非爆破破巖技術(shù)在礦山生產(chǎn)中的應(yīng)用探索

劉金廣

（開灤集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000）

0 引 言

爆破在礦山施工中應(yīng)用非常廣泛，鑒于炸藥使用有著便捷、高效、成本低廉等優(yōu)勢，目前爆破施工仍是礦山破巖的主要手段。但炸藥和起爆器材多是易燃、易爆的危險(xiǎn)物，在其加工、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用等任何一個(gè)環(huán)節(jié)中，稍有不慎就有可能發(fā)生爆炸事故，爆炸產(chǎn)生大量毒害氣體、噪音、粉塵等，嚴(yán)重影響工作人員的身心健康。同時(shí)爆炸產(chǎn)生的高溫高壓使其在某些特殊環(huán)境下使用受限（如市政工程、瓦斯礦井等），因此一些非爆破破巖技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。非爆破破巖技術(shù)是相對爆破破巖技術(shù)而言，籠統(tǒng)講就是不以炸藥爆炸為主要手段的破巖技術(shù)，屬于潔凈爆破，主要有靜態(tài)爆破、激光爆破等[1-4]。

幾種常用非爆破破巖技術(shù)特點(diǎn)見表1。

1 靜態(tài)爆破

靜態(tài)爆破是常規(guī)炸藥爆破的一種延伸，具有低振動(dòng)、低沖擊、低噪聲、低粉塵等優(yōu)點(diǎn)，在人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)日益提高的今天，前景比較廣闊。目前主要有靜力爆破劑（膨脹劑） 法、巖石劈裂機(jī)（液壓劈裂棒）、二氧化碳爆破（氣體爆破） 等手段。

表1 非爆破破巖技術(shù)特點(diǎn)對比Table 1 Comparison of characteristics of non-blasting rock breaking technology

1.1 靜力爆破劑

靜力破碎劑主要由氧化鈣和無機(jī)鹽化合物組成粉劑，通過水化反應(yīng)產(chǎn)生能量進(jìn)行破巖。

1.1.1 作用原理

將靜力破碎劑與水混合裝入巖孔內(nèi)，水化產(chǎn)生熱膨脹使巖石出現(xiàn)裂縫、裂縫傳播、裂縫擴(kuò)大過程。一般而言可產(chǎn)生50 MPa 的膨脹壓力，經(jīng)過一段時(shí)間，便可以在無震動(dòng)、無噪音、無飛石和無毒氣情況下把混凝土和巖石破碎、切割。

1.1.2 特 點(diǎn)

一是破碎劑不屬于危險(xiǎn)物品，購置運(yùn)輸、使用中受限制較少；二是施工過程安全，不存在爆破高溫、震動(dòng)、沖擊、毒害氣體等，屬于相對環(huán)保破巖手段；三是對施工人員操作技能要求低，相對安全；四是適用范圍廣，對空間地點(diǎn)要求低。

但靜力破碎劑使用范圍有一定的局限性，與炸藥相比，能量小、破碎效果相對差，作用時(shí)間約3～12 h，時(shí)間較長，期間還需做必要的養(yǎng)護(hù)，防止低溫影響破碎效果。

1.1.3 應(yīng)用情況

1968 年日本大成建設(shè)技術(shù)研究所的田中秀男最早將CaO（MgO） 與水拌合后充填到炮孔中利用，對建筑物實(shí)施拆解。

國內(nèi)20 世紀(jì)80 年代初也開始研制。資料顯示，1996 年，有論文介紹了在隧道擴(kuò)建過程中，采用液浸式快速靜態(tài)破碎藥卷破碎巖石的應(yīng)用；2000 年，有文獻(xiàn)介紹在軟弱圍巖隧道混凝土襯砌拆換施工中，采用靜態(tài)破碎與微震弱爆相結(jié)合的方案拆除隧道原支護(hù)結(jié)構(gòu)取得了良好的效果；2002年，有資料顯示運(yùn)用中國礦業(yè)大學(xué)生產(chǎn)的88-C 冬季型靜態(tài)破碎劑拆除井壁外層混凝土的具體應(yīng)用。隨后，有大量文獻(xiàn)介紹靜力劑爆破在隧道施工、拆除煤礦設(shè)備基礎(chǔ)、水庫電站高壓管道、井下開幫等靜態(tài)爆破劑爆破成功案例。較近一次是2011 年，淄礦集團(tuán)新河煤礦與山科大合作使用中國礦大爆破公司藥卷型靜力破碎劑在井下進(jìn)行過掘進(jìn)試驗(yàn)，效果良好。

1.2 二氧化碳爆破

二氧化碳爆破一般通過高壓爆破管來完成，爆破深度不宜過深，通常2.5 m 以內(nèi)、孔徑60 mm 左右。高壓管一端設(shè)有充放氣閥，一端與起爆器連接，管內(nèi)裝有氣體產(chǎn)生器。起爆后，二氧化碳?xì)庠斐傻臎_擊波往側(cè)向爆發(fā)。

1.2.1 作用原理

通過相變完成破巖。高壓管預(yù)先注入液態(tài)二氧化碳,置入工作面鉆孔。高壓管起爆頭端接通引爆電流后引發(fā)反應(yīng)，使液態(tài)二氧化碳迅速氣化。一般毫秒級(jí)內(nèi)體積膨脹可達(dá)600 多倍，管內(nèi)壓力劇增至270 MPa 以上，爆破端被打開迅速向外爆發(fā)，瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大推力,使氣體沿自然裂面（或預(yù)裂面） 沖開達(dá)到爆破效果。

1.2.2 特 點(diǎn)

一是不產(chǎn)生外泄火花；二是不產(chǎn)生破壞性震蕩波及毒害氣體等；三是不屬于危險(xiǎn)物品，受限制較少；四是比較適用瓦斯礦山，誘發(fā)突出幾率低。

1.2.3 應(yīng)用情況

液態(tài)二氧化碳19 世紀(jì)首先在石油與天然氣工業(yè)使用，1981 年“純液態(tài)二氧化碳?jí)毫鸭夹g(shù)”首次應(yīng)用于加拿大砂巖油藏。

煤礦20 世紀(jì)50 年代曾專門為高瓦斯礦井的采煤工作面研發(fā)二氧化碳破巖技術(shù)，淮北礦業(yè)集團(tuán)公司通防處和英國CARDOX 公司的有關(guān)技術(shù)人員于2007 年在蘆嶺煤礦1083 工作面進(jìn)行二氧化碳爆破實(shí)驗(yàn)，據(jù)資料顯示，試驗(yàn)取得成功。由于其獨(dú)有的特性，在處理煤倉卡眼、放頂煤工作面、天然焦等特殊地點(diǎn)有獨(dú)特優(yōu)勢。

1.3 巖石劈裂機(jī)

隨著工程需要和制造業(yè)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了機(jī)械化程度更高，可控性更強(qiáng)的靜爆超級(jí)巖石分裂機(jī)。機(jī)械化靜態(tài)爆破施工技術(shù)是利用巖石抗壓強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度低的特點(diǎn)，以高壓油為能量源，靠液壓動(dòng)力站的泵站輸出高壓油、經(jīng)增壓器機(jī)械放大，推動(dòng)分裂棒內(nèi)的油缸產(chǎn)生巨大動(dòng)力，使劈裂棒液壓頂向外脹裂巖石。瞬間可達(dá)幾千噸超高壓的分裂力，幾分鐘內(nèi)輕而易舉按預(yù)定方向分裂堅(jiān)硬巖石，達(dá)到脹碎開挖目的。目前廣泛應(yīng)用各種土石方工程中，具有可操控性好、機(jī)械化程度高、安全性高等多方面的優(yōu)點(diǎn)，被利用的越來越廣泛[5-7]。

2 水壓聚能爆破

水壓爆破，屬于炸藥的清潔利用方式之一，通常用于基座、可容狀構(gòu)筑物等爆破拆除。

2.1 原 理

水壓爆破一般將計(jì)算定量炸藥置于滿水的被爆體中，通過合理的設(shè)計(jì)起爆點(diǎn)位置、炸藥爆炸瞬間水傳播沖擊波到被爆體使其位移，并產(chǎn)生反射作用形成二次加載，加劇破壞。其產(chǎn)生的空氣沖擊波、飛石及噪聲等可有效控制，能量傳播損失小，簡便易行。

2.2 應(yīng)用情況

通?，F(xiàn)場施工一類是將藥包置于有水鉆孔中進(jìn)行爆破，另一類主要應(yīng)用于容器狀構(gòu)筑物或建筑物。

2.2.1 水桶爆破法

將起爆藥包放置在被爆物體的表面，在藥包的上面設(shè)置事先制作好充滿水的“水桶”，引爆利用水作為背壓介質(zhì)進(jìn)行爆破拆除的方法。這種方法是根據(jù)炸藥接觸爆炸使結(jié)構(gòu)發(fā)生層裂和利用覆蓋介質(zhì)的背壓及爆炸氣體對結(jié)構(gòu)的共同作用來破壞結(jié)構(gòu)的，覆蓋面的介質(zhì)層可起到減弱或消除空氣沖擊波和爆破噪音對周圍環(huán)境影響的作用。

2.2.2 水土圍壓爆破法

用于沒有條件使用常規(guī)水壓爆破或鉆孔爆破薄壁體拆除，具體是將藥包緊貼池壁內(nèi)側(cè)放置，池內(nèi)充水土混合介質(zhì)，起爆后拆除壁體。

2.2.3 微差水壓爆破

合理設(shè)計(jì)爆破微差，當(dāng)爆炸使周壁開始破裂、在沖擊波產(chǎn)生的同時(shí)，爆炸產(chǎn)物形成帶能量的氣泡，氣泡產(chǎn)生的膨脹和收縮的震蕩運(yùn)動(dòng)，不斷釋放出一部分能量，形成二次沖擊加載，壁面在二次加載下加速破壞。

2.2.4 在隧道掘進(jìn)爆破中應(yīng)用

隧道掘進(jìn)爆破中，向炮孔注水，以水為媒介提高炸藥能量利用率，同時(shí)減少炮煙和粉塵。目前隧道施工中被不斷被推廣[8]。

3 激光破巖

屬于熱力破巖，巖石熱破碎是效率較高的破巖方式，實(shí)踐表明高于傳統(tǒng)機(jī)械、水射流等破巖方法。

3.1 原 理

利用強(qiáng)激光與巖石的相互作用，強(qiáng)大的熱沖擊可以使要鉆入的巖石材料被擊成碎片，其過程存在復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。

3.2 應(yīng)用情況

一些文獻(xiàn)表明，石油行業(yè)已有人在研究激光三牙輪鉆頭替代傳統(tǒng)鉆頭，研究者考慮其強(qiáng)大的熱效應(yīng)更利于巖石融化、優(yōu)化井壁特性，嘗試其是否可以達(dá)到免支護(hù)效果。

20 世紀(jì)60 年代美國有計(jì)劃研究電子束、激光、水射流等破巖新方法，受當(dāng)時(shí)技術(shù)限制，一度被認(rèn)為不可行。1977 年，美國天然氣工業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合軍方和一些大學(xué)，使激光鉆井的可行性得以證實(shí)。1998 年，美國研制出一臺(tái)激光鉆機(jī)，近年來，美國菲利普斯公司使用化學(xué)氧碘激光發(fā)生器進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光鉆井10 h 的鉆井進(jìn)尺，需要常規(guī)鉆井鉆10 d 時(shí)間，現(xiàn)實(shí)意義巨大[9-10]。

4 結(jié) 語

非爆破破巖技術(shù)目前應(yīng)用范圍有限，相比爆破法存在成本高、效率低等不足，但這類爆破技術(shù)普遍存在著震動(dòng)小、安全性高、環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)，為生產(chǎn)破巖提供了更多的選擇，符合破巖技術(shù)多元發(fā)展的方向，符合新時(shí)代協(xié)調(diào)、綠色、持續(xù)發(fā)展理念，解決了特殊條件下、作業(yè)方式受限情況下爆破作業(yè)，其良好的可控性也為智能化破巖的實(shí)現(xiàn)提供了更多契機(jī)。