綠色爆破的爆炸能量轉(zhuǎn)化機(jī)制

周桂松 鐘冬望

(1.武漢科技大學(xué)理學(xué)院,湖北 武漢430081;2.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司,重慶 401121)

民爆行業(yè)被稱(chēng)為“能源工業(yè)的能源，基礎(chǔ)工業(yè)的基礎(chǔ)”，鉆孔爆破作為一種經(jīng)濟(jì)、高效的破巖手段，被廣泛應(yīng)用于水利、電力、交通等建設(shè)工程巖石開(kāi)挖和礦產(chǎn)資源開(kāi)采、城市建(構(gòu))筑物拆除等工程項(xiàng)目。隨著社會(huì)環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)與“30·60”雙碳發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，對(duì)鉆孔爆破技術(shù)發(fā)展提出了更高要求，實(shí)現(xiàn)破巖過(guò)程的清潔高效是響應(yīng)國(guó)家建設(shè)節(jié)能環(huán)保型社會(huì)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然要求[1]，綠色爆破已經(jīng)成為當(dāng)前鉆孔爆破技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。

所謂“綠色爆破”，不僅體現(xiàn)在減少炸藥爆炸后有毒有害氣體產(chǎn)生、降低爆破振動(dòng)對(duì)附近建(構(gòu))筑物的影響、控制空氣沖擊波和爆破飛石等安全危害、減輕爆破粉塵對(duì)周邊環(huán)境的污染、減少施工作業(yè)和爆破噪音對(duì)居民干擾等諸多方面，還體現(xiàn)在盡量將炸藥爆炸能量轉(zhuǎn)化為有用的破巖能量，有利于實(shí)現(xiàn)最佳破巖效果，同時(shí)通過(guò)節(jié)約爆炸能源，還有利于促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益提升和行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。因此，綠色爆破具有非常豐富的內(nèi)涵，也有無(wú)塵爆破、清潔爆破、精益爆破、安全爆破、節(jié)能爆破等多重含意，是一項(xiàng)具有很強(qiáng)時(shí)代感的系統(tǒng)工程。實(shí)現(xiàn)綠色爆破，根本上是要實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸能量的有效控制，本質(zhì)上是要提高爆炸的能量利用率。因此，推動(dòng)綠色爆破的發(fā)展，首先要建立綠色爆破的理論支撐，即:深入探索爆炸能量的綠色轉(zhuǎn)化機(jī)理，弄清爆破能量轉(zhuǎn)化的影響因素及其相互聯(lián)系，探究綠色爆破的主要實(shí)現(xiàn)路徑及其條件。

相關(guān)研究表明[2-4]，炸藥在起爆時(shí)，隨著爆轟波傳播，產(chǎn)生劇烈的化學(xué)變化，生成高溫高壓氣體，巨大的爆轟壓力作用在炮孔壁上，形成爆炸沖擊波，炮孔周?chē)鷰r石在爆炸沖擊波的作用下被劇烈壓壞和破碎，并在隨后的爆生氣體的驅(qū)動(dòng)下分離和開(kāi)裂至完全破碎。爆破從炸藥爆轟開(kāi)始，到?jīng)_擊波作用下巖體粉碎與斷裂，再到爆生氣體作用下的巖體破裂與拋擲，最后到地震波與空氣沖擊波的傳播，是一個(gè)非常復(fù)雜的熱—力耦合過(guò)程。理論上，炸藥爆炸中約有50%的能量是可以利用的，但實(shí)際工程中，炸藥破碎巖石的能量利用率僅占炸藥總能量的20%～30%，其余的大部分能量則轉(zhuǎn)化為無(wú)用甚至有害的作用，如爆破地震、空氣沖擊波、噪聲、過(guò)粉碎、爆炸飛石等，這表明爆炸能量利用率還有很大的提升空間[5-7]。

國(guó)內(nèi)外爆破理論工作者最初提出了克服巖石重力和摩擦力的破壞假說(shuō)，此后又相繼提出了最小抵抗線與自由面原理，爆破中的流體力學(xué)理論，拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力的最大強(qiáng)度理論，應(yīng)力波、沖擊波作用理論，反射波的拉伸作用理論，爆生氣體產(chǎn)生膨脹推力作用原理，爆生氣體準(zhǔn)靜楔壓作用原理，爆轟產(chǎn)生應(yīng)力波與爆生氣體共同作用破壞原理，能量強(qiáng)度、功能平衡理論，爆破漏斗理論和爆破斷裂力學(xué)理論。近年來(lái)，業(yè)內(nèi)學(xué)者又針對(duì)巖石爆破中爆炸能量的釋放與傳輸，完善了爆破破壞分區(qū)理論，提出了巖石與炸藥的波阻抗匹配、全過(guò)程匹配和能量匹配等觀點(diǎn)[8-10]。綜合來(lái)看，應(yīng)力波作用與爆生氣體作用是爆炸能量轉(zhuǎn)化的兩種基本方式，但以往關(guān)于爆炸機(jī)理的研究主要側(cè)重在應(yīng)用波作用方面，也就是主要以巖體為研究對(duì)象，主要用于解釋巖石動(dòng)力學(xué)破壞問(wèn)題，通常在解決先期破巖問(wèn)題時(shí)很有效，但難以從爆破全過(guò)程弄清爆炸能量的分布特性與演化規(guī)律。因此，構(gòu)建完善的綠色爆破理論體系，需要充分重視爆生氣體作用，而爆生氣體作用的理論基礎(chǔ)是熱力學(xué)，該理論研究主要以炸藥爆炸后形成的高溫高壓爆生氣體為例，用來(lái)解釋爆炸全過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化分配，雖然有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一些探索，但研究還不夠深入系統(tǒng)。

本研究主要基于熱力學(xué)理論，揭示了爆生氣體作用下的爆炸能量轉(zhuǎn)化機(jī)理，探究了爆生氣體所攜帶內(nèi)熱能轉(zhuǎn)化做功的階段、條件、路徑、代價(jià)和影響因素，初步建立了綠色爆炸能量轉(zhuǎn)化新機(jī)制，可為提高爆炸能量利用的效率和控制爆炸能量的不利效應(yīng)，推動(dòng)我國(guó)綠色爆破的發(fā)展提供基本的理論支撐。

1 基于熱力學(xué)理論的綠色爆破能量轉(zhuǎn)化模型

1.1 爆炸能量轉(zhuǎn)化過(guò)程描述

炸藥爆炸破巖過(guò)程可分為兩個(gè)大的階段:先期階段屬于典型的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，巖體在沖力波作用下形成初始裂紋，并以應(yīng)力波方式在巖體中傳播，最后以彈性波方式傳播到環(huán)境中去，一般認(rèn)為這個(gè)階段沖擊能的消耗通常占爆炸能量的5%～15%[11-12];后續(xù)爆生氣體作用階段屬于準(zhǔn)靜力學(xué)過(guò)程，該階段完成絕大部分能量轉(zhuǎn)化，剩余爆炸能量則通過(guò)空氣沖擊波等方式散失掉了。這兩類(lèi)破巖過(guò)程構(gòu)成了爆炸能量的第1次分配。

爆生氣體作用過(guò)程可以視為熱力學(xué)的閉口系統(tǒng)來(lái)研究，其能量轉(zhuǎn)化有兩種驅(qū)動(dòng)形式:一是溫差驅(qū)動(dòng)的傳熱，主要體現(xiàn)為“氣—巖”界面的熱傳導(dǎo)及孔壁熱熔巖層內(nèi)的強(qiáng)制熱對(duì)流兩種方式，形成部分爆生氣體內(nèi)熱能損失，這對(duì)破巖過(guò)程沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，相反會(huì)帶來(lái)不利的影響，通常這部分能量損失要占到10%～20%;二是壓差驅(qū)動(dòng)的做功，這是我們所希望的能量轉(zhuǎn)化方向，但是熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能是有代價(jià)的，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱不可能100%無(wú)條件地轉(zhuǎn)化為功，爆生氣體內(nèi)熱能所能轉(zhuǎn)化的最大可用功(也稱(chēng)火用、做功能力)是在絕熱等熵條件下完成的，永遠(yuǎn)不可能大于100%，還有一部分以伴生熱量的方式耗散掉了，這部分功的耗散(也稱(chēng)火無(wú)、做功能力損失)是做功必須要付出的代價(jià)。這兩種能量驅(qū)動(dòng)形式既相對(duì)獨(dú)立，又互相聯(lián)系，進(jìn)一步構(gòu)成爆炸能量的第2次分配。

爆生氣體最大可用功只是理論可用于破巖的最大能量，實(shí)際上還需要經(jīng)過(guò)以下過(guò)程實(shí)現(xiàn)最終破巖:首先在爆生氣體對(duì)巖體的壓塑破壞作用下，形成巖體粉碎圈(爆炸近區(qū));其次在爆生氣體的張拉作用下形成“氣楔作用”將巖體分割貫通，脹裂巖體形成破碎圈(爆炸中區(qū));最后爆生氣體將剩余能量轉(zhuǎn)化為巖體的宏觀動(dòng)能與位能，通過(guò)鼓脹、抬拉、拋擲、摩擦、彎剪、壓擠等復(fù)雜撞擊作用與二次堆積作用，形成巖體拋擲圈(爆炸遠(yuǎn)區(qū))。這3次做功破巖在時(shí)間上密切聯(lián)系、在空間上相互銜接，每次做功破巖的作用不同、價(jià)值不同、影響因素不同，但都對(duì)破巖效果起著直接影響。需要說(shuō)明的是，除了這3次與破巖相關(guān)的做功，整個(gè)過(guò)程中爆生氣體還要克服環(huán)境壓力而被動(dòng)做功，這種相伴生的做功對(duì)破巖沒(méi)有實(shí)用價(jià)值，但在爆炸能量轉(zhuǎn)化中須予以同步考慮。上述4種做功過(guò)程最終構(gòu)成爆炸能量的第3次分配。

1.2 爆炸能量轉(zhuǎn)化過(guò)程物理力學(xué)模型

從上述爆炸能量的3次分配過(guò)程可以看出，炸藥爆炸破巖是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，但是通過(guò)不同能量驅(qū)動(dòng)性質(zhì)和能量釋放階段可以定量化確定能量分布結(jié)構(gòu)，從而將復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單問(wèn)題，弄清爆炸能量轉(zhuǎn)化的內(nèi)在規(guī)律，可為分析爆炸能量轉(zhuǎn)化效率奠定基礎(chǔ)，具體模型如圖1所示。

圖1 爆炸能量轉(zhuǎn)化機(jī)理示意Fig.1 Schematic of explosion energy conversion mechanism

通過(guò)分析上述3次能量分配的爆炸能量轉(zhuǎn)化機(jī)理可知，破巖做功的總源頭來(lái)自炸藥爆炸，這是由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為“動(dòng)力學(xué)能”和“熱力學(xué)能”的過(guò)程，該過(guò)程具有高速、高溫、高壓的“三高”特征。高速與高壓轉(zhuǎn)化為動(dòng)力學(xué)能，高溫與高壓轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)能，兩者相輔相成:前者體現(xiàn)為動(dòng)力學(xué)特征，具有強(qiáng)先導(dǎo)性，取決破巖“能否”的問(wèn)題;后者體現(xiàn)為靜力學(xué)特征，具有可持續(xù)性，決定破巖“多少”的問(wèn)題。

第1次爆炸能量分配是動(dòng)靜之分，決定有效破巖能量利用率水平的關(guān)鍵在于爆生氣體釋放的總能(-ΔU)，爆生氣體總能(-ΔU)大小主要取決于炸藥的爆熱(Qv)和爆炸應(yīng)力波損失(η1·Qv)，即:

式中，U為熱力學(xué)能(也稱(chēng)內(nèi)熱能)，kJ;T為熱力學(xué)溫度，K;Cv為定容比熱容，kJ/(kg·K);Qv為爆熱，kJ/kg;η1為應(yīng)力波能損失系數(shù)。

第2次爆炸能量分配主要決定爆生氣體內(nèi)熱能所能轉(zhuǎn)化的最大可用功(也稱(chēng)火用，Ex)，火用(Ex)的大小除了取決于爆生氣體總能(-ΔU)外，還取決于傳熱造成的能量損失(Q)和做功伴隨的無(wú)功能量耗散(∏)，即:

式中，Q為傳熱量損失，kJ;∏為無(wú)功能量耗散(火無(wú))，kJ。

對(duì)于爆生氣體向巖體的傳熱損失，以往認(rèn)為做功時(shí)間短而忽略不予考慮[13]。這種情況在“氣楔作用”形成破碎圈時(shí)，由于脹裂作用時(shí)間短、換熱面積小，是可以忽略不計(jì)的，但是以下兩種情況是難以回避的:一是在粉碎圈，雖然巖體自身導(dǎo)熱速度相對(duì)較慢，但爆生氣體與巖體之間溫差通常約2 000 ℃，而且?guī)r石的熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)通常約1 000 ℃，在高溫高壓下巖體快速液化，形成強(qiáng)烈的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流等換熱效應(yīng)，其熱損失速率將提高成百上千倍，因此熱損失在粉碎圈必須予以考慮;二是在拋擲圈，隨著爆生氣體將巖體分割成塊，巖體的比表面積快速增加，巖體的導(dǎo)熱速率也隨之增加，而且隨著爆生氣體的“泄漏效應(yīng)”增加，含有大量余熱的泄漏氣體也會(huì)帶來(lái)大量的熱量損失，因此在拋擲圈的熱損失也必須予以考慮。

粉碎圈的熱損失(Q1)主要與換熱面積(Ah)、換熱溫差(ΔT)和巖體相關(guān)的熱對(duì)流系數(shù)(φ1)呈正相關(guān);拋擲圈的熱損失(Q2)主要與換熱面積(Ah)、換熱溫差(ΔT)和爆破設(shè)計(jì)科學(xué)性相關(guān)的熱損失系數(shù)(φ2)呈正相關(guān)。計(jì)算公式為:

式中，-ΔU為爆生氣體總能，kJ;η2為熱損失系數(shù);τ1和τ2為時(shí)間，s;ΔT為爆生氣體平均溫度與環(huán)境溫度之間的溫差，K。

對(duì)于爆生氣體破巖伴隨的能量耗散，為便于分析，將不可逆的爆炸應(yīng)力波能量損失與傳熱能量損失進(jìn)行預(yù)先剔除，這樣剩余爆炸能量的轉(zhuǎn)化可視為可逆過(guò)程，這時(shí)爆生氣體的做功效率最高，也就是無(wú)功耗散能量最小，其做功效率主要取決于爆生氣體溫度(T)高于環(huán)境溫度(T0)的水平，相應(yīng)地可以計(jì)算無(wú)功能量耗散(∏)。

對(duì)于破碎圈:

對(duì)于拋擲圈:

對(duì)于整個(gè)破巖過(guò)程，無(wú)功能量耗散等于3個(gè)階段累計(jì)之和:

通過(guò)以上計(jì)算可得出爆生氣體的最大可用功，也就是可用于破巖的最大能量，用于爆炸能量的第3次分配。爆炸能量的做功轉(zhuǎn)化能力可用下式表征:

2 臺(tái)階爆破爆炸能量轉(zhuǎn)化效率

2.1 粉碎圈(爆破近區(qū))的能量轉(zhuǎn)化效率

從爆生氣體能量轉(zhuǎn)化P—V圖(圖2)可以看出，在粉碎圈爆生氣體釋放的單位總內(nèi)能(EG1)可進(jìn)行如下計(jì)算[14]:

式中，Qv為爆熱，kJ/kg;Wy為應(yīng)力波能損失;Q為傳熱量損失，kJ;П為無(wú)功能量耗散(火無(wú))，kJ。

在爆生氣體能量轉(zhuǎn)化P—V圖(圖2)中，氣體總能曲線與橫軸包圍的面積表示除了應(yīng)力波能之外最大可轉(zhuǎn)化的能量，既爆生氣體在與外界沒(méi)有任何熱量交換損失與熵增損失的情況下，進(jìn)行絕熱等熵做功的情形;傳熱損失曲線與橫軸包圍的面積表示除了熱交換損失(Q)之后最大可轉(zhuǎn)化的能量;最大做功曲線與橫軸包圍的面積表示除了熱交換損失(Q)與無(wú)功耗散(Π)之后，用于有效做功破巖和克服環(huán)境做功的最大能量。

我以為喬振宇會(huì)偏袒自己妹妹數(shù)落妹夫一頓，不料他居然幫理不幫親，數(shù)落表妹太黏人、缺乏獨(dú)立意識(shí)，凡事依賴(lài)、嚴(yán)防死守會(huì)讓男人覺(jué)得很累，全家開(kāi)支都?jí)涸谝粋€(gè)男人的肩膀上誰(shuí)都想逃走！表妹把頭沉成了熟透的麥穗。

圖2 爆生氣體能量轉(zhuǎn)化P—V圖Fig.2 P—V diagram of explosive gas energy conversion

式中，ΔT1為粉碎圈爆生氣體的溫度落差，K;Tm為爆生氣體在粉碎圈的初始溫度(即爆溫)，K;Tc為爆生氣體在粉碎圈的終了溫度，K;Cv為爆生氣體的定容比熱容，kJ/kg。該過(guò)程做功損失(ELI)包括傳熱過(guò)程所帶來(lái)的能量損失(Q)、爆生氣體做功過(guò)程伴隨的無(wú)功能量耗散(Π)、爆生氣體克服環(huán)境(大氣)壓力做功，公式為

式中，P0為環(huán)境壓力，kPa;vb為爆生氣體在炮孔內(nèi)的比體積，m3/kg;vc為爆生氣體在粉碎圈的比體積，m3/kg。

爆生氣體在粉碎圈的實(shí)際破巖功耗為

粉碎圈的做功效率為

可見(jiàn)，只要求出Tm、Tc兩個(gè)終態(tài)的參數(shù)，就可以求出粉碎圈消耗的總內(nèi)能(EG)、總功(W1)、總做功損失(WL1)、總粉碎圈總體做功效率(ζ1)等重要的爆炸能量參數(shù)。

炸藥爆轟波在化學(xué)反應(yīng)區(qū)終了時(shí)，C—J面上的壓力稱(chēng)為爆轟壓力(PD)，也稱(chēng)C—J壓力，與炸藥裝藥密度成正比，與爆速的平方成正比。但爆轟壓力包含動(dòng)壓力，不能直接作為爆生氣體的爆炸壓力，只有當(dāng)爆生氣體在炸藥初始體積內(nèi)達(dá)到熱平衡后的流體靜壓才可以作為爆生氣體的初始爆炸壓力(Pm)，也就是潛在做功的最大爆炸壓力。

由于在爆生氣體溫度高于巖體熔點(diǎn)(Tr)時(shí)，將形成快速的熱對(duì)流耗散效應(yīng)，因此對(duì)于等熵曲線初始狀態(tài)參數(shù)，可假設(shè)Tb=Tr，根據(jù)克拉貝龍方程與等熵膨脹過(guò)程公式可求出終態(tài)Tc的大小[15]:

式中，p為理想氣體的壓強(qiáng)，Pa;v為理想氣體的體積，m3;R為通用氣體常數(shù)，8.3145 J/(mol·K);n為摩爾常數(shù)，mol;pb、pc分別為粉碎圈初態(tài)與終態(tài)的爆生氣體絕對(duì)壓力，kPa;v0、vc分別為粉碎圈初態(tài)與終態(tài)的爆生氣體比體積，m3/kg;Tb、Tc分別為粉碎圈初態(tài)與終態(tài)的爆生氣體溫度，K;k為比熱容比;Cv為定容比熱容，KJ/kg;Cp為定壓比熱容，kJ/kg;C為常數(shù)。

綜上，根據(jù)初終態(tài)的溫度，可以計(jì)算出炸藥爆炸在粉碎圈消耗的總能量，以及實(shí)際破碎功和做功效率。

2.2 破碎圈(爆破中區(qū))的能量轉(zhuǎn)化效率

破碎圈和粉碎圈不同，由于“氣楔作用”脹裂作用時(shí)間短、換熱面積小，傳熱損失可以忽略不計(jì)，因此爆生氣體釋放的總內(nèi)能(EG2)為以下3個(gè)能量消耗過(guò)程的耦合:①爆生氣體做功過(guò)程伴隨的無(wú)功能量耗散(Π);②爆生氣體等熵做功實(shí)際破巖的破碎功(W2);③爆生氣體克服環(huán)境大氣壓力所做的功。其中，①+③即為做功損失(EL2)。相關(guān)計(jì)算公式為

式中，vd為破碎圈終態(tài)的爆生氣體比體積，m3/kg;Tt為爆生氣體在破碎圈的終態(tài)溫度，K。

可見(jiàn)，只要求出Tc、Tt等狀態(tài)參數(shù)，就可以求出破碎圈消耗的總內(nèi)能(EG2)、總功(W2)、總做功損失(WL2)、總粉碎圈總體做功效率(ζ2)等重要的爆炸能量參數(shù)。破碎圈初態(tài)的狀態(tài)參數(shù)也就是粉碎圈終態(tài)的狀態(tài)參數(shù)，而欲求破碎圈終態(tài)的狀態(tài)參數(shù)，同樣參照克拉貝龍狀態(tài)方程(式(13))、等熵膨脹過(guò)程公式(式(14))，將P0(環(huán)境大氣壓力)、T0(環(huán)境溫度)等已知參數(shù)代入，將無(wú)功熱耗散(Π)而導(dǎo)致溫度降低后的中間溫度(T′)視為等熵過(guò)程的起始溫度，這樣就可以求出終態(tài)的各參數(shù)。公式為

根據(jù)式(16)可以求出破碎圈終態(tài)的溫度，進(jìn)而可求出炸藥爆炸在破碎圈消耗的總能量，以及實(shí)際的破碎功(W2)和做功效率(ζ2)。

2.3 拋擲圈(爆破遠(yuǎn)區(qū))的能量轉(zhuǎn)化效率

在爆炸遠(yuǎn)區(qū)，爆炸能量轉(zhuǎn)化過(guò)程最有價(jià)值，但也最為復(fù)雜。轉(zhuǎn)換過(guò)程伴隨著鼓脹、抬拉、拋擲、摩擦、彎剪、壓擠等復(fù)雜撞擊作用，進(jìn)而完成巖體的二次破壞與爆堆成形。而爆生氣體與巖體的熱交換過(guò)程也更為復(fù)雜，熱交換速率隨著破碎巖塊表面積增加呈非線性變化;同時(shí)，受爆生氣體泄漏效應(yīng)、群炮孔作用效應(yīng)及爆破延時(shí)效應(yīng)等因素影響，難以通過(guò)理論定量計(jì)算拋擲圈的總體做功效率，必須輔助試驗(yàn)手段確定。對(duì)于爆炸遠(yuǎn)區(qū)爆生氣體釋放的總內(nèi)能(EG3)，可以根據(jù)上述結(jié)果進(jìn)行定量測(cè)算。公式為

3 綠色爆破的實(shí)現(xiàn)路徑

綠色爆破的本質(zhì)是提高爆炸能量利用水平，也就是要最大程度地提高爆炸能量的價(jià)值水平，盡量增加與破巖效果相關(guān)的有用功，減少有害功、無(wú)效功、熱損耗和能量的散失。

3.1 綠色爆破衡量指標(biāo)設(shè)計(jì)

由上述爆炸能量的3次轉(zhuǎn)化理論分析可知，爆炸能量最終主要轉(zhuǎn)化為破巖做功、熱交換損失、氣體泄漏損失和動(dòng)力學(xué)能損失4種形式。從爆生氣體的破巖做功價(jià)值來(lái)看，可以分為有用功、有害功、無(wú)效功3種做功類(lèi)型:有用功是達(dá)到理想破巖效果的功，這是爆破所期望的;有害功是與理想破巖相背離的功，如過(guò)粉碎，是爆破所不期望的;無(wú)效功是做功過(guò)程中通過(guò)巖體間摩擦造成的能量再次耗散，通常取決于巖體自身可爆性，爆破本身難以避免，研究中可不予考慮。

具體到3個(gè)分區(qū)，粉碎區(qū)釋放的爆炸能量整體上可作為有害功;破碎區(qū)爆生氣體的膨脹做功可以作為有用功;在拋擲區(qū)能量轉(zhuǎn)化比較復(fù)雜，但破巖影響區(qū)域大且直接影響最終的破巖效果，可將總體能量作為有益的破巖能量，實(shí)踐中通過(guò)優(yōu)化鉆爆參數(shù)與延時(shí)設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化這部分爆炸能量分布。因此爆炸能量綜合利用率可采用下式表征:

3.2 實(shí)現(xiàn)路徑

從提高爆炸能量利用角度推進(jìn)綠色爆破，當(dāng)前還是全新的研究方向，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性、理論性、創(chuàng)新性與實(shí)踐性，既需要深入開(kāi)展理論研究和試驗(yàn)研究工作，也需要大量工程實(shí)踐與創(chuàng)新的支撐。本研究綠色爆破實(shí)現(xiàn)路徑僅做初步探討:

(1)W1區(qū)通常做功消耗能量比例很大，有效破巖體積占比卻很小，而且這種能量不均衡分布造成的過(guò)粉碎會(huì)帶來(lái)大量的爆破粉塵危害。因此W1區(qū)做功價(jià)值并不高，應(yīng)該采取“能量消峰”或“能量緩存”方式，盡量減少能量過(guò)消耗與巖體過(guò)破碎，為后續(xù)破巖賦能，并從源頭上減輕粉塵危害。具體實(shí)現(xiàn)路徑為:①采取降低炮孔爆炸壓力的措施減少過(guò)粉碎;②采取降低爆炸氣體溫度的措施減少傳熱量散失;③采取介質(zhì)儲(chǔ)能新措施為后續(xù)做功積蓄破巖能量。

(2)W2區(qū)是充分發(fā)揮爆生氣體“氣楔”作用的區(qū)域，有利于巖體充分解體破碎，屬于有用功，這部分做功應(yīng)盡量加強(qiáng)。具體實(shí)現(xiàn)路徑為:①通過(guò)減少溫度衰變速率的方式增強(qiáng)保持爆生氣體壓力的能力;②從源頭上采取增加爆生氣體量的措施，以增強(qiáng)“氣楔”的持續(xù)做功能力;③采取精準(zhǔn)化的毫秒延時(shí)爆破方式，既有效增加巖體的碎脹空間，又有效防止爆生氣體的過(guò)早泄漏。

(3)W3區(qū)是爆生氣體能量轉(zhuǎn)化為巖體位能與動(dòng)能的區(qū)域，雖然巖體的復(fù)雜撞擊作用有利于巖體的二次充分破碎，但也容易造成爆破飛石、粉塵等危害效應(yīng)，所以該區(qū)域的做功有利有弊，盡管存在有用功，也存在有害功，需要采取精準(zhǔn)化的控制措施。具體實(shí)現(xiàn)路徑為:①精準(zhǔn)化控制裝藥量大小和結(jié)構(gòu)分布;②科學(xué)設(shè)計(jì)毫秒延時(shí)，盡量實(shí)現(xiàn)松動(dòng)爆破;③減少爆生氣體的泄漏損失，控制飛石與粉塵危害。

4 結(jié) 論

(1)綠色爆破的本質(zhì)是提高爆炸能量利用水平，盡量增加與破巖效果相關(guān)的有用功，減少有害功、無(wú)效功、熱損耗和能量的散失。本研究揭示了爆破近區(qū)、中區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的爆炸能量分布規(guī)律，分析了爆炸能量的4種最終主要轉(zhuǎn)化形式，即破巖做功、熱交換損失、氣體泄漏損失和動(dòng)力學(xué)能損失。

(2)基于熱力學(xué)理論，初步揭示了爆生氣體作用下的爆炸能量轉(zhuǎn)化機(jī)理，探究了爆生氣體所攜帶內(nèi)熱能轉(zhuǎn)化做功的階段、條件、路徑、代價(jià)和影響因素，建立了包含3次轉(zhuǎn)化過(guò)程的爆炸能量轉(zhuǎn)化過(guò)程物理力學(xué)模型。

(3)探討了綠色爆破具體實(shí)現(xiàn)路徑:W1區(qū)爆炸能量有效利用率不高，應(yīng)該采取“能量消峰”或“能量緩存”;W2區(qū)是充分發(fā)揮爆生氣體“氣楔”作用的區(qū)域，有利于巖體充分解體破碎，屬于有用功，應(yīng)盡量加強(qiáng);W3區(qū)是爆生氣體能量轉(zhuǎn)化為巖體位能與動(dòng)能的區(qū)域，該區(qū)域的做功有利有弊，需要采取精準(zhǔn)化的控制措施。