水耦合裝藥爆破的研究現狀與發展

張 濤

水耦合裝藥爆破是近代國內外發展起來的一種控制爆破法,它既能有效地控制爆破飛石、空氣沖擊波,又能有效地控制爆破震動和爆生有毒氣體的產生。隨著高威力抗水炸藥（如水膠炸藥、乳化炸藥等）的廣泛應用，炮孔水耦合裝藥爆破在各種工程中的爆破應用技術將逐漸發展起來。如南非的杜威哈露天煤礦覆蓋巖層剝離爆破、日本在隧道開挖掘進中的爆破，以及曾在露天礦做過應用試驗的前蘇聯哈薩克工業學院[1-3]。Isakov博士等[4]提出緊貼炮孔壁放置一個與孔深一樣長的軸向刻槽的固體殼(帶切縫)的裝藥方式，優先破裂預想方向的巖石。國內對水耦合裝藥爆破技術也進行了相應的研究和應用，如在基坑開挖溝槽中應用、在露天深孔爆破中應用、在井巷掘進與開采中應用、在邊坡預裂爆破中應用等，同時也取得了比較理想的爆破效果[5-7]；如對水耦合裝藥爆破機理和爆破效能進行過研究的山東科技大學、中南工業大學等科研院所[2,8]；如在礦石開采中最大限度地提高貴重金屬、鋁土等的大塊率,改善爆破塊度，取得較高經濟效益的山東冶金公司和北京科技大學等單位[9]。如安徽理工大學采用實驗室模型試驗和現場工業試驗對水耦合裝藥爆破在井巷掘進掏槽和光面爆破中的應用進行了研究,得出提高了炮眼利用率,改善了周邊成型的結論[10]。

一、水耦合裝藥理論研究

在水耦合裝藥結構爆破特點的基礎上，明鋒等人[11]采用爆破動力學原理，彈性理論和波動理論等推導了在正入射情況下炮孔壁上的沖擊壓力、應力波衰減規律。為了進一步了解水耦合裝藥爆破下巖石的爆破破壞過程，采用數值模擬的方法對工程實例進行了相應的模擬分析，并把得出的爆破參數進行了現場試驗。得出水耦合裝藥爆破作用不僅促進了炮孔底部巖石破碎，而且改善了施工環境、加快了施工進度，從而達到安全增效、降耗的目的。王偉等人[12]從理論上研究了在耦合與不耦合裝藥爆破作用下，距爆源相同距離處巖石中沖擊波的參數。得出如下結論：a.耦合裝藥爆破時形成的爆炸沖擊波壓力超過巖石抗壓強度極限幾十倍以上，所以藥包周圍巖石形成粉碎區；b.與耦合裝藥爆破相比，不耦合裝藥爆破可以降低孔壁處巖石中沖擊波初始壓力，但可以增加孔壁后巖石中的沖擊波壓力。合理的不耦合系數，可使巖石不形成粉碎區，大幅度減少能量耗散；c.水一般認為是非線性彈性介質，因此水介質成為炸藥爆轟產物與巖石間的彈性緩沖層，增加了能量傳遞，延長了沖擊波作用時間，加大了爆炸的作用范圍。顏事龍等人[13]根據爆轟動力學和彈性波理論，分析推算出水耦合裝藥爆破炮孔周圍巖石中粉碎區和裂隙區半徑，并用工程計算實例和ANSYS/LS－DYNA數值模擬軟件分析裝藥不耦合系數對巖石破壞范圍的影響。在水耦合裝藥爆破作用下，鄭文豫等人[14]利用初步分析得出炮孔壁上的初始透射壓力和爆炸荷載作用下巖石內的動態應力分布的結論的基礎上，推算出炮孔周圍巖石中粉碎區半徑；在計算裂隙區范圍時，引入損傷變量，采用巖石損傷起裂判據計算裂隙區范圍，并用工程實例計算說明其合理性。羅云滾等人[15]根據爆炸相似律和水中沖擊波的基本方程探討了炮孔水耦合裝藥爆破炮孔壁壓力，并對爆炸載荷作用下巖石的動態應力場也進行了研究，據此從理論上求出了炮孔水耦合裝藥爆破時裂隙區半徑、粉碎區半徑和光面爆破或其它成型控制爆破的最佳裝藥不耦合系數；并通過工程實踐對其理論進行驗證。宗琦等人[16,17]初步探討了水耦合裝藥爆破爆炸沖擊波的形成和傳播，并對沖擊波的初始參數和炮孔壁處沖擊波參數進行了計算；同時在彈性理論和波動理論的基礎上推導出了正入射情況下炮孔壁上的沖擊壓力，并與相同條件下空氣不耦合裝藥爆破時的孔壁壓力進行了比較，得出炮孔水耦合裝藥爆破比空氣不耦合裝藥爆破更能提高爆炸能量利用率，增強破巖能力。

從水耦合裝藥爆破上述特點可以看出，它的工程應用是非常廣泛的，研究的價值是得到肯定的。上述文獻從理論分析和對比等角度對水耦合裝藥爆破進行研究分析，得出在孔壁周圍壓力增大，爆炸能量利用率高，增強破巖能力強，從而為水耦合裝藥爆破的應用奠定了一定的理論基礎。

二、水耦合裝藥爆破試驗研究

宗琦和羅強[3]采用水泥砂漿對空氣耦合和水耦合裝藥結構進行試驗研究，得出水耦合裝藥爆破比空氣不耦合裝藥爆破爆炸壓力峰值高、作用時間長，即表明水耦合裝藥爆破的爆破作用強度大、能量利用率高。并通過試驗的方法對其進行研究，得出不耦合裝藥爆破能夠明顯降低炮孔孔壁周圍介質中的壓應力,且隨著不耦合系數增大,壓力降低越顯著。武漢巖土力學研究所的陳靜曦[18]研究了應力波對巖石斷裂的相關因素分析：a.空氣耦合條件下應力峰值比水耦合條件下要大;b.空氣耦合條件下應力峰值上升時間比水耦合條件下要短;c.空氣耦合條件下應力峰值的持續時間比水耦合條件下短,且基本上屬于脈沖信號。得出應力峰值上升的時間影響裂紋擴展的長短。當加載應力峰值上升較快時,易產生幾條短裂紋。反之,則產生少且較長尺寸的裂紋,并且洞壁完整。梁為民等人[19]為研究煤體微差爆破致裂提高煤體瓦斯抽放效率，采用模擬試驗方法以導爆管長度精確控制微差時間，完成了單孔和三孔試件相似模擬爆破試驗。單孔爆破試驗結果表明：復合型切縫藥包水介質耦合裝藥是最佳裝藥結構；不同微差間隔三孔爆破試驗結果表明：合理微差間隔爆破可以形成確定方向裂縫并在其他方向形成一定的微裂紋。劉永勝等人[20]在分析空氣耦合介質切縫藥包裝藥結構的基礎上，結合含水炮孔爆破技術的成果，提出了一種新的水耦合切縫藥包裝藥結構。在試驗室進行了相應的試驗研究，并用動態測試應變儀測試了爆破荷載作用下巖石的動態應變值，并優化出該裝藥結構PVC管的最佳縫寬為4 mm。在射流理論的基礎上，對該裝藥結構作用下巖石的開裂機理進行了探討。陳士海[2]采用配比為水泥：沙子：石子=1：2：2.5混凝土模型試驗詳細介紹了水壓爆破的裝藥結構，建立了水壓爆破孔內應力大小的數學模型，計算了單孔裝藥量，并在現場進行了具體應用，取得了良好的經濟效益。謝木柵[21]分析了孔底水耦合裝藥對爆破效果的改善和實踐方法，得出了水耦合能提高爆炸能量利用率，改善爆破效果的結論。

從水耦合裝藥爆破試驗研究現有成果可以看出，水耦合裝藥爆破在炮孔壁上爆炸壓力和作用時間得出明顯的提高和加長，即表明水耦合裝藥爆破作用強度大、能量利用率高。從而為水耦合裝藥爆破的現場應用奠定了一定的試驗基礎。

三、水耦合裝藥爆破現場應用

王作強等人[22]通過某露天山坡礦采用水耦合裝藥爆破技術試驗與常規爆破對比試驗分析，提出利用水耦合爆破可以改善露天深孔爆破效果、提高原礦大塊合格率和降低炸藥單耗,達到安全增效、降耗的目的。朱禮臣等人[5,23]在山東省臨沂市引水管道工程溝槽開挖中，選用潛孔鉆機鉆孔，深孔水耦合裝藥爆破等方法進行施工，取得較好的效果。明鋒等人[11]在西氣東輸二線管道工程廣州－深圳支干線東江水下隧道工程位于惠市博羅縣境內，隧道穿越東江段采用水耦合裝藥爆破，得到較好的爆破效果，爆破現場試驗炮孔布置示意圖見圖1。趙華兵等人[24]在某立井掘進爆破過程采用水耦合裝藥爆破進行試驗研究，得出隨著不耦合系數的增大，水耦合裝藥爆破炮孔壁初始壓力下降速度變慢，即得出水耦合裝藥爆破在爆炸能量利用率和巖石的破壞作用得到了提高和增強。

圖1 炮孔布置示意圖[11]

從水耦合裝藥爆破研究現有成果可以看出，水耦合裝藥爆破不但能夠提高爆炸能量利用率，增強巖石的破壞作用，而且能夠提高原礦大塊合格率和降低炸藥單耗，從而達到安全增效、降耗的目的。

四、結論

雖然近年來國內外對水耦合裝藥爆破的研究取得了一些成果，使其在工程應用領域得到廣泛的應用，得到了研究工作者肯定，但因其爆炸作用機理比較復雜，仍有很多問題值得我們去研究。下面是水耦合裝藥爆破現有成果得出的結論和將來的研究方向提出幾點建議：

⑴從其理論研究上得出水耦合裝藥爆破在孔壁周圍壓力增大，爆炸能量利用率高，增強破巖能力強；

⑵從其試驗研究上得出水耦合裝藥爆破作用強度大、能量利用率高；

⑶從其現場應用研究上得出水耦合裝藥爆破不但在爆炸能量利用率和破碎巖石上得到明顯提高和增強，而且能夠提高原礦大塊合格率和降低炸藥單耗，從而達到安全增效、降耗的目的。

五、建議

⑴水耦合裝藥爆破應用于混合材料的研究。目前混合材料廣泛應用給水耦合裝藥爆破提出了一定的要求，混合材料具有固有的力學性質，使得在爆炸載荷作用下的爆炸應力場發生一定的變化，力的傳播路徑也受到較大的影響，作用機理相當復雜，目前這方面的理論及試驗研究較少，需要進一步研究。

⑵在數值模擬方面，無網格法在涉及網格畸變、網格移動等問題中它比有限元有明顯的優勢，更有利于模擬水耦合裝藥爆破的爆炸作用過程。目前這方面數值模擬研究方面較少，需要進一步研究。

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