炮孔不耦合装药结构回顾和展望

叶建军,尹 仲,程大春,韩学军,王国辉,彭庆波

(1.湖北工业大学 土木建筑与环境学院,湖北 武汉430068;2.武汉宏伟交通爆破工程有限公司,湖北 武汉430000;3.湖北凯龙工程爆破有限公司,湖北 荆门448004)

0 引言

爆破技术作为高效的破岩手段,被广泛应用于隧道、公路、铁路、矿山、水利及建筑物(构筑物)拆除等领域。 安全、绿色等理念深入发展,对爆破技术也提出了更高的要求。 在取得良好破岩效果的同时,尽量减小有害效应,已经成为爆破工程界努力追求的目标。 装药结构是影响爆破效果和有害效应的重要因素之一,深入开展装药结构的基础研究,对推动我国工程爆破技术的发展具有重要的理论价值和实际意义。

1 装药结构概述

炸药在孔内填装的方式称为装药结构,它是影响爆破效果的重要因素之一。 目前应用最为广泛的装药结构是耦合装药(连续装药)和不耦合装药,不耦合装药可分为轴向不耦合装药(间隔装药)和径向不耦合装药。 这几种结构早在20 世纪50 年代就已经开始研究应用,爆破效果存在明显差异,耦合装药破岩炸药能量利用率低,岩石破碎效果不佳(如图1 所示),有害效应较强烈(如图2所示),增大了二次破碎的工作量。 为满足生产实践的要求,诸多研究学者在耦合装药理论和应用的基础上不断研究改进,不耦合装药应运而生。 研究表明:不耦合装药可显著改善爆破效果,一定程度地抑制有害效应,具有良好的经济效益和社会效益。 但有不少工程仍采用耦合装药,主要原因包括相关工程技术人员对不耦合装药装置和方法的认识匮乏或实现不耦合装药难度大等,这种情况严重阻碍了不耦合装药技术的发展和推广。

为解决上述问题,对近些年在不同工况下实现不耦合装药的方法和装置进行了归纳分析。

图1 耦合装药破岩效果

图2 耦合装药粉尘效应

1.1 耦合装药

耦合装药即药室内的炸药间没有隔开及炸药与孔壁不留空隙的装药方式,如图3(a)所示。 一般用炮棍将炸药轻轻捣实,保证炸药与炮孔壁的耦合质量。 此外,装药器和装药车装药无须炮棍捣实,通过高压喷射散装炸药即可实现耦合装药的目的。

1.2 不耦合装药

轴向不耦合装药即药室内的炸药在炮孔轴向有介质(空气、水、惰性材料)隔开,如图3(b)所示。常见轴向不耦合装药的方法:在竹片上捆绑一定间隔距离的药卷,药卷随竹片放入炮孔中;用空气袋或水袋或惰性材料作为间隔材料,使孔内炸药轴向不耦合;把药卷相隔一定距离包裹在导爆索,即串珠装药,如图4 所示。 径向不耦合装药即药室中存在介质使炸药和孔壁不直接接触,即控制药柱的直径小于炮孔直径,孔内充填空气或水或惰性材料,如图3(c)所示。 常用的径向不耦合方法:将小于炮孔直径的药卷连续在捆绑竹片上,药卷随竹片放入炮孔中;将与炮孔等直径或小于炮孔直径的PVC管放入孔内,再往孔内连续装药。

图3 3 种装药结构

图4 串珠装药结构

除上述常见的不耦合装药方法外,近年来,诸多学者发明了一系列实现不耦合装药的方法。

徐连生等[1]发明了一种径向空气不耦合装置,该装置虽然理论上能达到空气不耦合效果,但是实际应用时无气充气圈放入炮孔可能发生损伤,且现场还需提供一台空气泵,投入的成本较高,实用价值较低。 同年他还发明了一种利用竹片同时实现轴向和径向不耦合装药的方法[2],可适用竖向、水平和倾斜炮孔,所需投入成本低,操作方便,能一次完成装药,若在竹片首末端套一个孔内居中装置,可达到更好的爆破效果。 赵明生等[3]发明了一种空气间隔器,在炮孔深度不一致的工况中,可一定程度调节空气柱长度,相比空气袋,避免了需产生另一型号的空气间隔装置的过程。 邵宇晨等[4]发明了一种含水炮孔空气间隔装药装置,可在水中精确定位空气间隔位置,在此种工况中具有较强的实用价值。 叶建军等[5]发明了装药长袋装置,提出了装药长袋对炮孔装药的方法,还能同时实现轴向和径向不耦合装药,解决了两端开口的水平孔和竖向深孔准确装药的难题,若配合其发明的伞形卡位悬挂器[6]实现上向、水平和小倾角下向孔装药。 潘鹏飞等[7]发明了一种变直径不耦合装药装置,使孔内炸药分布更加合理,提高炸药利用率,进一步减少根底。 马望龙[8]提出了采用PVC 管间隔装药的爆破方法,使装药过程成本更低,操作方便,但此方法有一定的局限性,只能配合有包装的炸药使用,如乳化炸药。 闫永富等[9]发明了一种水介质间隔器,与水袋相比具有较高的强度,不易摩擦挤压破坏,有较强的实用性。 钟权等[10]发明了一种孔内可多段空气间隔装置,相比空气间隔器,减少了装药步骤,能一次完成装药,降低了装药成本。 管伟明等[11]发明一种利用发泡剂改变装药直径的方法,采用有机合成材料作为径向耦合介质,进一步改善爆破效果。 牛艺淋等[12]发明了一种液体间隔装置,相比水介质,进一步减少了有毒气体的产生。 薛永斌等[13]发明了一种露天台阶爆破轴向空气间隔装置,可以看作是在文献[10]的空气间隔装置基础上进行了升级,实现可任意调节装药间隔距离,进一步精确装药不耦合系数。 王志富等[14]发明了一种绿色矿山爆破专用的多功能水袋,可根据不同要求切换空气不耦合和水不耦合,一装置多用,具有一定的实用性,但费用较高。 何兴贵等[15]发明了一种水平孔的水耦合装药装置,此方法成本低,操作简单,实现轴向和径向不耦合装药的不耦合系数精度高,实用性强。 高杰等[16]发明了一种软弱夹层地质边坡控制爆破装药结构,能减少软弱夹层处的超挖,降低边坡支护费用。

上述所提实现不耦合装药的途径详情见表1。尽管实现不耦合装药方法众多,但发展趋势一致,即趋于成本低、操作简单、功能多、定位精准和适用性强等特征。

表1 实现不耦合装药的途径

表1(续)

1.3 三种装药结构的破岩作用机理

1.3.1 耦合装药

炸药爆轰产生冲击波和爆生气体,冲击波和爆生气体直接作用于孔壁,冲击波压力远大于岩石的动态抗压强度,装药空间岩壁受到强烈压缩形成空腔(爆腔)[18],围岩粉碎性破坏形成压碎区。 随着冲击波衰减为压缩应力波,当应力波压力小于岩石的抗压强度,切向拉应力大于岩石动态抗拉强度时,岩石被拉裂,形成与压碎区相通的径向裂隙,在高温高压爆生气体的膨胀、挤压及气楔作用下,裂隙进一步扩展延伸。 由于冲击波、应力波对岩石的强烈压缩作用,岩石内积蓄了一部分弹性变形能,当岩石内压力下降到一定程度时,弹性变形能释放,向爆源中心传播,使岩石质点回弹,径向拉应力使岩石产生环状裂隙,形成破裂区,剩余的能量用于岩石抛掷或释放在空气中。

1.3.2 轴向不耦合装药

炸药爆轰产生冲击波和爆生气体,由于间隔介质(空气或水)的存在,冲击波和高温高压气体对介质压缩并在介质中激起冲击波且在炮孔内不断反射,降低了冲击波压力峰值,缩小了压碎区范围。冲击波衰减为应力波,产生径向裂隙,二次和后续系列加载波的作用增加了裂隙扩展的时间,爆生气体及介质(空气或水)的静态压力进一步使缝隙扩展延伸[19-23]。

1.3.3 径向不耦合装药

炸药爆轰产生冲击波和爆生气体,由于径向耦合介质(空气或水)的存在,冲击波和爆生气体不直接作用于岩壁,而是先对耦合介质进行压缩,再由介质向岩石中传递爆炸能量,使冲击波峰值降低,孔壁能量分布更加均匀,压碎区减小,炮孔近区岩石裂纹减少。 冲击波的逐渐衰减,炮孔内产生径向裂隙,二次和后续系列加载波的作用增加了裂隙扩展的时间,最后由爆生气体和被压缩介质的静准态作用使裂隙进一步扩展延伸[24-26]。

2 装药结构爆破效果的影响因素

爆破工程中,为了改善爆破效果及减少爆破有害效应,通常会选择调整装药结构来实现。 对于耦合装药,一般通过调整孔网参数、炸药性能和堵塞质量等改善爆破效果,未从改变装药结构的角度进行调整。 对于不耦合装药,影响爆破效果的3 个重要参数为耦合介质的选择、耦合介质的位置及不耦合系数。

2.1 耦合介质

常规爆破中,水袋间隔材料相比空气柱间隔材料,孔外岩石的压应力更小,拉应力更大;有机合成材料聚苯乙烯泡沫作为耦合介质,与空气相比,爆破漏斗体积更大,飞石抛掷速度更小,能量利用率更高;通过水或空气径向不耦合装药对比初始孔壁压力和透射比能量,水作为耦合介质,初始孔壁压力较大,衰减慢,作用时间长,透射比能量大。 因此,水作为耦合介质的破岩效果更好,虽然产生振动较大,但是可另设减振措施来降低振动[27-30]。

光面爆破中,空气介质耦合装药形成较好的贯穿裂缝,主要贯穿裂缝在炮孔间的连心线,周边孔爆纹相对较少;水介质耦合装药,发展贯穿裂缝较多,且多数偏离炮孔间的连心线,炮孔周围裂纹较多。 光面爆破中选用空气作为耦合介质更加合适[31-32]。

预裂爆破中,自由面只有1 个,水作为耦合介质传递的爆炸能量更高,爆炸能量利用率更好,能更好地形成缓冲面。 但水量过多,预裂面的平整度差,半孔率较低,通过调整合适的水耦合装药系数能够达到理想的爆破效果[33]。

2.2 间隔介质的位置

轴向空气间隔装药时,从减振率、岩石损伤、爆破安全允许距离和块度分布上分析,相比上部、孔底空气间隔装药,中部空气间隔装药更加有优势[34-35]。 但也有其他学者通过现场爆破试验进行验证,从爆破效果、单耗、经济的角度分析表明孔底间隔装药更加理想[36]。

轴向水间隔装药时,从岩石内部应力衰减、振动速度、孔壁峰值压力分析,中部水柱间隔装药最为理想[37]。 由于不同空气层位置会产生不同的爆破效果, 应根据爆破目的选用最合适的装药结构[38]。

2.3 不耦合系数

不耦合系数的大小对爆破效果有着显著的影响。 不耦合系数增大,爆破效果明显改善,超过一定值后,爆破效果逐渐下降,整体呈现先上升再下降的趋势[39],存在最佳不耦合系数。 确定不耦合系数的方法一般为公式计算法和经验法。

常规爆破中,不耦合系数须满足2 个条件:初始孔壁冲击波压力小于岩石动态抗压强度,应力波和气楔共同作用的切向拉应力大于动态抗拉强度。根据这2 个条件计算出不耦合系数的范围。 若还有其他爆破要求,可开展针对性试验进一步缩小不耦合系数的范围[40-42]。

光面爆破中须确定最佳不耦合系数。 首先通过绝热方程求出孔壁压力,然后根据孔壁岩石不发生破坏和炮孔间连心线方向裂缝贯通2 个要求得出孔壁压力的区间,而孔壁压力与装药体积相关,装药体积和不耦合系数相关,进而得出不耦合系数的区间,最后将相关参数代入,确定合理不耦合系数的范围[43],进而确定出最佳不耦合系数。

在预裂爆破中,也可通过上述计算方法确定不耦合系数的范围,合理不耦合系数要考虑形成贯穿裂缝的3 个要求:孔壁不发生压力破坏,炮孔间连心线方向孔壁起裂,孔间裂缝贯通[44]。

3 装药技术的未来展望

近年来,国内对装药技术的研究虽然取得了一些成果,但是由于爆破机理相当复杂,影响爆破效果的因素很多,理论研究并不完善,缺乏全面、系统的研究和相应的理论分析,导致装药技术应用早于理论研究。 在实际工程中,通常依赖经验及类似工程的类比来设计爆破方案,造成爆破效果的不确定因素居多,阻碍了装药技术的发展。 因此,笔者认为,完善装药技术应该从这几点出发:

1)装药结构的爆破机理研究。 确定不同装药结构和组合式装药结构爆破后的各项指标,根据不同的爆破目的,对比各装药结构的差异性和优缺点,选取最合适的装药结构,以达到预期的爆破效果。

2)装药结构爆破效果的影响参数研究。 由于各层岩石性质不同,需对耦合介质、耦合介质的位置和最佳不耦合系数等参数展开深入研究,建立全面、系统的装药结构参数选择规范。

3)不耦合装药手段研究。 在现有装药方法的基础上,不断挖掘探索,寻求更加节约、方便、全面的装药方法和机械;利用先进设备如智能装药车等,将各装药参数输入计算机中,进行精确装药,既满足装药质量,又可降低工作强度,提高施工安全性。