爆破工程用特种器材的研究及应用综述

2020-02-28蒋光波谢兴华孟祥栋李永福杨佳烨

煤矿爆破 2020年5期

蒋光波，谢兴华，孟祥栋，李永福，杨佳烨

(1.安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南232001;2.重庆建工建筑产业技术研究院有限公司，重庆400080)

0 引言

因作业条件和环境因素的影响,某些特殊的工程不能采取传统炸药爆破的方式进行施工,例如:加油站、燃气石油管线、危险品仓库的拆除施工禁止出现明火和高温;高压输电塔线、通信光缆及其他信号传输设施旁的施工不允许出现飞石;拆除建筑物、处理边坡险情时不能造成较大振动;地下矿井特殊地段的破岩施工不能使用炸药爆破等[1]。因此,施工的特殊要求,限制了传统炸药的使用,从而出现了新的特种器材和技术。目前爆破工程用特种器材及技术应用较广的有静态破碎剂破碎法、爆破剂破碎法、等离子体破碎法及二氧化碳致裂器破碎法等。与其对应的破碎材料或装置分别有静态破碎剂、金属燃烧剂、温压火药、等离子体发生器、液体能源或固体能源及二氧化碳致裂器等。

1 静态破碎剂

20 世纪60 年代末期,日本首次创新地使用了以静态膨胀剂为破碎剂的静态破碎法。目前,应用较多的静态破碎剂主要是由水合膨胀性物质(氧化钙、氧化镁等)、水合延缓剂(碳酸钠、碳酸氢钠、硫酸钙等无机盐)、水硬性物质(硅酸盐水泥、高铝水泥或速凝水泥等)和减水剂等组成,将其与适量水混合成浆体,装入被破碎体的孔中,发生水化反应后产生巨大的膨胀压力,生成新的固体物质以放射状向周围扩展,当膨胀压力大于被破碎物体的抗拉强度时,物体即产生裂缝进而破碎[2]。

破碎剂中氧化钙的作用原理为:氧化钙与水快速反应生成氢氧化钙并放出大量的热。总结众多研究者的理论分析与试验结果[3-6],可以看出,生成物体积增大和空隙率的变化是影响氧化钙水化体积膨胀的主要原因。破碎剂表面的氧化钙在水化过程中反应生成氢氧化钙,同时体积增大,这部分增大的体积转移到原来充水的空间。随着反应进行,生成的氢氧化钙填满未密实的空隙和游离水所占的空间,颗粒间空隙率减小,接近水化临界状态,此时粒子之间没有挤压。由于浆体是在有约束的条件下反应,随着反应的进行,颗粒体积继续增大,随之空隙会减小,颗粒间的相互作用力也越来越大,表现为体积增长,产生膨胀压力,破坏约束介质。当约束力超过一定值后,体积将不会发生膨胀,这就是实际应用中时常出现的情况——装填静态破碎剂后不发挥作用。同时,这也是导致发生喷孔的重要原因之一[7]。

许兰保等[8]对静态破碎剂的膨胀压力进行了测试。通过改变拌和水剂比和钢管直径进行膨胀压力试验,发现水剂比是影响破碎剂膨胀压力大小的直接因素。管径不变时,膨胀压力随着水剂比的减小而增大,反应速率会随着水剂比增大而减缓。在水剂比不变的情况下,管径的大小对破碎剂反应速率的影响较小。在实际应用中水剂比不宜过小,孔径也不宜过大。郑志涛等[9]通过设计3 种不同的浆液水剂比来研究钻孔直径(以5 种不同直径的高强度钢管模拟)对静态破碎剂致裂效果的影响。结果表明:喷孔现象最易发生于大直径的钻孔,且最大膨胀压力产生于首次喷孔时;浆液水剂比一定时,钻孔直径越大,静态破碎剂产生的膨胀压力就越大,但达到最大膨胀压力的时间基本相同。马冬冬等[10]研究了水剂比、气温和水温对静态破碎剂膨胀性能的影响。在水剂比一定的条件下,发现拌和物的温度-时间曲线呈现出温度迅速上升、恒温、继续上升和下降4 个阶段的特征。通过对比得出水剂比为0.30、气温为16 ℃时体积膨胀率较好;静态破碎剂的膨胀速率在一定范围内随着水温的升高而加快。张嘉勇等[11]为了有效控制静态破碎剂使用时尤其在煤矿井下反应温度和放热量过高的问题,试验并分析了掺混不同比例铁尾矿粉(主要成分为二氧化硅、铁、氧化铝、氧化镁等)的静态破碎剂的反应温度及反应速率的变化规律。保持环境温度、水温及水剂比不变,提高铁尾矿粉掺混比例,均可降低静态破碎剂的升温速率、反应所能达到的最高温度及达到最高温度所需的时间。但是,为了使静态破碎剂的膨胀率及破碎效果不受太大影响,铁尾矿粉掺混比例不宜超过50%,反应后体积膨胀率可达2.88。

静态破碎法是一种安全、经济、合理的施工方法,但因其破碎时间较长,效率比较低,且当建筑物配筋率较高时,作用效果不明显[12]。此外,环境温度对静态破碎剂性能和破碎效果的影响较大,在冬季低温环境下,不仅反应变得缓慢,有时还会失去作用;而在夏季高温时又容易产生冲孔现象[13]。因此,进一步研制作用时间短且效率高的静态破碎剂,对爆破工程用特种器材及技术的发展具有重要意义。

2 爆破剂

对于爆破剂,国内外的研究重心主要集中在军工行业,民用领域发展相对滞后,被广泛应用的爆破剂并不多。因此,加强爆破剂在民用领域的研究,研发出适合民用的爆破剂意义重大[14]。

民用爆破领域所用的爆破剂绝大多数是金属燃烧剂,实际应用研究进展缓慢,一般采用强氧化剂(如氯酸钾、高氯酸钾等) 或金属氧化物(如二氧化锰、氧化铜、三氧化二铁等)与金属还原剂(如铝粉、镁粉等)按照一定比例配合而成。金属燃烧剂进行快速燃烧反应,产生高温高压的气体,这些气体迅速作用于周边岩石,岩石在热的作用下软化,强度变低;当内部高压大于岩石的抗拉强度时,岩石会产生裂隙并逐渐扩张,高压气体的气楔作用使岩石破坏程度加大,直至开裂或破碎[15]。

张晗亮等[16]利用聚合反应制得一种活性金属燃烧剂。该金属燃烧剂是将燃烧热值高的活性金属粉末(如锆、镁、钛、铝等)与高分子树脂按一定配比混合。通过优化高分子树脂与金属成分得到的活性金属燃烧剂,燃烧性能和力学性能优异、安全性好,对目标有较强的引燃和燃烧效果。杜慧[17]以化学沉淀法和直接混合法分别制备了金属/氧化物型高热剂复合粒子和混合金属可燃剂添加剂,将其添加到镁/聚四氟乙烯药剂中制得了高能燃烧剂,并从燃烧时间、燃烧温度、燃烧速度及热辐射强度等方面对该高能燃烧剂进行了研究,建立了相关实验验证模型加以分析,得到了较好的效果。王海朋等[18]发现:以高氯酸铵和双基推进剂为主要组分的燃烧剂加入可燃金属或非金属粉,会提高其燃烧热、燃烧速度、燃烧温度,并且改变火焰结构;加入硼粉的燃烧剂对较远距离、高沸点物质的引燃效果最佳,其火焰温度可达1 000 ℃以上,火焰长度达25 cm,燃烧过程更稳定;高氯酸铵和金属粉对双基推进剂的热分解没有影响。张小康[14]以硝酸钾、铝粉、煤粉为主要成分分别制备了2 种钝感爆破剂,并引燃特制点火电极,进行了现场岩石切割、破碎试验。前者切割效果较好,而后者制得的破岩药柱破碎效果较好,并且振动小、弱抛掷、有毒气体释放量少,特别适合一些特殊的爆破工程。

在爆破剂应用研究过程中,专家学者们提出了一系列的爆破应用技术,笔者主要介绍环境友好的和谐爆破应用技术。该技术是指在新的爆破现场环境下通过定量化的爆破设计和协调的爆破施工,合理控制炸药爆炸能量释放与介质破碎、抛掷等过程的一种爆破作业技术。此技术利用爆燃可控反应,不产生爆轰波,避免了爆破振动与飞石危害,不仅达到预定的爆破效果,还实现爆破过程中有害效应的根本控制,达到快捷高效、安全可靠、绿色环保及经济合理的目的[19]。

和谐爆破需要研制出能实现爆燃可控的爆破剂。以硝酸盐和氧化物、可燃剂、助燃剂、氧化铜为原料,合理配比制得温压火药。该爆破剂的反应以温压热效应为主,大大减少了反应产生的气体量,同时产生冲击与热应力,能够有效地参与破岩做功。温压效应高频冲击热应力破岩,因高频冲击不与低频建筑结构共振,产生热应力破裂岩石,因此,可以在很大程度上解决爆破安全问题。传统炸药爆炸在爆腔内伴有粉碎区,而温压效应的主要原理是氧化物催化硝酸盐与金属粉快速发生协同爆燃反应,温压效应与短毫秒反应特征结合形成高频冲击,最终使飞石与振动的危害得到控制。

和谐爆破应用技术的优点:在能量可调的温压火药作用下被爆体发生碎裂且没有明显的爆炸声响;由于爆炸物能量的控制释放,介质发生碎裂后自然地脱落而没有飞石产生;传统炸药爆炸产生强烈的振动、大量的粉尘和有毒气体,利用温压火药破碎能够有效地实现“微振减排”,保证了爆破周边建筑、人员和设施的安全。在矿山资源开采中实现系统优化,提高开采效率,减少石材损伤,保证围岩稳定性和安全性,不仅对环境友好,提高了爆破的科学性,还有效地降低了爆破中炸药爆炸能量的浪费。其特色与创新之处在于:①建立温压效应高频冲击机制,提出环境友好的和谐爆破设计原理,一定程度上解决了爆破安全问题;②通过温压效应,提高能量利用率,为环境友好的和谐爆破设计提供理论基础和工程数据,控制飞石与振动危害;③设计制造了冲击激发装置实现了爆燃激发。

3 等离子体破碎

等离子体破碎技术的基本原理为:利用放电器放电使物质原子发生电离形成等离子体通道,通道内离子的强烈振荡产生强冲击波、高温高压和扩张应力,能量传播到破碎介质内,直接破坏介质或使介质中的天然缺陷得到增大,达到破碎介质的目的[20]。

等离子体破碎技术主要用于对岩石、煤层及人体内结石的破碎。利用等离子喷枪[21]可以产生温度高达几千摄氏度、出口喷速每秒近2 km 的等离子弧,既可用于凿岩,也可以用于岩石块石的破碎。但是,实践表明等离子弧凿岩只适用于较硬的岩石,并且凿岩效率容易受弧温和喷速影响。温度过高岩石会熔化;温度太低,岩石不能被破碎导致凿岩速度缓慢。在破碎岩石时,以破碎形状呈鱼鳞片状的电流、气压等参数值为最佳值。将强放电实施在强电解质溶液中瞬间可产生高温高压的液相等离子体,经合理布置后同样具有破碎岩石类介质的能力。研究发现,等离子体对煤体的破碎存在选择性[22]。煤体在等离子体冲击作用下内部会形成彼此相互贯通的空间网状裂隙结构,且电场强度越大越有利于裂隙的形成。裂隙在煤体内部产生的区域与煤体内部矿物的分布区域会发生重叠现象,在平面及轴向方向上,裂隙会沿着矿物分布的区域进行扩展,说明裂隙的扩展会受到矿物分布的影响。有研究表明:以水为传压介质进行等离子体破碎时,水和周围介质能对等离子体产生更加明显的约束,会有更多的能量耦合到等离子体冲击波中。因此,它的显著优点是可以加速碎石过程。

此外,在和谐爆破应用技术中,冲击电池可以结合电能转变成高温高压等离子体激发冲击电池,依靠等离子体和冲击电池的协同反应快速膨胀形成冲击波破碎岩石。与普通炸药岩石爆破相比,新缓冲裂石和谐爆破应用技术具有无飞石、无有毒气体、低振动、低噪声、低灰尘等特点,对提高破岩效率、实现爆破作业的连续性等有重要意义[24]。

4 二氧化碳致裂器

二氧化碳破碎技术是利用液态二氧化碳发生瞬间相变产生高压,作用于周围岩体,从而实现破岩[25]。其原理为:二氧化碳在温度小于31 ℃、压强高于7.35 MPa 时为液态。高于31 ℃时,液态二氧化碳在100 ～300 ms 内变为气态,且随温度的变化,压力也不断变化。利用二氧化碳的这一特性,在爆破主管内加注液态二氧化碳,将致裂系统与低压启动装置连接,接通电流启动爆破系统,加热器经电流作用开始发热,迅速使加热装置启动,爆破管内液态二氧化碳瞬间气化,体积暴增600 倍以上并引起高压,压力超过爆破片极限压力(压力可设)时,冲破定压片,高压二氧化碳气体从释放头冲出,引起的冲击波可以在几十毫秒内释放结束,破坏岩石,从而达到爆破致裂的目的。

目前对二氧化碳破碎技术的研究及应用主要集中在6 个方面:①有学者研究了二氧化碳爆破对煤岩的破坏特征[26],认为二氧化碳致裂分两个阶段释放其能量,一是相变能的释放,二是膨胀过程中的膨胀功;认为液态二氧化碳急剧相变产生的应力波作用于炮孔周围形成压碎区,应力波和二氧化碳气体膨胀共同作用形成裂隙区。 ②分析二氧化碳致裂器泄放压力与定压剪切片厚度、发热材料用量和液态二氧化碳充装量之间的关系,为致裂器泄能参数的研究与调整提供了方向[27]。 ③利用有限元软件模拟分析二氧化碳致裂器结构构造对泄能及破碎效果的影响,针对实际工程环境提出适合的结构形式及参数[28]。 ④二氧化碳致裂器可靠性因素分析[29-31]。通过对致裂器发热材料及不能正常工作的原因进行研究分析,提出相应解决办法。 ⑤合理设计充装系统结构,采用自动化控制技术,提高二氧化碳致裂器充装效率[32]。 ⑥利用二氧化碳致裂器对岩石或煤层增透[33],以达到强化瓦斯抽采及提高煤矿井下安全的目的。

二氧化碳爆破技术原理简单,不产生哑炮,粉尘小,无有毒物质产生。但其对设备强度要求较高,威力较小,多用于松动爆破,并且行业内无统一标准,可能存在较大的安全隐患[18]。