水介质换能爆破技术

水介质换能爆破技术秦健飞秦如霞中国水电八局湖南长沙410004摘要：自从炸药用于工程爆破以来，炸药爆炸的能量有效利用率一直维持在一个较低的水平。如何提高炸药能量的有效利用率、降低爆破危害、降低爆破作业施工成本成为工程爆破科技工作者孜孜追求的目标。本文从爆破热力学和物质化学的理念出发，提出水介质换能爆破新技术，能够较大幅度地提高炸药能量的有效利用率、降低爆破危害、降低爆破作业施工成本。关键词：爆炸热力学系统；水介质换能爆破技术；最优值M；爆破水柱装置BlastingtechnologyofwatermediumenergytransfeQinjian-feiQinru-xiaSinohydroBureauEightChangsha,Hunan410004ChinaAbstract:Sincetheexplosivewasusedinengineering,theeffectiveutilizationrateoftheenergyofexplosiveexplosionhasbeenmaintainedatalowlevel.Howtoimprovetheeffectiveutilizationofexplosiveenergyrate,reducetheharmofblastingandreduceblastingcostofconstructionoperationsbecomescientificandtechnicalworkersinengineeringblastingdiligentlypursuethegoal.Theblastingfromthermodynamicsandchemicalconceptofwatertransfermediumtoanewblastingtechniquewasputforward,andcangreatlyimprovetheeffectiveutilizationofexplosiveenergyrate,reducetheharmofblastingandreducetheconstructioncostofblastingoperation.Keywords:Explosionthermodynamicssystem;Blastingtechnologyofwatermediumenergytransfe;optimumvalueM;blastingwatercolumndevice1技术背景1.1炸药爆破技术自从炸药发明以来人们都在为提高炸药能量的有效利用、减小炸药爆炸的危害作用进行不懈努力，但是效果至今仍然不十分理想，炸药爆炸能量利用率仍然停留在20%~30%一个不高的水平。2007年铁道建筑设计院何广沂教授等对“节能环保工程爆破”进行了总结〔1〕，并且出版了专著和申报了专利——《工程水压爆破炮眼及其爆破法》〔2〕（ZL200710051361.9）该技术方案记载有其爆破技术原理为“由于炮眼的水袋中有水，在水中传播的冲击波对水不可压缩，爆炸能量无损失地经过水传递到炮眼围岩中，这种无能量损失的应力波十分有利于岩石破碎，此外水产生‘水楔’效应，更利于岩石破碎”。但是该技术方案仍存在下述不足：（1）该技术方案认为其破岩机理是靠水的不可压缩性挤压岩石，即利用在水中传播的冲击波对水不可压缩的特性，故要求水袋与炮孔紧密接触，其水袋厚度≮0.8mm等等，但事实上水在炮孔中炸药爆炸后会气化或发生化学反应生成新物质，并非不可压缩的液态水，与假设边界条件矛盾。（2）该技术方案已申请近十年，但是其应用仍然局限于在“中铁集团”内部的隧道开挖中推广阶段，在互联网没有见到普遍采用和用于其他爆破行业的报道，究其原因主要是在施工中该技术方案要求水袋与炮孔紧密接触，因此在露天深孔爆破将水袋放入炮孔过程中，尽管水袋壁很厚，但是由于下落的冲击力容易发生破裂，导致水袋破损或水袋破损也无从发现。（3）施工工艺麻烦，在洞挖时对“炮眼”的堵塞要求繁琐苛刻，如对于炮孔堵塞炮泥材料要求为，土：砂：水=7.5：1：1.5并且需要用专用设备炮泥机加工制作成直径34~35mm,长度20~25cm不软不硬的炮泥卷进行堵塞炮孔，施工单位难以实施或难以严格按要求执行。（4）对“炮眼”中的水的质量没有在理论上确定一个有依据的数值，让人无法认定一个确定值。换句话说，没有从理论上对水参与炸药爆炸的内在破岩机理作出切合客观实际的分析评判。因此，虽然有一定的效果实际实施存在较大的难度和疑点，致使在内部推广也受阻，故该项技术至今仍然难以在全国爆破行业普遍推广应用。尽管如此，何广沂教授等仍然不失为致力于提高炸药爆炸能量利用率的先行者。1.2二氧化碳爆破技术近几年国内引进国外80年代的二氧化碳爆破法，其爆破机理为：二氧化碳气体在一定的高压下可转变为液态，通过高压泵将液态的二氧化碳压缩至圆柱体容器（爆破筒）内，装入安全膜、破裂片、导热棒和密封圈，拧紧合金帽即完成了爆破前的准备工作。将爆破筒和起爆器及电源线携至爆破现场，把爆破筒插入钻孔中固定好，连接起爆器电源。当微电流通过高导热棒时，产生高温击穿安全膜，瞬间将液态二氧化碳气化，急剧膨胀产生高压冲击波致泄压阀自动打开，被爆介质受二氧化碳气体膨胀作用完成爆破作业，并且爆破振动危害小。其破岩机理为CO2由液体变为气体的瞬时以冲击波/应力波和高压气体膨胀做功破碎岩石。虽然二氧化碳爆危害小，但爆破效果不是十分理想，一般破碎粒度在1.0m3左右甚至更大，见图1.1，且目前只能实施单排爆破，换句话说其爆破规模在一次300~500m3左右。因此在不允许使用炸药或限制爆破飞石的复杂条件下的工程爆破有其优势，应用范围有较大的限制。且其配套设备成本高，一般在60~80万元人民币，增加了爆破作业的附加成本。尽管二氧化碳获取方便（工业生产采用高温煅烧石灰石即可得到）但二氧化碳爆排放会对空气造成污染、会对大气产生温室效应，与环保低碳背道而驰，因此大规模用于一般工程爆破目前有一定的难度。图1.1二氧化碳爆破法效果照片Figure1.1carbondioxideblastingeffectpictures1.3水介质换能爆破技术的研发在前人研究的基础上，分析研究以往各类爆破技术的不足，经过长期的试验、研究，催产了“水介质换能爆破技术”，该技术既具备“二氧化碳爆”的优点，又提高了炸药爆炸的能量利用率，由于“水介质换能爆破技术”施工工艺与普通炸药爆破无异，且成本比普通炸药爆破和“二氧化碳爆”都低廉，因此更能适用于各种工程爆破。2水介质换能爆破技术的效果“水介质换能爆破技术”从炸药爆炸的热力学、化学机理出发，提出简单便捷的技术解决方法，能够较大幅度提高炸药能量的有效利用率、减小炸药爆炸的危害作用，并且实施方法简单易行，与现行的各种炸药爆破作业施工工艺没有多大差异，但效果更好，在相同爆破介质的条件下减少炸药单耗20%~30%，爆破振动减小20%~30%，爆破烟尘降低40%~90%，爆破介质破碎粒度与普通爆破相比较为均匀、大块率降低、基本无爆破飞石，个别飞石可控制在20.0m以内且爆堆集中方便挖装和运输作业，故成本下降20~25%。因此施工单位容易接受，便于在全国水利水电、矿山、公路、铁路各种爆破行业普遍推广应用。“水介质换能爆破技术”既可以用于各种孔径的钻孔爆破（浅孔、深孔、洞挖、明挖）也可以用于药室爆破、既可以用于水上爆破也可以用于水下爆破，还可以在各种各样的拆除爆破中应用以降低爆破振动危害和减少爆破飞石和爆破烟尘，应用范围极为广泛。3水介质换能爆破机理3.1有水炮孔的爆破现象在观察分析在地下水位比较高的有水炮孔爆破时“其爆破声响（爆破噪音）、爆破扬尘、爆破振动、爆破飞石都比较小”的现象后发现，在“爆炸热力学系统”中，由于水介质的存在可以缓解炸药的爆炸危害。3.2爆炸热力学系统为了从热力学、化学的角度来研究“水介质换能爆破技术”的机理，我们引入“爆炸热力学系统”这个新概念。所谓“爆炸热力学系统”是指爆破作业中需要使用炸药对岩石、混凝土等介质进行破碎时在介质中人为造成一定的装药腔后埋设炸药及起爆系统并堵塞封闭的整个爆破体系称之为“爆炸热力学系统”。在没有水介质参与的情况下，当引爆“爆炸热力学系统”后，炸药爆炸瞬时生成的高温高压爆生物质将对爆破介质产生挤压破碎并且伴生爆破地震波、空气冲击波、光、声、爆破飞石等危害效应。在有水介质参与的情况下，当引爆“爆炸热力学系统”后，水介质将参与炸药爆炸的化学反应共同生成新的物质并主要以急剧膨胀的方式挤压、破碎爆破介质，同时爆破危害作用也得到最大程度的缓解、削弱。3.3水介质换能爆破机理炸药爆炸是一种瞬时发生的化学反应，这一化学反应生成新的物质并在极短时间内释放大量的能。由于炸药爆炸是瞬时发生，“爆炸热力学系统”来不及和爆破介质发生热交换，因此可以把“爆炸热力学系统”当作绝热系统看待。这样从热力学角度分析可知，如果在“爆炸热力学系统”中加入“一定量”的水，按照热力学定律和物质不灭定律（质量守恒定律），炸药爆炸所释放的能将转换为水的内能，水在常压状态下当温度达到2000℃时开始分解为氢和氧，积蓄了炸药爆炸能的水和炸药共生的爆生气态物质在炸药爆炸的3000℃的高温10×104MPa的高压条件下将进一步发生化学反应生成新的物质。计算表明，这些高温高压爆生气态物质其体积在标准状况下比原来增加了1200多倍，由于这些气态物质受到高度压缩，因此积蓄了巨大的势能，它将遵循瞬时爆轰论的“爆轰产物的飞散遵循等距离面组规律”，主要以急剧膨胀做功的方式挤压爆破介质使爆破介质破碎，完成爆破作业〔3〕，见图3.1。图3.1水介质参与炸药爆炸主要以急剧膨胀做功示意图Figure3.1watermediuminexplosivemainlyswellingpowerdiagram另一方面从物质化学结构观点看，化学键的断裂和形成是物质在化学变化中系统发生能量变化的主要原因。一个化学反应过程，本质上就是旧化学键断裂和新化学键形成的过程〔4〕。在“爆炸热力学系统”中由于水介质的加入，使水和炸药共同参与化学反应，即水的化学键发生一个断裂后再形成的过程，见图3.2。这一能量变化（能量转换）的化学反应过程也就相对延缓了“爆炸热力学系统”瞬时爆轰的时程。换句话说，有水参与炸药爆炸就能够“较为缓慢地”释放炸药的爆炸能，这就是炸药爆炸所产生空气冲击波、地震波、光和声的效应等等危害作用变小的根本原因，就像核电站将核反应速度变缓，慢速释放原子能会消除了核爆炸的危害作用一样。这就是水介质换能爆破技术水介质参与炸药爆炸的机理，也是水介质换能爆破技术与炸药单独爆炸机理的区别所在。图3.2水介质参与炸药爆炸化学反应化学键断裂与生成示意图Figure3.2watermediuminexplosivechemicalbondsbreakandthechemicalreactiondiagram4水介质换能爆破技术的实施4.1将炸药爆炸能转换为水的内能在爆破介质的装药腔中安装质量比大于或等于最优值M的水介质和炸药，且将炸药和水介质相互隔离，其中最优值M的计算函数表达式如式（1）所示；M=HeHs×100%………………(1)式（1）中，M——水介质和炸药之间的质量比的最优值；He——爆破所采用炸药的爆热（见表4-1）；Hs——氢和氧合成水时所释放的热能，Hs=15879kJ/kg。表4-1常用工业炸药的爆热数值表序号炸药名称爆热（kJ/kg）1岩石粉状乳化46002一级煤矿粉状乳化44663二级煤矿粉状乳化44474三级煤矿粉状乳化40755煤矿乳化398162号煤矿抗水铵梯379672号岩石铵梯4345在质量比等于最优值M的情况下，所有炸药的能量在高温高压下水介质的化学键提高而断裂分解为氢和氧，在质量比大于最优值M的情况下，所有炸药的能量能够将部分水介质的化学键断裂而分解为氢和氧。在质量比小于最优值M的情况下，则不能够将所有炸药的能量充分利用以将水介质的化学键断裂而分解为氢和氧，则会存在炸药的能量有效利用率不足的问题。因此在爆破作业中我们在“爆炸热