爆破工程用特種器材的研究及應用綜述

蔣光波，謝興華，孟祥棟，李永福，楊佳燁

(1.安徽理工大學 化學工程學院，安徽 淮南232001;2.重慶建工建筑產業技術研究院有限公司，重慶400080)

0 引言

因作業條件和環境因素的影響,某些特殊的工程不能采取傳統炸藥爆破的方式進行施工,例如:加油站、燃氣石油管線、危險品倉庫的拆除施工禁止出現明火和高溫;高壓輸電塔線、通信光纜及其他信號傳輸設施旁的施工不允許出現飛石;拆除建筑物、處理邊坡險情時不能造成較大振動;地下礦井特殊地段的破巖施工不能使用炸藥爆破等[1]。因此,施工的特殊要求,限制了傳統炸藥的使用,從而出現了新的特種器材和技術。 目前爆破工程用特種器材及技術應用較廣的有靜態破碎劑破碎法、爆破劑破碎法、等離子體破碎法及二氧化碳致裂器破碎法等。 與其對應的破碎材料或裝置分別有靜態破碎劑、金屬燃燒劑、溫壓火藥、等離子體發生器、液體能源或固體能源及二氧化碳致裂器等。

1 靜態破碎劑

20 世紀60 年代末期,日本首次創新地使用了以靜態膨脹劑為破碎劑的靜態破碎法。 目前,應用較多的靜態破碎劑主要是由水合膨脹性物質(氧化鈣、氧化鎂等)、水合延緩劑(碳酸鈉、碳酸氫鈉、硫酸鈣等無機鹽)、水硬性物質(硅酸鹽水泥、高鋁水泥或速凝水泥等)和減水劑等組成,將其與適量水混合成漿體,裝入被破碎體的孔中,發生水化反應后產生巨大的膨脹壓力,生成新的固體物質以放射狀向周圍擴展,當膨脹壓力大于被破碎物體的抗拉強度時,物體即產生裂縫進而破碎[2]。

破碎劑中氧化鈣的作用原理為:氧化鈣與水快速反應生成氫氧化鈣并放出大量的熱。 總結眾多研究者的理論分析與試驗結果[3-6],可以看出,生成物體積增大和空隙率的變化是影響氧化鈣水化體積膨脹的主要原因。 破碎劑表面的氧化鈣在水化過程中反應生成氫氧化鈣,同時體積增大,這部分增大的體積轉移到原來充水的空間。 隨著反應進行,生成的氫氧化鈣填滿未密實的空隙和游離水所占的空間,顆粒間空隙率減小,接近水化臨界狀態,此時粒子之間沒有擠壓。 由于漿體是在有約束的條件下反應,隨著反應的進行,顆粒體積繼續增大,隨之空隙會減小,顆粒間的相互作用力也越來越大,表現為體積增長,產生膨脹壓力,破壞約束介質。 當約束力超過一定值后,體積將不會發生膨脹,這就是實際應用中時常出現的情況——裝填靜態破碎劑后不發揮作用。 同時,這也是導致發生噴孔的重要原因之一[7]。

許蘭保等[8]對靜態破碎劑的膨脹壓力進行了測試。 通過改變拌和水劑比和鋼管直徑進行膨脹壓力試驗,發現水劑比是影響破碎劑膨脹壓力大小的直接因素。 管徑不變時,膨脹壓力隨著水劑比的減小而增大,反應速率會隨著水劑比增大而減緩。在水劑比不變的情況下,管徑的大小對破碎劑反應速率的影響較小。 在實際應用中水劑比不宜過小,孔徑也不宜過大。 鄭志濤等[9]通過設計3 種不同的漿液水劑比來研究鉆孔直徑(以5 種不同直徑的高強度鋼管模擬)對靜態破碎劑致裂效果的影響。結果表明:噴孔現象最易發生于大直徑的鉆孔,且最大膨脹壓力產生于首次噴孔時;漿液水劑比一定時,鉆孔直徑越大,靜態破碎劑產生的膨脹壓力就越大,但達到最大膨脹壓力的時間基本相同。 馬冬冬等[10]研究了水劑比、氣溫和水溫對靜態破碎劑膨脹性能的影響。 在水劑比一定的條件下,發現拌和物的溫度-時間曲線呈現出溫度迅速上升、恒溫、繼續上升和下降4 個階段的特征。 通過對比得出水劑比為0.30、氣溫為16 ℃時體積膨脹率較好;靜態破碎劑的膨脹速率在一定范圍內隨著水溫的升高而加快。 張嘉勇等[11]為了有效控制靜態破碎劑使用時尤其在煤礦井下反應溫度和放熱量過高的問題,試驗并分析了摻混不同比例鐵尾礦粉(主要成分為二氧化硅、鐵、氧化鋁、氧化鎂等)的靜態破碎劑的反應溫度及反應速率的變化規律。 保持環境溫度、水溫及水劑比不變,提高鐵尾礦粉摻混比例,均可降低靜態破碎劑的升溫速率、反應所能達到的最高溫度及達到最高溫度所需的時間。 但是,為了使靜態破碎劑的膨脹率及破碎效果不受太大影響,鐵尾礦粉摻混比例不宜超過50%,反應后體積膨脹率可達2.88。

靜態破碎法是一種安全、經濟、合理的施工方法,但因其破碎時間較長,效率比較低,且當建筑物配筋率較高時,作用效果不明顯[12]。 此外,環境溫度對靜態破碎劑性能和破碎效果的影響較大,在冬季低溫環境下,不僅反應變得緩慢,有時還會失去作用;而在夏季高溫時又容易產生沖孔現象[13]。因此,進一步研制作用時間短且效率高的靜態破碎劑,對爆破工程用特種器材及技術的發展具有重要意義。

2 爆破劑

對于爆破劑,國內外的研究重心主要集中在軍工行業,民用領域發展相對滯后,被廣泛應用的爆破劑并不多。 因此,加強爆破劑在民用領域的研究,研發出適合民用的爆破劑意義重大[14]。

民用爆破領域所用的爆破劑絕大多數是金屬燃燒劑,實際應用研究進展緩慢,一般采用強氧化劑(如氯酸鉀、高氯酸鉀等) 或金屬氧化物(如二氧化錳、氧化銅、三氧化二鐵等)與金屬還原劑(如鋁粉、鎂粉等)按照一定比例配合而成。 金屬燃燒劑進行快速燃燒反應,產生高溫高壓的氣體,這些氣體迅速作用于周邊巖石,巖石在熱的作用下軟化,強度變低;當內部高壓大于巖石的抗拉強度時,巖石會產生裂隙并逐漸擴張,高壓氣體的氣楔作用使巖石破壞程度加大,直至開裂或破碎[15]。

張晗亮等[16]利用聚合反應制得一種活性金屬燃燒劑。 該金屬燃燒劑是將燃燒熱值高的活性金屬粉末(如鋯、鎂、鈦、鋁等)與高分子樹脂按一定配比混合。 通過優化高分子樹脂與金屬成分得到的活性金屬燃燒劑,燃燒性能和力學性能優異、安全性好,對目標有較強的引燃和燃燒效果。 杜慧[17]以化學沉淀法和直接混合法分別制備了金屬/氧化物型高熱劑復合粒子和混合金屬可燃劑添加劑,將其添加到鎂/聚四氟乙烯藥劑中制得了高能燃燒劑,并從燃燒時間、燃燒溫度、燃燒速度及熱輻射強度等方面對該高能燃燒劑進行了研究,建立了相關實驗驗證模型加以分析,得到了較好的效果。 王海朋等[18]發現:以高氯酸銨和雙基推進劑為主要組分的燃燒劑加入可燃金屬或非金屬粉,會提高其燃燒熱、燃燒速度、燃燒溫度,并且改變火焰結構;加入硼粉的燃燒劑對較遠距離、高沸點物質的引燃效果最佳,其火焰溫度可達1 000 ℃以上,火焰長度達25 cm,燃燒過程更穩定;高氯酸銨和金屬粉對雙基推進劑的熱分解沒有影響。 張小康[14]以硝酸鉀、鋁粉、煤粉為主要成分分別制備了2 種鈍感爆破劑,并引燃特制點火電極,進行了現場巖石切割、破碎試驗。 前者切割效果較好,而后者制得的破巖藥柱破碎效果較好,并且振動小、弱拋擲、有毒氣體釋放量少,特別適合一些特殊的爆破工程。

在爆破劑應用研究過程中,專家學者們提出了一系列的爆破應用技術,筆者主要介紹環境友好的和諧爆破應用技術。 該技術是指在新的爆破現場環境下通過定量化的爆破設計和協調的爆破施工,合理控制炸藥爆炸能量釋放與介質破碎、拋擲等過程的一種爆破作業技術。 此技術利用爆燃可控反應,不產生爆轟波,避免了爆破振動與飛石危害,不僅達到預定的爆破效果,還實現爆破過程中有害效應的根本控制,達到快捷高效、安全可靠、綠色環保及經濟合理的目的[19]。

和諧爆破需要研制出能實現爆燃可控的爆破劑。 以硝酸鹽和氧化物、可燃劑、助燃劑、氧化銅為原料,合理配比制得溫壓火藥。 該爆破劑的反應以溫壓熱效應為主,大大減少了反應產生的氣體量,同時產生沖擊與熱應力,能夠有效地參與破巖做功。 溫壓效應高頻沖擊熱應力破巖,因高頻沖擊不與低頻建筑結構共振,產生熱應力破裂巖石,因此,可以在很大程度上解決爆破安全問題。 傳統炸藥爆炸在爆腔內伴有粉碎區,而溫壓效應的主要原理是氧化物催化硝酸鹽與金屬粉快速發生協同爆燃反應,溫壓效應與短毫秒反應特征結合形成高頻沖擊,最終使飛石與振動的危害得到控制。

和諧爆破應用技術的優點:在能量可調的溫壓火藥作用下被爆體發生碎裂且沒有明顯的爆炸聲響;由于爆炸物能量的控制釋放,介質發生碎裂后自然地脫落而沒有飛石產生;傳統炸藥爆炸產生強烈的振動、大量的粉塵和有毒氣體,利用溫壓火藥破碎能夠有效地實現“微振減排”,保證了爆破周邊建筑、人員和設施的安全。 在礦山資源開采中實現系統優化,提高開采效率,減少石材損傷,保證圍巖穩定性和安全性,不僅對環境友好,提高了爆破的科學性,還有效地降低了爆破中炸藥爆炸能量的浪費。 其特色與創新之處在于:①建立溫壓效應高頻沖擊機制,提出環境友好的和諧爆破設計原理,一定程度上解決了爆破安全問題;②通過溫壓效應,提高能量利用率,為環境友好的和諧爆破設計提供理論基礎和工程數據,控制飛石與振動危害;③設計制造了沖擊激發裝置實現了爆燃激發。

3 等離子體破碎

等離子體破碎技術的基本原理為:利用放電器放電使物質原子發生電離形成等離子體通道,通道內離子的強烈振蕩產生強沖擊波、高溫高壓和擴張應力,能量傳播到破碎介質內,直接破壞介質或使介質中的天然缺陷得到增大,達到破碎介質的目的[20]。

等離子體破碎技術主要用于對巖石、煤層及人體內結石的破碎。 利用等離子噴槍[21]可以產生溫度高達幾千攝氏度、出口噴速每秒近2 km 的等離子弧,既可用于鑿巖,也可以用于巖石塊石的破碎。但是,實踐表明等離子弧鑿巖只適用于較硬的巖石,并且鑿巖效率容易受弧溫和噴速影響。 溫度過高巖石會熔化;溫度太低,巖石不能被破碎導致鑿巖速度緩慢。 在破碎巖石時,以破碎形狀呈魚鱗片狀的電流、氣壓等參數值為最佳值。 將強放電實施在強電解質溶液中瞬間可產生高溫高壓的液相等離子體,經合理布置后同樣具有破碎巖石類介質的能力。 研究發現,等離子體對煤體的破碎存在選擇性[22]。 煤體在等離子體沖擊作用下內部會形成彼此相互貫通的空間網狀裂隙結構,且電場強度越大越有利于裂隙的形成。 裂隙在煤體內部產生的區域與煤體內部礦物的分布區域會發生重疊現象,在平面及軸向方向上,裂隙會沿著礦物分布的區域進行擴展,說明裂隙的擴展會受到礦物分布的影響。有研究表明:以水為傳壓介質進行等離子體破碎時,水和周圍介質能對等離子體產生更加明顯的約束,會有更多的能量耦合到等離子體沖擊波中。 因此,它的顯著優點是可以加速碎石過程。

此外,在和諧爆破應用技術中,沖擊電池可以結合電能轉變成高溫高壓等離子體激發沖擊電池,依靠等離子體和沖擊電池的協同反應快速膨脹形成沖擊波破碎巖石。 與普通炸藥巖石爆破相比,新緩沖裂石和諧爆破應用技術具有無飛石、無有毒氣體、低振動、低噪聲、低灰塵等特點,對提高破巖效率、實現爆破作業的連續性等有重要意義[24]。

4 二氧化碳致裂器

二氧化碳破碎技術是利用液態二氧化碳發生瞬間相變產生高壓,作用于周圍巖體,從而實現破巖[25]。 其原理為:二氧化碳在溫度小于31 ℃、壓強高于7.35 MPa 時為液態。 高于31 ℃時,液態二氧化碳在100 ～300 ms 內變為氣態,且隨溫度的變化,壓力也不斷變化。 利用二氧化碳的這一特性,在爆破主管內加注液態二氧化碳,將致裂系統與低壓啟動裝置連接,接通電流啟動爆破系統,加熱器經電流作用開始發熱,迅速使加熱裝置啟動,爆破管內液態二氧化碳瞬間氣化,體積暴增600 倍以上并引起高壓,壓力超過爆破片極限壓力(壓力可設)時,沖破定壓片,高壓二氧化碳氣體從釋放頭沖出,引起的沖擊波可以在幾十毫秒內釋放結束,破壞巖石,從而達到爆破致裂的目的。

目前對二氧化碳破碎技術的研究及應用主要集中在6 個方面:①有學者研究了二氧化碳爆破對煤巖的破壞特征[26],認為二氧化碳致裂分兩個階段釋放其能量,一是相變能的釋放,二是膨脹過程中的膨脹功;認為液態二氧化碳急劇相變產生的應力波作用于炮孔周圍形成壓碎區,應力波和二氧化碳氣體膨脹共同作用形成裂隙區。 ②分析二氧化碳致裂器泄放壓力與定壓剪切片厚度、發熱材料用量和液態二氧化碳充裝量之間的關系,為致裂器泄能參數的研究與調整提供了方向[27]。 ③利用有限元軟件模擬分析二氧化碳致裂器結構構造對泄能及破碎效果的影響,針對實際工程環境提出適合的結構形式及參數[28]。 ④二氧化碳致裂器可靠性因素分析[29-31]。 通過對致裂器發熱材料及不能正常工作的原因進行研究分析,提出相應解決辦法。 ⑤合理設計充裝系統結構,采用自動化控制技術,提高二氧化碳致裂器充裝效率[32]。 ⑥利用二氧化碳致裂器對巖石或煤層增透[33],以達到強化瓦斯抽采及提高煤礦井下安全的目的。

二氧化碳爆破技術原理簡單,不產生啞炮,粉塵小,無有毒物質產生。 但其對設備強度要求較高,威力較小,多用于松動爆破,并且行業內無統一標準,可能存在較大的安全隱患[18]。

5 結論

1)靜態破碎法雖是一種較合理、安全、經濟的施工方法,但因其破碎時間較長且破碎劑受環境溫度影響較大,因此,需進一步研制更高效的靜態破碎劑。

2)目前,爆破劑在民用領域應用較少,研發新型爆破劑并配合爆破應用技術可以更快地促進其民用化。

3)等離子體破碎技術及二氧化碳致裂器破碎技術發展起步較晚,其研究目前仍處于基礎階段且有許多行業規定和標準需要完善。 此外,這些技術方法的應用效果還有待于進一步驗證。

4)由于上述爆破工程用特種器材的破碎功率較低,威力較小,且使用時受到一定設備條件和環境因素的制約,因此,傳統炸藥爆破技術雖存在或多或少的短處,但目前仍被廣泛應用。