淺談水介質換能爆破技術的工程應用

秦健飛,秦如霞

（中國水電八局， 湖南 長沙 410004）

0 前 言

在爆破工程實踐工作中觀察發現，有水炮孔爆破時都普遍存在爆破危害作用小的現象。經過長期潛心研究發現，在“水介質換能爆破系統”中，水介質的存在可以有效提高炸藥的能量利用率并能有效降低炸藥的爆炸危害作用。根據這一現象研發成功“水介質換能爆破技術”并在工程爆破實踐中取得了令人滿意的效果。

目前“水介質換能爆破技術”已在國內外的水利水電、交通、市政建設、礦山等眾多項目開始推廣應用并取得了很好的效果，該爆破技術不失為當今節能環保的綠色爆破新技術。

1 與眾不同的破巖機理

1.1 水介質換能爆破系統

從熱力學、化學角度來研究“水介質換能爆破技術”的破巖機理，需引入“水介質換能爆破系統”這個新概念。

所謂“水介質換能爆破系統”是指爆破作業中需要對巖石、混凝土等介質進行破碎時，在被爆介質中采用機械設備形成裝藥腔后埋設炸藥和與炸藥隔離封閉的水介質以及起爆系統并堵塞封閉的整個爆破系統。熱力學計算表明，由于該系統內的炸藥爆炸是在瞬時完成，炸藥爆炸熱能來不及傳遞給被爆介質爆炸過程已完成，因此可以將“水介質換能爆破系統”作為絕熱系統看待[1-2]。

1.2 水介質換能爆破的破巖機理

1.2.1 爆破微觀過程

眾多學者采用 X射線高速攝影技術或電測實驗對爆破過程進行了卓有成效的實驗研究。研究表明，炸藥爆炸過程是一個極為復雜的將被爆介質進行物理破碎的過程，同時炸藥爆炸又是一種瞬時發生的化學反應，這一化學反應生成新的物質并在極短時間內釋放大量的熱能[3-4]。

1.2.2 水介質換能爆破的破巖機理

從熱力學角度分析可知，如果在“水介質換能爆破系統”中加入“一定量”的水，按照熱力學定律和物質不滅定律，炸藥爆炸所釋放的熱能在絕熱的“水介質換能爆破系統”中將轉換為水的內能，積蓄了炸藥爆炸能的水和炸藥共生的爆生氣態物質在炸藥爆炸的高溫高壓條件下將進一步發生化學反應生成氫氣、氧氣、二氧化碳、二氧化氮等新的物質[1-2]。

研究表明，高溫高壓爆生氣態物質將遵循瞬時爆轟論“爆轟產物的飛散遵循等距離面組規律”，主要以急劇膨脹做功的方式擠壓被爆介質使被爆介質破碎完成爆破作業[5]。

2 水介質換能爆破的效能

2.1 降低炸藥單耗提高炸藥能量利用率

近兩年的水介質換能爆破工程實踐的典型工程炸藥單耗見表1，表1表明，水介質換能爆破炸藥單耗降低意味著炸藥爆炸能量利用率的有效提高。

2.2 減小爆破振動

2018年3月24～25日、2018年4月24日分別在老撾南歐江三級和七級水電站做相同藥量，裝水袋與不裝水袋爆破振速對比試驗。試驗采用B last-UM型爆破測振儀進行爆破振速監測，測振儀軟件可自動回歸薩道夫斯基振速計算公式的k、α系數。爆破振速監測表明水介質換能爆破振速明顯減小，監測成果見表2、表3。

表1 典型工程水介質換能爆破單耗

表2 老撾南歐江三級相同藥量距爆心距離相等水介質換能爆破振速監測比較

表3 老撾南歐江七級相同藥量距爆心距離相等水介質換能爆破振速監測比較

一般情況下爆破振速按照薩道夫斯基振速計算公式，炸藥量 Q每減小 1%，爆破振速 V降低0.5%～0.6%。由于采用水介質換能爆破技術比普通爆破技術藥量減小20%以上，由此可見：

（1）由于爆破藥量減小 20%以上，爆破質點振速將減小10%以上；

（2）水介質換能爆破自身的減振作用＞32%。

因此，采用水介質換能爆破技術與采用普通爆破技術相比，總體爆破振動的質點振速將降低42%以上，這已經為眾多工程項目所證實。

2.3 爆破飛石可控

2018年3月20日老撾南歐江三級水電站基坑保護層開挖中在抵抗線方向的不同距離范圍布置了4塊5 m2彩條布監測爆破飛石距離情況，彩條布布置見圖1。

圖1 監測水介質換能爆破飛石的彩條布置

監測結果表明，第一塊彩條布被炮渣掩蓋。第二塊彩條布收集到4粒最大粒徑40 mm×1.8 mm×4 mm的片狀小飛石（見圖 2）。第三、四塊彩條布未收集到任何小飛石。

廣西崇左市政道路爆破開挖、南歐江七級水電站采石場爆破開挖均安排了類似監測項目。監測數據表明，水介質換能爆破的飛石可以控制在20～30 m范圍內。

圖2 第二塊約5 m2彩條布布置在離爆區18.61 m處

2.4 爆破煙塵大量減少

由水介質換能爆破的破巖機理可知，水介質參與炸藥爆炸的化學反應，發生“水的化學鍵吸收炸藥爆炸能鍵能升高而斷裂生成氫氣和氧氣，而后高溫高壓氣態物質急劇膨脹擠壓、破碎被爆介質做功鍵能降低，氫氣和氧氣的化學鍵重新合成霧態水”的過程。

因此，被爆介質裝藥腔壁開始破裂至周圍被爆介質逐步產生破碎、鼓包、飛散拋擲的運動狀態階段有大量霧態水的存在。大量的水霧隨其過程就能夠極大減少爆破煙塵的產生。根據地質條件以及巖石的結構構造的不同，煙塵降低量為40%～90%。地下洞室開挖爆破，由于爆破煙塵量的降低可以縮短通風排煙時間一半左右，并且進洞施工人員不再有以前普通爆破炮煙刺鼻、刺眼的不良感覺，凈化了施工環境（見圖3、圖4）。

圖3 老撾南歐江七級水電站2018年4月20日水介質換能爆破煙塵

2.5 爆破成本降低綜合效益提高

綜上所述，水介質換能爆破技術不僅減小了各種爆破危害，而且降低了炸藥單耗，更重要的是由于水介質換能爆破生成的高溫高壓氣態物質充盈整個炮孔產生急劇膨脹并均勻擠壓被爆介質，因此爆渣塊度較為均勻，便于挖、裝、運作業，有效提高了施工作業效率，綜合經濟效益得到較大提升，施工成本可以節省20%～25%，既環保節能又能高效率施工，何樂不為？

圖4 老撾南歐江七級水電站2018年4月26日普通爆破煙塵

3 結 語

通過長期科學研究建立“水介質換能爆破系統”，從爆炸熱力學、化學角度來研發“水介質換能爆破”的思路是正確的，否則“水介質換能爆破”不會取得如此令人滿意的效果。

實踐是檢驗真理的唯一標準。短短的兩年來，在各種爆破領域、各種不同地質條件、各種不同爆破環境下的爆破實踐都有力的證明“水介質換能爆破”的爆破效果充分認證了“水介質換能爆破系統”對其破巖機理的圓滿詮釋，同樣也完全證明“水介質換能爆破”的破巖機理的正確性。