秦健飛,秦如霞

（中國(guó)水電八局， 湖南 長(zhǎng)沙 410004）

0 前 言

在爆破工程實(shí)踐工作中觀察發(fā)現(xiàn)，有水炮孔爆破時(shí)都普遍存在爆破危害作用小的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期潛心研究發(fā)現(xiàn)，在“水介質(zhì)換能爆破系統(tǒng)”中，水介質(zhì)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(jù)這一現(xiàn)象研發(fā)成功“水介質(zhì)換能爆破技術(shù)”并在工程爆破實(shí)踐中取得了令人滿意的效果。

目前“水介質(zhì)換能爆破技術(shù)”已在國(guó)內(nèi)外的水利水電、交通、市政建設(shè)、礦山等眾多項(xiàng)目開始推廣應(yīng)用并取得了很好的效果，該爆破技術(shù)不失為當(dāng)今節(jié)能環(huán)保的綠色爆破新技術(shù)。

1 與眾不同的破巖機(jī)理

1.1 水介質(zhì)換能爆破系統(tǒng)

從熱力學(xué)、化學(xué)角度來(lái)研究“水介質(zhì)換能爆破技術(shù)”的破巖機(jī)理，需引入“水介質(zhì)換能爆破系統(tǒng)”這個(gè)新概念。

所謂“水介質(zhì)換能爆破系統(tǒng)”是指爆破作業(yè)中需要對(duì)巖石、混凝土等介質(zhì)進(jìn)行破碎時(shí)，在被爆介質(zhì)中采用機(jī)械設(shè)備形成裝藥腔后埋設(shè)炸藥和與炸藥隔離封閉的水介質(zhì)以及起爆系統(tǒng)并堵塞封閉的整個(gè)爆破系統(tǒng)。熱力學(xué)計(jì)算表明，由于該系統(tǒng)內(nèi)的炸藥爆炸是在瞬時(shí)完成，炸藥爆炸熱能來(lái)不及傳遞給被爆介質(zhì)爆炸過(guò)程已完成，因此可以將“水介質(zhì)換能爆破系統(tǒng)”作為絕熱系統(tǒng)看待[1-2]。

1.2 水介質(zhì)換能爆破的破巖機(jī)理

1.2.1 爆破微觀過(guò)程

眾多學(xué)者采用 X射線高速攝影技術(shù)或電測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)爆破過(guò)程進(jìn)行了卓有成效的實(shí)驗(yàn)研究。研究表明，炸藥爆炸過(guò)程是一個(gè)極為復(fù)雜的將被爆介質(zhì)進(jìn)行物理破碎的過(guò)程，同時(shí)炸藥爆炸又是一種瞬時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，這一化學(xué)反應(yīng)生成新的物質(zhì)并在極短時(shí)間內(nèi)釋放大量的熱能[3-4]。

1.2.2 水介質(zhì)換能爆破的破巖機(jī)理

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

研究表明，高溫高壓爆生氣態(tài)物質(zhì)將遵循瞬時(shí)爆轟論“爆轟產(chǎn)物的飛散遵循等距離面組規(guī)律”，主要以急劇膨脹做功的方式擠壓被爆介質(zhì)使被爆介質(zhì)破碎完成爆破作業(yè)[5]。

2 水介質(zhì)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(zhì)換能爆破工程實(shí)踐的典型工程炸藥單耗見表1，表1表明，水介質(zhì)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(dòng)

2018年3月24～25日、2018年4月24日分別在老撾南歐江三級(jí)和七級(jí)水電站做相同藥量，裝水袋與不裝水袋爆破振速對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)采用B last-UM型爆破測(cè)振儀進(jìn)行爆破振速監(jiān)測(cè)，測(cè)振儀軟件可自動(dòng)回歸薩道夫斯基振速計(jì)算公式的k、α系數(shù)。爆破振速監(jiān)測(cè)表明水介質(zhì)換能爆破振速明顯減小，監(jiān)測(cè)成果見表2、表3。

表1 典型工程水介質(zhì)換能爆破單耗

表2 老撾南歐江三級(jí)相同藥量距爆心距離相等水介質(zhì)換能爆破振速監(jiān)測(cè)比較

表3 老撾南歐江七級(jí)相同藥量距爆心距離相等水介質(zhì)換能爆破振速監(jiān)測(cè)比較

一般情況下爆破振速按照薩道夫斯基振速計(jì)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(zhì)換能爆破技術(shù)比普通爆破技術(shù)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(zhì)點(diǎn)振速將減小10%以上；

（2）水介質(zhì)換能爆破自身的減振作用＞32%。

因此，采用水介質(zhì)換能爆破技術(shù)與采用普通爆破技術(shù)相比，總體爆破振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)振速將降低42%以上，這已經(jīng)為眾多工程項(xiàng)目所證實(shí)。

2.3 爆破飛石可控

2018年3月20日老撾南歐江三級(jí)水電站基坑保護(hù)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(jiān)測(cè)爆破飛石距離情況，彩條布布置見圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)水介質(zhì)換能爆破飛石的彩條布置

監(jiān)測(cè)結(jié)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(jí)水電站采石場(chǎng)爆破開挖均安排了類似監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，水介質(zhì)換能爆破的飛石可以控制在20～30 m范圍內(nèi)。

圖2 第二塊約5 m2彩條布布置在離爆區(qū)18.61 m處

2.4 爆破煙塵大量減少

由水介質(zhì)換能爆破的破巖機(jī)理可知，水介質(zhì)參與炸藥爆炸的化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生“水的化學(xué)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(tài)物質(zhì)急劇膨脹擠壓、破碎被爆介質(zhì)做功鍵能降低，氫氣和氧氣的化學(xué)鍵重新合成霧態(tài)水”的過(guò)程。

因此，被爆介質(zhì)裝藥腔壁開始破裂至周圍被爆介質(zhì)逐步產(chǎn)生破碎、鼓包、飛散拋擲的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)階段有大量霧態(tài)水的存在。大量的水霧隨其過(guò)程就能夠極大減少爆破煙塵的產(chǎn)生。根據(jù)地質(zhì)條件以及巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)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(fēng)排煙時(shí)間一半左右，并且進(jìn)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(jué)，凈化了施工環(huán)境（見圖3、圖4）。

圖3 老撾南歐江七級(jí)水電站2018年4月20日水介質(zhì)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(zhì)換能爆破技術(shù)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(zhì)換能爆破生成的高溫高壓氣態(tài)物質(zhì)充盈整個(gè)炮孔產(chǎn)生急劇膨脹并均勻擠壓被爆介質(zhì)，因此爆渣塊度較為均勻，便于挖、裝、運(yùn)作業(yè)，有效提高了施工作業(yè)效率，綜合經(jīng)濟(jì)效益得到較大提升，施工成本可以節(jié)省20%～25%，既環(huán)保節(jié)能又能高效率施工，何樂(lè)不為？

圖4 老撾南歐江七級(jí)水電站2018年4月26日普通爆破煙塵

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)長(zhǎng)期科學(xué)研究建立“水介質(zhì)換能爆破系統(tǒng)”，從爆炸熱力學(xué)、化學(xué)角度來(lái)研發(fā)“水介質(zhì)換能爆破”的思路是正確的，否則“水介質(zhì)換能爆破”不會(huì)取得如此令人滿意的效果。

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。短短的兩年來(lái)，在各種爆破領(lǐng)域、各種不同地質(zhì)條件、各種不同爆破環(huán)境下的爆破實(shí)踐都有力的證明“水介質(zhì)換能爆破”的爆破效果充分認(rèn)證了“水介質(zhì)換能爆破系統(tǒng)”對(duì)其破巖機(jī)理的圓滿詮釋，同樣也完全證明“水介質(zhì)換能爆破”的破巖機(jī)理的正確性。