高强度钢管约束下小直径乳化炸药爆速特性文献学习体会

一、文献概况与研究背景

本文出自李雅茹、孙金山等学者，发表于2025年《工程爆破》第31卷第1期，研究编号5661。该文献聚焦于隧道钻爆施工中一个长期被忽视但极为关键的技术问题：小直径炮孔约束条件下乳化炸药的爆轰性能。在矿山、隧道等光面爆破工程中，周边炮孔直径通常为30～42 mm，但在某些特殊工况下，如薄壁围岩、狭窄空间或精细爆破作业，炮孔直径可能缩小至20 mm以下。传统认知认为，小直径炮孔内药卷因侧向能量损失严重，难以实现稳定爆轰，这直接限制了光面爆破工艺的适用范围。

该研究采用高强度无缝钢管模拟炮孔侧向约束条件，这一选材思路值得深思。无缝钢管具有均匀的壁厚、良好的环向约束能力和可重复性，能够精确模拟炮孔岩壁对药卷的径向约束作用。五段爆速仪的使用确保了爆轰波传播过程的精确记录，为后续数据分析提供了可靠依据。

二、核心实验设计与关键发现

2.1 实验方案解析

研究选取了三种直径的无缝钢管（11 mm、16 mm、20 mm）作为约束条件，对三种不同直径的乳化炸药药卷进行爆速测量，并与无约束条件下的爆速进行对比。此外，在直径11 mm钢管约束下，系统研究了不同密度药卷的爆速变化规律。

2.2 核心发现解读

第一个关键发现是：直径11、16和20 mm钢管约束下，乳化炸药均能实现稳定爆轰，且爆速随钢管直径增加而增加。直径20 mm约束下药卷爆速可达4532.58 m/s，这一数值与直径32 mm工业药卷的爆速相当。这一结果具有重要的工程意义——它证明在强约束条件下，小直径乳化炸药完全可以达到工业标准的爆轰性能。

第二个关键发现是：无钢管约束条件下，侧向能量损失严重，直径小于等于20 mm的药卷均无法起爆。这从反面验证了约束条件对小直径药卷爆轰的必要性，也解释了传统光面爆破中为何对最小炮孔直径有严格要求。

第三个关键发现是：直径11 mm钢管约束下，药卷爆速随密度增加而线性降低，拟合相关系数高达0.97901。这一反直觉的结果值得深入分析——通常认为密度增大应提高爆速，但在强约束条件下，高密度药卷的爆轰波传播特性可能受到约束壁面反射波的干扰，导致能量耦合效率下降。

三、从钢管视角看约束机理

作为钢管制造领域的技术人员，我对该研究中无缝钢管的选用及其约束机理有更深层次的理解。

3.1 钢管约束的力学本质

无缝钢管在爆轰过程中充当的是刚性约束环。爆轰波在药卷中传播时，产生的高温高压气体径向膨胀，被钢管内壁限制，从而将原本会向侧向散失的能量转化为轴向爆轰波的增强。钢管的环向屈服强度（对于20#无缝钢管通常为245 MPa以上）决定了其能否承受爆轰压力而不发生塑性变形。

从钢管制造工艺角度分析，该研究选用的无缝钢管可能为冷拔无缝钢管（符合GB/T 3639标准），其壁厚均匀性（偏差控制在±5%以内）和内壁光洁度（Ra≤1.6 μm）对约束效果的稳定性至关重要。若钢管内壁粗糙度过大，会形成局部应力集中，影响爆轰波的均匀传播。

3.2 约束效率与钢管参数的关系

四、工程实践启示与思考

该研究对光面爆破工艺具有直接的指导意义。在实际隧道施工中，周边炮孔直径往往受钻机能力限制，若能将最小炮孔直径从传统的30 mm降至20 mm，将显著降低围岩损伤，提高光面爆破效果。

然而，从工程落地的角度，我提出以下几点思考：

1. 钢管约束的可模拟性：钢管约束与真实岩孔约束存在差异。岩孔壁面粗糙度、岩体各向异性、节理裂隙等因素均会影响实际约束效果。建议后续研究采用人工岩孔或真实岩体进行验证。
2. 钢管损伤评估：爆轰后钢管必然发生不同程度的塑性变形甚至开裂。在重复使用场景中，需评估钢管的剩余约束能力。可采用超声波测厚（UT）检测钢管壁厚减薄情况，结合有限元分析评估其剩余强度。
3. 密度调控的工程可行性：研究证明在强约束下密度对爆速的影响呈线性关系，但实际生产中乳化炸药密度的调控精度有限（通常波动在±0.02 g/cm³）。需评估密度波动对爆速稳定性的影响范围。
4. 安全裕度考量：小直径药卷在强约束下爆轰能量集中，若约束条件突变（如炮孔堵塞、岩体破碎），可能引发超压或意外事故。工程设计中应充分考虑安全裕度。

五、学习心得

这篇文献给我最大的启示是：传统认知中的"不可能"往往只是未被充分探索的边界。小直径药卷无法起爆这一传统结论，在引入强约束条件后被彻底颠覆。这提醒我们，在工程实践中遇到技术瓶颈时，应回到基本原理层面思考，寻找新的约束条件或边界条件，而非简单接受既有结论。

从钢管制造的角度看，该研究也提示我们：无缝钢管在民用爆破领域的应用潜力远未被充分开发。未来可考虑开发专门用于爆轰约束的无缝钢管产品，制定相应的行业技术标准，推动这一交叉领域的发展。