即在每个聚能弹中插入两发导爆管雷管，两发雷管是并联连接的，然后把插入聚能弹里所有的导爆管雷管用两发或三发电雷管连接在一处，然后在船上用导线连接电雷管后起爆网路。

本发明的优点和积极效果在于将陆地上聚能爆破技术应用于水下炸礁，施工方便、快捷、初始投入低，相比普通裸露药包水下爆破能更好的满足水下施工的需要，降低水下爆破工程成本，进一步提高经济效益。

附图说明

图1为水下爆破聚能弹结构示意图。

图2为水下爆破聚能弹横断面视图。

图3为水下爆破聚能弹布设示意图。

具体实施方式

本发明的图1、2中，1为起爆点、2为吊环、3为隔板、4为外壳、5为药型罩、6为塑料泡沫、7为连接圈、8为主装药、9为垫板。图3为水下聚能药包布置示意图，图中10为爆破工作船、11为水面、12为聚能弹、13为礁石、14为导爆线路、15为无线遥控起爆装置。

利用水下聚能爆破技术开挖基岩不仅要求有一定的破碎深度，而且要求有一定的破碎体积。深度和体积之间是相互制约的，在满足一定的爆破深度的前提下，应尽可能的获得最大的爆破破碎体积。这一点不同于通常的聚能装药穿孔。这样可以按照的药包间距排距布置药包，实施水下基岩简便快速的爆破开挖。为了达到聚能装药提高水下裸露药包爆破作用的目的，很重要的一个问题是要解决好药型罩下方的聚能穴排水和防水。因为水在高压下是不可压缩介质，一旦聚能穴充水，爆破后药型罩就不能正常形成射流，从而达不到聚能爆破的目的，因此，排水或防水措施很重要。

显然，聚能弹水下爆破技术发明涉及两方面的内容：

一是合理选择和确定药型罩的材质、尺寸、炸药的品种类型等。

二是聚能弹的应用方案研究，包括现场施工中的布弹参数设计以及聚能弹定位方法和安全性能等。

本发明的关键在于将陆上聚能射孔技术应用于水下爆破，结合实际水下爆破施工的操作便利，确定采用轴对称轴向聚能装药。本发明中的聚能装药包括起爆装置、装药、外壳、药型罩(又称聚能罩)，起爆点位于装药顶部中心，药型罩位于装药底部。通过合理现场聚能弹爆破实施方案，更好的满足水下施工的需要，降低水下爆破工程成本，进一步提高经济效益。以下结合附图对本发明技术方案作详细描述，但本发明并不限于以下的描述内容。

(1)药型罩材质和厚度

药型罩的作用是把炸药的爆炸能转化为罩体材料的射流动能，从而提高其穿透能力。药型罩的材料必须满足四点要求，即可压缩性小、密度高，塑性和延展性好，在形成射流过程中不汽化。聚能装药的药型罩的材质采用常规的药型罩材质，一般为铜、铁、钽、铝、铅、锡及其合金材料，或其他可塑性金属材料和非金属材料。聚能装药穿孔时，采用不同材质的药型罩的穿孔效果不一样，我们需要的爆破破碎效果不仅有适宜的深度，而且需要有一定的破碎范围，而不是单纯追求破碎深度。相同条件下，采用紫铜、生铁、钢、铝做药型罩材质时穿透深度依次减小，但铝材加工比较方便，且成本低，因此，确认采用铝作为药型罩的材质，当然为了对比穿孔效果也可以选择紫铜做一下对比。

药型罩的厚度以保证药包在加工和使用中的安全可靠来确定，不能太薄。同时结合加工工艺和成本，厚度也不宜过大。可以通过常规实验确定药型罩厚度的具体数据。

(2)药型罩形状

药型罩的剖面形状有多种，常用的有圆锥形和半球形药型罩。半球形药型罩形成的射流比圆锥形药型罩的粗，但其射流速度略低。据此，实践中人们发现，对于破碎中等强度的介质，使用半球形药型罩效果较好。穿孔或破碎岩石的聚能装药是轴对称的。从加工工艺来说，铝质采用半球形加工比较方便，且半球形药型罩与圆锥形相比，穿孔的孔径比较大，也就是说，在破碎岩石时，其破碎范围会稍大，因此，我们选择半球形药型罩。加工出的药型罩要求厚度均匀，成型规整，罩底周边圆滑无毛刺(以免毛刺割破防水塑料袋)。

(3)装药类型

水下爆破破碎岩体，药包位于需要爆破岩体的上方，结合实际水下爆破施工的操作便利，确定采用轴对称轴向聚能装药(药型罩为锥形或球缺形)。炸药的爆炸威力对聚能装药的爆破破碎效果有很大的影响。理论分析和实验研究表明，在破靶试验中，影响破靶威力的主要因素是爆压。随着爆压的增加，破靶深度和孔容积都增加。根据爆压的计算公式可以知道，爆压跟炸药密度的一次方、爆速的二次方成正比。而炸药密度又对炸药爆速有很大影响。因此，应保证稳定的高爆轰速度和一定的装药密度。根据以往研究及工程经验，聚能弹所用炸药的爆速应大于6000m/s，密度大于1.20g/cm³。水下爆破的一个重要问题是炸药的防水。常用的乳化炸药有很好的防水性能，但爆速普遍不够高，应根据需要专门研制特殊的乳化炸药，在乳化炸药中添加一定的单质炸药，使得乳化炸药爆速超过6000m/s。实验表明，该种乳化炸药完全能满足水下聚能爆破的要求。本发明即选用该种炸药。

(4)壳体

水下爆破的药包应有足够的比重，以保证顺利自沉。壳体对作用在药型罩上的有效药量有很大影响。但研究及实践表明，厚度仅为1mm多的外壳，在几千克炸药的爆炸作用下，其影响可以忽略不计。但增强药包的径向约束，在没有隔板的情况下，对提高聚能装药爆破效果非常有利，有利于爆炸能量的充分利用。但受到工程应用中的实际条件限制，径向约束必须考虑如下因素：

(1)材料消耗量。

(2)控制药包结构的密度必须接近1.5，以利于药包水中就位、加工方便。

(3)必要的强度和刚度。

(4)目前采用较多的外壳材料有钢、铝、铁板、竹筒、PVC管等。

根据计算，确定采用一定壁厚的铁管作为径向约束，同时也起配重的作用。本发明中采用钢管作为药包外壳，故聚能药包是圆柱型的，钢管型号根据实际需要选取。对确定的钢管材料，需要进行如下加工过程：

(1)将钢管首先切割成一定长度的的短钢管，长度可根据工程情况由实验确定；

(2)对两个切割断面进行打磨，打磨成圆滑棱角，避免直棱角；一方面可以方便施工作业；另一方面可以保护药包包装的塑料袋；

(3)焊接三个吊环，作为提升支点；

(5)隔板

隔板的作用是用来改变爆轰波的传播路线，使作用药型罩壁面上的爆轰波与壁面的夹角发生改变，增大压垮速度，提高药型罩的变形能；因而在一定条件下，隔板能提高聚能装药的穿透作用。隔板的材料可以选择塑料、木材、石墨等惰性材料。隔板尺寸和材料可以根据实验确定。另外，研究表明药包外壳对隔板的作用有影响；在有外壳约束比较强的条件下，增加隔板对增强爆破穿孔效果的作用并不明显。因此，为节约成本并简化聚能弹的制作工艺，可在聚能弹设计中考虑不设置隔板。

(6)支架高度

水下爆破破碎岩体，药包位于需要爆破岩体的上方，实验表明，水深2.2m不变时，随着药包深度从0.1m至1.5m增加，水底岩土中的爆破破碎漏斗直径和深度都逐渐增大。就是说一定条件下药包越接近爆破介质，则破碎范围和体积增大。同时考虑到水下的装药排水问题、加工药包便利以及药包安放的稳定性，确定支架高度为零，即聚能药包直接置于需要爆破岩石的表面上(安放药包前需清理表层淤泥和浮渣)。聚能穴处于药包与岩石接触的界面位置，使聚能流射向需要爆破的岩石。

(7)引爆

根据实践，非电雷管在不采取任何措施的情况下，在20米水深中浸泡10小时仍能完全起爆乳化炸药。所以，可以采用导爆管雷管来实施现场的水下炸药的引爆。关键问题是必须采取切实可行的措施，不让水进入到传爆的导爆管中。方法有二，一是不剪断导爆管脚线，保持其密封，并在施工中注意保护脚线，采用簇联方式引爆药包；二是采取一定的悬挂措施，将连接头悬出水面，可以采用陆地的导爆管连接器连接。为了抗海水涌浪的冲击，导爆管固定到尼龙绳上。

(8)药包形状及参数选取

考虑到采用的铁管约束，药包为粗细一致的圆柱形。相关试验认为，药包的直径和高度的比例值在0.74～0.95之间对穿孔深度和孔径均没有影响；同时考虑到爆破的目的不仅仅是穿孔，药包高度不宜过大；为此，参照药包直径大约为高度的0.74～0.95倍设计药包。

(9)防水问题的解决

水下爆破的一个重要问题是炸药的防水。因为水在高压下是不可压缩介质，一旦聚能穴充水，爆破后药型罩就不能正常形成射流，从而达不到聚能爆破的目的。为了达到聚能装药提高水下裸露药包爆破作用的目的，可在半球形药型罩内充满一种不吸水且对药型罩的聚能作用影响不大的物质。本发明采用泡沫塑料作为这种充填物质。参考《井巷工程施工手册》P2-143，各种泡沫塑料的吸水性有差别，聚氯乙烯泡沫塑料不吸水，可发性聚苯乙烯泡沫塑料的吸水性小，聚氯脂泡沫塑料的吸水性好。因此，选择不吸水的聚氯乙烯泡沫塑料。

首先根据半球形药型罩的尺寸加工半球形泡沫。为了施工方便，并有利于发挥其排水作用，将加工好的半球形泡沫与药型罩粘接成一体(泡沫置于半球罩内)，形成泡沫和药型罩组合体。这样，既方便了爆破现场的施工，又确保在施工过程中泡沫不移位。

将药型罩与包装外壳底板密封，保证其良好的密封，为此包装外壳底板不能太薄，应有一定的强度，以经受水压作用。当然，在药包设计上需要做到施工方便，满足工程应用的经济性和操作安全性。

(10)药包投放施工方法

采用潜水员敷设法，先对船进行准确定位，根据水下岩石的硬度和分布情况设计不同重量的药包和药包间距，充分利用水底孤石、礁石通常固有的多面临水的特点和受长期侵蚀形成的表面凹凸不平形状。潜水员潜入水下将聚能药包紧贴于水下孤石顶部凹岩，然后上压沙袋等重物固定，此时孤石因孤石底部反力大，位移小，破碎效果自然增大。潜水敷设法定位准确，接触牢靠，能够达到更好的爆破效果。

(11)起爆网路设计

考虑到水流的作用，为了方便于施工，本发明采用的起爆网路是簇联网路。即在每个聚能弹中插入两发导爆管雷管，两发雷管是并联连接的，然后把插入聚能弹里所有的导爆管雷管用两发或三发电雷管连接在一处，然后在船上用导线连接电雷管后起爆网路。采用簇联法连接网路，可以使水下爆破的网路连接不易产生错误，操作方便，爆破效果也较好。

实例1

本实例为试验。试爆岩石为任选的一块静水下的岩面平坦、厚度约2m的花岗岩，水深2.2m。

聚能弹制作过程：外壳为外径273mm，壁厚8mm的无缝钢管。首先将钢管切割成长250mm的短钢管，对两个切割断面打磨成圆滑棱角，避免直棱角；根据选择的钢管型号并参照工程资料，聚能罩底周边直径确定为200mm，聚能罩采用2mm钢板冲压成半球型，要求加工出的聚能罩要求厚度均匀，成型规整，罩底周边圆滑无毛刺；将聚能罩与外壳钢管利用连接圈焊接为一个整体，连接圈材料同聚能罩材料；当然，在聚能罩制作时就可考虑将连接圈和聚能罩作为一个整体制成；这样就可以省去焊接这一道工艺。罩内充填物为聚氯乙烯泡沫塑料，将泡沫塑料加工成半径为100mm的半球形，然后与聚能罩粘接成一体(泡沫置于半球罩内)，形成泡沫和聚能罩组合体。聚能弹所用炸药为铸装TNT炸药，密度为1.56g/cm³，爆速超过6500m/s。最后利用垫板将钢管两端密封，垫板用2～3层厚度为1mm的赛璐璐制作，药包顶部中心留有装雷管的小孔。采用导爆管雷管引爆聚能药包，起爆电流用直流电源。防水导爆管传爆。单个聚能药包重量12kg。

本次试验孔网参数为2.0m×2.5m。采用潜水员敷设法投放药包。安放药包前清理水下岩面表层淤泥和浮渣。

起爆网路采用非电爆网路，雷管为防水8号铜壳毫秒延期导爆雷管，整个起爆网路采用簇联的方式联接。爆破后水下岩石破碎均匀，没有大块，不留根底，爆破效果良好。

实例2

试爆岩石为厦门港东渡航道扩建工程的基岩(全风化岩石、强风化岩和中风化岩)，水底岩面较为平坦，岩面在基准水面下4.5m，需炸礁的岩层厚度1.8m，水流速度小于0.5m/s。

聚能弹外壳为外径245mm，壁厚6.5mm的钢管。弹高220m，聚能罩为半球型，半径为90mm，厚2mm。聚氯乙烯泡沫塑料加工成半径为90mm的半球形与聚能罩粘接成一体。单个聚能药包重量10kg。

聚能弹所用炸药为铸装TNT炸药，密度为1.56g/cm³，爆速超过6500m/s。采用导爆管雷管引爆聚能药包，防水导爆管传爆。利用设计的聚能弹进行水下大面积岩石开挖试验，其软岩孔网参数为2.0m×2.0m至2.5m×2.5m；硬岩孔网参数1.5m×1.5m至1.8m×1.8m。采用沉排法对聚能药包进行投放，利用重沙袋进行定位。安放药包前清理水下岩面表层淤泥和浮渣。

起爆网路采用非电爆网路，雷管为防水8号铜壳毫秒延期导爆雷管，每个聚能药包内装2发并联的导爆雷管，起爆电流用直流电源。整个起爆网路采用簇联的方式联接，然后在船上用导线连接电雷管后起爆网路。爆破后水下岩石破碎均匀，没有大块，不留根底，循环进尺为0.8～1.2m，爆破效果良好。本工程的水下聚能爆破施工对周边建筑物结构安全影响很小，完全达到了事先各方对安全施工的要求。经后续清礁验证，未发现一米以上的岩石大块，水深测量达到设计要求，潜水摸底未发现根底。

实例3

某取水塔外径10m，内径8m，高47.8m，重3000余吨，距水库大坝260m，距泄水闸房103m。在修建时，需要在水深33m条件下挖基5～6m，约500m³。表层有2m左右的砾石层，下部为中风化花岗岩。

聚能弹外壳为外径560mm，高500m，壁厚2mm圆筒形，由2mm厚的钢板制成。聚能罩为半球型，半径为220mm，连接圈与聚能罩为一个整体，由厚4mm的钢板冲压而成。聚氯乙烯泡沫塑料加工成半径为220mm的半球形与聚能罩粘接成一体。主炸药为铸装TNT炸药，密度为1.56g/cm³，单个聚能药包药量10kg。

聚能药包从开挖边界向中心布设。最外侧药包至开挖边界1m，药包间距1.5～2m，每层布置药包19个，按同心圆方式布置：井筒中心布置1个药包，以此为圆心，半径为2m的圆周上布置6个，离开挖边界1m的圆周上布置12个。在爆区水面上，采用浮箱组成方型框架平台。用尼龙绳拉成坐标网，定出每个药包的坐标，用浮吊将聚能药包沉入水底。采用导爆管雷管引爆聚能药包，防水导爆管传爆。每层分两次爆破，每次爆破9～10聚能药包。爆破后，布药区形成凹坑，表层有薄层回淤泥砂，而泥砂下岩石成为松散碎块，无大块，均采用直径272mm吸泥泵吸出，循环进尺为0.8～1m，开挖轮廓基本整齐，只用了一个月时间就完成任务。

Claims (10)

1、一种水下爆破聚能弹，其聚能弹包括起爆装置、装药、外壳、药型罩，起爆点位于装药顶部中心，药型罩位于装药底部、为锥形、半球型或球缺型中的一种；其特征在于：在药型罩内充满不吸水泡沫塑料，以形成泡沫和药型罩组合体，将药型罩底边与包装外壳底板密封连接。

2、如权利要求1所述的一种水下爆破聚能弹，其特征在于：药型罩内充满不吸水泡沫塑料，将泡沫与药型罩粘接成一体，形成泡沫和药型罩组合体。

3、如权利要求1或2所述的一种水下爆破聚能弹，其特征在于：所述的不吸水泡沫塑料为不吸水的聚氯乙烯泡沫塑料。

4、如权利要求1所述的一种水下爆破聚能弹，其特征在于：主装药密度超过1.2g/cm³，爆速超过6000m/s且防水的炸药。

5、如权利要求1所述的一种水下爆破聚能弹，其特征在于：在外壳内药型罩上方设置一个水平放置的隔板，所述的隔板中心线与药型罩的对称轴重合。

6、如权利要求5所述的一种水下爆破聚能弹，其特征在于：所述的隔板在药型罩底面上投影是药型罩底面积的2/3，隔板厚度是药型罩壁厚的0.8～5倍。

7、如权利要求5所述的一种水下爆破聚能弹，其特征在于：所述的隔板为塑料、木材、石墨惰性材料制作。

8、如权利要求5、6或7所述的一种水下爆破聚能弹，其特征在于：所述的隔板形状为圆形。

9、一种如权利要求1所述的一种水下爆破聚能弹的水下布弹方法：布设采用潜水员敷设或采用沉排法投放，采用潜水员敷设法，先对船进行准确定位，充分利用水底孤石、礁石通常固有的多面临水的特点和受长期侵蚀形成的表面凹凸不平形状，潜水员潜入水下将聚能药包紧贴于水下孤石顶部凹岩，然后上压沙袋等重物固定；聚能弹采用沉排法进行投放，利用重沙袋进行定位；安放聚能弹前清理水下岩面表层淤泥和浮渣；聚能弹从开挖边界向中心布设，最外侧聚能弹至开挖边界距离在1至2m，药包间距1.5～2m，按同心圆方式布置：井筒中心布置1个聚能弹，以此为圆心，半径为2m的圆周上布置6个，离开挖边界1m的圆周上布置12个；在爆区水面上，采用浮箱组成方型框架平台，用尼龙绳拉成坐标网，定出每个聚能弹的坐标，用浮吊将聚能弹沉入水底；采用导爆管雷管引爆聚能弹，防水导爆管传爆；每层分两次爆破，每次爆破9～10聚能弹。

10、如权利要求9所述的一种水下爆破聚能弹的水下布弹方法，其特征在于：导爆管雷管采用的起爆网路是簇联网路，即在每个聚能弹中插入两发导爆管雷管，两发雷管是并联连接的，然后把插入聚能弹里所有的导爆管雷管用两发或三发电雷管连接在一处，然后在船上用导线连接电雷管后起爆网路。

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