爆破工程用特種器材的研究及應(yīng)用綜述

蔣光波，謝興華，孟祥棟，李永福，楊佳燁

(1.安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南232001;2.重慶建工建筑產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，重慶400080)

0 引言

因作業(yè)條件和環(huán)境因素的影響,某些特殊的工程不能采取傳統(tǒng)炸藥爆破的方式進(jìn)行施工,例如:加油站、燃?xì)馐凸芫€、危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)的拆除施工禁止出現(xiàn)明火和高溫;高壓輸電塔線、通信光纜及其他信號(hào)傳輸設(shè)施旁的施工不允許出現(xiàn)飛石;拆除建筑物、處理邊坡險(xiǎn)情時(shí)不能造成較大振動(dòng);地下礦井特殊地段的破巖施工不能使用炸藥爆破等[1]。因此,施工的特殊要求,限制了傳統(tǒng)炸藥的使用,從而出現(xiàn)了新的特種器材和技術(shù)。 目前爆破工程用特種器材及技術(shù)應(yīng)用較廣的有靜態(tài)破碎劑破碎法、爆破劑破碎法、等離子體破碎法及二氧化碳致裂器破碎法等。 與其對(duì)應(yīng)的破碎材料或裝置分別有靜態(tài)破碎劑、金屬燃燒劑、溫壓火藥、等離子體發(fā)生器、液體能源或固體能源及二氧化碳致裂器等。

1 靜態(tài)破碎劑

20 世紀(jì)60 年代末期,日本首次創(chuàng)新地使用了以靜態(tài)膨脹劑為破碎劑的靜態(tài)破碎法。 目前,應(yīng)用較多的靜態(tài)破碎劑主要是由水合膨脹性物質(zhì)(氧化鈣、氧化鎂等)、水合延緩劑(碳酸鈉、碳酸氫鈉、硫酸鈣等無(wú)機(jī)鹽)、水硬性物質(zhì)(硅酸鹽水泥、高鋁水泥或速凝水泥等)和減水劑等組成,將其與適量水混合成漿體,裝入被破碎體的孔中,發(fā)生水化反應(yīng)后產(chǎn)生巨大的膨脹壓力,生成新的固體物質(zhì)以放射狀向周圍擴(kuò)展,當(dāng)膨脹壓力大于被破碎物體的抗拉強(qiáng)度時(shí),物體即產(chǎn)生裂縫進(jìn)而破碎[2]。

破碎劑中氧化鈣的作用原理為:氧化鈣與水快速反應(yīng)生成氫氧化鈣并放出大量的熱。 總結(jié)眾多研究者的理論分析與試驗(yàn)結(jié)果[3-6],可以看出,生成物體積增大和空隙率的變化是影響氧化鈣水化體積膨脹的主要原因。 破碎劑表面的氧化鈣在水化過(guò)程中反應(yīng)生成氫氧化鈣,同時(shí)體積增大,這部分增大的體積轉(zhuǎn)移到原來(lái)充水的空間。 隨著反應(yīng)進(jìn)行,生成的氫氧化鈣填滿未密實(shí)的空隙和游離水所占的空間,顆粒間空隙率減小,接近水化臨界狀態(tài),此時(shí)粒子之間沒有擠壓。 由于漿體是在有約束的條件下反應(yīng),隨著反應(yīng)的進(jìn)行,顆粒體積繼續(xù)增大,隨之空隙會(huì)減小,顆粒間的相互作用力也越來(lái)越大,表現(xiàn)為體積增長(zhǎng),產(chǎn)生膨脹壓力,破壞約束介質(zhì)。 當(dāng)約束力超過(guò)一定值后,體積將不會(huì)發(fā)生膨脹,這就是實(shí)際應(yīng)用中時(shí)常出現(xiàn)的情況——裝填靜態(tài)破碎劑后不發(fā)揮作用。 同時(shí),這也是導(dǎo)致發(fā)生噴孔的重要原因之一[7]。

許蘭保等[8]對(duì)靜態(tài)破碎劑的膨脹壓力進(jìn)行了測(cè)試。 通過(guò)改變拌和水劑比和鋼管直徑進(jìn)行膨脹壓力試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)水劑比是影響破碎劑膨脹壓力大小的直接因素。 管徑不變時(shí),膨脹壓力隨著水劑比的減小而增大,反應(yīng)速率會(huì)隨著水劑比增大而減緩。在水劑比不變的情況下,管徑的大小對(duì)破碎劑反應(yīng)速率的影響較小。 在實(shí)際應(yīng)用中水劑比不宜過(guò)小,孔徑也不宜過(guò)大。 鄭志濤等[9]通過(guò)設(shè)計(jì)3 種不同的漿液水劑比來(lái)研究鉆孔直徑(以5 種不同直徑的高強(qiáng)度鋼管模擬)對(duì)靜態(tài)破碎劑致裂效果的影響。結(jié)果表明:噴孔現(xiàn)象最易發(fā)生于大直徑的鉆孔,且最大膨脹壓力產(chǎn)生于首次噴孔時(shí);漿液水劑比一定時(shí),鉆孔直徑越大,靜態(tài)破碎劑產(chǎn)生的膨脹壓力就越大,但達(dá)到最大膨脹壓力的時(shí)間基本相同。 馬冬冬等[10]研究了水劑比、氣溫和水溫對(duì)靜態(tài)破碎劑膨脹性能的影響。 在水劑比一定的條件下,發(fā)現(xiàn)拌和物的溫度-時(shí)間曲線呈現(xiàn)出溫度迅速上升、恒溫、繼續(xù)上升和下降4 個(gè)階段的特征。 通過(guò)對(duì)比得出水劑比為0.30、氣溫為16 ℃時(shí)體積膨脹率較好;靜態(tài)破碎劑的膨脹速率在一定范圍內(nèi)隨著水溫的升高而加快。 張嘉勇等[11]為了有效控制靜態(tài)破碎劑使用時(shí)尤其在煤礦井下反應(yīng)溫度和放熱量過(guò)高的問題,試驗(yàn)并分析了摻混不同比例鐵尾礦粉(主要成分為二氧化硅、鐵、氧化鋁、氧化鎂等)的靜態(tài)破碎劑的反應(yīng)溫度及反應(yīng)速率的變化規(guī)律。 保持環(huán)境溫度、水溫及水劑比不變,提高鐵尾礦粉摻混比例,均可降低靜態(tài)破碎劑的升溫速率、反應(yīng)所能達(dá)到的最高溫度及達(dá)到最高溫度所需的時(shí)間。 但是,為了使靜態(tài)破碎劑的膨脹率及破碎效果不受太大影響,鐵尾礦粉摻混比例不宜超過(guò)50%,反應(yīng)后體積膨脹率可達(dá)2.88。

靜態(tài)破碎法是一種安全、經(jīng)濟(jì)、合理的施工方法,但因其破碎時(shí)間較長(zhǎng),效率比較低,且當(dāng)建筑物配筋率較高時(shí),作用效果不明顯[12]。 此外,環(huán)境溫度對(duì)靜態(tài)破碎劑性能和破碎效果的影響較大,在冬季低溫環(huán)境下,不僅反應(yīng)變得緩慢,有時(shí)還會(huì)失去作用;而在夏季高溫時(shí)又容易產(chǎn)生沖孔現(xiàn)象[13]。因此,進(jìn)一步研制作用時(shí)間短且效率高的靜態(tài)破碎劑,對(duì)爆破工程用特種器材及技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

2 爆破劑

對(duì)于爆破劑,國(guó)內(nèi)外的研究重心主要集中在軍工行業(yè),民用領(lǐng)域發(fā)展相對(duì)滯后,被廣泛應(yīng)用的爆破劑并不多。 因此,加強(qiáng)爆破劑在民用領(lǐng)域的研究,研發(fā)出適合民用的爆破劑意義重大[14]。

民用爆破領(lǐng)域所用的爆破劑絕大多數(shù)是金屬燃燒劑,實(shí)際應(yīng)用研究進(jìn)展緩慢,一般采用強(qiáng)氧化劑(如氯酸鉀、高氯酸鉀等) 或金屬氧化物(如二氧化錳、氧化銅、三氧化二鐵等)與金屬還原劑(如鋁粉、鎂粉等)按照一定比例配合而成。 金屬燃燒劑進(jìn)行快速燃燒反應(yīng),產(chǎn)生高溫高壓的氣體,這些氣體迅速作用于周邊巖石,巖石在熱的作用下軟化,強(qiáng)度變低;當(dāng)內(nèi)部高壓大于巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí),巖石會(huì)產(chǎn)生裂隙并逐漸擴(kuò)張,高壓氣體的氣楔作用使巖石破壞程度加大,直至開裂或破碎[15]。

張晗亮等[16]利用聚合反應(yīng)制得一種活性金屬燃燒劑。 該金屬燃燒劑是將燃燒熱值高的活性金屬粉末(如鋯、鎂、鈦、鋁等)與高分子樹脂按一定配比混合。 通過(guò)優(yōu)化高分子樹脂與金屬成分得到的活性金屬燃燒劑,燃燒性能和力學(xué)性能優(yōu)異、安全性好,對(duì)目標(biāo)有較強(qiáng)的引燃和燃燒效果。 杜慧[17]以化學(xué)沉淀法和直接混合法分別制備了金屬/氧化物型高熱劑復(fù)合粒子和混合金屬可燃劑添加劑,將其添加到鎂/聚四氟乙烯藥劑中制得了高能燃燒劑,并從燃燒時(shí)間、燃燒溫度、燃燒速度及熱輻射強(qiáng)度等方面對(duì)該高能燃燒劑進(jìn)行了研究,建立了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型加以分析,得到了較好的效果。 王海朋等[18]發(fā)現(xiàn):以高氯酸銨和雙基推進(jìn)劑為主要組分的燃燒劑加入可燃金屬或非金屬粉,會(huì)提高其燃燒熱、燃燒速度、燃燒溫度,并且改變火焰結(jié)構(gòu);加入硼粉的燃燒劑對(duì)較遠(yuǎn)距離、高沸點(diǎn)物質(zhì)的引燃效果最佳,其火焰溫度可達(dá)1 000 ℃以上,火焰長(zhǎng)度達(dá)25 cm,燃燒過(guò)程更穩(wěn)定;高氯酸銨和金屬粉對(duì)雙基推進(jìn)劑的熱分解沒有影響。 張小康[14]以硝酸鉀、鋁粉、煤粉為主要成分分別制備了2 種鈍感爆破劑,并引燃特制點(diǎn)火電極,進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)巖石切割、破碎試驗(yàn)。 前者切割效果較好,而后者制得的破巖藥柱破碎效果較好,并且振動(dòng)小、弱拋擲、有毒氣體釋放量少,特別適合一些特殊的爆破工程。

在爆破劑應(yīng)用研究過(guò)程中,專家學(xué)者們提出了一系列的爆破應(yīng)用技術(shù),筆者主要介紹環(huán)境友好的和諧爆破應(yīng)用技術(shù)。 該技術(shù)是指在新的爆破現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下通過(guò)定量化的爆破設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)的爆破施工,合理控制炸藥爆炸能量釋放與介質(zhì)破碎、拋擲等過(guò)程的一種爆破作業(yè)技術(shù)。 此技術(shù)利用爆燃可控反應(yīng),不產(chǎn)生爆轟波,避免了爆破振動(dòng)與飛石危害,不僅達(dá)到預(yù)定的爆破效果,還實(shí)現(xiàn)爆破過(guò)程中有害效應(yīng)的根本控制,達(dá)到快捷高效、安全可靠、綠色環(huán)保及經(jīng)濟(jì)合理的目的[19]。

和諧爆破需要研制出能實(shí)現(xiàn)爆燃可控的爆破劑。 以硝酸鹽和氧化物、可燃劑、助燃劑、氧化銅為原料,合理配比制得溫壓火藥。 該爆破劑的反應(yīng)以溫壓熱效應(yīng)為主,大大減少了反應(yīng)產(chǎn)生的氣體量,同時(shí)產(chǎn)生沖擊與熱應(yīng)力,能夠有效地參與破巖做功。 溫壓效應(yīng)高頻沖擊熱應(yīng)力破巖,因高頻沖擊不與低頻建筑結(jié)構(gòu)共振,產(chǎn)生熱應(yīng)力破裂巖石,因此,可以在很大程度上解決爆破安全問題。 傳統(tǒng)炸藥爆炸在爆腔內(nèi)伴有粉碎區(qū),而溫壓效應(yīng)的主要原理是氧化物催化硝酸鹽與金屬粉快速發(fā)生協(xié)同爆燃反應(yīng),溫壓效應(yīng)與短毫秒反應(yīng)特征結(jié)合形成高頻沖擊,最終使飛石與振動(dòng)的危害得到控制。

和諧爆破應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):在能量可調(diào)的溫壓火藥作用下被爆體發(fā)生碎裂且沒有明顯的爆炸聲響;由于爆炸物能量的控制釋放,介質(zhì)發(fā)生碎裂后自然地脫落而沒有飛石產(chǎn)生;傳統(tǒng)炸藥爆炸產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)、大量的粉塵和有毒氣體,利用溫壓火藥破碎能夠有效地實(shí)現(xiàn)“微振減排”,保證了爆破周邊建筑、人員和設(shè)施的安全。 在礦山資源開采中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化,提高開采效率,減少石材損傷,保證圍巖穩(wěn)定性和安全性,不僅對(duì)環(huán)境友好,提高了爆破的科學(xué)性,還有效地降低了爆破中炸藥爆炸能量的浪費(fèi)。 其特色與創(chuàng)新之處在于:①建立溫壓效應(yīng)高頻沖擊機(jī)制,提出環(huán)境友好的和諧爆破設(shè)計(jì)原理,一定程度上解決了爆破安全問題;②通過(guò)溫壓效應(yīng),提高能量利用率,為環(huán)境友好的和諧爆破設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和工程數(shù)據(jù),控制飛石與振動(dòng)危害;③設(shè)計(jì)制造了沖擊激發(fā)裝置實(shí)現(xiàn)了爆燃激發(fā)。

3 等離子體破碎

等離子體破碎技術(shù)的基本原理為:利用放電器放電使物質(zhì)原子發(fā)生電離形成等離子體通道,通道內(nèi)離子的強(qiáng)烈振蕩產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波、高溫高壓和擴(kuò)張應(yīng)力,能量傳播到破碎介質(zhì)內(nèi),直接破壞介質(zhì)或使介質(zhì)中的天然缺陷得到增大,達(dá)到破碎介質(zhì)的目的[20]。

等離子體破碎技術(shù)主要用于對(duì)巖石、煤層及人體內(nèi)結(jié)石的破碎。 利用等離子噴槍[21]可以產(chǎn)生溫度高達(dá)幾千攝氏度、出口噴速每秒近2 km 的等離子弧,既可用于鑿巖,也可以用于巖石塊石的破碎。但是,實(shí)踐表明等離子弧鑿巖只適用于較硬的巖石,并且鑿巖效率容易受弧溫和噴速影響。 溫度過(guò)高巖石會(huì)熔化;溫度太低,巖石不能被破碎導(dǎo)致鑿巖速度緩慢。 在破碎巖石時(shí),以破碎形狀呈魚鱗片狀的電流、氣壓等參數(shù)值為最佳值。 將強(qiáng)放電實(shí)施在強(qiáng)電解質(zhì)溶液中瞬間可產(chǎn)生高溫高壓的液相等離子體,經(jīng)合理布置后同樣具有破碎巖石類介質(zhì)的能力。 研究發(fā)現(xiàn),等離子體對(duì)煤體的破碎存在選擇性[22]。 煤體在等離子體沖擊作用下內(nèi)部會(huì)形成彼此相互貫通的空間網(wǎng)狀裂隙結(jié)構(gòu),且電場(chǎng)強(qiáng)度越大越有利于裂隙的形成。 裂隙在煤體內(nèi)部產(chǎn)生的區(qū)域與煤體內(nèi)部礦物的分布區(qū)域會(huì)發(fā)生重疊現(xiàn)象,在平面及軸向方向上,裂隙會(huì)沿著礦物分布的區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)展,說(shuō)明裂隙的擴(kuò)展會(huì)受到礦物分布的影響。有研究表明:以水為傳壓介質(zhì)進(jìn)行等離子體破碎時(shí),水和周圍介質(zhì)能對(duì)等離子體產(chǎn)生更加明顯的約束,會(huì)有更多的能量耦合到等離子體沖擊波中。 因此,它的顯著優(yōu)點(diǎn)是可以加速碎石過(guò)程。

此外,在和諧爆破應(yīng)用技術(shù)中,沖擊電池可以結(jié)合電能轉(zhuǎn)變成高溫高壓等離子體激發(fā)沖擊電池,依靠等離子體和沖擊電池的協(xié)同反應(yīng)快速膨脹形成沖擊波破碎巖石。 與普通炸藥巖石爆破相比,新緩沖裂石和諧爆破應(yīng)用技術(shù)具有無(wú)飛石、無(wú)有毒氣體、低振動(dòng)、低噪聲、低灰塵等特點(diǎn),對(duì)提高破巖效率、實(shí)現(xiàn)爆破作業(yè)的連續(xù)性等有重要意義[24]。

4 二氧化碳致裂器

二氧化碳破碎技術(shù)是利用液態(tài)二氧化碳發(fā)生瞬間相變產(chǎn)生高壓,作用于周圍巖體,從而實(shí)現(xiàn)破巖[25]。 其原理為:二氧化碳在溫度小于31 ℃、壓強(qiáng)高于7.35 MPa 時(shí)為液態(tài)。 高于31 ℃時(shí),液態(tài)二氧化碳在100 ～300 ms 內(nèi)變?yōu)闅鈶B(tài),且隨溫度的變化,壓力也不斷變化。 利用二氧化碳的這一特性,在爆破主管內(nèi)加注液態(tài)二氧化碳,將致裂系統(tǒng)與低壓?jiǎn)?dòng)裝置連接,接通電流啟動(dòng)爆破系統(tǒng),加熱器經(jīng)電流作用開始發(fā)熱,迅速使加熱裝置啟動(dòng),爆破管內(nèi)液態(tài)二氧化碳瞬間氣化,體積暴增600 倍以上并引起高壓,壓力超過(guò)爆破片極限壓力(壓力可設(shè))時(shí),沖破定壓片,高壓二氧化碳?xì)怏w從釋放頭沖出,引起的沖擊波可以在幾十毫秒內(nèi)釋放結(jié)束,破壞巖石,從而達(dá)到爆破致裂的目的。

目前對(duì)二氧化碳破碎技術(shù)的研究及應(yīng)用主要集中在6 個(gè)方面:①有學(xué)者研究了二氧化碳爆破對(duì)煤巖的破壞特征[26],認(rèn)為二氧化碳致裂分兩個(gè)階段釋放其能量,一是相變能的釋放,二是膨脹過(guò)程中的膨脹功;認(rèn)為液態(tài)二氧化碳急劇相變產(chǎn)生的應(yīng)力波作用于炮孔周圍形成壓碎區(qū),應(yīng)力波和二氧化碳?xì)怏w膨脹共同作用形成裂隙區(qū)。 ②分析二氧化碳致裂器泄放壓力與定壓剪切片厚度、發(fā)熱材料用量和液態(tài)二氧化碳充裝量之間的關(guān)系,為致裂器泄能參數(shù)的研究與調(diào)整提供了方向[27]。 ③利用有限元軟件模擬分析二氧化碳致裂器結(jié)構(gòu)構(gòu)造對(duì)泄能及破碎效果的影響,針對(duì)實(shí)際工程環(huán)境提出適合的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)[28]。 ④二氧化碳致裂器可靠性因素分析[29-31]。 通過(guò)對(duì)致裂器發(fā)熱材料及不能正常工作的原因進(jìn)行研究分析,提出相應(yīng)解決辦法。 ⑤合理設(shè)計(jì)充裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu),采用自動(dòng)化控制技術(shù),提高二氧化碳致裂器充裝效率[32]。 ⑥利用二氧化碳致裂器對(duì)巖石或煤層增透[33],以達(dá)到強(qiáng)化瓦斯抽采及提高煤礦井下安全的目的。

二氧化碳爆破技術(shù)原理簡(jiǎn)單,不產(chǎn)生啞炮,粉塵小,無(wú)有毒物質(zhì)產(chǎn)生。 但其對(duì)設(shè)備強(qiáng)度要求較高,威力較小,多用于松動(dòng)爆破,并且行業(yè)內(nèi)無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),可能存在較大的安全隱患[18]。

5 結(jié)論

1)靜態(tài)破碎法雖是一種較合理、安全、經(jīng)濟(jì)的施工方法,但因其破碎時(shí)間較長(zhǎng)且破碎劑受環(huán)境溫度影響較大,因此,需進(jìn)一步研制更高效的靜態(tài)破碎劑。

2)目前,爆破劑在民用領(lǐng)域應(yīng)用較少,研發(fā)新型爆破劑并配合爆破應(yīng)用技術(shù)可以更快地促進(jìn)其民用化。

3)等離子體破碎技術(shù)及二氧化碳致裂器破碎技術(shù)發(fā)展起步較晚,其研究目前仍處于基礎(chǔ)階段且有許多行業(yè)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)需要完善。 此外,這些技術(shù)方法的應(yīng)用效果還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

4)由于上述爆破工程用特種器材的破碎功率較低,威力較小,且使用時(shí)受到一定設(shè)備條件和環(huán)境因素的制約,因此,傳統(tǒng)炸藥爆破技術(shù)雖存在或多或少的短處,但目前仍被廣泛應(yīng)用。