绿色爆破的爆炸能量转化机制

2022-08-08周桂松钟冬望

金属矿山 2022年7期

周桂松钟冬望

(1.武汉科技大学理学院,湖北武汉430081;2.中国葛洲坝集团易普力股份有限公司,重庆 401121)

民爆行业被称为“能源工业的能源，基础工业的基础”，钻孔爆破作为一种经济、高效的破岩手段，被广泛应用于水利、电力、交通等建设工程岩石开挖和矿产资源开采、城市建(构)筑物拆除等工程项目。随着社会环保意识不断增强与“30·60”双碳发展战略的实施，对钻孔爆破技术发展提出了更高要求，实现破岩过程的清洁高效是响应国家建设节能环保型社会，实现经济可持续发展的必然要求[1]，绿色爆破已经成为当前钻孔爆破技术发展的新趋势。

所谓“绿色爆破”，不仅体现在减少炸药爆炸后有毒有害气体产生、降低爆破振动对附近建(构)筑物的影响、控制空气冲击波和爆破飞石等安全危害、减轻爆破粉尘对周边环境的污染、减少施工作业和爆破噪音对居民干扰等诸多方面，还体现在尽量将炸药爆炸能量转化为有用的破岩能量，有利于实现最佳破岩效果，同时通过节约爆炸能源，还有利于促进企业经济效益提升和行业可持续发展。因此，绿色爆破具有非常丰富的内涵，也有无尘爆破、清洁爆破、精益爆破、安全爆破、节能爆破等多重含意，是一项具有很强时代感的系统工程。实现绿色爆破，根本上是要实现对爆炸能量的有效控制，本质上是要提高爆炸的能量利用率。因此，推动绿色爆破的发展，首先要建立绿色爆破的理论支撑，即:深入探索爆炸能量的绿色转化机理，弄清爆破能量转化的影响因素及其相互联系，探究绿色爆破的主要实现路径及其条件。

相关研究表明[2-4]，炸药在起爆时，随着爆轰波传播，产生剧烈的化学变化，生成高温高压气体，巨大的爆轰压力作用在炮孔壁上，形成爆炸冲击波，炮孔周围岩石在爆炸冲击波的作用下被剧烈压坏和破碎，并在随后的爆生气体的驱动下分离和开裂至完全破碎。爆破从炸药爆轰开始，到冲击波作用下岩体粉碎与断裂，再到爆生气体作用下的岩体破裂与抛掷，最后到地震波与空气冲击波的传播，是一个非常复杂的热—力耦合过程。理论上，炸药爆炸中约有50%的能量是可以利用的，但实际工程中，炸药破碎岩石的能量利用率仅占炸药总能量的20%～30%，其余的大部分能量则转化为无用甚至有害的作用，如爆破地震、空气冲击波、噪声、过粉碎、爆炸飞石等，这表明爆炸能量利用率还有很大的提升空间[5-7]。

国内外爆破理论工作者最初提出了克服岩石重力和摩擦力的破坏假说，此后又相继提出了最小抵抗线与自由面原理，爆破中的流体力学理论，拉应力、压应力、剪应力的最大强度理论，应力波、冲击波作用理论，反射波的拉伸作用理论，爆生气体产生膨胀推力作用原理，爆生气体准静楔压作用原理，爆轰产生应力波与爆生气体共同作用破坏原理，能量强度、功能平衡理论，爆破漏斗理论和爆破断裂力学理论。近年来，业内学者又针对岩石爆破中爆炸能量的释放与传输，完善了爆破破坏分区理论，提出了岩石与炸药的波阻抗匹配、全过程匹配和能量匹配等观点[8-10]。综合来看，应力波作用与爆生气体作用是爆炸能量转化的两种基本方式，但以往关于爆炸机理的研究主要侧重在应用波作用方面，也就是主要以岩体为研究对象，主要用于解释岩石动力学破坏问题，通常在解决先期破岩问题时很有效，但难以从爆破全过程弄清爆炸能量的分布特性与演化规律。因此，构建完善的绿色爆破理论体系，需要充分重视爆生气体作用，而爆生气体作用的理论基础是热力学，该理论研究主要以炸药爆炸后形成的高温高压爆生气体为例，用来解释爆炸全过程的能量转化分配，虽然有学者对此进行了一些探索，但研究还不够深入系统。

本研究主要基于热力学理论，揭示了爆生气体作用下的爆炸能量转化机理，探究了爆生气体所携带内热能转化做功的阶段、条件、路径、代价和影响因素，初步建立了绿色爆炸能量转化新机制，可为提高爆炸能量利用的效率和控制爆炸能量的不利效应，推动我国绿色爆破的发展提供基本的理论支撑。

1 基于热力学理论的绿色爆破能量转化模型

1.1 爆炸能量转化过程描述

炸药爆炸破岩过程可分为两个大的阶段:先期阶段属于典型的动力学过程，岩体在冲力波作用下形成初始裂纹，并以应力波方式在岩体中传播，最后以弹性波方式传播到环境中去，一般认为这个阶段冲击能的消耗通常占爆炸能量的5%～15%[11-12];后续爆生气体作用阶段属于准静力学过程，该阶段完成绝大部分能量转化，剩余爆炸能量则通过空气冲击波等方式散失掉了。这两类破岩过程构成了爆炸能量的第1次分配。

爆生气体作用过程可以视为热力学的闭口系统来研究，其能量转化有两种驱动形式:一是温差驱动的传热，主要体现为“气—岩”界面的热传导及孔壁热熔岩层内的强制热对流两种方式，形成部分爆生气体内热能损失，这对破岩过程没有任何贡献，相反会带来不利的影响，通常这部分能量损失要占到10%～20%;二是压差驱动的做功，这是我们所希望的能量转化方向，但是热能转化为机械能是有代价的，根据热力学第二定律，热不可能100%无条件地转化为功，爆生气体内热能所能转化的最大可用功(也称火用、做功能力)是在绝热等熵条件下完成的，永远不可能大于100%，还有一部分以伴生热量的方式耗散掉了，这部分功的耗散(也称火無、做功能力损失)是做功必须要付出的代价。这两种能量驱动形式既相对独立，又互相联系，进一步构成爆炸能量的第2次分配。

爆生气体最大可用功只是理论可用于破岩的最大能量，实际上还需要经过以下过程实现最终破岩:首先在爆生气体对岩体的压塑破坏作用下，形成岩体粉碎圈(爆炸近区);其次在爆生气体的张拉作用下形成“气楔作用”将岩体分割贯通，胀裂岩体形成破碎圈(爆炸中区);最后爆生气体将剩余能量转化为岩体的宏观动能与位能，通过鼓胀、抬拉、抛掷、摩擦、弯剪、压挤等复杂撞击作用与二次堆积作用，形成岩体抛掷圈(爆炸远区)。这3次做功破岩在时间上密切联系、在空间上相互衔接，每次做功破岩的作用不同、价值不同、影响因素不同，但都对破岩效果起着直接影响。需要说明的是，除了这3次与破岩相关的做功，整个过程中爆生气体还要克服环境压力而被动做功，这种相伴生的做功对破岩没有实用价值，但在爆炸能量转化中须予以同步考虑。上述4种做功过程最终构成爆炸能量的第3次分配。

1.2 爆炸能量转化过程物理力学模型

从上述爆炸能量的3次分配过程可以看出，炸药爆炸破岩是一个非常复杂的过程，但是通过不同能量驱动性质和能量释放阶段可以定量化确定能量分布结构，从而将复杂问题转化为简单问题，弄清爆炸能量转化的内在规律，可为分析爆炸能量转化效率奠定基础，具体模型如图1所示。

图1 爆炸能量转化机理示意Fig.1 Schematic of explosion energy conversion mechanism

通过分析上述3次能量分配的爆炸能量转化机理可知，破岩做功的总源头来自炸药爆炸，这是由化学能转化为“动力学能”和“热力学能”的过程，该过程具有高速、高温、高压的“三高”特征。高速与高压转化为动力学能，高温与高压转化为热力学能，两者相辅相成:前者体现为动力学特征，具有强先导性，取决破岩“能否”的问题;后者体现为静力学特征，具有可持续性，决定破岩“多少”的问题。

第1次爆炸能量分配是动静之分，决定有效破岩能量利用率水平的关键在于爆生气体释放的总能(-ΔU)，爆生气体总能(-ΔU)大小主要取决于炸药的爆热(Qv)和爆炸应力波损失(η1·Qv)，即:

式中，U为热力学能(也称内热能)，kJ;T为热力学温度，K;Cv为定容比热容，kJ/(kg·K);Qv为爆热，kJ/kg;η1为应力波能损失系数。

第2次爆炸能量分配主要决定爆生气体内热能所能转化的最大可用功(也称火用，Ex)，火用(Ex)的大小除了取决于爆生气体总能(-ΔU)外，还取决于传热造成的能量损失(Q)和做功伴随的无功能量耗散(∏)，即:

式中，Q为传热量损失，kJ;∏为无功能量耗散(火無)，kJ。

对于爆生气体向岩体的传热损失，以往认为做功时间短而忽略不予考虑[13]。这种情况在“气楔作用”形成破碎圈时，由于胀裂作用时间短、换热面积小，是可以忽略不计的，但是以下两种情况是难以回避的:一是在粉碎圈，虽然岩体自身导热速度相对较慢，但爆生气体与岩体之间温差通常约2 000 ℃，而且岩石的熔点或软化点通常约1 000 ℃，在高温高压下岩体快速液化，形成强烈的热传导、热对流等换热效应，其热损失速率将提高成百上千倍，因此热损失在粉碎圈必须予以考虑;二是在抛掷圈，随着爆生气体将岩体分割成块，岩体的比表面积快速增加，岩体的导热速率也随之增加，而且随着爆生气体的“泄漏效应”增加，含有大量余热的泄漏气体也会带来大量的热量损失，因此在抛掷圈的热损失也必须予以考虑。

粉碎圈的热损失(Q1)主要与换热面积(Ah)、换热温差(ΔT)和岩体相关的热对流系数(φ1)呈正相关;抛掷圈的热损失(Q2)主要与换热面积(Ah)、换热温差(ΔT)和爆破设计科学性相关的热损失系数(φ2)呈正相关。计算公式为:

式中，-ΔU为爆生气体总能，kJ;η2为热损失系数;τ1和τ2为时间，s;ΔT为爆生气体平均温度与环境温度之间的温差，K。

对于爆生气体破岩伴随的能量耗散，为便于分析，将不可逆的爆炸应力波能量损失与传热能量损失进行预先剔除，这样剩余爆炸能量的转化可视为可逆过程，这时爆生气体的做功效率最高，也就是无功耗散能量最小，其做功效率主要取决于爆生气体温度(T)高于环境温度(T0)的水平，相应地可以计算无功能量耗散(∏)。

对于破碎圈:

对于抛掷圈:

对于整个破岩过程，无功能量耗散等于3个阶段累计之和:

通过以上计算可得出爆生气体的最大可用功，也就是可用于破岩的最大能量，用于爆炸能量的第3次分配。爆炸能量的做功转化能力可用下式表征:

2 台阶爆破爆炸能量转化效率

2.1 粉碎圈(爆破近区)的能量转化效率

从爆生气体能量转化P—V图(图2)可以看出，在粉碎圈爆生气体释放的单位总内能(EG1)可进行如下计算[14]:

式中，Qv为爆热，kJ/kg;Wy为应力波能损失;Q为传热量损失，kJ;П为无功能量耗散(火無)，kJ。

在爆生气体能量转化P—V图(图2)中，气体总能曲线与横轴包围的面积表示除了应力波能之外最大可转化的能量，既爆生气体在与外界没有任何热量交换损失与熵增损失的情况下，进行绝热等熵做功的情形;传热损失曲线与横轴包围的面积表示除了热交换损失(Q)之后最大可转化的能量;最大做功曲线与横轴包围的面积表示除了热交换损失(Q)与无功耗散(Π)之后，用于有效做功破岩和克服环境做功的最大能量。

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图2 爆生气体能量转化P—V图Fig.2 P—V diagram of explosive gas energy conversion

式中，ΔT1为粉碎圈爆生气体的温度落差，K;Tm为爆生气体在粉碎圈的初始温度(即爆温)，K;Tc为爆生气体在粉碎圈的终了温度，K;Cv为爆生气体的定容比热容，kJ/kg。该过程做功损失(ELI)包括传热过程所带来的能量损失(Q)、爆生气体做功过程伴随的无功能量耗散(Π)、爆生气体克服环境(大气)压力做功，公式为

式中，P0为环境压力，kPa;vb为爆生气体在炮孔内的比体积，m3/kg;vc为爆生气体在粉碎圈的比体积，m3/kg。

爆生气体在粉碎圈的实际破岩功耗为

粉碎圈的做功效率为

可见，只要求出Tm、Tc两个终态的参数，就可以求出粉碎圈消耗的总内能(EG)、总功(W1)、总做功损失(WL1)、总粉碎圈总体做功效率(ζ1)等重要的爆炸能量参数。

炸药爆轰波在化学反应区终了时，C—J面上的压力称为爆轰压力(PD)，也称C—J压力，与炸药装药密度成正比，与爆速的平方成正比。但爆轰压力包含动压力，不能直接作为爆生气体的爆炸压力，只有当爆生气体在炸药初始体积内达到热平衡后的流体静压才可以作为爆生气体的初始爆炸压力(Pm)，也就是潜在做功的最大爆炸压力。

由于在爆生气体温度高于岩体熔点(Tr)时，将形成快速的热对流耗散效应，因此对于等熵曲线初始状态参数，可假设Tb=Tr，根据克拉贝龙方程与等熵膨胀过程公式可求出终态Tc的大小[15]:

式中，p为理想气体的压强，Pa;v为理想气体的体积，m3;R为通用气体常数，8.3145 J/(mol·K);n为摩尔常数，mol;pb、pc分别为粉碎圈初态与终态的爆生气体绝对压力，kPa;v0、vc分别为粉碎圈初态与终态的爆生气体比体积，m3/kg;Tb、Tc分别为粉碎圈初态与终态的爆生气体温度，K;k为比热容比;Cv为定容比热容，KJ/kg;Cp为定压比热容，kJ/kg;C为常数。

综上，根据初终态的温度，可以计算出炸药爆炸在粉碎圈消耗的总能量，以及实际破碎功和做功效率。

2.2 破碎圈(爆破中区)的能量转化效率

破碎圈和粉碎圈不同，由于“气楔作用”胀裂作用时间短、换热面积小，传热损失可以忽略不计，因此爆生气体释放的总内能(EG2)为以下3个能量消耗过程的耦合:①爆生气体做功过程伴随的无功能量耗散(Π);②爆生气体等熵做功实际破岩的破碎功(W2);③爆生气体克服环境大气压力所做的功。其中，①+③即为做功损失(EL2)。相关计算公式为

式中，vd为破碎圈终态的爆生气体比体积，m3/kg;Tt为爆生气体在破碎圈的终态温度，K。

可见，只要求出Tc、Tt等状态参数，就可以求出破碎圈消耗的总内能(EG2)、总功(W2)、总做功损失(WL2)、总粉碎圈总体做功效率(ζ2)等重要的爆炸能量参数。破碎圈初态的状态参数也就是粉碎圈终态的状态参数，而欲求破碎圈终态的状态参数，同样参照克拉贝龙状态方程(式(13))、等熵膨胀过程公式(式(14))，将P0(环境大气压力)、T0(环境温度)等已知参数代入，将无功热耗散(Π)而导致温度降低后的中间温度(T′)视为等熵过程的起始温度，这样就可以求出终态的各参数。公式为

根据式(16)可以求出破碎圈终态的温度，进而可求出炸药爆炸在破碎圈消耗的总能量，以及实际的破碎功(W2)和做功效率(ζ2)。

2.3 抛掷圈(爆破远区)的能量转化效率

在爆炸远区，爆炸能量转化过程最有价值，但也最为复杂。转换过程伴随着鼓胀、抬拉、抛掷、摩擦、弯剪、压挤等复杂撞击作用，进而完成岩体的二次破坏与爆堆成形。而爆生气体与岩体的热交换过程也更为复杂，热交换速率随着破碎岩块表面积增加呈非线性变化;同时，受爆生气体泄漏效应、群炮孔作用效应及爆破延时效应等因素影响，难以通过理论定量计算抛掷圈的总体做功效率，必须辅助试验手段确定。对于爆炸远区爆生气体释放的总内能(EG3)，可以根据上述结果进行定量测算。公式为

3 绿色爆破的实现路径

绿色爆破的本质是提高爆炸能量利用水平，也就是要最大程度地提高爆炸能量的价值水平，尽量增加与破岩效果相关的有用功，减少有害功、无效功、热损耗和能量的散失。

3.1 绿色爆破衡量指标设计

由上述爆炸能量的3次转化理论分析可知，爆炸能量最终主要转化为破岩做功、热交换损失、气体泄漏损失和动力学能损失4种形式。从爆生气体的破岩做功价值来看，可以分为有用功、有害功、无效功3种做功类型:有用功是达到理想破岩效果的功，这是爆破所期望的;有害功是与理想破岩相背离的功，如过粉碎，是爆破所不期望的;无效功是做功过程中通过岩体间摩擦造成的能量再次耗散，通常取决于岩体自身可爆性，爆破本身难以避免，研究中可不予考虑。

具体到3个分区，粉碎区释放的爆炸能量整体上可作为有害功;破碎区爆生气体的膨胀做功可以作为有用功;在抛掷区能量转化比较复杂，但破岩影响区域大且直接影响最终的破岩效果，可将总体能量作为有益的破岩能量，实践中通过优化钻爆参数与延时设计来优化这部分爆炸能量分布。因此爆炸能量综合利用率可采用下式表征:

3.2 实现路径

从提高爆炸能量利用角度推进绿色爆破，当前还是全新的研究方向，具有很强的系统性、理论性、创新性与实践性，既需要深入开展理论研究和试验研究工作，也需要大量工程实践与创新的支撑。本研究绿色爆破实现路径仅做初步探讨:

(1)W1区通常做功消耗能量比例很大，有效破岩体积占比却很小，而且这种能量不均衡分布造成的过粉碎会带来大量的爆破粉尘危害。因此W1区做功价值并不高，应该采取“能量消峰”或“能量缓存”方式，尽量减少能量过消耗与岩体过破碎，为后续破岩赋能，并从源头上减轻粉尘危害。具体实现路径为:①采取降低炮孔爆炸压力的措施减少过粉碎;②采取降低爆炸气体温度的措施减少传热量散失;③采取介质储能新措施为后续做功积蓄破岩能量。

(2)W2区是充分发挥爆生气体“气楔”作用的区域，有利于岩体充分解体破碎，属于有用功，这部分做功应尽量加强。具体实现路径为:①通过减少温度衰变速率的方式增强保持爆生气体压力的能力;②从源头上采取增加爆生气体量的措施，以增强“气楔”的持续做功能力;③采取精准化的毫秒延时爆破方式，既有效增加岩体的碎胀空间，又有效防止爆生气体的过早泄漏。

(3)W3区是爆生气体能量转化为岩体位能与动能的区域，虽然岩体的复杂撞击作用有利于岩体的二次充分破碎，但也容易造成爆破飞石、粉尘等危害效应，所以该区域的做功有利有弊，尽管存在有用功，也存在有害功，需要采取精准化的控制措施。具体实现路径为:①精准化控制装药量大小和结构分布;②科学设计毫秒延时，尽量实现松动爆破;③减少爆生气体的泄漏损失，控制飞石与粉尘危害。