某輸水工程取水口深水區(qū)巖坎爆破拆除工程爆破方案優(yōu)化探討

林億群

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

遼寧省重點(diǎn)輸水工程取水口需要進(jìn)行深水區(qū)巖坎爆破拆除，在進(jìn)行工程爆破前需要按照GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)范要求對爆破材料是否能滿足工程設(shè)計(jì)指標(biāo)要求進(jìn)行檢驗(yàn)。為順利將預(yù)留巖坎爆破拆除，保障輸水工程正常運(yùn)行，選取一批當(dāng)前在國內(nèi)水利工程應(yīng)用較好的新的乳化炸藥來進(jìn)行深水區(qū)巖坎爆破拆除。同時(shí)，為確保選用的炸藥的敏化劑(玻璃微球)質(zhì)量及摻量，起爆藥盒和炸藥密度按相關(guān)控制指標(biāo)進(jìn)行生產(chǎn)。出廠的成品炸藥的性能指標(biāo)是否能滿足工程要求，需要對該批次炸藥進(jìn)行外觀檢測、密度測試、殉爆距離試驗(yàn)以及模擬水下抗靜壓試驗(yàn)，從而確定最優(yōu)的巖坎爆破拆除方案。為此本文從深水炸藥來源、出廠試驗(yàn)、工地檢測和殉爆距離實(shí)驗(yàn)等方面對深水區(qū)巖坎爆破拆除工程爆破方案進(jìn)行優(yōu)化探討。

1 深水乳化炸藥的生產(chǎn)與檢驗(yàn)方案

爆破器材從產(chǎn)地到爆破地點(diǎn)運(yùn)輸環(huán)境一般要求較高，在運(yùn)輸?shù)倪^程中爆破材料性能受環(huán)境影響程度較高，因此需要在爆破現(xiàn)場對材料進(jìn)行現(xiàn)場測定，對其爆破質(zhì)量及性能進(jìn)行試驗(yàn)，從而為后續(xù)爆破設(shè)計(jì)提供支撐。

1.1 深水乳化炸藥生產(chǎn)方案

根據(jù)項(xiàng)目需求，選取玻璃微球做敏化劑的新型乳化炸藥，廠家對乳化炸藥進(jìn)行試生產(chǎn)，密度按1.10±0.02g/cm3進(jìn)行控制，采購的玻璃微球及加料情況如圖1(a)所示，雷管座增加的起爆藥盒如圖1(b)所示。

圖1 (a)玻璃微球及加料情況;(b)雷管座增加的起爆藥盒

生產(chǎn)過程中對出料口的乳化炸藥以及經(jīng)過裝藥機(jī)二次攪拌裝入Φ75殼體乳化炸藥的密度進(jìn)行隨機(jī)抽檢。對于出料口的乳化炸藥多次測得的密度均在1.09～1.12g/cm3之間，經(jīng)裝藥機(jī)二次攪拌混勻后多次測得的密度值在1.04～1.09g/cm3之間。

1.2 新型乳化炸藥出廠試驗(yàn)方案

1.2.1密度測試

將炸藥放入壓力罐加壓至0.5MPa浸水，48h后，隨機(jī)選取兩節(jié)進(jìn)行密度測試，測得的炸藥密度分別為1.07g/cm3、1.16g/cm3，表明經(jīng)過水壓長時(shí)間作用后，密度有增大的現(xiàn)象，但還是滿足要求。

1.2.2爆速測試

采用CA- 1型單段爆速儀直接記錄爆轟波在藥卷中兩點(diǎn)間的傳播時(shí)間t，來計(jì)算出爆破時(shí)間的快慢。其主要通過爆破產(chǎn)生過程中對離子導(dǎo)電性能進(jìn)行計(jì)算，測定波陣面依次通過藥柱各探針?biāo)璧臅r(shí)間從而求得平均速度。測試時(shí)，采用漆包線制作成探針，插入藥卷，并且固定在試樣上。安裝好后，兩引出線應(yīng)在電性能上保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。取探針間距L(一般取50mm)，靠近起爆端的測點(diǎn)距離應(yīng)不小于60mm，靠近末端的測點(diǎn)距離應(yīng)不小于20mm。共測試7節(jié)浸水后的震源藥柱型乳化炸藥，獲得5組數(shù)據(jù)，其結(jié)果見表1。根據(jù)格羅布斯準(zhǔn)則判斷，第1次測得的震源藥柱爆速為異常數(shù)據(jù)，應(yīng)予剔除。統(tǒng)計(jì)計(jì)算可得，該批次炸藥平均爆速為5247.4m/s。

表1 乳化炸藥爆速測試結(jié)果

1.2.3猛度測試

通常采用鉛柱壓縮法測試炸藥猛度。鉛柱壓縮法主要對爆炸材料的質(zhì)量、形態(tài)規(guī)定指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定后，壓縮爆炸材料內(nèi)部的鉛柱，從而對爆破材料的猛度進(jìn)行壓縮值的衡量。每次進(jìn)行兩個(gè)樣品的平行試驗(yàn)，各試驗(yàn)之間測定的壓縮值要低于2.0mm。若平行試驗(yàn)超差，允許重新取樣，再做2個(gè)平行試驗(yàn)，按上述規(guī)定執(zhí)行。通過對兩個(gè)試件鉛柱的壓縮值進(jìn)行測量，取平均值，得到猛度值為16mm，滿足要求。

1.2.4殉爆距離測試

隨機(jī)抽取3節(jié)乳化炸藥，從中間切開，一段作為起爆藥，一段作為被發(fā)藥，間距為1倍藥卷直徑，即為7.5cm，測試情況如圖2所示。起爆后3組炸藥全部正常爆轟，說明殉爆距離滿足1倍藥徑的要求。

圖2 殉爆距離測試現(xiàn)場

1.2.5抗靜水壓測試

結(jié)合裝藥結(jié)構(gòu)，對Φ100包裝乳化炸藥及Φ75震源乳化炸藥共做了6組帶壓起爆、傳爆試驗(yàn)，分別為：

(1)3節(jié)有起爆藥盒的Φ75震源乳化炸藥連接，雷管置于第1節(jié)Φ75震源乳化炸藥雷管座中，檢驗(yàn)炸藥起爆、正向傳爆性能；

(2)3節(jié)有起爆藥盒的Φ75震源乳化炸藥連接，雷管置于第2節(jié)Φ75震源乳化炸藥雷管座中，檢驗(yàn)炸藥起爆、雙向傳爆性能；

(3)3節(jié)無起爆藥盒的Φ75震源乳化炸藥連接，雷管置于第1節(jié)Φ75震源乳化炸藥雷管座中，檢驗(yàn)炸藥起爆、正向傳爆性能以及炸藥的雷管感度；

(4)2節(jié)Φ100包裝乳化炸藥連接2節(jié)有起爆藥盒的Φ75震源乳化炸藥連接，雷管置于第1節(jié)Φ100包裝乳化炸藥中，檢驗(yàn)炸藥起爆、正向傳爆性能及炸藥在水中的雷管感度；

(5)3節(jié)有起爆藥盒的Φ75震源乳化炸藥連接，雷管置于第2節(jié)Φ75震源乳化炸藥雷管座中，在0.5MPa壓力下浸泡90min，然后再起爆，檢驗(yàn)炸藥起爆、雙向傳爆性能；

(6)3節(jié)有起爆藥盒的Φ75震源乳化炸藥連接，雷管直接插入第2節(jié)Φ75震源乳化炸藥中。

六組試驗(yàn)全部在不小于0.5MPa的水壓下進(jìn)行起爆，起爆后現(xiàn)場未見到炸藥和承壓爆炸筒的殘?jiān)?，全部正常起爆和傳爆，滿足要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，本批次生產(chǎn)的乳化炸藥滿足工程要求的性能指標(biāo)。

2 深水乳化炸藥現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 爆破器材的準(zhǔn)備與外觀檢驗(yàn)

分別在編織袋內(nèi)隨機(jī)裝入少量新生產(chǎn)的震源藥柱型炸藥和庫存的雷管，在40m水深環(huán)境下進(jìn)行24h的水域浸泡，24h后進(jìn)行抗靜壓測定。雷管和炸藥在浸泡的過程中分別放入，且雷管和炸藥在水下不能靠近。在水域浸泡過程中隨機(jī)選取一節(jié)進(jìn)行乳化炸藥顏色、黏度的觀察試驗(yàn)。經(jīng)觀察，該批次乳化炸藥顏色、黏度等與剛生產(chǎn)的無異，均為正常。

2.2 密度測試

分別對空氣和水中炸藥質(zhì)量ma及mw采用靜水力學(xué)天平進(jìn)行質(zhì)量測定，則其密度計(jì)算方程為：

(1)

式中，ρw—水的密度，本次試驗(yàn)取1.0g/cm3。測試浸水后炸藥的密度約為1.096g/cm3，滿足要求。

2.3 爆速測試

炸藥爆速測試采用加拿大產(chǎn)HandiTrapII爆速記錄儀。隨機(jī)選取3節(jié)Φ75mm炸藥連續(xù)綁扎，與爆速測試的測針綁扎在一起，保證待測炸藥試件長度大于等于1m(測試探頭桿長0.9m)，如圖3所示測試炸藥試件的爆速測試。將綁扎好的炸藥試件裝入普通非電毫秒雷管，連接好測試儀器后，測試儀器開機(jī)等待記錄，起爆。

圖3 乳化炸藥試件爆速測試

共進(jìn)行3組爆速測試，每組3節(jié)炸藥。第1組由于探針在插入炸藥中彎曲，僅最末一節(jié)炸藥獲得有效數(shù)據(jù)，爆速為5135.8m/s；測得第2組乳化炸藥爆速為5307.9m/s；測得第3組乳化炸藥爆速為5175.6m/s。通過3組浸泡后炸藥的爆速測試，其平均值為5206.4m/s，與廠家采用單段爆速儀測試的平均值基本一致，說明炸藥爆轟后傳爆性能穩(wěn)定，能滿足工程要求。

2.4 殉爆距離試驗(yàn)

在水下浸泡24h后從中選取4節(jié)炸藥并從中部切開，首節(jié)炸藥取其中部取出的那部分，剩下的部分作為次節(jié)炸藥的藥卷，分別進(jìn)行2組7.5cm(1倍藥卷直徑)的殉爆距離測試，測試示意圖如圖4所示。起爆后，正常爆轟，因此，殉爆距離滿足1倍藥卷直徑的要求。

圖4 殉爆距離試驗(yàn)原理示意圖

2.5 抗靜水壓試驗(yàn)

結(jié)合現(xiàn)場裝藥結(jié)構(gòu)，對Φ75震源乳化炸藥共做了5組帶壓起爆、傳爆試驗(yàn)，分別為：

(1)3節(jié)Φ75震源乳化炸藥連接，雷管置于第1節(jié)Φ75震源乳化炸藥雷管座中，加壓至0.4MPa穩(wěn)定一定時(shí)間不卸壓后進(jìn)行起爆，檢驗(yàn)炸藥起爆、正向傳爆性能；

(2)3節(jié)Φ75震源乳化炸藥連接，雷管置于第2節(jié)Φ75震源乳化炸藥雷管座中，加壓至0.5MPa穩(wěn)定一定時(shí)間不卸壓后進(jìn)行起爆，檢驗(yàn)炸藥起爆、雙向傳爆性能；

(3)3節(jié)Φ75震源乳化炸藥連接，雷管置于第1節(jié)Φ75震源乳化炸藥雷管座中，加壓至0.4MPa穩(wěn)定一定時(shí)間不卸壓后進(jìn)行起爆，檢驗(yàn)炸藥起爆、正向傳爆性能；

(4)3節(jié)Φ75震源乳化炸藥連接，雷管置于第2節(jié)Φ75震源乳化炸藥雷管座中，加壓至0.5MPa穩(wěn)定一定時(shí)間不卸壓后進(jìn)行起爆，檢驗(yàn)炸藥起爆、雙向傳爆性能；

(5)3節(jié)Φ75震源乳化炸藥連接，雷管直接插入第2節(jié)Φ75震源乳化炸藥中，加壓至0.5MPa穩(wěn)定一定時(shí)間不卸壓后進(jìn)行起爆，檢驗(yàn)炸藥起爆、雙向傳爆性能；帶壓起爆情況如圖5(a)所示，雷管置于雷管座中的四組試驗(yàn)均正常起爆、傳爆，起爆后現(xiàn)場未見到炸藥和承壓爆炸筒的殘?jiān)?，地面被炸出小坑，如圖5(b)所示，將炸藥殼體劃破直接插入雷管的帶壓起爆試驗(yàn)中出現(xiàn)拒爆，如圖5(c)所示，說明直接插入雷管的反向傳爆可靠性不行，裝藥時(shí)應(yīng)避免這種裝藥方式。

圖5 (a)乳化炸藥抗靜水壓爆轟試驗(yàn);(b)乳化炸藥抗靜水壓爆轟試驗(yàn)效果;(c)乳化炸藥抗靜水壓爆轟試驗(yàn)拒爆情況

3 爆破效果試驗(yàn)

3.1 爆破作業(yè)與爆破實(shí)施效果

本次爆破分別設(shè)置8排共72個(gè)炮孔，不同炮孔的深度在3.5～10.5m之間，每個(gè)炮孔內(nèi)部可以裝載的炸藥質(zhì)量在12.0～40.5kg之間，共裝載炸藥的質(zhì)量為2007.0kg，各炮孔網(wǎng)路分別采用孔內(nèi)延期的方式進(jìn)行起爆，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。水冢及水柱首先出現(xiàn)在起爆后，水面振感明顯主要出現(xiàn)在起爆后的幾秒鐘后，按照這些現(xiàn)象可以初步對炸藥的爆轟情況進(jìn)行判定。拒爆的炸藥主要通過后期除渣過程中進(jìn)行尋找。

圖6 炮孔排列結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

3.2 爆破水擊波測試

采用Blast-Pro型沖擊測試系統(tǒng)進(jìn)行檢測。水擊波監(jiān)測傳感器安裝在擋墻進(jìn)水口區(qū)域，低于水面8m的位置設(shè)定傳感器下潛深度，最近和最遠(yuǎn)炮孔位置距離傳感器間距分別為93.13m和104.26m，如圖7所示。動力水擊波最大峰值壓力為1.51MPa，其時(shí)程和局部效應(yīng)曲線如圖8所示。

圖7 水擊波監(jiān)測布置圖

圖8 (a)水擊波壓力時(shí)程圖;(b)局部放大時(shí)程圖

水下巖坎爆破從壓力波時(shí)程曲線可看出具有明顯的分段現(xiàn)象，與實(shí)際情況具有基本一致的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，超壓現(xiàn)象在爆炸水擊波時(shí)較為顯著。

本次爆破沒有堵塞，炸藥一直裝至孔口，起爆后孔口段(約為1～1.5倍抵抗線)炸藥類似于懸掛于水中的集中藥包，炸藥在水中爆炸產(chǎn)生的水擊波現(xiàn)象明顯，對于懸掛在無限水域中的集中藥包，根據(jù)庫爾公式，得出初始水擊波的壓力峰值為：

P水=53.3(Q1/3/R)1.13(MPa)

(12)

式中，P水—超壓，MPa；Q—藥量，kg；R—測點(diǎn)至爆源的距離，m。

由上式，可得本次爆破引起的水擊波峰值相當(dāng)于87.5kg炸藥在水中爆炸，即能量逸出比例為33%。若閘門水擊波峰值壓力允許值為0.8MPa，下次爆破最近距離僅為42.5m，按式(12)計(jì)算，最大單段允許藥量僅為1.11kg，很難實(shí)現(xiàn)。然而，大部分炸藥在爆破水下鉆孔較易被堵塞，需要對爆體進(jìn)行拋擲和破碎處理，使得爆破能量少部分能產(chǎn)生水擊波，根據(jù)以往類似工程分析結(jié)果，逸出能量比例一般在5%以下。根據(jù)類似工程水擊波(動水)壓力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的水擊波壓力見表2。因此，炮孔堵塞以后對水擊波的峰值削弱作用很大，為避免炸藥直接在水中爆炸，造成對閘門井及附屬金屬結(jié)構(gòu)的破壞，后續(xù)爆破一定要加強(qiáng)堵塞。

表2 類似工程水擊波(動水)壓力經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值

4 結(jié)論

通過震源藥柱型乳化炸藥各項(xiàng)爆破性能及方案優(yōu)化試驗(yàn)，炸藥性能指標(biāo)建議滿足以下要求：

(1)可在45m水深條件下浸泡24h，密度應(yīng)不大于1200kg/m3，且炸藥能被8#雷管可靠起爆，準(zhǔn)爆率可達(dá)100%；

(2)殉爆距離建議應(yīng)不小于1倍藥徑，爆速不應(yīng)低于4500m/s、猛度可達(dá)到14～16mm；，在45m水深條件下能被雷管連續(xù)傳爆，且具有可靠的防水外包裝。

(3)本文對爆破的環(huán)境影響還未進(jìn)行探討，存在不足，在后續(xù)研究中還應(yīng)重點(diǎn)針對其爆破環(huán)境影響措施進(jìn)行分析。