2024年4月1日发(作者：是元冬)
第七章 聚能爆破
第一节 聚能弹基本原理及设计
聚能爆破，顾名思义，就是利用聚能原理加工制做的“聚能药包”，从工程爆破这一角
度来讲，是对土岩实施特殊的爆破，以达到人们所需要的目的，而其它爆破是无可比拟的。
“聚能药包”，也称“聚能装置”或“聚能弹”。称聚能药包或聚能装置比较确切，笔者
称聚能弹，有点牵强附会，因为“弹”，例如手榴弹、子弹、炮弹，都是弹体本身运动有一
定的距离后才产生作用，但由于笔者在部队工作时多年研究聚能药包用于特殊任务，人们习
惯上长期把聚能药包叫做聚能弹，故本章也沿用了这一称呼。
一、聚能弹结构作用原理
1．聚能弹结构
聚能弹的结构，是由金属罩、隔板、引信装置、炸药和支架等五部分构成，见图7—1。
2．轴向聚能效应
聚能弹的作用原理，主要是利用聚能效应。聚能效应就是极大地提高爆炸的局部作用，
利用弹体一端有凹槽，也称聚能穴，来获得。当弹体一爆炸，在凹槽轴向的猛度效应要比没
有凹槽的效应大得多。实验确定，如果在凹槽表面附有一层厚度适宜的金属罩，这种弹体的
穿甲深度比没有金属罩的凹槽弹体提高多倍，其对比结果列于表7—1。
l一引信装置，是一个8号电雷管或非电雷管；2一隔板，普遍采用木质、硬
纸、夹布塑料、石墨或低爆速炸药等材料加工制成，隔板的形状多是圆台
形；3一炸药，弹体装药成分是高猛度炸药，例如梯恩梯[C6H2(NO3)CH3]、
黑索金(C3H6N6O6)、“8321”炸药等。装药分熔注、塑装和压药等多种方法，
熔注或塑装适合于体积较大的弹体，压装适合于体积较小的弹体，熔注或
塑装这两种装药，密度虽然小于压装，但不需要压药设备，操作也简单安
全。压装炸药需成套模具和油压机等设备，密度大；4一金属罩，一般采用
紫铜、铁、铝或非金属材料冲压或铸造而成；形状有半球形，圆锥形、双
曲线形或抛物线形等；5一支架。三根支褪及其连接支腿的托盘，称为支
架。采用铁管或本质材料做成。
表7—1所示的作用效应有如此显著的差异，是因为一般的装药(无凹槽)，在引爆后，
由于爆炸能量随着爆炸产物和冲击波的运动在不断增大的类似球形体内扩散，因而气体的基
本参数(压力、速度、密度)下降很快；可是有凹槽的装药，在凹槽区域却能够大大地增高爆
炸产物的密度，提高爆炸产物的压力和速度，从而增高爆炸产物和冲击波的能量密度。这样，
基本参数不但不下降，反而增大。这种沿凹槽轴向爆炸产物增密并加速运动的聚能效应，称
之轴向聚能效应。
在凹槽表面附一金属罩，其主要作用是更进一步地增高能量密度，加强聚能效应。
3．金属射流的形成
聚能弹在地面上爆炸造成一定直径、一定深度的竖井，其竖井的形成并非弹体本身钻入
土中挤压所致，而是当弹体在地面上爆炸形成一股金属射流穿入地面，土质被高能量、高压
力、高速度的金属射流作用向四周挤压的结果形成竖井。
圆锥形冲压紫铜金属罩，其金属射流形成的过程是：炸药引爆后，所形成的爆轰波传到
装药介面(凹槽表面)时，其爆压近似垂直作用金属罩表面，金属罩环被四周均匀的压力压向
中心，罩环逐渐变厚，最终罩环中心层金属聚合相碰挤出射流。在四周力的作用下，金属射
流只能朝一个方向(向弹体下)射出。实践指出，射流仅占金属罩原重的6％～15％，其余的
被挤压成致密实体——“金属杵”。杵体运动比较慢，其运动速度为500～1 000m／s。射流
的速度比较大，还有速度梯度分布，射流头部速度约104m／s，尾部接近杵体速度。
铸铁的圆锥形金属罩，经笔者试验，其杵体与冲压的圆锥形紫铜罩的杵体形状截然不同，
前者没有形成完整的杵体，而是一些碎块，其原因是因为铸铁比冲压紫铜的熔点低、材料性
能脆所致。
半球形金属罩，无论是冲压紫铜还是铸铜金属罩，射流和杵体形成的机理不同于锥形金
属罩。半球形金属罩在爆轰波作用下，在压塌金属罩过程中，金属罩逐渐向外“翻出”，即
金属罩内表面变成外表面，而外表面变成内表面。半球形金属罩变化及其形成射流过程如图
7—2所示。
图7—2指出了半球形金属罩在不同时间间隔的变形程度。形状E，表明半球顶部被挤压
向前了；到了形状F，金属罩内表面已经基本翻出来，成为一锥
体；到了形状G，看到金属罩已经合拢并挤出一股向下运动的
射流。金属罩的顶部形成了射流的头部，而边部向后合
拢跟随在后面。图中，把金属罩分成许多微元，当一质量dm的
微元到达轴线时，它被分成两部分，一部分dm
i
进入到射流，
而另一部分质量dm
s
进入杵体。质量dm在dm
j
和dm
s
中的分配，
仅取决于压塌的罩同轴线的夹角。微元中金属的大部分都进入
射流中去，所以整个射流将比锥形金属罩的细射流显得粗。整
个半球形金属罩相继形成射流与杵体，而没有形成完整粗大的
杵体。笔者试验的铸铜半球形金属罩和冲压紫铜半球形金属罩，前者收集到的杵体仅仅是些
碎块，其重量占罩重的6％；后者收集到的杵体也是碎块，另有一圆环圈，占罩重的24％。
半球形金属罩形成的射流虽然比锥形金属罩形成的射流粗，但射流速度要小，不但如此，
锥形罩形成的射流是连续的，尾随整个射流的后面是杵体。但是半球形金属罩不是这样，由
于每一微元一部分形成射流，另一部分形成杵体，而杵体又在另一微单元形成射流之前被加
速，这样射流和杵体是互相交错的，射流不连续的。
笔者认为，对于作用目标是钢板或坚硬岩石时，锥形金属罩比较
好；而对于作用对象是土质的，两种形状的金属罩，其穿孔深几乎一
样，但穿孔直径半球形金属罩要大些。
4．隔板的作用
在弹体结构中，除金属罩的主要作用外，隔板材质选择的适宜，
形状尺寸设计的合理，对提高穿孔深度作用比较大。
隔板的作用是：由于弹体中放入隔板，不但可以促使爆轰波同时
到达凹槽表面，而且可以改变压垮金属罩的爆轰波作用方向，它使爆
轰波压垮金属罩的方向与金属罩母线夹角增大，使金属罩趋于被爆轰
波垂直压垮，使金属罩环高速集中于罩轴，形成更为集中的射流。
分析一下隔板改变爆轰波方向的过程，如图7—3所示，波系A
由于没受任何阻碍，在任何位置上均比同位置的通过隔板其爆速被
削弱的波系B超前，因而形成了一簇中间凹、四周凸的环形爆轰波
作用于金属罩上。金属罩受到A和B组成的波簇作用，改变了原来
未加入隔板时受力状况(单纯凸形波，非垂直作用于金属罩母线上)，
使得爆轰波对于金属罩的作用近似垂直母线方向，减少爆轰产物的
侧向飞散，使有效装药量相应增多，因而加强对金属罩的挤压，有
利于射流的形成。
当无隔板时，如图7—4左侧所示，对参考点A，爆轰波方向与
金属罩母线交角很小，一般可视为平面波从金属罩面滑过，因此金
属罩面微元A、B所分配的炸药(有效部分)可视为ABCD所包围的
部分；而加入隔板后，如图7—3右侧所示，由于通过隔板的爆轰波比未通过隔板之爆轰波
滞后一段时间，造成金属罩环形压缩，使爆轰波方向与金属罩面夹角增大，即ф′
A
>
ф
A
。这
样，一则减少爆轰产物侧向飞散，使有效装药相应增多，二则使金属罩受力状况发生改变，
使爆轰波对金属罩的作用接近于正反射，从而加强对金属罩的挤压作用。
5．支架的作用
实践证明，聚能弹在地面支起的高度不同，其穿孔深度也不一样。各种聚能弹都存在最
佳炸高，即穿孔最深时弹体被支起的高度。要使射流充分发挥作用，须使弹体距地面有足够
的高度，这个高度要适当，过高时射流作用到地面前，因速度梯度的影响，射流可能被拉断；
过低时射流没有充分伸长就作用到地面上，降低射流利用率。只有弹体离地面有一定高度，
即最佳支架高时，就能避免过高或过低时出现的不良现象，使射流发挥应有的作用。
二、聚能弹设计
根据研制聚能弹用于排除定时弹的特殊目的，笔者经多次实地试验以及对多种土质穿孔
效果的分析比较，现已总结出聚能弹设计一套方法简述如下。
(一)半球形金属罩的聚能弹
为了便于说明，现将半球形金属罩的聚能弹结构简绘成图7—5。
对于半球形金属罩的聚能弹，根据要求的穿孔深度和口径，首
先确定的是半球形金属罩的半径及。实践经验指出，穿孔深度要求
为2～4m时，R可选为90mm；穿孔深度为5～8m时，R可选为150～
170mm。
聚能弹其它参数的确定如下：
1．装药直径丸的确定
装药直径丸，取决于金属罩口径фc，фc＝2R，一般取фc/ф
b
=90％以上，5c。过大并不
好，因聚能弹底部的炸药对射流的形成作用不大，这部分炸药爆炸向四周飞散，所以尽量使
ф
b
趋近于ф
C
。当其他参数不变时，只变化ф
C
／ф
b
的比值，笔者曾试验了ф
C
／ф
b
=74％、80％、
92％和95％等四种比值，其试验结果对穿孔均无影响。因此可将聚能弹下半部设计成如图7
—6所示的形状。
2．隔板和其四周炸药尺寸的确定
隔板对射流形成的作用前面已经述及，但是隔板在聚能弹体中的位置及其尺寸不合适，
不但不能提高穿孔深，反而会降低穿孔深，因此准确地确定隔板的位置及其形状尺寸，是十
分重要的。
如图7—5所示，隔板下底面与金属罩顶的距离ad=A一B一
C的长度为1／3 隔板厚(B一D)确定的原则： 一旦聚能弹起爆，假定从起爆点沿着炸药传播的爆轰波，和 通过隔板并把隔板下的炸药引爆的爆轰波同时到达金属罩外表面 上，根据爆轰波途径的距离、传播的速度，可以建立如下公式： ф d ／2T 1 +de／T1十B／T 1 ＝D／T 1 +(B一D)／T 2 +ad／T 1 式中 T 1 ——爆轰波在炸药中传播的速度(爆速)； T 2 ——冲击波在隔板中传播的速度。 当式中的de、ф d 和ad的长度已知时，则隔板的厚度(B一D)就可以计算出来。 隔板直径九的确定，是从假定的ф D 两端引垂直线，能与金属罩母线的2／3(从金属罩 顶开始)处相交，则假定的ф D 符合实际，否则加大或缩小ф D 。 隔板四周药厚匙 a D 2 些的确定，一般要稍大于炸药爆轰的临界直径，常取15mm左 右，能稳定传播爆轰波。隔板上面的药厚D要比 a D 2 略大些，其目的在于炸药爆炸后， 爆轰波通过隔板，逐有能量足以把隔板下面的炸药引爆。 根据以上确定的原则，隔板直径ф D 与ф c 的比例为70％一80％；隔板与金属罩的距离 ad与ф c 的比例为25％一60％；隔板厚度(B一D)与ф C 的比例为15％一40％。 聚能弹下半节高度C与久的比例为l／2。 聚能弹顶直径ф a ≤ф b 即可。 隔板材质的选择应满足以下几点要求： (1)比重小，质地细密，以保证有良好的隔爆性能； (2)组织均匀，以保证爆轰波的对称性； (3)可压缩性好，脆性小，保证既有良好的隔爆性能，又有一定的强度，而不致过早地 被摧毁； (4)在作用过程中，不会生成影响爆轰波稳定传播的坚硬产物。 按照上述四点要求，对于较大的聚能弹，以选择木质材料做隔板 为好；对于较小的聚能弹，采用夹布塑料或黏土掺锯末等为好。对于 黏土掺锯末作为隔板材料，其比例是95％的干黏土压细与5％的细锯 末均匀混合，装入模具内，利用压力机压缩成型。 3．金属罩壁厚t的确定 半球形金属罩为等壁厚，但金属罩壁厚要选择得适宜。过薄,不能增加射流的能量；过 厚，金属罩环加速的距离短，速度小，并且壁过后强度大，有效装药大部分能量在金属罩被 挤压的过程中被消耗掉。 笔者所研制的聚能弹，当半球形金属罩直径ф c 为180mm时，设计的冲压紫铜金属罩壁 厚t为10mm，则t／ф c =5．5％，其穿孔效果比较好；当半球形金属罩直径为340mm时， 对铸铁、铸铝的金属罩设计了金属罩壁厚t分别为10、15、20mm，20mm以上没有设计， 其穿孔效果都是壁厚t为20mm的好(见表)，对铸铜的仅设计了壁厚t为15mm。以上三种 材料，以铸铜、铸铁为好，t／ф c ≥5．9％为宜。 (二)圆锥形金属罩聚能弹 现将圆锥形金属罩聚能弹结构简绘成图7—7。 对于作用介质是土(或冻土)或松软岩石时，设计的内锥角α 1 与外锥角α 2 为两种，一种为α 1 ／α 2 ＝46º30′／48º，另一种为α 1 ／α 2 =50º／52º40′。锥顶半径，为r／D 2 ＝8％～12％，D 2 为圆锥 形金属罩底内径。锥高H 0 ~D 2 。金属罩的壁厚变化率为1％～2％， 锥顶厚可取5～7mm。 隔板与锥顶的距离S为S／D 2 ＝1／5～1／4，隔板直径ф D 为ф D /D 2 ＝3／4，隔板厚度B为B／D 2 ＝15％～25％。 聚能弹外形尺寸与D 2 的关系，与半球形金属罩的聚能弹大 致相同。 (三)聚能弹弹体外壳的设计 笔者所研制的聚能弹，对于压装炸药的聚能弹是无外壳的， 而对于熔铸炸药的聚能弹多数有外壳，其外壳是用厚1 mm以上 的铁板加工制做的，设计的外壳尺寸要与弹体内炸药的尺寸相吻 合。聚能弹有无外壳，对聚能效应无影响，致所以有外壳，其作用是为了对熔铸或塑装炸药 成型；如无外壳，必须有一套模具，如果弹体已定型或大量使用同一种聚能弹，还是加工制 做一套模具为好，这要比用铁板加工外壳便宜，而且装药尺寸有保障。 (四)支架高的设计 试验的半球形金属罩聚能弹，如图7—8所示的结构，最佳炸高为金属罩口径的4倍， 其穿孔深与炸高的关系见图7—9。 试验的圆锥形金属罩聚能弹，其结构如图7—10所示，图中各符号与图7—8相同，最 佳炸高为金属罩口径的3．5倍，其穿孔深与炸高的关系见图7—9。 确定最佳炸高的方法如下， 为确定每种类型聚能弹炸高，如果将炸高每隔金属罩口径的1／2试验一次，调整间隔 比较大，而所试验得到的最佳炸高(支架高)不够准确。为此，笔者采取的试验方法是，首先 初步确定炸高的变化范围，例如，对于金属罩口径370mm的聚能弹，支架高度变化选择为 740～1 800mm(2—5倍金属罩口径)之间，支架高假如每次试验变化50mm，按均分法试验原 则，需试验22次，每次重复3个聚能弹，合计需试验66个聚能弹，这是不经济的，也没有 必要。笔者采取优选法试验5～6种不同的炸高，就可得到准确的最佳炸高，可节省聚能弹 67％一69％。 (五)聚能弹装药成分的选择及装药工艺 对于聚能弹装药成分，可根据炸药的爆热和爆速两个参数来选择。一般是选择爆速大的 炸药作为聚能弹的装药。 军事上的破甲弹，多采取注装的50％黑索金和50％的梯 恩梯，或装钝感的黑索金。 笔者曾做过不同装药成分和装药方法的对比试验，例如塑 态装药，把20％的梯恩梯熔化，再把80％的黑索金掺入拌搅， 这种塑态炸药的爆速为?500m／s；注装梯恩梯炸药，即把梯恩 梯熔化后倒入弹壳中或模具中，其爆速7 000m／s，要指出的 是，对于注装炸药，不能一下注满弹壳中，要有一定的间隔时 间分次逐步注满，注满后的弹体要放在一定温度的地方，使熔 化后炸药逐渐降温，否则炸药中因收缩不匀产生小空洞；散装 的硝铵炸药，其爆速为4 000～5 000m／s。这几种装药从实际 穿孔深比较，以塑态装药的比较好，注装的仅为塑装的穿孔深 的80％，而硝铵炸药穿孔很浅，是不可采用的。以上的结果说 明，爆速在7 000m／s以下的炸药不适宜用于聚能弹。 对不同品种的压装炸药，笔者也做了穿孔深的对比试验，采用的炸药有“8321”炸药， 爆速8 300m／s；黑索金炸药(钝感)，爆速8 000m／s；梯恩梯炸药，爆速7 000m／s。穿孔 试验表明，压装的“8321”与压装的黑索金炸药，其穿孔深相差甚微，穿孔最深，而压装的 梯恩梯炸药，其穿孔深仅为前两者的70％，这又一次说明，爆速高的炸药有利于穿孔深。 对于大型的聚能弹，一般可以采用50％的黑索金和50％的梯恩梯炸药注装，或采用80％ 的黑索金和20％的梯恩梯炸药塑装。以上两种装药方法比较简单，只要有符合要求的熔化 锅即可，便于现场注装。对于小型的聚能弹，采取上面两种方法也行，不过为了提高穿孔深 度和保障穿孔的稳定，拟采取压装黑索金炸药为宜。压装炸药，需要油压机和一套模具，适 于工厂生产。 第二节 穿孔试验 自1968年以来到1979年，十多年来笔者根据技战术的特殊需要，研制了多种类型和重 量不等的聚能弹。检验聚能弹性能如何，笔者采取的是实弹现场穿孔试验。现将各种类型不 同重量的聚能弹主要穿孔结果叙述如下。 一、装药量90kg的聚能弹 装药量为90ks的聚能弹，其金属罩青一色为半球形，而且是铸造而成，即铸铁、铸铝、 铸铜；装药采取的是注装工艺。这种聚能弹结构，如图7—11所示。 图7—11所示的聚能弹各部分重量、金属罩材料与壁厚、支架高及穿孔参数列于表7— 2，表中最后一行为分体聚能弹，如图7—11(b)所示。 图7—11 装药量90kg的聚能弹(单位：mm) 1一引信装置，由特屈儿药柱(压装)和8号电雷管组成；2一隔板，材料为红松 木质，表面涂虫胶漆；3一金属罩，等壁厚，半球形，材料分铸铁、铸铝 和铸铜三种；4一支架，由三根铁管组成；5一炸药，50％黑索金和 50％梯恩梯熔注而成；6一外壳，用厚1．5mm的铝皮加工而成。 穿孔试验是在山东崂山进行的，其土质为天然含水量为21％，空隙比为0．574，空隙 度36．5％，土壤是砂黏土。不同金属罩材料、壁厚，其穿孔参数见表7—2，穿孔断面见图 7—12。 从表7—2和图7—12中分析比较可得到下列结果： 1．装药量为87kg、铸铁金属罩壁厚为20mm的聚能弹与所试验的其它聚能弹相，穿孔 深和可见深最深，分别为7．5m和6．9m。所谓“可见深”，就是从地面到孔内没见回落土 的深度。 2．为了搬运和使用灵活方便，把聚能弹分成上下两节，试验结果表明，对穿孔效果无 影响。 3．在装药量基本相等的条件下，而金属罩采用不同的材料和壁厚时，穿孔深度不一样， 例如，金属罩壁厚同是10mm的铸铁与铸铝相比，前者比后者穿孔深了2．2m，可见深深 了2．3m；同为铸铁金属罩，其金属罩壁厚20mm的与15mm相比，厚的比薄的金属罩穿 孔深了1．03～1．5m，可见深深了0．44—3．1m；同为铸铝金属罩，其壁厚20mm的要 比15mm的穿孔深了1．1～1．15m。分析得到的结果是，对于同一种材料的金属罩，罩厚 要比罩薄好，要指出的是，由于试验时聚能弹数量限制，对于图7—11所示的弹体，其金属 罩壁厚t≥20mm。金属罩三种不同材料，以铸铁、铸铁的比较好，铸铝的次之。 4．经试验确定最佳炸高(支架高)为金属罩外径的4．5倍。 二、装药量10kg以下的聚能弹 (一)铸铝金属罩塑装炸药 装药量7k8的半球形铸铝金属罩的聚能弹和装药量9kg圆锥形金属罩的聚能弹，其弹体 结构见图7—13。 这两种聚能弹结构组成部分及其材料成分基本与图7—11相同。铸铝半球形金属罩壁厚 7mm，圆锥形的为等厚13mm。塑态装药，即20％的梯恩梯熔化后加入80％的黑索金混合 而成。 这次试验是在辽宁海城进行的，土壤为砂黏土，天然含水量21．7％，空隙比0．95， 空隙度48．6％。 这两种聚能弹各部件重量及穿孔深见表7—3，穿孔断面见图7一14。 这两种聚能弹，经实际穿孔试验，半球形金属罩的聚能弹最佳炸高为金属罩直径的4～ 5倍，圆锥形的为3．5～4倍。 (二)冲压紫铜金属罩压装炸药 冲压紫铜金属罩压装炸药，有半球形和圆锥形金属罩的两种聚能弹。 圆锥形金属罩聚能弹，装药量为2．7k8，其结构如图7—15所示。 半球形金属罩聚能弹，装药量为4．58kg，其结构如图7—“所示。图7—16中的符号 与图7—15相同。 图7—15 装药量2．7ks聚能弹(单位：mm) 1一引爆雷管，8号电雷管，2一隔板，材料为夹布塑料，密度1．7g／cm 3 ， 3一辅助装药，其品种为“8321”炸药；4一主装药，压装“8321”炸药； 5一金属罩，冲压紫铜，其壁厚从锥顶的5mm变化到锥底的?mm，锥顶中 心角46°30′，外角47°58′，锥顶半径只为15mm; 6一托盘， 以木料加工做成，7一支架，以木棍做成。 以上这两种聚能弹各部件重量及其穿孔深见表7—4，穿孔断面见图7．17。 这次穿孔试验在沈阳两个地点进行的，土质情况见表7—4。 从表7—4可以看出： (1)土质的空隙度对穿孔深有一定的影响，同一种聚能弹，土的空隙度不同，穿孔深相 差0．8～0．9m。 (2)冲压金属罩和压装炸药的聚能弹，其穿孔性能比较稳定。 (3)压装的“8321”和黑索金炸药，比压装的梯恩梯炸药的穿孔深一些。 三、玻璃药型罩注装炸药的聚能弹 用玻璃代替金属材料加工而成的圆锥形玻璃罩的聚能弹，其结 构如图7—18，无外壳，装药量14．71ke，聚能弹全重17．31kg。 图7—18中有密密麻点的圆台为药饼，由黑索金压制而成，台 顶直径100mm，台底直径120mm，重0．57kg。其余装药采用50％ 黑索金和50％梯恩梯炸药熔注于模具中而成。上顶直径148mm、下 底直径140mm的倒立圆台为隔板，用细锯末、煤粉、细土和水混合 压成的，重o．8k8。玻璃药型罩，用普通耐温玻璃模压成圆锥形， 重1．8kg。 这次穿孔试验是值冬季，在青海省茶卡铁路支线附近的冻结黏 砂土中进行的。支架高均为1 m(4．5倍玻璃罩直径)，穿孔平均深 2．8m，孔口直径平均为0.2m，孔内无回落土，即可深为穿孔深。 第三节 实际应用 一、模拟排除定时炸弹 研制聚能弹的目的，主要用于排除定时炸弹。在50年代初的在朝鲜战争中，尤其是在 60年代中末期的越南战争中，美军为破坏铁路运输，干扰铁路抢修，经常在铁路沿线狂轰 泛炸，与此同时，还投下大量定时炸弹。为保障铁路畅通，我援朝和援越部队，通常采取人 工排除定时炸弹。人工排除定时炸弹，不但占用时间长，更为危险的是很难免人员伤亡。 越南战争，美军在越南北方投下的定时炸弹，由于土质松软，定时炸弹钻入地下3～4m 深，有的5～6m深(垂直深度，非钻入地下的斜长)。为避免人工排除定时炸弹所造成的伤亡， 研制聚能弹代替人工排弹事关重要。 研制聚能弹应满足的战术技术要求是：当确定某位置地下3～4m或5～6m深有定时炸 弹(探测定时炸弹另有课题研究)时，利用聚能弹迅速预以引爆，解决人工排弹占用时间长和 避免定时炸弹突然爆炸造成人员伤亡；对于聚能弹体积重量要求，便于携带，使用方便简单； 运输保管安全可靠；不受气候条件影响。 1．装药量90ks的聚能弹模拟排除定时弹 美帝在越南空投的定时炸弹，其弹体壁厚12mm，故模拟排除定时炸弹时，选用的“定 时炸弹”其壁厚也为12mm，即“100～114”航空燃烧弹(摘除了引信)代替定时炸弹。这种 航空燃烧弹全重104kg，装药量60kg，纵断面尺寸见图7—19。 这次利用聚能弹排除定时炸弹模拟试验是在山东崂山 黏砂土中进行的，其土质空隙度为33．2％。 首先把航弹埋入地下6m深(垂直深度)，然后在地面上 对准航弹的位置安放装药量90kg的聚能弹(见图7—20，铸 铁壁厚15mm)，起爆后形成5m深的可见孔，最后又顺着孔 把同一型号聚能弹送到孔底，起爆后经检查，航弹被击爆， 在地下6m处形成方圆3 m的空腔。第一次利用聚能弹排除 定时炸弹模拟试验获得成功。 2．装药量4．58kg的聚能弹模拟排除定时炸弹 这次排除定时炸弹模拟试验，采用“钢管弹代替定时炸弹。所谓钢管弹，就是选用长 50cm、外径17cm、内径15cm (壁厚20mm)的钢管，管内注装梯恩梯炸药13kg，“钢管弹’ 全重19kg。 这次利用聚能弹排除定时炸弹模拟试验，是在辽宁724厂附近进行的，其土质为砂黏 土，空隙度47．9％。 “钢管弹”如图7—21所示埋入地下4m深，然后在 地面上对准“钢管弹”所在位置安放一个装药量为4．58 kg 的聚能弹，其结构见图7—16。起爆后形成一个深2．5 m 的可见孔，顺着孔再送入一个同种类的聚能弹，见图7— 21。起爆孔中的聚能弹后在地面上形成一漏斗坑，挖开坑 后“钢管弹不见踪影，即全部爆炸了。第二次模拟排除定 时炸药又获得成功。 3．利用聚能弹排除定时炸弹的评估 利用聚能弹排除定时炸弹模拟试验，虽然仅进行了两次，但均成功，从模拟试验的结果 分析，利用聚能弹排除定时炸弹已达到前面述及的战术技术要求。 对于较大的聚能弹可以引爆埋深6m的“定时炸弹”，而对于较小的聚能弹可以引爆埋 深4m的定时炸弹，这就有力地说明利用聚能弹排除定时炸弹已达到了最主要的战术要求， 即可以排除钻入地下3—4m或5～6m深的定时炸弹。 所研制的聚能弹不但有较大的(还可以分两节)，还有较小的，而且两者还可以结合使用， 从聚能弹重量分析，也达到战术技术要求，即携带方便。 从聚能弹的安放到引爆，只需几分钟，如果考虑两次引爆，如图7—2l所示，也只需十 几分钟即可，这就达到了排弹方便迅速的战术技术要求。 因为聚能弹在使用一瞬间才安放引爆装置，所以运输、储存聚能弹是比较安全的。 聚能弹除使用时(已安放引爆装置)可能因雷电引起意外(遇到这种情况可摘除引信)外， 可以说不受气候的影响； 二、聚能弹在多年冻土地带工程爆破中的实际应用 聚能弹除用于军事上排除定时炸弹以外，由于聚能弹对一定作用介质具有很强的穿孔或 破碎作用，应用范围比较广泛，例如利用聚能弹进行岩石二次破碎，排除沉井中的孤石，水 下输水导坑的开挖等等，还可以用其成孔代替人工开挖电线杆坑，但是在工程爆破中更为主 要的作用是多年冻土爆破。现将在多年冻土爆破的实际应用介绍如下。 为了研究在多年冻土地带修建铁路的施工方法，从1975年开始，在青藏高原多年冻土 地段的西大滩、清水河、风火山等处进行了铁路试验工程。根据多年冻土的特性及现有的机 具设备，对路堑开挖、明挖桥涵基础，采取了地质钻钻孔爆破。地质钻钻孔速度慢，占用人 力多，费用高，在高原严重缺氧的气候条件人力施工，消耗体力大，影响人身健康。为了改 变这种笨重的施工方法，加快施工进度，曾利用聚能弹代替地质钻进行打孔，实践证明，聚 能弹在多年冻土中穿孔是可行的，占用人力少，劳动强度低，施工速度快，在多年冻土地带 使用聚能弹有其特殊作用。 现仅就桥涵基坑和路堑开挖等工程使用聚能弹爆破的实际情况分述如下。 1．多年冻土穿孔试验 在应用聚能弹爆破开挖路堑和桥基坑之前，为了检验聚能弹在多年冻土中穿孔情况，在 风火山附近东大沟进行了穿孔试验。 风火山地带自然条件：海拔高程4 800m，大气压560×10 2 —600×10 2 Pa，年平均气温 一2~7℃；冻土地层土质是，0～0.2m为草皮，0.2～0.6m为黏砂土，含水量ω＝23．5％， 密度δ w ＝1．80 g／cm 3 ，0.6～1．2m为黏砂土夹碎石，ω=8。5％～14．5％，δ w =2．24g／ cm 3 ，1.2～1.5m为风化砂页岩，较坚硬，ω=12％～16%。δ w ＝2.07—2.25g／cm 3 ，1.5m为永 久冻层上限，1.5～4.0m为饱冰冻土及含土冰层，体积含冰量达80％～90％，δ w ＝1.03—1.07g ／cm 3 。 东大沟地形为一平缓山坡，其地质情况如上述。试验穿孔的聚能弹装药量为26．9kg， 全弹重38．6ks，注装各50％的梯恩梯和黑索金炸药，金属罩为铝青铜铸造而成的，其弹体 结构见图7—22。 穿孔深为3．8m(可见深度)，孔径10cm，孔底为壶形，可容纳14kg 2号岩石硝铵卷药， 炸药引爆后形成漏斗坑，爆破漏斗直径为4．5m，见图7—23。 这次试验表明了聚能弹在上述地质条件下，即多年冻土中可以穿孔，而且孔底成壶形， 非常利于药壶法爆破。 2．风火山路堑开挖穿孔爆破 风火山铁路试验工程DK0十50～DK0+81.5地带为路堑开挖。由于施工方法不当，把 1.5m厚的融土挖掉后，冰层全部暴露在外，在日照下，边坡融化下塌，所以必须对3m厚 的冰层进行迅速开挖，用装药量26．9kg的聚能弹代替地质钻钻孔，在冰层上相距3．5 m 布置多个聚能弹同时起爆，结果形成了可见深2．2～2．5m深的孔，而且孔底成壶形，在 壶中各装了26ke硝铵炸药，爆破后形成一条沟槽，再用推土机推到了路堑设计高程。从聚 能弹穿孔到往孔中装药堵塞连线起爆仅用了两个多小时，就完成了地质钻需几天才能完成的 工作量，不但如此，还缩短了路堑开挖后冰层暴露时间，这对多年冻土在夏季爆破保障路堑 施工质量作用更大。 3．风火山涵洞基坑穿孔爆破开挖 风火山铁路试验工程DK0+230处为一座涵洞，当挖完了1．5m深的融土后，出现了冰 层和混杂着一定数量的土夹石。在这样地质条件下，利用了如图7—21所示的聚能弹进行了 穿孔。在基坑长宽各约8m的中间位置只安放了一个聚能弹，结果穿孔可见深4m，孔底呈 现壶形，在壶内装了16kg硝铵卷药，引爆后形成了一个大漏斗坑，并有冰、土夹石等被抛 出基坑外，其余全部松动，利用W—60挖掘机在较短的时间内就顺利清除完毕，基坑断面 尺寸符合设计要求。 上面几处提到所穿孔的孔底为壶形，其原因是，当高温、高压、高速度的金属射流达到 一定的穿孔深度之后，压力、速度都迅速降低，当射流作用力小于介质的阻力时，射流已不 能继续穿孔，这时一定温度的射流和热容量较大的杵体终止于孔底，使冰层、冻土融化、受 挤压，故孔底成壶形。 4．桥基坑开挖穿孔爆破 青藏铁路茶卡支线寺院车沟桥基坑明挖，于严寒季节施工。土质为冻结粘土，表层0．1m 可用钢钎开凿，0．1m往下就开凿不动了，于是采用了图7—18所示的聚能弹穿孔，平均穿 孔可见深2．8m，孔口直径0．2m，然后往孔中装炸药，共计爆破了450m 3 。从穿孔到爆破 只用了半天时间，清方后的基坑断面尺寸达到了设计要求。 5．西大滩冻土穿孔爆破 为配合一机部高原工程机械样机现场考核试验，于严寒的冬季，在西大滩(距风火山约 100km)处利用图7—18所示的聚能弹穿孔爆破冻结砂土夹碎石、卵石。在200m 2 的地表上 按照3—5m的间距梅花形布置了21个聚能弹，一起引爆穿孔，平均穿孔深2m，每孔平均 装药10k8，爆破了400多立方米，单位耗药量约0．5k8／m 3 。从安放聚能弹到往孔中装药 爆破只用了约3h，爆破深度和方量均达到预期的目的。 6．聚能弹多年冻土穿孔爆破经济技术效果分析 聚能弹在多年冻土地带代替钻机穿孔，其生命力如何，第一要看它是否达到钻机成孔的 质量；第二是否经济；第三成孔速度是否比钻机快。实践证明，聚能弹穿孔其有很强的生命 力，在冻土爆破方面有广泛的使用前景。 (1)聚能弹穿孔效果好 对于低梯段的深孔爆破，钻机的口径为10cm左右比较经济，而利用聚能弹穿孔的口径 可达到这一要求，并且成孔垂直度与钻机成孔一样平顺。穿孔深3m左右，这对于多年冻土 地带的多数3～4m深的路堑和桥涵基坑开挖可以达到要求。聚能弹穿孔尤为突出的特点是， 孔底呈壶形，可集中装药，这对冻土松动爆破是十分有利的，这一点，是钻机钻孔无可比拟 的。 (2)聚能弹穿孔速度快 由于多年冻土地带地质的特殊性，岩石潜孔钻机无法钻孔，所以目前多采用地质钻钻孔， 但钻孔速度慢，效率低，例如DPP—100型汽车地质钻和Ⅺ—100—1型手把地质钻，其成 孔率为每台班5～6m，这对大面积开挖爆破施工是无能胜任的。而聚能弹穿孔，可以“万炮 齐鸣”，几十个聚能弹按照一定的孔距和排距安放好，可以同时“点火”起爆，这对一定开 挖面积的路堑或桥涵基坑，可在一天，甚至更短的时间，达到穿孔和爆破的目的，极大地加 快施工进度，保障施工质量，所以用聚能弹代替钻机钻孔，对高原缺氧的多年冻土地带快速 修建铁路，必将起到十分重要的作用。 (3)聚能弹穿孔爆破经济效益高 对多年冻土穿孔使用的如图7—18所示的聚能弹，其成本费每个弹为35元(70年代末 价格)，以穿孔深2．8m计算，平均每延长米费用为12．5元，而地质钻每台班150元，钻 6m深，则平均每延米费用为25元。可见聚能弹穿孔费用仅为地质钻的一半。 (4)减轻劳动强度 在青藏高原多年冻土地带严重缺氧的气候条件下，减轻繁重的体力劳动是十分必要的， 但使用地质钻机钻孔，需要几个人操作，劳动强度大，费体力，而使用聚能弹穿孔，则大大 减轻劳动强度，这对人的身体是十分有好处的。
2024年4月1日发(作者：是元冬)
第七章 聚能爆破
第一节 聚能弹基本原理及设计
聚能爆破，顾名思义，就是利用聚能原理加工制做的“聚能药包”，从工程爆破这一角
度来讲，是对土岩实施特殊的爆破，以达到人们所需要的目的，而其它爆破是无可比拟的。
“聚能药包”，也称“聚能装置”或“聚能弹”。称聚能药包或聚能装置比较确切，笔者
称聚能弹，有点牵强附会，因为“弹”，例如手榴弹、子弹、炮弹，都是弹体本身运动有一
定的距离后才产生作用，但由于笔者在部队工作时多年研究聚能药包用于特殊任务，人们习
惯上长期把聚能药包叫做聚能弹，故本章也沿用了这一称呼。
一、聚能弹结构作用原理
1．聚能弹结构
聚能弹的结构，是由金属罩、隔板、引信装置、炸药和支架等五部分构成，见图7—1。
2．轴向聚能效应
聚能弹的作用原理，主要是利用聚能效应。聚能效应就是极大地提高爆炸的局部作用，
利用弹体一端有凹槽，也称聚能穴，来获得。当弹体一爆炸，在凹槽轴向的猛度效应要比没
有凹槽的效应大得多。实验确定，如果在凹槽表面附有一层厚度适宜的金属罩，这种弹体的
穿甲深度比没有金属罩的凹槽弹体提高多倍，其对比结果列于表7—1。
l一引信装置，是一个8号电雷管或非电雷管；2一隔板，普遍采用木质、硬
纸、夹布塑料、石墨或低爆速炸药等材料加工制成，隔板的形状多是圆台
形；3一炸药，弹体装药成分是高猛度炸药，例如梯恩梯[C6H2(NO3)CH3]、
黑索金(C3H6N6O6)、“8321”炸药等。装药分熔注、塑装和压药等多种方法，
熔注或塑装适合于体积较大的弹体，压装适合于体积较小的弹体，熔注或
塑装这两种装药，密度虽然小于压装，但不需要压药设备，操作也简单安
全。压装炸药需成套模具和油压机等设备，密度大；4一金属罩，一般采用
紫铜、铁、铝或非金属材料冲压或铸造而成；形状有半球形，圆锥形、双
曲线形或抛物线形等；5一支架。三根支褪及其连接支腿的托盘，称为支
架。采用铁管或本质材料做成。
表7—1所示的作用效应有如此显著的差异，是因为一般的装药(无凹槽)，在引爆后，
由于爆炸能量随着爆炸产物和冲击波的运动在不断增大的类似球形体内扩散，因而气体的基
本参数(压力、速度、密度)下降很快；可是有凹槽的装药，在凹槽区域却能够大大地增高爆
炸产物的密度，提高爆炸产物的压力和速度，从而增高爆炸产物和冲击波的能量密度。这样，
基本参数不但不下降，反而增大。这种沿凹槽轴向爆炸产物增密并加速运动的聚能效应，称
之轴向聚能效应。
在凹槽表面附一金属罩，其主要作用是更进一步地增高能量密度，加强聚能效应。
3．金属射流的形成
聚能弹在地面上爆炸造成一定直径、一定深度的竖井，其竖井的形成并非弹体本身钻入
土中挤压所致，而是当弹体在地面上爆炸形成一股金属射流穿入地面，土质被高能量、高压
力、高速度的金属射流作用向四周挤压的结果形成竖井。
圆锥形冲压紫铜金属罩，其金属射流形成的过程是：炸药引爆后，所形成的爆轰波传到
装药介面(凹槽表面)时，其爆压近似垂直作用金属罩表面，金属罩环被四周均匀的压力压向
中心，罩环逐渐变厚，最终罩环中心层金属聚合相碰挤出射流。在四周力的作用下，金属射
流只能朝一个方向(向弹体下)射出。实践指出，射流仅占金属罩原重的6％～15％，其余的
被挤压成致密实体——“金属杵”。杵体运动比较慢，其运动速度为500～1 000m／s。射流
的速度比较大，还有速度梯度分布，射流头部速度约104m／s，尾部接近杵体速度。
铸铁的圆锥形金属罩，经笔者试验，其杵体与冲压的圆锥形紫铜罩的杵体形状截然不同，
前者没有形成完整的杵体，而是一些碎块，其原因是因为铸铁比冲压紫铜的熔点低、材料性
能脆所致。
半球形金属罩，无论是冲压紫铜还是铸铜金属罩，射流和杵体形成的机理不同于锥形金
属罩。半球形金属罩在爆轰波作用下，在压塌金属罩过程中，金属罩逐渐向外“翻出”，即
金属罩内表面变成外表面，而外表面变成内表面。半球形金属罩变化及其形成射流过程如图
7—2所示。
图7—2指出了半球形金属罩在不同时间间隔的变形程度。形状E，表明半球顶部被挤压
向前了；到了形状F，金属罩内表面已经基本翻出来，成为一锥
体；到了形状G，看到金属罩已经合拢并挤出一股向下运动的
射流。金属罩的顶部形成了射流的头部，而边部向后合
拢跟随在后面。图中，把金属罩分成许多微元，当一质量dm的
微元到达轴线时，它被分成两部分，一部分dm
i
进入到射流，
而另一部分质量dm
s
进入杵体。质量dm在dm
j
和dm
s
中的分配，
仅取决于压塌的罩同轴线的夹角。微元中金属的大部分都进入
射流中去，所以整个射流将比锥形金属罩的细射流显得粗。整
个半球形金属罩相继形成射流与杵体，而没有形成完整粗大的
杵体。笔者试验的铸铜半球形金属罩和冲压紫铜半球形金属罩，前者收集到的杵体仅仅是些
碎块，其重量占罩重的6％；后者收集到的杵体也是碎块，另有一圆环圈，占罩重的24％。
半球形金属罩形成的射流虽然比锥形金属罩形成的射流粗，但射流速度要小，不但如此，
锥形罩形成的射流是连续的，尾随整个射流的后面是杵体。但是半球形金属罩不是这样，由
于每一微元一部分形成射流，另一部分形成杵体，而杵体又在另一微单元形成射流之前被加
速，这样射流和杵体是互相交错的，射流不连续的。
笔者认为，对于作用目标是钢板或坚硬岩石时，锥形金属罩比较
好；而对于作用对象是土质的，两种形状的金属罩，其穿孔深几乎一
样，但穿孔直径半球形金属罩要大些。
4．隔板的作用
在弹体结构中，除金属罩的主要作用外，隔板材质选择的适宜，
形状尺寸设计的合理，对提高穿孔深度作用比较大。
隔板的作用是：由于弹体中放入隔板，不但可以促使爆轰波同时
到达凹槽表面，而且可以改变压垮金属罩的爆轰波作用方向，它使爆
轰波压垮金属罩的方向与金属罩母线夹角增大，使金属罩趋于被爆轰
波垂直压垮，使金属罩环高速集中于罩轴，形成更为集中的射流。
分析一下隔板改变爆轰波方向的过程，如图7—3所示，波系A
由于没受任何阻碍，在任何位置上均比同位置的通过隔板其爆速被
削弱的波系B超前，因而形成了一簇中间凹、四周凸的环形爆轰波
作用于金属罩上。金属罩受到A和B组成的波簇作用，改变了原来
未加入隔板时受力状况(单纯凸形波，非垂直作用于金属罩母线上)，
使得爆轰波对于金属罩的作用近似垂直母线方向，减少爆轰产物的
侧向飞散，使有效装药量相应增多，因而加强对金属罩的挤压，有
利于射流的形成。
当无隔板时，如图7—4左侧所示，对参考点A，爆轰波方向与
金属罩母线交角很小，一般可视为平面波从金属罩面滑过，因此金
属罩面微元A、B所分配的炸药(有效部分)可视为ABCD所包围的
部分；而加入隔板后，如图7—3右侧所示，由于通过隔板的爆轰波比未通过隔板之爆轰波
滞后一段时间，造成金属罩环形压缩，使爆轰波方向与金属罩面夹角增大，即ф′
A
>
ф
A
。这
样，一则减少爆轰产物侧向飞散，使有效装药相应增多，二则使金属罩受力状况发生改变，
使爆轰波对金属罩的作用接近于正反射，从而加强对金属罩的挤压作用。
5．支架的作用
实践证明，聚能弹在地面支起的高度不同，其穿孔深度也不一样。各种聚能弹都存在最
佳炸高，即穿孔最深时弹体被支起的高度。要使射流充分发挥作用，须使弹体距地面有足够
的高度，这个高度要适当，过高时射流作用到地面前，因速度梯度的影响，射流可能被拉断；
过低时射流没有充分伸长就作用到地面上，降低射流利用率。只有弹体离地面有一定高度，
即最佳支架高时，就能避免过高或过低时出现的不良现象，使射流发挥应有的作用。
二、聚能弹设计
根据研制聚能弹用于排除定时弹的特殊目的，笔者经多次实地试验以及对多种土质穿孔
效果的分析比较，现已总结出聚能弹设计一套方法简述如下。
(一)半球形金属罩的聚能弹
为了便于说明，现将半球形金属罩的聚能弹结构简绘成图7—5。
对于半球形金属罩的聚能弹，根据要求的穿孔深度和口径，首
先确定的是半球形金属罩的半径及。实践经验指出，穿孔深度要求
为2～4m时，R可选为90mm；穿孔深度为5～8m时，R可选为150～
170mm。
聚能弹其它参数的确定如下：
1．装药直径丸的确定
装药直径丸，取决于金属罩口径фc，фc＝2R，一般取фc/ф
b
=90％以上，5c。过大并不
好，因聚能弹底部的炸药对射流的形成作用不大，这部分炸药爆炸向四周飞散，所以尽量使
ф
b
趋近于ф
C
。当其他参数不变时，只变化ф
C
／ф
b
的比值，笔者曾试验了ф
C
／ф
b
=74％、80％、
92％和95％等四种比值，其试验结果对穿孔均无影响。因此可将聚能弹下半部设计成如图7
—6所示的形状。
2．隔板和其四周炸药尺寸的确定
隔板对射流形成的作用前面已经述及，但是隔板在聚能弹体中的位置及其尺寸不合适，
不但不能提高穿孔深，反而会降低穿孔深，因此准确地确定隔板的位置及其形状尺寸，是十
分重要的。
如图7—5所示，隔板下底面与金属罩顶的距离ad=A一B一
C的长度为1／3 隔板厚(B一D)确定的原则： 一旦聚能弹起爆，假定从起爆点沿着炸药传播的爆轰波，和 通过隔板并把隔板下的炸药引爆的爆轰波同时到达金属罩外表面 上，根据爆轰波途径的距离、传播的速度，可以建立如下公式： ф d ／2T 1 +de／T1十B／T 1 ＝D／T 1 +(B一D)／T 2 +ad／T 1 式中 T 1 ——爆轰波在炸药中传播的速度(爆速)； T 2 ——冲击波在隔板中传播的速度。 当式中的de、ф d 和ad的长度已知时，则隔板的厚度(B一D)就可以计算出来。 隔板直径九的确定，是从假定的ф D 两端引垂直线，能与金属罩母线的2／3(从金属罩 顶开始)处相交，则假定的ф D 符合实际，否则加大或缩小ф D 。 隔板四周药厚匙 a D 2 些的确定，一般要稍大于炸药爆轰的临界直径，常取15mm左 右，能稳定传播爆轰波。隔板上面的药厚D要比 a D 2 略大些，其目的在于炸药爆炸后， 爆轰波通过隔板，逐有能量足以把隔板下面的炸药引爆。 根据以上确定的原则，隔板直径ф D 与ф c 的比例为70％一80％；隔板与金属罩的距离 ad与ф c 的比例为25％一60％；隔板厚度(B一D)与ф C 的比例为15％一40％。 聚能弹下半节高度C与久的比例为l／2。 聚能弹顶直径ф a ≤ф b 即可。 隔板材质的选择应满足以下几点要求： (1)比重小，质地细密，以保证有良好的隔爆性能； (2)组织均匀，以保证爆轰波的对称性； (3)可压缩性好，脆性小，保证既有良好的隔爆性能，又有一定的强度，而不致过早地 被摧毁； (4)在作用过程中，不会生成影响爆轰波稳定传播的坚硬产物。 按照上述四点要求，对于较大的聚能弹，以选择木质材料做隔板 为好；对于较小的聚能弹，采用夹布塑料或黏土掺锯末等为好。对于 黏土掺锯末作为隔板材料，其比例是95％的干黏土压细与5％的细锯 末均匀混合，装入模具内，利用压力机压缩成型。 3．金属罩壁厚t的确定 半球形金属罩为等壁厚，但金属罩壁厚要选择得适宜。过薄,不能增加射流的能量；过 厚，金属罩环加速的距离短，速度小，并且壁过后强度大，有效装药大部分能量在金属罩被 挤压的过程中被消耗掉。 笔者所研制的聚能弹，当半球形金属罩直径ф c 为180mm时，设计的冲压紫铜金属罩壁 厚t为10mm，则t／ф c =5．5％，其穿孔效果比较好；当半球形金属罩直径为340mm时， 对铸铁、铸铝的金属罩设计了金属罩壁厚t分别为10、15、20mm，20mm以上没有设计， 其穿孔效果都是壁厚t为20mm的好(见表)，对铸铜的仅设计了壁厚t为15mm。以上三种 材料，以铸铜、铸铁为好，t／ф c ≥5．9％为宜。 (二)圆锥形金属罩聚能弹 现将圆锥形金属罩聚能弹结构简绘成图7—7。 对于作用介质是土(或冻土)或松软岩石时，设计的内锥角α 1 与外锥角α 2 为两种，一种为α 1 ／α 2 ＝46º30′／48º，另一种为α 1 ／α 2 =50º／52º40′。锥顶半径，为r／D 2 ＝8％～12％，D 2 为圆锥 形金属罩底内径。锥高H 0 ~D 2 。金属罩的壁厚变化率为1％～2％， 锥顶厚可取5～7mm。 隔板与锥顶的距离S为S／D 2 ＝1／5～1／4，隔板直径ф D 为ф D /D 2 ＝3／4，隔板厚度B为B／D 2 ＝15％～25％。 聚能弹外形尺寸与D 2 的关系，与半球形金属罩的聚能弹大 致相同。 (三)聚能弹弹体外壳的设计 笔者所研制的聚能弹，对于压装炸药的聚能弹是无外壳的， 而对于熔铸炸药的聚能弹多数有外壳，其外壳是用厚1 mm以上 的铁板加工制做的，设计的外壳尺寸要与弹体内炸药的尺寸相吻 合。聚能弹有无外壳，对聚能效应无影响，致所以有外壳，其作用是为了对熔铸或塑装炸药 成型；如无外壳，必须有一套模具，如果弹体已定型或大量使用同一种聚能弹，还是加工制 做一套模具为好，这要比用铁板加工外壳便宜，而且装药尺寸有保障。 (四)支架高的设计 试验的半球形金属罩聚能弹，如图7—8所示的结构，最佳炸高为金属罩口径的4倍， 其穿孔深与炸高的关系见图7—9。 试验的圆锥形金属罩聚能弹，其结构如图7—10所示，图中各符号与图7—8相同，最 佳炸高为金属罩口径的3．5倍，其穿孔深与炸高的关系见图7—9。 确定最佳炸高的方法如下， 为确定每种类型聚能弹炸高，如果将炸高每隔金属罩口径的1／2试验一次，调整间隔 比较大，而所试验得到的最佳炸高(支架高)不够准确。为此，笔者采取的试验方法是，首先 初步确定炸高的变化范围，例如，对于金属罩口径370mm的聚能弹，支架高度变化选择为 740～1 800mm(2—5倍金属罩口径)之间，支架高假如每次试验变化50mm，按均分法试验原 则，需试验22次，每次重复3个聚能弹，合计需试验66个聚能弹，这是不经济的，也没有 必要。笔者采取优选法试验5～6种不同的炸高，就可得到准确的最佳炸高，可节省聚能弹 67％一69％。 (五)聚能弹装药成分的选择及装药工艺 对于聚能弹装药成分，可根据炸药的爆热和爆速两个参数来选择。一般是选择爆速大的 炸药作为聚能弹的装药。 军事上的破甲弹，多采取注装的50％黑索金和50％的梯 恩梯，或装钝感的黑索金。 笔者曾做过不同装药成分和装药方法的对比试验，例如塑 态装药，把20％的梯恩梯熔化，再把80％的黑索金掺入拌搅， 这种塑态炸药的爆速为?500m／s；注装梯恩梯炸药，即把梯恩 梯熔化后倒入弹壳中或模具中，其爆速7 000m／s，要指出的 是，对于注装炸药，不能一下注满弹壳中，要有一定的间隔时 间分次逐步注满，注满后的弹体要放在一定温度的地方，使熔 化后炸药逐渐降温，否则炸药中因收缩不匀产生小空洞；散装 的硝铵炸药，其爆速为4 000～5 000m／s。这几种装药从实际 穿孔深比较，以塑态装药的比较好，注装的仅为塑装的穿孔深 的80％，而硝铵炸药穿孔很浅，是不可采用的。以上的结果说 明，爆速在7 000m／s以下的炸药不适宜用于聚能弹。 对不同品种的压装炸药，笔者也做了穿孔深的对比试验，采用的炸药有“8321”炸药， 爆速8 300m／s；黑索金炸药(钝感)，爆速8 000m／s；梯恩梯炸药，爆速7 000m／s。穿孔 试验表明，压装的“8321”与压装的黑索金炸药，其穿孔深相差甚微，穿孔最深，而压装的 梯恩梯炸药，其穿孔深仅为前两者的70％，这又一次说明，爆速高的炸药有利于穿孔深。 对于大型的聚能弹，一般可以采用50％的黑索金和50％的梯恩梯炸药注装，或采用80％ 的黑索金和20％的梯恩梯炸药塑装。以上两种装药方法比较简单，只要有符合要求的熔化 锅即可，便于现场注装。对于小型的聚能弹，采取上面两种方法也行，不过为了提高穿孔深 度和保障穿孔的稳定，拟采取压装黑索金炸药为宜。压装炸药，需要油压机和一套模具，适 于工厂生产。 第二节 穿孔试验 自1968年以来到1979年，十多年来笔者根据技战术的特殊需要，研制了多种类型和重 量不等的聚能弹。检验聚能弹性能如何，笔者采取的是实弹现场穿孔试验。现将各种类型不 同重量的聚能弹主要穿孔结果叙述如下。 一、装药量90kg的聚能弹 装药量为90ks的聚能弹，其金属罩青一色为半球形，而且是铸造而成，即铸铁、铸铝、 铸铜；装药采取的是注装工艺。这种聚能弹结构，如图7—11所示。 图7—11所示的聚能弹各部分重量、金属罩材料与壁厚、支架高及穿孔参数列于表7— 2，表中最后一行为分体聚能弹，如图7—11(b)所示。 图7—11 装药量90kg的聚能弹(单位：mm) 1一引信装置，由特屈儿药柱(压装)和8号电雷管组成；2一隔板，材料为红松 木质，表面涂虫胶漆；3一金属罩，等壁厚，半球形，材料分铸铁、铸铝 和铸铜三种；4一支架，由三根铁管组成；5一炸药，50％黑索金和 50％梯恩梯熔注而成；6一外壳，用厚1．5mm的铝皮加工而成。 穿孔试验是在山东崂山进行的，其土质为天然含水量为21％，空隙比为0．574，空隙 度36．5％，土壤是砂黏土。不同金属罩材料、壁厚，其穿孔参数见表7—2，穿孔断面见图 7—12。 从表7—2和图7—12中分析比较可得到下列结果： 1．装药量为87kg、铸铁金属罩壁厚为20mm的聚能弹与所试验的其它聚能弹相，穿孔 深和可见深最深，分别为7．5m和6．9m。所谓“可见深”，就是从地面到孔内没见回落土 的深度。 2．为了搬运和使用灵活方便，把聚能弹分成上下两节，试验结果表明，对穿孔效果无 影响。 3．在装药量基本相等的条件下，而金属罩采用不同的材料和壁厚时，穿孔深度不一样， 例如，金属罩壁厚同是10mm的铸铁与铸铝相比，前者比后者穿孔深了2．2m，可见深深 了2．3m；同为铸铁金属罩，其金属罩壁厚20mm的与15mm相比，厚的比薄的金属罩穿 孔深了1．03～1．5m，可见深深了0．44—3．1m；同为铸铝金属罩，其壁厚20mm的要 比15mm的穿孔深了1．1～1．15m。分析得到的结果是，对于同一种材料的金属罩，罩厚 要比罩薄好，要指出的是，由于试验时聚能弹数量限制，对于图7—11所示的弹体，其金属 罩壁厚t≥20mm。金属罩三种不同材料，以铸铁、铸铁的比较好，铸铝的次之。 4．经试验确定最佳炸高(支架高)为金属罩外径的4．5倍。 二、装药量10kg以下的聚能弹 (一)铸铝金属罩塑装炸药 装药量7k8的半球形铸铝金属罩的聚能弹和装药量9kg圆锥形金属罩的聚能弹，其弹体 结构见图7—13。 这两种聚能弹结构组成部分及其材料成分基本与图7—11相同。铸铝半球形金属罩壁厚 7mm，圆锥形的为等厚13mm。塑态装药，即20％的梯恩梯熔化后加入80％的黑索金混合 而成。 这次试验是在辽宁海城进行的，土壤为砂黏土，天然含水量21．7％，空隙比0．95， 空隙度48．6％。 这两种聚能弹各部件重量及穿孔深见表7—3，穿孔断面见图7一14。 这两种聚能弹，经实际穿孔试验，半球形金属罩的聚能弹最佳炸高为金属罩直径的4～ 5倍，圆锥形的为3．5～4倍。 (二)冲压紫铜金属罩压装炸药 冲压紫铜金属罩压装炸药，有半球形和圆锥形金属罩的两种聚能弹。 圆锥形金属罩聚能弹，装药量为2．7k8，其结构如图7—15所示。 半球形金属罩聚能弹，装药量为4．58kg，其结构如图7—“所示。图7—16中的符号 与图7—15相同。 图7—15 装药量2．7ks聚能弹(单位：mm) 1一引爆雷管，8号电雷管，2一隔板，材料为夹布塑料，密度1．7g／cm 3 ， 3一辅助装药，其品种为“8321”炸药；4一主装药，压装“8321”炸药； 5一金属罩，冲压紫铜，其壁厚从锥顶的5mm变化到锥底的?mm，锥顶中 心角46°30′，外角47°58′，锥顶半径只为15mm; 6一托盘， 以木料加工做成，7一支架，以木棍做成。 以上这两种聚能弹各部件重量及其穿孔深见表7—4，穿孔断面见图7．17。 这次穿孔试验在沈阳两个地点进行的，土质情况见表7—4。 从表7—4可以看出： (1)土质的空隙度对穿孔深有一定的影响，同一种聚能弹，土的空隙度不同，穿孔深相 差0．8～0．9m。 (2)冲压金属罩和压装炸药的聚能弹，其穿孔性能比较稳定。 (3)压装的“8321”和黑索金炸药，比压装的梯恩梯炸药的穿孔深一些。 三、玻璃药型罩注装炸药的聚能弹 用玻璃代替金属材料加工而成的圆锥形玻璃罩的聚能弹，其结 构如图7—18，无外壳，装药量14．71ke，聚能弹全重17．31kg。 图7—18中有密密麻点的圆台为药饼，由黑索金压制而成，台 顶直径100mm，台底直径120mm，重0．57kg。其余装药采用50％ 黑索金和50％梯恩梯炸药熔注于模具中而成。上顶直径148mm、下 底直径140mm的倒立圆台为隔板，用细锯末、煤粉、细土和水混合 压成的，重o．8k8。玻璃药型罩，用普通耐温玻璃模压成圆锥形， 重1．8kg。 这次穿孔试验是值冬季，在青海省茶卡铁路支线附近的冻结黏 砂土中进行的。支架高均为1 m(4．5倍玻璃罩直径)，穿孔平均深 2．8m，孔口直径平均为0.2m，孔内无回落土，即可深为穿孔深。 第三节 实际应用 一、模拟排除定时炸弹 研制聚能弹的目的，主要用于排除定时炸弹。在50年代初的在朝鲜战争中，尤其是在 60年代中末期的越南战争中，美军为破坏铁路运输，干扰铁路抢修，经常在铁路沿线狂轰 泛炸，与此同时，还投下大量定时炸弹。为保障铁路畅通，我援朝和援越部队，通常采取人 工排除定时炸弹。人工排除定时炸弹，不但占用时间长，更为危险的是很难免人员伤亡。 越南战争，美军在越南北方投下的定时炸弹，由于土质松软，定时炸弹钻入地下3～4m 深，有的5～6m深(垂直深度，非钻入地下的斜长)。为避免人工排除定时炸弹所造成的伤亡， 研制聚能弹代替人工排弹事关重要。 研制聚能弹应满足的战术技术要求是：当确定某位置地下3～4m或5～6m深有定时炸 弹(探测定时炸弹另有课题研究)时，利用聚能弹迅速预以引爆，解决人工排弹占用时间长和 避免定时炸弹突然爆炸造成人员伤亡；对于聚能弹体积重量要求，便于携带，使用方便简单； 运输保管安全可靠；不受气候条件影响。 1．装药量90ks的聚能弹模拟排除定时弹 美帝在越南空投的定时炸弹，其弹体壁厚12mm，故模拟排除定时炸弹时，选用的“定 时炸弹”其壁厚也为12mm，即“100～114”航空燃烧弹(摘除了引信)代替定时炸弹。这种 航空燃烧弹全重104kg，装药量60kg，纵断面尺寸见图7—19。 这次利用聚能弹排除定时炸弹模拟试验是在山东崂山 黏砂土中进行的，其土质空隙度为33．2％。 首先把航弹埋入地下6m深(垂直深度)，然后在地面上 对准航弹的位置安放装药量90kg的聚能弹(见图7—20，铸 铁壁厚15mm)，起爆后形成5m深的可见孔，最后又顺着孔 把同一型号聚能弹送到孔底，起爆后经检查，航弹被击爆， 在地下6m处形成方圆3 m的空腔。第一次利用聚能弹排除 定时炸弹模拟试验获得成功。 2．装药量4．58kg的聚能弹模拟排除定时炸弹 这次排除定时炸弹模拟试验，采用“钢管弹代替定时炸弹。所谓钢管弹，就是选用长 50cm、外径17cm、内径15cm (壁厚20mm)的钢管，管内注装梯恩梯炸药13kg，“钢管弹’ 全重19kg。 这次利用聚能弹排除定时炸弹模拟试验，是在辽宁724厂附近进行的，其土质为砂黏 土，空隙度47．9％。 “钢管弹”如图7—21所示埋入地下4m深，然后在 地面上对准“钢管弹”所在位置安放一个装药量为4．58 kg 的聚能弹，其结构见图7—16。起爆后形成一个深2．5 m 的可见孔，顺着孔再送入一个同种类的聚能弹，见图7— 21。起爆孔中的聚能弹后在地面上形成一漏斗坑，挖开坑 后“钢管弹不见踪影，即全部爆炸了。第二次模拟排除定 时炸药又获得成功。 3．利用聚能弹排除定时炸弹的评估 利用聚能弹排除定时炸弹模拟试验，虽然仅进行了两次，但均成功，从模拟试验的结果 分析，利用聚能弹排除定时炸弹已达到前面述及的战术技术要求。 对于较大的聚能弹可以引爆埋深6m的“定时炸弹”，而对于较小的聚能弹可以引爆埋 深4m的定时炸弹，这就有力地说明利用聚能弹排除定时炸弹已达到了最主要的战术要求， 即可以排除钻入地下3—4m或5～6m深的定时炸弹。 所研制的聚能弹不但有较大的(还可以分两节)，还有较小的，而且两者还可以结合使用， 从聚能弹重量分析，也达到战术技术要求，即携带方便。 从聚能弹的安放到引爆，只需几分钟，如果考虑两次引爆，如图7—2l所示，也只需十 几分钟即可，这就达到了排弹方便迅速的战术技术要求。 因为聚能弹在使用一瞬间才安放引爆装置，所以运输、储存聚能弹是比较安全的。 聚能弹除使用时(已安放引爆装置)可能因雷电引起意外(遇到这种情况可摘除引信)外， 可以说不受气候的影响； 二、聚能弹在多年冻土地带工程爆破中的实际应用 聚能弹除用于军事上排除定时炸弹以外，由于聚能弹对一定作用介质具有很强的穿孔或 破碎作用，应用范围比较广泛，例如利用聚能弹进行岩石二次破碎，排除沉井中的孤石，水 下输水导坑的开挖等等，还可以用其成孔代替人工开挖电线杆坑，但是在工程爆破中更为主 要的作用是多年冻土爆破。现将在多年冻土爆破的实际应用介绍如下。 为了研究在多年冻土地带修建铁路的施工方法，从1975年开始，在青藏高原多年冻土 地段的西大滩、清水河、风火山等处进行了铁路试验工程。根据多年冻土的特性及现有的机 具设备，对路堑开挖、明挖桥涵基础，采取了地质钻钻孔爆破。地质钻钻孔速度慢，占用人 力多，费用高，在高原严重缺氧的气候条件人力施工，消耗体力大，影响人身健康。为了改 变这种笨重的施工方法，加快施工进度，曾利用聚能弹代替地质钻进行打孔，实践证明，聚 能弹在多年冻土中穿孔是可行的，占用人力少，劳动强度低，施工速度快，在多年冻土地带 使用聚能弹有其特殊作用。 现仅就桥涵基坑和路堑开挖等工程使用聚能弹爆破的实际情况分述如下。 1．多年冻土穿孔试验 在应用聚能弹爆破开挖路堑和桥基坑之前，为了检验聚能弹在多年冻土中穿孔情况，在 风火山附近东大沟进行了穿孔试验。 风火山地带自然条件：海拔高程4 800m，大气压560×10 2 —600×10 2 Pa，年平均气温 一2~7℃；冻土地层土质是，0～0.2m为草皮，0.2～0.6m为黏砂土，含水量ω＝23．5％， 密度δ w ＝1．80 g／cm 3 ，0.6～1．2m为黏砂土夹碎石，ω=8。5％～14．5％，δ w =2．24g／ cm 3 ，1.2～1.5m为风化砂页岩，较坚硬，ω=12％～16%。δ w ＝2.07—2.25g／cm 3 ，1.5m为永 久冻层上限，1.5～4.0m为饱冰冻土及含土冰层，体积含冰量达80％～90％，δ w ＝1.03—1.07g ／cm 3 。 东大沟地形为一平缓山坡，其地质情况如上述。试验穿孔的聚能弹装药量为26．9kg， 全弹重38．6ks，注装各50％的梯恩梯和黑索金炸药，金属罩为铝青铜铸造而成的，其弹体 结构见图7—22。 穿孔深为3．8m(可见深度)，孔径10cm，孔底为壶形，可容纳14kg 2号岩石硝铵卷药， 炸药引爆后形成漏斗坑，爆破漏斗直径为4．5m，见图7—23。 这次试验表明了聚能弹在上述地质条件下，即多年冻土中可以穿孔，而且孔底成壶形， 非常利于药壶法爆破。 2．风火山路堑开挖穿孔爆破 风火山铁路试验工程DK0十50～DK0+81.5地带为路堑开挖。由于施工方法不当，把 1.5m厚的融土挖掉后，冰层全部暴露在外，在日照下，边坡融化下塌，所以必须对3m厚 的冰层进行迅速开挖，用装药量26．9kg的聚能弹代替地质钻钻孔，在冰层上相距3．5 m 布置多个聚能弹同时起爆，结果形成了可见深2．2～2．5m深的孔，而且孔底成壶形，在 壶中各装了26ke硝铵炸药，爆破后形成一条沟槽，再用推土机推到了路堑设计高程。从聚 能弹穿孔到往孔中装药堵塞连线起爆仅用了两个多小时，就完成了地质钻需几天才能完成的 工作量，不但如此，还缩短了路堑开挖后冰层暴露时间，这对多年冻土在夏季爆破保障路堑 施工质量作用更大。 3．风火山涵洞基坑穿孔爆破开挖 风火山铁路试验工程DK0+230处为一座涵洞，当挖完了1．5m深的融土后，出现了冰 层和混杂着一定数量的土夹石。在这样地质条件下，利用了如图7—21所示的聚能弹进行了 穿孔。在基坑长宽各约8m的中间位置只安放了一个聚能弹，结果穿孔可见深4m，孔底呈 现壶形，在壶内装了16kg硝铵卷药，引爆后形成了一个大漏斗坑，并有冰、土夹石等被抛 出基坑外，其余全部松动，利用W—60挖掘机在较短的时间内就顺利清除完毕，基坑断面 尺寸符合设计要求。 上面几处提到所穿孔的孔底为壶形，其原因是，当高温、高压、高速度的金属射流达到 一定的穿孔深度之后，压力、速度都迅速降低，当射流作用力小于介质的阻力时，射流已不 能继续穿孔，这时一定温度的射流和热容量较大的杵体终止于孔底，使冰层、冻土融化、受 挤压，故孔底成壶形。 4．桥基坑开挖穿孔爆破 青藏铁路茶卡支线寺院车沟桥基坑明挖，于严寒季节施工。土质为冻结粘土，表层0．1m 可用钢钎开凿，0．1m往下就开凿不动了，于是采用了图7—18所示的聚能弹穿孔，平均穿 孔可见深2．8m，孔口直径0．2m，然后往孔中装炸药，共计爆破了450m 3 。从穿孔到爆破 只用了半天时间，清方后的基坑断面尺寸达到了设计要求。 5．西大滩冻土穿孔爆破 为配合一机部高原工程机械样机现场考核试验，于严寒的冬季，在西大滩(距风火山约 100km)处利用图7—18所示的聚能弹穿孔爆破冻结砂土夹碎石、卵石。在200m 2 的地表上 按照3—5m的间距梅花形布置了21个聚能弹，一起引爆穿孔，平均穿孔深2m，每孔平均 装药10k8，爆破了400多立方米，单位耗药量约0．5k8／m 3 。从安放聚能弹到往孔中装药 爆破只用了约3h，爆破深度和方量均达到预期的目的。 6．聚能弹多年冻土穿孔爆破经济技术效果分析 聚能弹在多年冻土地带代替钻机穿孔，其生命力如何，第一要看它是否达到钻机成孔的 质量；第二是否经济；第三成孔速度是否比钻机快。实践证明，聚能弹穿孔其有很强的生命 力，在冻土爆破方面有广泛的使用前景。 (1)聚能弹穿孔效果好 对于低梯段的深孔爆破，钻机的口径为10cm左右比较经济，而利用聚能弹穿孔的口径 可达到这一要求，并且成孔垂直度与钻机成孔一样平顺。穿孔深3m左右，这对于多年冻土 地带的多数3～4m深的路堑和桥涵基坑开挖可以达到要求。聚能弹穿孔尤为突出的特点是， 孔底呈壶形，可集中装药，这对冻土松动爆破是十分有利的，这一点，是钻机钻孔无可比拟 的。 (2)聚能弹穿孔速度快 由于多年冻土地带地质的特殊性，岩石潜孔钻机无法钻孔，所以目前多采用地质钻钻孔， 但钻孔速度慢，效率低，例如DPP—100型汽车地质钻和Ⅺ—100—1型手把地质钻，其成 孔率为每台班5～6m，这对大面积开挖爆破施工是无能胜任的。而聚能弹穿孔，可以“万炮 齐鸣”，几十个聚能弹按照一定的孔距和排距安放好，可以同时“点火”起爆，这对一定开 挖面积的路堑或桥涵基坑，可在一天，甚至更短的时间，达到穿孔和爆破的目的，极大地加 快施工进度，保障施工质量，所以用聚能弹代替钻机钻孔，对高原缺氧的多年冻土地带快速 修建铁路，必将起到十分重要的作用。 (3)聚能弹穿孔爆破经济效益高 对多年冻土穿孔使用的如图7—18所示的聚能弹，其成本费每个弹为35元(70年代末 价格)，以穿孔深2．8m计算，平均每延长米费用为12．5元，而地质钻每台班150元，钻 6m深，则平均每延米费用为25元。可见聚能弹穿孔费用仅为地质钻的一半。 (4)减轻劳动强度 在青藏高原多年冻土地带严重缺氧的气候条件下，减轻繁重的体力劳动是十分必要的， 但使用地质钻机钻孔，需要几个人操作，劳动强度大，费体力，而使用聚能弹穿孔，则大大 减轻劳动强度，这对人的身体是十分有好处的。