基于物理降溫靜態(tài)爆破防噴孔實(shí)驗(yàn)研究*

解北京，嚴(yán)　正，趙澤明

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

0　引言

以無聲破碎劑為載體的固體膨脹，在脆性體斷裂時(shí)，會(huì)發(fā)出幾分貝的聲響，但一般人無法聽出，稱之為靜態(tài)爆破[1]。無聲破碎劑是水泥類的膨脹膠凝材料，它與水反應(yīng)，形成固相體積倍增的結(jié)晶，使得被破碎物的裂縫寬度和深度不斷擴(kuò)展，致使脆性物體崩裂破碎。破碎劑即為膨脹水泥(SCA，Soundless Cracking Agent)，SCA是一種膨脹膠凝材料，主要成分為CaO，并添加一定比例的添加劑，其膨脹力的來源是CaO的水化反應(yīng)[2]，SCA水化反應(yīng)前后的固體體積和內(nèi)部物質(zhì)的孔隙體積均會(huì)增大，破碎劑反應(yīng)后體積將增大3倍[3]。SCA在受限空間內(nèi)發(fā)生固體膨脹，便產(chǎn)生了可觀的膨脹力[4]。破碎劑硬化后的流變應(yīng)變有助于破碎劑在反應(yīng)過程中保持膨脹壓處處相等，具有與液壓相類似的特點(diǎn)，使得破碎劑能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)孔壁均勻加載壓力[5]。這種新的靜態(tài)爆破方法自發(fā)明以來其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，如水利水電站行業(yè)[6]、地鐵隧道[7]、道路交通工程[8]、古代建筑修復(fù)工程[9]、礦井[10]、非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)[11]等，以其噪聲小、效果好得到廣泛應(yīng)用。

然而，由于該方法在狹小的空間里進(jìn)行放熱反應(yīng)，容易造成噴孔現(xiàn)象，特別是高溫?zé)o聲破碎劑噴出傷人，對(duì)施工人員的生命健康造成巨大威脅。溫尊禮、徐全軍[12]等采用設(shè)計(jì)的擴(kuò)孔鉆頭和四爪堵孔器，實(shí)驗(yàn)成功將孤石塊破碎，但該技術(shù)堵孔性能不牢靠，經(jīng)濟(jì)成本高，對(duì)操作人員要求較高；徐全軍等[13]設(shè)計(jì)出基于動(dòng)量平衡原理研發(fā)的大孔徑靜態(tài)爆破平衡密封裝置，利用膨脹劑膨脹軸向壓力相互平衡抵消原理，并采用硅膠套進(jìn)行密封，但該裝置經(jīng)濟(jì)成本高；王作鵬、杜善華等[14]在破碎劑里加入活性物質(zhì)來減緩膨脹劑的水化反應(yīng)減少噴孔，該方法使破碎劑的制作比較繁瑣，經(jīng)濟(jì)成本比較高。因此需要一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、能夠在靜態(tài)爆破過程中有效防止噴孔的裝置。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1　實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)依據(jù)

噴孔現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是破碎劑水化時(shí)短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量水化熱而周圍介質(zhì)散熱太慢，短時(shí)間熱量的集聚會(huì)使?jié){體的溫度快速升值到100℃以上，迅速氣化產(chǎn)生蒸氣壓[1]。本實(shí)驗(yàn)基于物理降溫的原理，利用水比熱容大、吸熱能力強(qiáng)和鋼質(zhì)材料導(dǎo)熱性能好的特點(diǎn)，吸收破碎劑產(chǎn)生大量的熱。

實(shí)驗(yàn)原理是：獲取把無聲破碎劑水合時(shí)從t1降到不發(fā)生噴孔時(shí)的溫度t2所需要水的質(zhì)量，得出：

Q=cm(t1-t2)

(1)

式中：Q為靜態(tài)爆破破碎劑產(chǎn)生的熱量，kJ；c為水的比熱容，J/(kg·℃)；m為水的質(zhì)量，kg。

獲取鋼管的內(nèi)徑，由孔的高度h得出鋼管的長(zhǎng)度H，根據(jù)圓柱體積公式可得盛水鋼管的內(nèi)徑2r。

(2)

式中：H為鋼管的長(zhǎng)度，m；h為孔的高度，m；r為鋼管內(nèi)半徑，m；m為水的質(zhì)量，kg；ρ為水的密度，kg/m3。

獲取鋼管的外徑2R，根據(jù)以下公式得出：

(3)

式中：σp為鋼管的徑向應(yīng)力，Pa；σφ為鋼管的環(huán)向應(yīng)力，Pa；R為鋼管的外半徑，m；r為鋼管的內(nèi)半徑，m；q為膨脹壓，Pa。根據(jù)公式(1)～(3)計(jì)算出所需要的水的質(zhì)量、鋼管的內(nèi)外徑和高度，根據(jù)鋼管數(shù)據(jù)選擇鋼管規(guī)格且鋼管下部封口上部開口。在鉆孔上放置套盤，鋼管中加入稱好質(zhì)量的水，通過套環(huán)放入鉆孔，將無聲破碎劑加入孔與鋼管之間，等待爆破完成。

1.2　靜態(tài)爆破防噴孔裝置制備

靜態(tài)爆破防噴孔裝置由套盤、固定支架、套環(huán)和鋼管組成。套盤、固定支架和套環(huán)用鐵板切割連接一起，固定支架支撐套環(huán)在套盤的中心位置，套環(huán)外徑和套盤內(nèi)圓之間的鐵板切割成齒牙狀將這些齒牙狀的鐵板朝一個(gè)方向折成與套盤垂直。在需要爆破的地方打好鉆孔，把套盤齒牙狀的鐵板套入鉆孔中，防止套盤在爆破的過程中在平面上移動(dòng)。鋼管上部開口，下部封口，加入一定質(zhì)量的水，通過套環(huán)放入鉆孔，套環(huán)把鋼管固定在鉆孔的中心位置。將無聲破碎劑加入孔與鋼管之間，等待爆破完成。裝置簡(jiǎn)單易制作，而且可以很好地固定在鉆孔上。裝置如圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1　Experimental apparatus

鉆孔直徑29 mm，高度為300 mm。鋼管采用的是304不銹鋼，1 000 g無聲破碎劑大約能產(chǎn)生2 000×4.18 kJ熱量，使用量為300 g。t2取100℃，t1取70℃，由公式(1)計(jì)算出把溫度從100℃降到70℃所需水的質(zhì)量約為0.02 kg。由公式(2)計(jì)算出鋼管長(zhǎng)度為320 mm，盛水鋼管的內(nèi)直徑2r約為9 mm。膨脹壓取30 MPa ，由公式(3)可知鋼管的徑向應(yīng)力為30 MPa。鋼管的環(huán)向應(yīng)力按照屈服應(yīng)力來取，為300 MPa，由公式(3)計(jì)算得鋼管的外半徑為5 mm，即外直徑2R為10 mm。從而得到長(zhǎng)度為320 mm的盛水的鋼管的內(nèi)直徑為9 mm，外直徑只要大于或等于10 mm時(shí)既能把溫度從100℃降到70℃，又不會(huì)在30 MPa的膨脹壓下失效。

根據(jù)計(jì)算選擇小口徑無縫鋼管規(guī)格為12 mm×1.5 mm，即鋼管外直徑12 mm，壁厚1.5 mm，內(nèi)直徑9 mm。鋼管下部封口，上部開口。鋼管的外徑12 mm，套環(huán)的內(nèi)直徑取14 mm，比鋼管外徑長(zhǎng)2 mm。為了方便用刀在鐵皮上切出固定支架，整個(gè)固定支架的寬度取6 mm,套環(huán)外徑取20 mm，套環(huán)的作用是把鋼管穩(wěn)定在鉆孔中心位置，套盤內(nèi)圓直徑要求比鉆孔直徑略小，取27 mm。為了整個(gè)裝置的穩(wěn)定性，套盤外圓直徑取50 mm。將套環(huán)外徑和套盤內(nèi)經(jīng)之間的鐵皮切成寬度大約3 mm的齒牙狀，把這些齒牙狀的鐵皮朝一個(gè)方向折成與套盤垂直，這樣套盤可以套在鉆孔里，防止套盤在平面上晃動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)用304不銹鋼管代替鉆孔。

1.3　靜態(tài)爆破防噴孔實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

靜態(tài)爆破防噴孔實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由防噴孔裝置、應(yīng)力應(yīng)變儀、信號(hào)采集系統(tǒng)等3大部分組成，如圖2～3所示。

圖2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2　Experimental system structure

圖3　模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3　Simulation experiment system

1.4　信號(hào)采集系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)同步采集了應(yīng)力和微震信號(hào)，應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)中共布置了4路應(yīng)變片，溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)中共布置2個(gè)熱電偶，1個(gè)熱電偶貼在鉆孔外壁，1個(gè)熱電偶插在鉆孔里。

1)應(yīng)變信號(hào)采集

①應(yīng)變儀與應(yīng)變片

應(yīng)變信號(hào)采集系統(tǒng)使用的DY2102E動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀，共4路通道，橋路電阻適用于1～60 kΩ，供橋電壓按照2，4，6V分檔，供橋電壓精度±0.1%，應(yīng)變系數(shù)K= 2.00，自動(dòng)平衡時(shí)間為2 s，能夠保持平衡48 h。應(yīng)變片采用了北京一洋應(yīng)振測(cè)試技術(shù)有限公司的BX120-5AA應(yīng)變片，靈敏系數(shù)為2.08，敏感柵5 mm×3 mm，基底9.4 mm×5.7 mm。

②存儲(chǔ)記錄儀

應(yīng)變信號(hào)采集系統(tǒng)使用的HIOKI 8860-50存儲(chǔ)記錄儀，能夠根據(jù)外部采樣的采樣周期來設(shè)置系統(tǒng)的采樣速度，滿足溫度、應(yīng)變等輸入單元存儲(chǔ)記錄，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速記錄與實(shí)時(shí)記錄。

2)溫度信號(hào)采集

K型微細(xì)熱電偶：直徑1 mm鎧裝K型熱電偶，測(cè)溫范圍：0～1 200℃，響應(yīng)時(shí)間：<200 ms。1個(gè)熱電偶貼在鉆孔外壁，1個(gè)熱電偶插在鉆孔里。通過連接儲(chǔ)存記錄儀中的溫度通道記錄實(shí)驗(yàn)過程中的溫度變化。

2　靜態(tài)爆破防噴孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1　膨脹劑的膨脹力測(cè)試

破碎劑對(duì)中空?qǐng)A管內(nèi)壁的壓力稱為膨脹力，是表征其破碎巖體性能的重要參數(shù)，通常使用電測(cè)應(yīng)力法獲得[15]。實(shí)驗(yàn)用304不銹鋼管代替鉆孔，直徑29 mm、高度300 mm。本實(shí)驗(yàn)采用了外管法測(cè)試破碎劑在內(nèi)管中的膨脹力，驗(yàn)證了破碎劑為實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定壓力的可靠性。

實(shí)驗(yàn)按照水灰比3∶1的要求制備了破碎劑漿體：首先稱取膨脹劑600 g，自來水200 g，攪拌均勻后，十分鐘內(nèi)將漿體灌入鋼管，然后將鋼管上端面迅速使用橡膠塞密封。本實(shí)驗(yàn)膨脹壓按下列公式算出：

(4)

式中：E為圓管彈性模量；D為鋼管外徑，mm；d為鋼管內(nèi)徑，mm；εθ為鋼管圓周方向應(yīng)變量；μ為圓管泊松比。

破碎劑漿體在水化反應(yīng)過程中，始終存在流變應(yīng)變，其管壁應(yīng)變與膨脹力滿足式(4)，將傳力管的各相關(guān)參數(shù)代入式(4)可得：P=24.832×103εθMPa。

計(jì)算得到膨脹壓為P約為95 MPa。

圖4描述了破碎劑反應(yīng)過程中鋼管溫度、圓周方向應(yīng)變和膨脹力的變化曲線，其中橫坐標(biāo)軸為破碎劑反應(yīng)時(shí)間，共1 500 min，縱向y坐標(biāo)軸為鋼管溫度坐標(biāo)軸，縱向y1坐標(biāo)軸為應(yīng)變坐標(biāo)軸，縱向y2坐標(biāo)軸為應(yīng)力坐標(biāo)軸，分別為溫度、應(yīng)變和應(yīng)力變化曲線。如圖4所示，實(shí)驗(yàn)室溫度為22.5℃，破碎劑初始溫度即為實(shí)驗(yàn)室室溫，破碎劑加入鋼管的前200 min反應(yīng)較為緩慢，系統(tǒng)熱量開始積聚(達(dá)到24℃)，鋼管變形微弱；在250 min左右膨脹劑反應(yīng)劇烈，系統(tǒng)溫度急劇上升至29℃，膨脹力跳躍式增加；經(jīng)歷過劇烈反應(yīng)階段后，破碎劑反應(yīng)變得穩(wěn)定，溫度逐漸降低至室溫，膨脹力線性增長(zhǎng)，最終達(dá)到最大膨脹力95 MPa。

圖4　膨脹壓測(cè)試Fig.4　Expansion pressure test

2.3　加防噴孔裝置和未加防噴孔裝置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

圖5描述了加防噴孔裝置和未加防噴孔裝置的情況下破碎劑的溫度和應(yīng)力的變化曲線。

圖5　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.5　Experimental data comparison

實(shí)驗(yàn)未加防噴孔裝置，實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生噴孔。破碎劑反應(yīng)過程中破碎劑溫度、應(yīng)力的變化曲線，其中橫坐標(biāo)軸為破碎劑反應(yīng)時(shí)間，共300 min。如圖5所示，實(shí)驗(yàn)室溫度為28℃，破碎劑初始溫度即為實(shí)驗(yàn)室室溫，破碎劑加入鋼管的前90 min，反應(yīng)較為緩慢，系統(tǒng)熱量開始積聚達(dá)到45℃，鋼管變形微弱；在90 min左右，破碎劑反應(yīng)劇烈，系統(tǒng)溫度急劇上升至142℃，膨脹力跳躍式增加，短時(shí)間熱量的集聚會(huì)使?jié){體的溫度快速升值到140℃，迅速氣化產(chǎn)生蒸氣壓，而周圍介質(zhì)散熱太慢，造成瞬間噴孔；噴孔導(dǎo)致部分漿體噴出鋼管，溫度、應(yīng)力瞬間降低；經(jīng)歷過噴孔后，剩余的破碎劑反應(yīng)變得穩(wěn)定，溫度逐漸降低至室溫，膨脹力維持在剩余破碎劑的最大應(yīng)力。

實(shí)驗(yàn)加防噴孔裝置，實(shí)驗(yàn)過程中未發(fā)生噴孔。破碎劑反應(yīng)過程中破碎劑溫度、應(yīng)力的變化曲線，其中橫坐標(biāo)軸為破碎劑反應(yīng)時(shí)間，共1 200 min。如圖5所示，實(shí)驗(yàn)室溫度為31℃，破碎劑初始溫度即為實(shí)驗(yàn)室室溫，破碎劑加入鋼管的前300 min，溫度和膨脹力增加緩慢；在300 min時(shí)，破碎劑劇烈反應(yīng)，溫度集聚增加，由于加防噴孔裝置，內(nèi)部細(xì)鋼管的導(dǎo)熱和水的吸熱能力強(qiáng)，導(dǎo)致系統(tǒng)熱量增加到51℃，膨脹力也跳躍式增加；在400 min左右，破碎劑反應(yīng)劇烈，系統(tǒng)溫度達(dá)到最高51℃，膨脹力急劇增加；400 min后，破碎劑反應(yīng)變得穩(wěn)定，溫度逐漸降低至室溫，膨脹力線性增長(zhǎng)，最終達(dá)到最大膨脹力48 MPa。

加防噴孔裝置和未加防噴孔裝置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，未加防噴孔裝置實(shí)驗(yàn)的破碎劑反應(yīng)溫度上升快，導(dǎo)致破碎劑反應(yīng)劇烈，在90 min左右時(shí)能量集聚并發(fā)生了噴孔；加防噴孔裝置實(shí)驗(yàn)的破碎劑反應(yīng)產(chǎn)生的熱量被水吸收，使得破碎劑溫度升高的比較緩慢，在400 min左右時(shí)，破碎劑溫度達(dá)到最高51℃，能量未集聚，未發(fā)生噴孔；400 min后，破碎劑反應(yīng)變得穩(wěn)定，溫度逐漸降低至室溫。應(yīng)力變化如圖5所示，未加防噴孔裝置實(shí)驗(yàn)的破碎劑反應(yīng)劇烈，在90 min左右，膨脹力瞬間增大達(dá)到53 MPa，并發(fā)生噴孔，一部分破碎劑噴出孔外，膨脹力瞬間減小，110 min后，剩余的破碎劑的膨脹力達(dá)到穩(wěn)定；加防噴孔裝置實(shí)驗(yàn)的破碎劑反應(yīng)緩慢，在400 min左右由于溫度達(dá)到最大值，膨脹力也瞬間增加，400 min后，破碎劑反應(yīng)穩(wěn)定,膨脹力穩(wěn)定增加，防噴孔裝置對(duì)破碎劑的最大膨脹力沒有影響。

3　結(jié)論

1)利用水比熱容大的特點(diǎn)吸收熱量的物理方法，通過靜態(tài)爆破劑膨脹應(yīng)力的理論計(jì)算，設(shè)計(jì)了物理降溫結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置。

2)實(shí)驗(yàn)裝置主要由套盤、固定支架、套環(huán)和鋼管組成，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料易獲取，可重復(fù)使用。

3)通過應(yīng)力和溫度對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，未加防噴孔裝置，破碎劑反應(yīng)迅速，破碎劑的溫度和膨脹力劇增，能量集聚，容易發(fā)生噴孔。加防噴孔裝置，因鋼管導(dǎo)熱性和水的吸熱性能力強(qiáng)，破碎劑溫度增加緩慢，膨脹力穩(wěn)定增加，防噴孔裝置不影響膨脹力達(dá)到最大值，達(dá)到防噴孔的目的。

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