非爆破破岩技术在矿山生产中的应用探索

刘金广

（开滦集团有限责任公司，河北 唐山 063000）

0 引 言

爆破在矿山施工中应用非常广泛，鉴于炸药使用有着便捷、高效、成本低廉等优势，目前爆破施工仍是矿山破岩的主要手段。但炸药和起爆器材多是易燃、易爆的危险物，在其加工、储存、运输、使用等任何一个环节中，稍有不慎就有可能发生爆炸事故，爆炸产生大量毒害气体、噪音、粉尘等，严重影响工作人员的身心健康。同时爆炸产生的高温高压使其在某些特殊环境下使用受限（如市政工程、瓦斯矿井等），因此一些非爆破破岩技术应运而生。非爆破破岩技术是相对爆破破岩技术而言，笼统讲就是不以炸药爆炸为主要手段的破岩技术，属于洁净爆破，主要有静态爆破、激光爆破等[1-4]。

几种常用非爆破破岩技术特点见表1。

1 静态爆破

静态爆破是常规炸药爆破的一种延伸，具有低振动、低冲击、低噪声、低粉尘等优点，在人们环境保护意识日益提高的今天，前景比较广阔。目前主要有静力爆破剂（膨胀剂） 法、岩石劈裂机（液压劈裂棒）、二氧化碳爆破（气体爆破） 等手段。

表1 非爆破破岩技术特点对比Table 1 Comparison of characteristics of non-blasting rock breaking technology

1.1 静力爆破剂

静力破碎剂主要由氧化钙和无机盐化合物组成粉剂，通过水化反应产生能量进行破岩。

1.1.1 作用原理

将静力破碎剂与水混合装入岩孔内，水化产生热膨胀使岩石出现裂缝、裂缝传播、裂缝扩大过程。一般而言可产生50 MPa 的膨胀压力，经过一段时间，便可以在无震动、无噪音、无飞石和无毒气情况下把混凝土和岩石破碎、切割。

1.1.2 特 点

一是破碎剂不属于危险物品，购置运输、使用中受限制较少；二是施工过程安全，不存在爆破高温、震动、冲击、毒害气体等，属于相对环保破岩手段；三是对施工人员操作技能要求低，相对安全；四是适用范围广，对空间地点要求低。

但静力破碎剂使用范围有一定的局限性，与炸药相比，能量小、破碎效果相对差，作用时间约3～12 h，时间较长，期间还需做必要的养护，防止低温影响破碎效果。

1.1.3 应用情况

1968 年日本大成建设技术研究所的田中秀男最早将CaO（MgO） 与水拌合后充填到炮孔中利用，对建筑物实施拆解。

国内20 世纪80 年代初也开始研制。资料显示，1996 年，有论文介绍了在隧道扩建过程中，采用液浸式快速静态破碎药卷破碎岩石的应用；2000 年，有文献介绍在软弱围岩隧道混凝土衬砌拆换施工中，采用静态破碎与微震弱爆相结合的方案拆除隧道原支护结构取得了良好的效果；2002年，有资料显示运用中国矿业大学生产的88-C 冬季型静态破碎剂拆除井壁外层混凝土的具体应用。随后，有大量文献介绍静力剂爆破在隧道施工、拆除煤矿设备基础、水库电站高压管道、井下开帮等静态爆破剂爆破成功案例。较近一次是2011 年，淄矿集团新河煤矿与山科大合作使用中国矿大爆破公司药卷型静力破碎剂在井下进行过掘进试验，效果良好。

1.2 二氧化碳爆破

二氧化碳爆破一般通过高压爆破管来完成，爆破深度不宜过深，通常2.5 m 以内、孔径60 mm 左右。高压管一端设有充放气阀，一端与起爆器连接，管内装有气体产生器。起爆后，二氧化碳气造成的冲击波往侧向爆发。

1.2.1 作用原理

通过相变完成破岩。高压管预先注入液态二氧化碳,置入工作面钻孔。高压管起爆头端接通引爆电流后引发反应，使液态二氧化碳迅速气化。一般毫秒级内体积膨胀可达600 多倍，管内压力剧增至270 MPa 以上，爆破端被打开迅速向外爆发，瞬间产生强大推力,使气体沿自然裂面（或预裂面） 冲开达到爆破效果。

1.2.2 特 点

一是不产生外泄火花；二是不产生破坏性震荡波及毒害气体等；三是不属于危险物品，受限制较少；四是比较适用瓦斯矿山，诱发突出几率低。

1.2.3 应用情况

液态二氧化碳19 世纪首先在石油与天然气工业使用，1981 年“纯液态二氧化碳压裂技术”首次应用于加拿大砂岩油藏。

煤矿20 世纪50 年代曾专门为高瓦斯矿井的采煤工作面研发二氧化碳破岩技术，淮北矿业集团公司通防处和英国CARDOX 公司的有关技术人员于2007 年在芦岭煤矿1083 工作面进行二氧化碳爆破实验，据资料显示，试验取得成功。由于其独有的特性，在处理煤仓卡眼、放顶煤工作面、天然焦等特殊地点有独特优势。

1.3 岩石劈裂机

随着工程需要和制造业的迅猛发展，出现了机械化程度更高，可控性更强的静爆超级岩石分裂机。机械化静态爆破施工技术是利用岩石抗压强度高、抗拉强度低的特点，以高压油为能量源，靠液压动力站的泵站输出高压油、经增压器机械放大，推动分裂棒内的油缸产生巨大动力，使劈裂棒液压顶向外胀裂岩石。瞬间可达几千吨超高压的分裂力，几分钟内轻而易举按预定方向分裂坚硬岩石，达到胀碎开挖目的。目前广泛应用各种土石方工程中，具有可操控性好、机械化程度高、安全性高等多方面的优点，被利用的越来越广泛[5-7]。

2 水压聚能爆破

水压爆破，属于炸药的清洁利用方式之一，通常用于基座、可容状构筑物等爆破拆除。

2.1 原 理

水压爆破一般将计算定量炸药置于满水的被爆体中，通过合理的设计起爆点位置、炸药爆炸瞬间水传播冲击波到被爆体使其位移，并产生反射作用形成二次加载，加剧破坏。其产生的空气冲击波、飞石及噪声等可有效控制，能量传播损失小，简便易行。

2.2 应用情况

通常现场施工一类是将药包置于有水钻孔中进行爆破，另一类主要应用于容器状构筑物或建筑物。

2.2.1 水桶爆破法

将起爆药包放置在被爆物体的表面，在药包的上面设置事先制作好充满水的“水桶”，引爆利用水作为背压介质进行爆破拆除的方法。这种方法是根据炸药接触爆炸使结构发生层裂和利用覆盖介质的背压及爆炸气体对结构的共同作用来破坏结构的，覆盖面的介质层可起到减弱或消除空气冲击波和爆破噪音对周围环境影响的作用。

2.2.2 水土围压爆破法

用于没有条件使用常规水压爆破或钻孔爆破薄壁体拆除，具体是将药包紧贴池壁内侧放置，池内充水土混合介质，起爆后拆除壁体。

2.2.3 微差水压爆破

合理设计爆破微差，当爆炸使周壁开始破裂、在冲击波产生的同时，爆炸产物形成带能量的气泡，气泡产生的膨胀和收缩的震荡运动，不断释放出一部分能量，形成二次冲击加载，壁面在二次加载下加速破坏。

2.2.4 在隧道掘进爆破中应用

隧道掘进爆破中，向炮孔注水，以水为媒介提高炸药能量利用率，同时减少炮烟和粉尘。目前隧道施工中被不断被推广[8]。

3 激光破岩

属于热力破岩，岩石热破碎是效率较高的破岩方式，实践表明高于传统机械、水射流等破岩方法。

3.1 原 理

利用强激光与岩石的相互作用，强大的热冲击可以使要钻入的岩石材料被击成碎片，其过程存在复杂的物理、化学变化。

3.2 应用情况

一些文献表明，石油行业已有人在研究激光三牙轮钻头替代传统钻头，研究者考虑其强大的热效应更利于岩石融化、优化井壁特性，尝试其是否可以达到免支护效果。

20 世纪60 年代美国有计划研究电子束、激光、水射流等破岩新方法，受当时技术限制，一度被认为不可行。1977 年，美国天然气工业协会联合军方和一些大学，使激光钻井的可行性得以证实。1998 年，美国研制出一台激光钻机，近年来，美国菲利普斯公司使用化学氧碘激光发生器进行了现场试验，实验结果表明，激光钻井10 h 的钻井进尺，需要常规钻井钻10 d 时间，现实意义巨大[9-10]。

4 结 语

非爆破破岩技术目前应用范围有限，相比爆破法存在成本高、效率低等不足，但这类爆破技术普遍存在着震动小、安全性高、环境污染小的优点，为生产破岩提供了更多的选择，符合破岩技术多元发展的方向，符合新时代协调、绿色、持续发展理念，解决了特殊条件下、作业方式受限情况下爆破作业，其良好的可控性也为智能化破岩的实现提供了更多契机。