爆破破冰新技术的研究
杨学海1 吴瑞波1 梁向前2 郝明盛2 殷怀堂3
吴建明4 张明方5 牛维博6 王泽民6
(1．中国人民解放军66267部队，河北石家庄，050081；2．中国水利科学研究院，北京，100089；
3．北京军区工程爆破设计研究院，北京，100089；4．军械工程学院，河北石家庄，050003；
5．包头正大工程爆破有限公司，内蒙古包头，014000；
6．河北久信减灾装备研究所，河北石家庄，050081)
摘要：根据“十二五”国家科技支撑计划“应急装备关键技术研究与装备研制”科研项日的“防凌破冰关键技术研究及装备研制”课题要求，通过爆破破冰的大量试验，掌握了爆破破冰的关键技术参数(药量、破冰体积、药包入水深度、药包间距等)之间的关系，发现了爆破破冰的“利文斯顿爆破漏斗”效应，得到了爆破破冰水中冲击波和振动的传播规律，这些研究成果填补了我国爆破破冰基础理论的空白。应用这些科研成果，创新研制了“两弹、两车”破冰装备(两弹是潜水破冰弹和两级时差安全破冰弹；两车是轻型两栖钻孔台车和冰上新型混装炸药车)，这些装备已在黄河破冰爆破中得到了应用，获得了很好的效果。
关键词：爆破；水下破冰；新技术
l 引言
我国北方的大河，如黄河、黑龙江、松花江，容易发生凌汛。历史上每年封、开河时都要发生不同程度的冰凌灾害。冰凌会破坏水利设施和水工建筑物，阻断河水造成漫流，给沿岸人民生命财产带来巨大损失。如黄河，新中国成立以后的60多年间，发生严重灾害造成极大损失的就有8次。为了解决冰凌灾害，国家每年都要投入大量人力、物力，各部门采取了不少方法和手段，如民兵投药包、飞机扔炸弹、排炮轰冰盖等，但是成效不大。为了从根本上消除冰凌灾害，2011年，国家把“防凌破冰关键技术研究及装备研制”列为“十二五”科技支撑计划“应急装备关键技术研究与装备研制”科研项目内的一个课题，根据该课题的任务要求，我们于2012年3月1日至2014年3月10日黄河开河期间，先后三次在内蒙古包头市东河区河段进行了大量爆破破冰试验，得到了爆破破冰许多新的研究成果和设备技术创新。
2爆破破冰基础理论的新成果
2．1冰下水中破冰爆破效果
冰下水中破冰爆破比冰上裸露爆破的破冰效果大得多，在相同药量条件下，冰下水中破冰体积是冰上裸露爆破破冰体积的10～12倍。
爆破破冰试验采用2号岩石乳化炸药，按照设计药量人工制作集中药包。冰上裸露爆破和冰下水中爆破破冰的试验数据(见表1)表明：冰下爆破形成的冰洞直径和冰洞破碎体积比冰上爆破效果要好；从安全上看，冰上裸露爆破产生的空气冲击波和噪声很大，而冰下爆破就没有这些有害效应，比较安全。
2．2水下爆破破冰时主要参数间的关系
炸药包在水中不同深度爆破破冰时，其主要参数间的关系与土岩爆破中的利文斯顿爆破漏斗效应十分相似，这是一个崭新的发现。
2012～2014年在黄河包头段试验地区进行了大量乳化炸药不同药量集中药包的爆破破冰试验，分别得到了不同入水深度下爆破破冰的结果，典型的曲线如图l所示。
从图1所示可以看到，在药量一定的情况下，爆破破冰体积随着入水深度的增加而增加，在达到最佳入水深度时，爆破破冰的体积达到最大值，而后爆破破冰体积随着入水深度增加而减少。这与土岩爆破中的利文斯顿爆破漏斗效应十分相似。
依据土岩爆破中的利文斯顿爆破漏斗经验公式，我们推导爆破破冰的经验公式，设公式为：
式中 We——临界深度，是指药包在此入水深度爆破时，在冰面上没有出现冰块碎片，只有冰面隆起鼓包，m；
E——冰块的变形能量系数；
Q——主要要报的质量，kg。
从药包入水深度与破冰体积之间关系曲线可以得到实测的We和Wj数据，再应用几何相似原理，可以得到最佳深度比△j和破冰变形能量系数E。
从而得到爆破破冰时，药包入水深度W与腰包药量Q之间的经验公式为
式中 W——药包入水深度，m；
We——最佳药包入水深度，m；
E——破冰变形能量系数，与炸药、冰层的性质状态有关；
△j——最佳深度比，与炸药、冰层的性质状态有关，使用乳化炸药在黄河开河期破冰时，可取。
根据集中药包不同入水深度与破冰体积的实验数据，可以得到不同药量情况下的最佳入水深度、临界深度和最大破冰体积见表2。分析总结可以得到：使用乳化炸药，对黄河开河期的冰体，破冰变形能量系数为E=2﹒4；最佳深度比为△j=0﹒4。
通过三年多大量的爆破破冰试验，发现了爆破破冰的规律符合土岩爆破中的“利文斯顿爆破漏斗效应”，这是一个崭新的研究成果，它填补了我国爆破破冰基础理论的空白。
2．3冰下爆炸破冰时水中冲击波和爆破振动的传播规律
集中药包爆炸能量在破碎冰盖或大块流凌的同时产生强烈的水中冲击波和地震波，它可能会给周围环境产生有害效应，因此必须对此进行测试，以确保爆破破冰时的安全。我们对集中药包爆破破冰水中爆炸冲击波和振动进行了测试，从大量的数据中归纳分析得到了水中冲击波和振动传播规律。
2．3．1 单个集中药包冰盖下爆炸破冰时水中冲击波的规律
以单发或有延时的单发集中药包为主，药包布置于水深1．5m处的爆破监测数据为基准，并参考腰包在1．2m和1．8m的数据，归纳得到以下回归关系公式：
回归统计的相关系数为γ=0．97。
2．3．2群发集中药包冰盖下爆炸破冰时水中冲击波的规律
把按一定间距组合的多个集中药包，同时或多段起爆的集中药包爆破破冰试验时的监测数据进行回归，得到水中冲击波经验公式：
式中，p2为压力，105Pa；Q为乳化炸药药量，kg；R为爆点至测点距离，m。
回归统计的相关系数为γ=0．99。
2．3．3冰盖覆盖下爆破破冰振动传播衰减规律
破冰爆破的地震效应主要来自三个方面：一是爆破直接作用形成的地震波；二是水中爆破冲击波水底边界所产生的冲击地震波；三是爆破能量和水中冲击波冲击压力作用于上覆冰盖引起冰盖的振动。以集中药包试验期间监测的冰盖和黄河内堤大量数据为基础，来分析冰盖覆盖下爆破地震波沿冰盖和黄河内堤的传播衰减规律。
应用公式 
形式，由试验得到的冰盖体振动传播衰减公式为：
式中v——质点峰值振动速度，cm/s；
Q——乳化炸药一次齐爆药量，kg；
R——测点到爆源的距离，m；
K，α——与爆破方式、装药结构、爆破点至测点间的地形、地质条件等有关的系数或衰减指数。
建（构）筑物受到地震波作用时，一般表现为水平受剪破坏，因此，黄河内堤的振动特征分析主要以水平径向振速值和三向振速矢量和为主，进行振动传播衰减规律分析。试验得到黄河内堤爆破振动的衰减公式为：
黄河冰盖下水中爆破冲击波和冰盖爆破振动特征及冰盖地震波传播特征研究在国内外水中爆破冲击波很少见到，这次现场爆破破冰试验获取了大量的科学数据，分析得到了冰盖下水中爆爆破冲击波的传播规律和冰盖、黄河内堤的振动传播衰减规律，这在国内外是第一次，这对于进一步研究冰盖破碎机理和爆破对周围环境安全具有极大的参考价值，也为我国爆破破冰理论增添了新的内容。
3爆破破冰技术的创新(“两弹、两车、一机”)
根据爆破破冰理论研究的成果，应用获得的爆破破冰关键技术参数，我们研制了实施爆破破冰的关键装备，即“两弹、两车”。
3．1潜水破冰弹的研制
试验初期，集中药包采用的是用尼龙布包装的药包，在水中定位采用的是吊绳，如图2所示。后来经过多次试验改进，又根据试验得到的药量与入水深度关系，我们研制了能够调节入水深度和具有在水中漂浮定位功能的专用潜水破冰弹(QSPBD)，如图3所示。
潜水破冰弹的构造分成弹体和浮子腔两部分，弹体部分包括装药腔外端盖、内端盖，定时起爆及延时销毁装置，防水垫，定深绳，防水插头，连接电缆等，如图3所示。
2014年2月20日，在包头磴口地区的黄河冰盖上，我们对研制的定型潜水破冰弹与相同药量的集中药包进行了对比试验。结果如图4所示。
从图形比较，两者的最佳入水深度在1．5～2．Om之间，最佳破冰体积为46～47m3。基本没有什么太大的变化。因此潜水破冰弹是集中药包试验结果的定型化，这为破冰弹药的商品化提供了科学依据。
3．2两级时差安全破冰弹的研制
从集中药包破冰试验得知，水中爆破破冰比冰上裸露爆破的效果大10倍以上，但是水中爆破必须先在冰上机械钻孔，能不能做到一弹两用，即打洞和入水爆破一体化。调研和查阅国内外资料后，对已有的两级破冰弹(水科院、重庆5013工厂合作研制的专用冰下破冰弹和济宁淄博732工厂研制的黄河防凌弹)在2013年3月爆破破冰试验中进行了实弹爆炸试验。从试验结果可以得到：(1)732工厂和5013工厂破冰弹的破冰效果相差不大；(2)两种破冰弹使用的炸药都是军用炸药，民间使用很少，申请困难；(3)都使用了金属，爆炸碎片飞到200m外，安全性差；(4)两种破冰弹弹体小、轻型，但是制作成本比较高。由于存在上述问题，我们进行了改进，吸取了 732工厂和5013工厂破冰弹的长处，炸药采用乳化炸药，弹体制作全塑化，改进后的新型破冰弹(S-A-PBD)-01)如图5所示。
2014年2月18日～2月20日，对改进后的两级时差安全破冰弹进行了试验，其破冰效果与2013年的试验相近，安全效果十分理想，破碎的塑料飞散在40～50m范围内，不存在安全隐患。
3．3轻型两栖钻孔台车
研制了专用破冰弹，下一步就是应用什么装备予以实施。由于冰上作业与陆地作业不同，特别是冰上作业的安全性必须保证，因此研制相应配套的设备和机具，也要适合冰上安全作业的条件，以完成钻孔、装药、起爆整个爆破破冰的施工作业。
在试验初期，冰盖钻孔采用的是内燃螺旋钻机，钻头直径为Ф180～250mm。它需要两个人在冰上操作，安全得不到保障。因此，需要研制能够在冰上进行机械钻孔的台车来取代人工作业。
钻孔台车必须适应水、冰两栖作业。我们进行了大量调研，参考了国外引进的破冰机械，应用了军用装甲车的技术，与有关单位共同研制了轻型的冰上钻孔台车，如图6所示。根据冰性脆且抗拉强度小的特点，配备液压螺旋钻机进行钻孔作业。
轻型冰上钻孔台车的技术性能参数见表3。
台车上有爆破作业配套的液压螺旋钻机、装药作业平台和切割锯，具有冰上钻孔、冰盖切割、布设破冰弹和连接爆破网路等作业功能，可以承担破冰开凿流凌通道，破碎水中和冰塞上面的大块冰凌，在冰坝关键部位上布置破冰弹瓦解溃坝的任务。
3．4冰上轻型混装炸药车
试验初期，采用的是卷装的乳化炸药，人工制作药包。在制作成定型的潜水破冰弹以后，弹体用药卷来装药比较麻烦，如果采用现场混装炸药灌装就比较方便，可以提高作业效率。在2013年3月的破冰试验中，我们应用混装乳化炸药车在现场灌装了大量的条形药包，事实证明装药速度有很大提高(如图7所示)。但是矿山应用的混装装药车比较大，我们需要的是能在冰上进行装药作业的小型台车。于是与北京矿冶研究总院、山东沃尔华集团公司合作研制了新型的冰上混装乳化炸药车(如图8所示)。
新型冰上混装乳化炸药车的技术参数见表4。
3．5无人机投送破冰弹专用系统
破除大块流凌是防止冰塞、冰坝形成的有效方法，但是冰凌是流动的，用船只靠近冰凌人工投掷炸药包的方法很不安全，而且药包定位不好控制，能不能应用近年来发展的无人机进行地面遥控投弹，我们进行了初步设计构想，如图9所示。
2012年3月，应用风扇形无人机和螺旋桨形无人机的无人机进行了投掷试验。试验结果显示：风扇形无人机的性能不稳定，遥控装置操作复杂，难以操纵；螺旋桨形无人机载重量小，最大不能超过4kg，不能满足破冰的要求，必须予以改进。
课题组在总结上述试验的基础上，根据破冰的具体要求，研制了多旋翼形无人机，如图10所示。
无人机的技术性能参数见表5。
无人机在破冰爆破上的主要作用是投弹破冰，它可以运载专用破冰弹投掷到指定的大块冰凌上进行爆破，还可以对冰塞和冰坝的关键部位投掷潜水破冰弹进行水下潜伏爆破，也能够连续投掷两级时差破冰弹对冰盖实施破碎爆破。
它的投弹装置有电磁锁的挂弹器和延时起爆系统（如图11所示）。挂弹器可以套入专用破冰弹，卡住弹体。无人机可以携带破冰弹飞行至预定投放点后，通过地面遥控指令使电磁锁释放，破冰弹下落潜入到冰下，同时包裹破冰弹的水溶膜在水中溶解，破冰弹的浮子腔和弹体分离，由于浮力和定深绳的相互作用，弹体定深于水中（冰下）一定深度，按照设计指定的延时起爆，实施破冰。
4 研究和技术创新成果的应用
4．1 爆破理论研究成果的应用
(1)爆破破冰的“利文斯顿爆破漏斗效应”和爆破入水最佳深度的经验公式为爆破破冰关键技术参数的计算提供了科学依据，在爆破破冰工程上有着十分有用的价值。
(2)冰盖下水中爆破冲击波的传播规律和冰盖、黄河内堤的振动传播衰减规律，这在国内外是第一次，这对于进一步研究冰盖破碎机理和爆破对周围环境安全具有极大的参考价值，也为我国爆破破冰工程安全规程的制定提供了丰富的资料数据。
4．2技术创新成果的应用
防凌破冰爆破技术创新的成果已经在黄河防凌破冰中进行了实际应用，收到了很好的效果，得到黄河水利委员会、内蒙古水利厅等领导和当地政府有关部门的赞扬和肯定。
(1)群药包爆破冰盖，开凿流凌通道，疏导冰凌，预防冰塞冰坝的形成。应用集中药包，按照需要开凿冰凌通道的长度和宽度，在冰盖上用两栖钻孔台车钻孔，布放弹药，连线起爆。如2013年3月6日，布设的试验爆破孔位设计如图12所示。试验采用12个3kg集中药包，10个5kg的集中药包，入水深度1．5m，瞬时起爆，切割冰盖范围42m×60m，中心区域均匀布置3个10kg集中药包，入水深度1．5m，延时2．5s起爆。利用爆破能量和水中压力使整块冰盖破碎。试验破碎冰盖2520m2，在经过24h以后，发现爆破后已经破碎冰盖，整体向下游漂移了1．2km，达到了快速开启流凌通道的目的(如图13所示)。
(2)无人机投弹破碎大块冰凌、瓦解消除冰塞、冰坝。应用无人机装载潜水破冰弹，在上游投放，潜入大块冰凌们冰塞、冰坝下面，进行爆破破冰，能够阻止和瓦解冰塞、冰坝的形成，达到避免和消除冰凌灾害的目的。
2014年3月4日，在包头王大汉浮桥下游3km处有正在形成的冰塞，如图14(a)所示，我们设计在冰塞的左边，布设一排两级时差破冰弹，如图14（b）所示；在冰塞上游采用无人机连续投掷潜水破冰弹。两级时差破冰弹先爆，而后无人机投弹，如图14（c）所示。在无人机投掷两发潜水破冰弹后，这小段宽约60m的冰塞就开始瓦解溃移。
5结论
上述爆破破冰理论研究和技术创新成果是“十二五”国家科技支撑计划“应急装备关键技术研究与装备研制”科研项目“防凌破冰关键技术研究与装备研制”课题中的一部分。总课题已于2014年4月28 日，由主持单位公安部科技信息化局组织专家通过了验收。验收报告(即成果鉴定)中的有关结论如下：
(1)研制的以两栖破冰车、潜水爆破带、潜水破冰弹、双级差时破冰弹等为主体的疏导处险装备，主要指标经相关单位测试，均达到课题任务书的考核要求。
(2)课题研究在防凌工作思路、破冰理论和工艺方法、破冰技术装备等方面具有重大突破和创新。
(3)主要研究成果在黄河开河期进行了试验试用，运用该成果先后消除三处冰塞，实现了提前干预、主动疏导、平稳开河的良好效果，得到了国家防总、水利部黄河水利委员会、内蒙古自治区等单位领导和专家的认可，具有广泛的推广和应用前景。
参考文献
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摘自《中国爆破新进展》