高效无声破碎剂的应用

张 鹏

（山西晋煤集团成庄矿生产技术科,山西 晋城 048021）

1 静态爆破技术——高效无声破碎剂的破碎原理

无声破碎剂主要成分为氧化钙、特殊硅酸盐,是一种静态爆破材料,能够在施工过程中很方便、安全的进行爆破工程,配合其他无机粉末物质,能够进行式（1）的化学反应。

CaO＋H2→O Ca（OH）2＋6.5×104J（1）

化学方程式（1）是很常见的放热反应,热量的放出会使药剂体积逐渐膨胀,最后达到之前体积的3倍～4倍,表面积也相应增加到了原来的近100倍,且每1mol的CaO进行反应可以放出6.5×104J。根据这个原理,这些物质注入到有限空间的炮孔内,物体膨胀,孔壁所受到的压力可以上升到50MPa,介质在这种情况下产生径向压缩应力和切向的拉伸应力。但在施工过程中,岩石或者混凝土一般所能承受的压力远远小于这种化学反应所产生的压力,岩石的抗拉强度为5MPa～10MPa,混泥土的抗拉强度为20MPa～60MPa。而通常无声破碎剂的膨胀压力可达30MPa～50MPa。所以,在炮孔中发生了那样的化学反应之后,产生的热量以及压力会让周围的介质产生周向拉应力。当拉力逐渐增大的时候,介质也会慢慢地出现裂缝,随着拉力的持续增大而裂开,最后介质就会破坏,达到爆破目的。

对比炸药破碎机理,静态爆破技术依靠它化学反应的能量来达到目的。在被破坏体内,用无声破碎剂进行化学反应和一系列物理变化,让被破碎体吸收热量,温度升高,体积膨胀,产生相应的周向拉应力,导致介质破碎。静态爆破技术能够高效、方便、安全地达到目的,并且不会造成环境的污染,相比传统炸药技术节省了不少资源。

2 破碎剂的主要性能

破碎剂的膨胀力最大可达到122MPa（1 220kg/cm2）。拌合水温度在10℃～15℃,反应时间可在2h～10h调节,最大膨胀力出现最短时间在2h内。可以控制被破碎体破碎完成后的形状,施工简单,易操作,不需专业工种,操作人员培训时间短。其归类于《水泥制品》中,为非易燃易爆危险品,安全易管理［1］。

3 静态爆破技术的施工工艺

3.1 设计布眼

在布眼之前要保证至少有一个临空面,并且钻出来的孔的方向要进来和临空保持平行,横向分布的孔和纵向孔的距离各30cm,在切割岩石和混凝土上面摆列整齐,并在一个平面上,保持成一个平排炮孔。孔间距离要根据岩石和混凝土自身的属性来决定。例如,混凝土和岩石的强度很高,则相距就要小一点,防止因能量不够而不能完全裂开。另外,钻眼的深度也要视情况而定。布孔设计参数见第129页表1。

3.2 钻孔

用直径为38mm～42mm的钻头在已确定的施工区域内打眼。打眼深度可根据岩石硬度及施工地点条件自行选择,一般控制在1m～2m。

钻孔布置参数见第129页表2：

表1 布孔设计参数表

表2 孔距与排距简易布置表

3.3 装药

1）向下和向下倾斜的眼孔,可在药剂中加入质量分数30%～32%的水,搅拌成糊状。因药剂放在空气中有反应,所以,要迅速倒入孔内并保证药剂在孔内处于密封状态。鉴于向下灌装比较便利,如果条件允许,施工可以从上到下进行分层破碎,便于工人操作。

2）水平方向和向上方向的钻孔,不能直接放入药剂,可用一个工具装起来。一般是采用高强长纤维纸袋。在纸袋中放入药剂,准备好整个施工需要的数量,然后用纯净水完全浸泡,使其完全湿润。不冒气泡的时候,就可以取出进行装药了。

3）在装药时,每组施工人员在操作过程中不能负责过多的孔,每次的拌药量不能超过实际能够完成的工作量。各个小组的每项工作尽量统一步骤,以利于破碎混凝土和岩石。每次在填装药剂的时候都要进行一些核对,如岩石的温度、水的温度是否符合要求。在填装过程中,禁止将已经发生反应的一些化学药品再进行装填,避免发生意外。

4）岩石刚开裂后,可向裂缝中加水,支持药剂持续反应,可获得更好效果。

5）反应时间

化学的反应速率与是否加入催化剂、反应过程中的温度及药剂的浓度有关。在实际操作中,为了避免反应发生得太快而来不及控制,一般使用如下2种方法：一是控制温度,抑制化学反应的活性,降低化学反应速率；二是加入抑制剂或反催化剂,降低反应速率。特别是在夏季施工时,要特别注意反应温度,外界环境温度本来就高,需要严格控制拌合水的温度,将反应时间尽量控制在30min～150min。

4 无声破碎剂在井下岩巷施工中的应用情况

成庄矿640回风联络巷起底长度为29m,平均厚度为1.4m,其起底起点位置为煤仓上口皮带机头硐室配电点,该巷以南、以北50m范围内有高开、移变等设备,100m以内有南翼胶带巷工作面的出煤皮带及煤仓掘进工作面。因现场条件限制,存在如下问题：一是使用火药可能损坏设备；二是在进行爆破作业时需停电撤人,影响2个掘进工作面的施工；三是岩石较硬,在不使用火药爆破仅只用挖机支挖时,每天支挖工程量仅为0.5m,施工效率低。

在使用无声破碎剂后,此处起底进度提高至平均每天1m,且未对其他作业地点及现场设备造成影响。

同时,针对破碎剂无声、无冲击波爆破的优点及反应时间长的缺点,此次起底作业采用平行作业的方式,即利用3d左右时间提前从巷口开始进行涨裂,从第4d开始挖机支挖与破碎涨裂同步进行,施工工期由单独机械支挖的60d缩短至破碎剂配合机械支挖的33d,提高了施工工效,且降低了对其他作业地点的影响。

5 静态爆破技术的应用前景

静态爆破技术作为爆破技术的一项重要补充和发展,适用于煤矿井下机电设备多、放炮影响较大区域的爆破,其放炮效果虽然不如传统的火药爆破效果,但这一技术的主要优点在于其无声、无火焰、无冲击波,对周围环境破坏小,能适用于任何作业地点,尤其是机电硐室附近的岩巷掘进施工,能够大大减小职工的劳动前度,调高掘进效率。

参考文献：

［1］ 游宝坤.静态爆破技术——无声破碎剂及其应用［M］.北京：中国建材工业出版社,2008.