Long-Distance Impact Detonation of Energy-concentrating Interval Charges and Its Application in Tunnel Blasting

在地球深处，在那些在坚硬岩石中开凿出的隧道里，开挖工作依赖于力量与精准之间的微妙平衡。为了在不破坏隧道壁或浪费能量的情况下破碎岩石，工程师们经常使用一种被称为“空气垫装药”（air-deck charging）的技术。他们并非用炸药填满整个钻孔，而是在各段装药之间留下微小的空气间隙。这种布置使爆炸能量能够更均匀地扩散，使岩石更有可能干净利落地断裂，而不是碎裂。几十年来，引爆这些分离装药的标准方法是沿着钻孔长度布置一根填充了高能炸药的细长柔性绳索。虽然这种方法行之有效，但安装过程复杂且存在显著的安全风险。近年来，工程师们一直在寻求一种更安全、更可靠的替代方案，能够在不需要长距离、脆弱绳索的情况下，从单一触发点引爆多个爆炸段。

来自山东科技大学的研究团队与几家铁路建设集团共同探索了一种新方法，即用一股集中的金属喷射取代传统的绳索。他们的研究重点是一种装置，该装置在被触发时会产生一个高速金属射流，沿隧道孔向下飞行并撞击下一段炸药。挑战在于距离问题；随着金属射流的飞行，它会减速并扩散，就像水流离开水管时失去压力一样。研究人员想要确切了解，金属射流在变得过于微弱以至于无法触发下一段爆炸之前，究竟能飞行多远，以及它是否能在真实的隧道环境中可靠地引发一系列连续爆炸。

为了回答这些问题，团队将先进的计算机建模与物理现场测试相结合。他们首先模拟了金属射流在形成并穿过钢管（模拟钻孔条件）时的行为。利用强大的软件，他们追踪了射流的速度以及它对撞击到的爆炸材料所施加的压力。模拟结果显示，金属射流的速度比初始爆炸产生的冲击波更快，会先到达下一段装药。当射流撞击爆炸物时，会产生一个微小而剧烈的热点和压力点，即所谓的“热点”，从而引燃材料。计算机模型显示，理论上这一过程在长达2.35米的距离内可以可靠运行，尽管研究人员指出，现实环境可能会使这一距离略有缩减。

随后，团队从计算机转向地面进行实地测试。他们使用无缝钢管构建了一个装置，以模拟隧道爆破孔的严苛约束条件。他们在特定间隔处放置了乳化炸药（一种常用的矿业炸药）段。其中一段配备了一个特殊的锥形衬层，旨在将爆炸能量聚焦成金属射流，而随后的各段则等待被触发。在第一组测试中，他们将炸药间距设为2.35米。结果非常成功：金属射流飞越了全长，撞击了第二段装药，并使其毫无差错地发生爆轰。在第二组测试中，他们排列了四个炸药段，间距为1米。金属射流成功触发了前三个部分，即使当射流开始破碎时，爆炸段产生的冲击波仍足以引爆最后一段。

这些实验证实，金属射流可以可靠地引发长距离内的爆炸，远超以往短距离测试的能力。研究人员发现，随着距离增加，射流的速度会降低，这反过来增加了爆炸启动所需的时间。然而，即使在测试的最大距离2.35米处，射流仍保留了足够的能量来触发爆炸。这一发现表明，该方法足够稳健，可以在许多隧道施工场景中取代传统的雷管导爆索。

这一发现的实际意义在一次真实的隧道工程中得到了验证。施工队在十个独立的爆破周期中，用这些能量集聚装置取代了标准的导爆索。结果立竿见影且可衡量。新方法提高了爆破的稳定性，这意味着钻孔被更有效地用于破碎岩石。具体而言，相比传统方法，“半孔”（即隧道壁上留下的清晰、可见的痕迹，代表爆破精准度）的比例增加了近5%。此外，由于消除了对昂贵导爆索的需求并缩短了安装时间，该技术使每个周期的耗材成本降低了约3000元。研究结论指出，这种长距离冲击爆破法提供了一种更安全、更高效且更经济的隧道爆破方式，有望改变未来工程师处理深层开挖的方式。