炮孔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)回顧和展望

葉建軍,尹 仲,程大春,韓學(xué)軍,王國輝,彭慶波

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢430068;2.武漢宏偉交通爆破工程有限公司,湖北 武漢430000;3.湖北凱龍工程爆破有限公司,湖北 荊門448004)

0 引言

爆破技術(shù)作為高效的破巖手段,被廣泛應(yīng)用于隧道、公路、鐵路、礦山、水利及建筑物(構(gòu)筑物)拆除等領(lǐng)域。 安全、綠色等理念深入發(fā)展,對爆破技術(shù)也提出了更高的要求。 在取得良好破巖效果的同時,盡量減小有害效應(yīng),已經(jīng)成為爆破工程界努力追求的目標。 裝藥結(jié)構(gòu)是影響爆破效果和有害效應(yīng)的重要因素之一,深入開展裝藥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究,對推動我國工程爆破技術(shù)的發(fā)展具有重要的理論價值和實際意義。

1 裝藥結(jié)構(gòu)概述

炸藥在孔內(nèi)填裝的方式稱為裝藥結(jié)構(gòu),它是影響爆破效果的重要因素之一。 目前應(yīng)用最為廣泛的裝藥結(jié)構(gòu)是耦合裝藥(連續(xù)裝藥)和不耦合裝藥,不耦合裝藥可分為軸向不耦合裝藥(間隔裝藥)和徑向不耦合裝藥。 這幾種結(jié)構(gòu)早在20 世紀50 年代就已經(jīng)開始研究應(yīng)用,爆破效果存在明顯差異,耦合裝藥破巖炸藥能量利用率低,巖石破碎效果不佳(如圖1 所示),有害效應(yīng)較強烈(如圖2所示),增大了二次破碎的工作量。 為滿足生產(chǎn)實踐的要求,諸多研究學(xué)者在耦合裝藥理論和應(yīng)用的基礎(chǔ)上不斷研究改進,不耦合裝藥應(yīng)運而生。 研究表明:不耦合裝藥可顯著改善爆破效果,一定程度地抑制有害效應(yīng),具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。 但有不少工程仍采用耦合裝藥,主要原因包括相關(guān)工程技術(shù)人員對不耦合裝藥裝置和方法的認識匱乏或?qū)崿F(xiàn)不耦合裝藥難度大等,這種情況嚴重阻礙了不耦合裝藥技術(shù)的發(fā)展和推廣。

為解決上述問題,對近些年在不同工況下實現(xiàn)不耦合裝藥的方法和裝置進行了歸納分析。

圖1 耦合裝藥破巖效果

圖2 耦合裝藥粉塵效應(yīng)

1.1 耦合裝藥

耦合裝藥即藥室內(nèi)的炸藥間沒有隔開及炸藥與孔壁不留空隙的裝藥方式,如圖3(a)所示。 一般用炮棍將炸藥輕輕搗實,保證炸藥與炮孔壁的耦合質(zhì)量。 此外,裝藥器和裝藥車裝藥無須炮棍搗實,通過高壓噴射散裝炸藥即可實現(xiàn)耦合裝藥的目的。

1.2 不耦合裝藥

軸向不耦合裝藥即藥室內(nèi)的炸藥在炮孔軸向有介質(zhì)(空氣、水、惰性材料)隔開,如圖3(b)所示。常見軸向不耦合裝藥的方法:在竹片上捆綁一定間隔距離的藥卷,藥卷隨竹片放入炮孔中;用空氣袋或水袋或惰性材料作為間隔材料,使孔內(nèi)炸藥軸向不耦合;把藥卷相隔一定距離包裹在導(dǎo)爆索,即串珠裝藥,如圖4 所示。 徑向不耦合裝藥即藥室中存在介質(zhì)使炸藥和孔壁不直接接觸,即控制藥柱的直徑小于炮孔直徑,孔內(nèi)充填空氣或水或惰性材料,如圖3(c)所示。 常用的徑向不耦合方法:將小于炮孔直徑的藥卷連續(xù)在捆綁竹片上,藥卷隨竹片放入炮孔中;將與炮孔等直徑或小于炮孔直徑的PVC管放入孔內(nèi),再往孔內(nèi)連續(xù)裝藥。

圖3 3 種裝藥結(jié)構(gòu)

圖4 串珠裝藥結(jié)構(gòu)

除上述常見的不耦合裝藥方法外,近年來,諸多學(xué)者發(fā)明了一系列實現(xiàn)不耦合裝藥的方法。

徐連生等[1]發(fā)明了一種徑向空氣不耦合裝置,該裝置雖然理論上能達到空氣不耦合效果,但是實際應(yīng)用時無氣充氣圈放入炮孔可能發(fā)生損傷,且現(xiàn)場還需提供一臺空氣泵,投入的成本較高,實用價值較低。 同年他還發(fā)明了一種利用竹片同時實現(xiàn)軸向和徑向不耦合裝藥的方法[2],可適用豎向、水平和傾斜炮孔,所需投入成本低,操作方便,能一次完成裝藥,若在竹片首末端套一個孔內(nèi)居中裝置,可達到更好的爆破效果。 趙明生等[3]發(fā)明了一種空氣間隔器,在炮孔深度不一致的工況中,可一定程度調(diào)節(jié)空氣柱長度,相比空氣袋,避免了需產(chǎn)生另一型號的空氣間隔裝置的過程。 邵宇晨等[4]發(fā)明了一種含水炮孔空氣間隔裝藥裝置,可在水中精確定位空氣間隔位置,在此種工況中具有較強的實用價值。 葉建軍等[5]發(fā)明了裝藥長袋裝置,提出了裝藥長袋對炮孔裝藥的方法,還能同時實現(xiàn)軸向和徑向不耦合裝藥,解決了兩端開口的水平孔和豎向深孔準確裝藥的難題,若配合其發(fā)明的傘形卡位懸掛器[6]實現(xiàn)上向、水平和小傾角下向孔裝藥。 潘鵬飛等[7]發(fā)明了一種變直徑不耦合裝藥裝置,使孔內(nèi)炸藥分布更加合理,提高炸藥利用率,進一步減少根底。 馬望龍[8]提出了采用PVC 管間隔裝藥的爆破方法,使裝藥過程成本更低,操作方便,但此方法有一定的局限性,只能配合有包裝的炸藥使用,如乳化炸藥。 閆永富等[9]發(fā)明了一種水介質(zhì)間隔器,與水袋相比具有較高的強度,不易摩擦擠壓破壞,有較強的實用性。 鐘權(quán)等[10]發(fā)明了一種孔內(nèi)可多段空氣間隔裝置,相比空氣間隔器,減少了裝藥步驟,能一次完成裝藥,降低了裝藥成本。 管偉明等[11]發(fā)明一種利用發(fā)泡劑改變裝藥直徑的方法,采用有機合成材料作為徑向耦合介質(zhì),進一步改善爆破效果。 牛藝淋等[12]發(fā)明了一種液體間隔裝置,相比水介質(zhì),進一步減少了有毒氣體的產(chǎn)生。 薛永斌等[13]發(fā)明了一種露天臺階爆破軸向空氣間隔裝置,可以看作是在文獻[10]的空氣間隔裝置基礎(chǔ)上進行了升級,實現(xiàn)可任意調(diào)節(jié)裝藥間隔距離,進一步精確裝藥不耦合系數(shù)。 王志富等[14]發(fā)明了一種綠色礦山爆破專用的多功能水袋,可根據(jù)不同要求切換空氣不耦合和水不耦合,一裝置多用,具有一定的實用性,但費用較高。 何興貴等[15]發(fā)明了一種水平孔的水耦合裝藥裝置,此方法成本低,操作簡單,實現(xiàn)軸向和徑向不耦合裝藥的不耦合系數(shù)精度高,實用性強。 高杰等[16]發(fā)明了一種軟弱夾層地質(zhì)邊坡控制爆破裝藥結(jié)構(gòu),能減少軟弱夾層處的超挖,降低邊坡支護費用。

上述所提實現(xiàn)不耦合裝藥的途徑詳情見表1。盡管實現(xiàn)不耦合裝藥方法眾多,但發(fā)展趨勢一致,即趨于成本低、操作簡單、功能多、定位精準和適用性強等特征。

表1 實現(xiàn)不耦合裝藥的途徑

表1(續(xù))

1.3 三種裝藥結(jié)構(gòu)的破巖作用機理

1.3.1 耦合裝藥

炸藥爆轟產(chǎn)生沖擊波和爆生氣體,沖擊波和爆生氣體直接作用于孔壁,沖擊波壓力遠大于巖石的動態(tài)抗壓強度,裝藥空間巖壁受到強烈壓縮形成空腔(爆腔)[18],圍巖粉碎性破壞形成壓碎區(qū)。 隨著沖擊波衰減為壓縮應(yīng)力波,當應(yīng)力波壓力小于巖石的抗壓強度,切向拉應(yīng)力大于巖石動態(tài)抗拉強度時,巖石被拉裂,形成與壓碎區(qū)相通的徑向裂隙,在高溫高壓爆生氣體的膨脹、擠壓及氣楔作用下,裂隙進一步擴展延伸。 由于沖擊波、應(yīng)力波對巖石的強烈壓縮作用,巖石內(nèi)積蓄了一部分彈性變形能,當巖石內(nèi)壓力下降到一定程度時,彈性變形能釋放,向爆源中心傳播,使巖石質(zhì)點回彈,徑向拉應(yīng)力使巖石產(chǎn)生環(huán)狀裂隙,形成破裂區(qū),剩余的能量用于巖石拋擲或釋放在空氣中。

1.3.2 軸向不耦合裝藥

炸藥爆轟產(chǎn)生沖擊波和爆生氣體,由于間隔介質(zhì)(空氣或水)的存在,沖擊波和高溫高壓氣體對介質(zhì)壓縮并在介質(zhì)中激起沖擊波且在炮孔內(nèi)不斷反射,降低了沖擊波壓力峰值,縮小了壓碎區(qū)范圍。沖擊波衰減為應(yīng)力波,產(chǎn)生徑向裂隙,二次和后續(xù)系列加載波的作用增加了裂隙擴展的時間,爆生氣體及介質(zhì)(空氣或水)的靜態(tài)壓力進一步使縫隙擴展延伸[19-23]。

1.3.3 徑向不耦合裝藥

炸藥爆轟產(chǎn)生沖擊波和爆生氣體,由于徑向耦合介質(zhì)(空氣或水)的存在,沖擊波和爆生氣體不直接作用于巖壁,而是先對耦合介質(zhì)進行壓縮,再由介質(zhì)向巖石中傳遞爆炸能量,使沖擊波峰值降低,孔壁能量分布更加均勻,壓碎區(qū)減小,炮孔近區(qū)巖石裂紋減少。 沖擊波的逐漸衰減,炮孔內(nèi)產(chǎn)生徑向裂隙,二次和后續(xù)系列加載波的作用增加了裂隙擴展的時間,最后由爆生氣體和被壓縮介質(zhì)的靜準態(tài)作用使裂隙進一步擴展延伸[24-26]。

2 裝藥結(jié)構(gòu)爆破效果的影響因素

爆破工程中,為了改善爆破效果及減少爆破有害效應(yīng),通常會選擇調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。 對于耦合裝藥,一般通過調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)、炸藥性能和堵塞質(zhì)量等改善爆破效果,未從改變裝藥結(jié)構(gòu)的角度進行調(diào)整。 對于不耦合裝藥,影響爆破效果的3 個重要參數(shù)為耦合介質(zhì)的選擇、耦合介質(zhì)的位置及不耦合系數(shù)。

2.1 耦合介質(zhì)

常規(guī)爆破中,水袋間隔材料相比空氣柱間隔材料,孔外巖石的壓應(yīng)力更小,拉應(yīng)力更大;有機合成材料聚苯乙烯泡沫作為耦合介質(zhì),與空氣相比,爆破漏斗體積更大,飛石拋擲速度更小,能量利用率更高;通過水或空氣徑向不耦合裝藥對比初始孔壁壓力和透射比能量,水作為耦合介質(zhì),初始孔壁壓力較大,衰減慢,作用時間長,透射比能量大。 因此,水作為耦合介質(zhì)的破巖效果更好,雖然產(chǎn)生振動較大,但是可另設(shè)減振措施來降低振動[27-30]。

光面爆破中,空氣介質(zhì)耦合裝藥形成較好的貫穿裂縫,主要貫穿裂縫在炮孔間的連心線,周邊孔爆紋相對較少;水介質(zhì)耦合裝藥,發(fā)展貫穿裂縫較多,且多數(shù)偏離炮孔間的連心線,炮孔周圍裂紋較多。 光面爆破中選用空氣作為耦合介質(zhì)更加合適[31-32]。

預(yù)裂爆破中,自由面只有1 個,水作為耦合介質(zhì)傳遞的爆炸能量更高,爆炸能量利用率更好,能更好地形成緩沖面。 但水量過多,預(yù)裂面的平整度差,半孔率較低,通過調(diào)整合適的水耦合裝藥系數(shù)能夠達到理想的爆破效果[33]。

2.2 間隔介質(zhì)的位置

軸向空氣間隔裝藥時,從減振率、巖石損傷、爆破安全允許距離和塊度分布上分析,相比上部、孔底空氣間隔裝藥,中部空氣間隔裝藥更加有優(yōu)勢[34-35]。 但也有其他學(xué)者通過現(xiàn)場爆破試驗進行驗證,從爆破效果、單耗、經(jīng)濟的角度分析表明孔底間隔裝藥更加理想[36]。

軸向水間隔裝藥時,從巖石內(nèi)部應(yīng)力衰減、振動速度、孔壁峰值壓力分析,中部水柱間隔裝藥最為理想[37]。 由于不同空氣層位置會產(chǎn)生不同的爆破效果, 應(yīng)根據(jù)爆破目的選用最合適的裝藥結(jié)構(gòu)[38]。

2.3 不耦合系數(shù)

不耦合系數(shù)的大小對爆破效果有著顯著的影響。 不耦合系數(shù)增大,爆破效果明顯改善,超過一定值后,爆破效果逐漸下降,整體呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢[39],存在最佳不耦合系數(shù)。 確定不耦合系數(shù)的方法一般為公式計算法和經(jīng)驗法。

常規(guī)爆破中,不耦合系數(shù)須滿足2 個條件:初始孔壁沖擊波壓力小于巖石動態(tài)抗壓強度,應(yīng)力波和氣楔共同作用的切向拉應(yīng)力大于動態(tài)抗拉強度。根據(jù)這2 個條件計算出不耦合系數(shù)的范圍。 若還有其他爆破要求,可開展針對性試驗進一步縮小不耦合系數(shù)的范圍[40-42]。

光面爆破中須確定最佳不耦合系數(shù)。 首先通過絕熱方程求出孔壁壓力,然后根據(jù)孔壁巖石不發(fā)生破壞和炮孔間連心線方向裂縫貫通2 個要求得出孔壁壓力的區(qū)間,而孔壁壓力與裝藥體積相關(guān),裝藥體積和不耦合系數(shù)相關(guān),進而得出不耦合系數(shù)的區(qū)間,最后將相關(guān)參數(shù)代入,確定合理不耦合系數(shù)的范圍[43],進而確定出最佳不耦合系數(shù)。

在預(yù)裂爆破中,也可通過上述計算方法確定不耦合系數(shù)的范圍,合理不耦合系數(shù)要考慮形成貫穿裂縫的3 個要求:孔壁不發(fā)生壓力破壞,炮孔間連心線方向孔壁起裂,孔間裂縫貫通[44]。

3 裝藥技術(shù)的未來展望

近年來,國內(nèi)對裝藥技術(shù)的研究雖然取得了一些成果,但是由于爆破機理相當復(fù)雜,影響爆破效果的因素很多,理論研究并不完善,缺乏全面、系統(tǒng)的研究和相應(yīng)的理論分析,導(dǎo)致裝藥技術(shù)應(yīng)用早于理論研究。 在實際工程中,通常依賴經(jīng)驗及類似工程的類比來設(shè)計爆破方案,造成爆破效果的不確定因素居多,阻礙了裝藥技術(shù)的發(fā)展。 因此,筆者認為,完善裝藥技術(shù)應(yīng)該從這幾點出發(fā):

1)裝藥結(jié)構(gòu)的爆破機理研究。 確定不同裝藥結(jié)構(gòu)和組合式裝藥結(jié)構(gòu)爆破后的各項指標,根據(jù)不同的爆破目的,對比各裝藥結(jié)構(gòu)的差異性和優(yōu)缺點,選取最合適的裝藥結(jié)構(gòu),以達到預(yù)期的爆破效果。

2)裝藥結(jié)構(gòu)爆破效果的影響參數(shù)研究。 由于各層巖石性質(zhì)不同,需對耦合介質(zhì)、耦合介質(zhì)的位置和最佳不耦合系數(shù)等參數(shù)展開深入研究,建立全面、系統(tǒng)的裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇規(guī)范。

3)不耦合裝藥手段研究。 在現(xiàn)有裝藥方法的基礎(chǔ)上,不斷挖掘探索,尋求更加節(jié)約、方便、全面的裝藥方法和機械;利用先進設(shè)備如智能裝藥車等,將各裝藥參數(shù)輸入計算機中,進行精確裝藥,既滿足裝藥質(zhì)量,又可降低工作強度,提高施工安全性。