水介質(zhì)換能爆破技術(shù)

秦健飛，秦如霞

(中國(guó)水電八局，湖南長(zhǎng)沙 410004)

水介質(zhì)換能爆破技術(shù)

秦健飛，秦如霞

(中國(guó)水電八局，湖南長(zhǎng)沙 410004)

自從炸藥用于工程爆破以來(lái)，炸藥爆炸的能量有效利用率一直維持在一個(gè)較低的水平。如何提高炸藥能量的有效利用率、降低爆破危害、降低爆破作業(yè)施工成本成為工程爆破科技工作者孜孜追求的目標(biāo)。從爆破熱力學(xué)和物質(zhì)化學(xué)的理念出發(fā)，提出水介質(zhì)換能爆破新技術(shù)，該技術(shù)能夠較大幅度地提高炸藥能量的有效利用率、降低爆破危害、降低爆破成本。

爆炸熱力學(xué)系統(tǒng)；水介質(zhì)換能爆破技術(shù)；最優(yōu)值M；爆破水柱裝置

0 前 言

水介質(zhì)換能爆破技術(shù)從炸藥爆炸的熱力學(xué)、化學(xué)機(jī)理出發(fā)，提出簡(jiǎn)單便捷的技術(shù)解決方法，能夠較大幅度提高炸藥能量的有效利用率、減小炸藥爆炸的危害作用，并且實(shí)施方法簡(jiǎn)單易行，與現(xiàn)行的各種炸藥爆破作業(yè)施工工藝沒(méi)有多大差異，但效果更好，在相同爆破介質(zhì)的條件下減少炸藥單耗20%～30%，爆破振動(dòng)減小 20%～30%，爆破煙塵降低40%～90%，爆破介質(zhì)破碎粒度與普通爆破相比較為均勻、大塊率降低、基本無(wú)爆破飛石，個(gè)別飛石可控制在20.0 m以內(nèi)且爆堆集中方便挖裝和運(yùn)輸作業(yè)，故成本下降20%～25%。因此施工單位容易接受，便于在全國(guó)水利水電、礦山、公路、鐵路各種爆破行業(yè)普遍推廣應(yīng)用。水介質(zhì)換能爆破技術(shù)既可以用于各種孔徑的鉆孔爆破(淺孔、深孔、洞挖、明挖)，也可以用于藥室爆破；既可以用于水上爆破也可以用于水下爆破，還可以在各種各樣的拆除爆破中應(yīng)用，以降低爆破振動(dòng)危害和減少爆破飛石和爆破煙塵，應(yīng)用范圍極為廣泛。

1 水介質(zhì)換能爆破機(jī)理

1.1 有水炮孔的爆破現(xiàn)象

在觀察分析在地下水位比較高的有水炮孔爆破時(shí)“其爆破聲響(爆破噪音)、爆破揚(yáng)塵、爆破振動(dòng)、爆破飛石都比較小”的現(xiàn)象后發(fā)現(xiàn)，在“爆炸熱力學(xué)系統(tǒng)”中，由于水介質(zhì)的存在可以緩解炸藥的爆炸危害。

1.2 爆炸熱力學(xué)系統(tǒng)

為了從熱力學(xué)、化學(xué)的角度來(lái)研究水介質(zhì)換能爆破技術(shù)的機(jī)理，引入“爆炸熱力學(xué)系統(tǒng)”這個(gè)新概念。所謂“爆炸熱力學(xué)系統(tǒng)”是指爆破作業(yè)中需要使用炸藥對(duì)巖石、混凝土等介質(zhì)進(jìn)行破碎時(shí)在介質(zhì)中人為造成一定的裝藥腔后埋設(shè)炸藥及起爆系統(tǒng)并堵塞封閉的整個(gè)爆破體系稱之為“爆炸熱力學(xué)系統(tǒng)”。

在沒(méi)有水介質(zhì)參與的情況下，當(dāng)引爆“爆炸熱力學(xué)系統(tǒng)”后，炸藥爆炸瞬時(shí)生成的高溫高壓爆生物質(zhì)將對(duì)爆破介質(zhì)產(chǎn)生擠壓破碎并且伴生爆破地震波、空氣沖擊波、光、聲、爆破飛石等危害效應(yīng)。

在有水介質(zhì)參與的情況下，當(dāng)引爆“爆炸熱力學(xué)系統(tǒng)”后，水介質(zhì)將參與炸藥爆炸的化學(xué)反應(yīng)，共同生成新的物質(zhì)并主要以急劇膨脹的方式擠壓、破碎爆破介質(zhì)，同時(shí)爆破危害作用也得到最大程度的緩解、削弱。

1.3 水介質(zhì)換能爆破機(jī)理

炸藥爆炸是一種瞬時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，這一化學(xué)反應(yīng)生成新的物質(zhì)并在極短時(shí)間內(nèi)釋放大量的能。由于炸藥爆炸是瞬時(shí)發(fā)生，“爆炸熱力學(xué)系統(tǒng)”來(lái)不及和爆破介質(zhì)發(fā)生熱交換，因此可以把“爆炸熱力學(xué)系統(tǒng)”當(dāng)作絕熱系統(tǒng)看待。

這樣從熱力學(xué)角度分析可知，如果在“爆炸熱力學(xué)系統(tǒng)”中加入一定量的水，按照熱力學(xué)定律和物質(zhì)不滅定律(質(zhì)量守恒定律)，炸藥爆炸所釋放的能將轉(zhuǎn)換為水的內(nèi)能，水在常壓狀態(tài)下當(dāng)溫度達(dá)到2000℃時(shí)開(kāi)始分解為氫和氧，積蓄了炸藥爆炸能的水和炸藥共生的爆生氣態(tài)物質(zhì)在炸藥爆炸的3000℃的高溫和10×104MPa的高壓條件下將進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的物質(zhì)。

計(jì)算表明，這些高溫高壓爆生氣態(tài)物質(zhì)其體積在標(biāo)準(zhǔn)狀況下比原來(lái)增加了1200多倍，由于這些氣態(tài)物質(zhì)受到高度壓縮，因此積蓄了巨大的勢(shì)能，它將遵循瞬時(shí)爆轟論的“爆轟產(chǎn)物的飛散遵循等距離面組規(guī)律”，主要以急劇膨脹做功的方式擠壓爆破介質(zhì)使爆破介質(zhì)破碎，完成爆破作業(yè)，見(jiàn)圖1。

圖1 水介質(zhì)參與炸藥爆炸主要以急劇膨脹做功示意

另一方面從物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)看，化學(xué)鍵的斷裂和形成是物質(zhì)在化學(xué)變化中系統(tǒng)發(fā)生能量變化的主要原因。一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，本質(zhì)上就是舊化學(xué)鍵斷裂和新化學(xué)鍵形成的過(guò)程。在“爆炸熱力學(xué)系統(tǒng)”中由于水介質(zhì)的加入，使水和炸藥共同參與化學(xué)反應(yīng)，即水的化學(xué)鍵發(fā)生一個(gè)斷裂后再形成的過(guò)程，見(jiàn)圖2。這一能量變化(能量轉(zhuǎn)換)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程也就相對(duì)延緩了“爆炸熱力學(xué)系統(tǒng)”瞬時(shí)爆轟的時(shí)程。換句話說(shuō)，有水參與炸藥爆炸就能夠較為緩慢地釋放炸藥的爆炸能，這就是炸藥爆炸所產(chǎn)生空氣沖擊波、地震波、光和聲的效應(yīng)等危害作用變小的根本原因，就像核電站將核反應(yīng)速度變緩，慢速釋放原子能會(huì)消除了核爆炸的危害作用一樣。這就是水介質(zhì)換能爆破技術(shù)水介質(zhì)參與炸藥爆炸的機(jī)理，也是水介質(zhì)換能爆破技術(shù)與炸藥單獨(dú)爆炸機(jī)理的區(qū)別所在。

圖2 水介質(zhì)參與炸藥爆炸化學(xué)反應(yīng)化學(xué)鍵斷裂與生成示意

2 水介質(zhì)換能爆破技術(shù)的實(shí)施

2.1 將炸藥爆炸能轉(zhuǎn)換為水的內(nèi)能

在爆破介質(zhì)的裝藥腔中安裝質(zhì)量比大于或等于最優(yōu)值M的水介質(zhì)和炸藥，且將炸藥和水介質(zhì)相互隔離，其中最優(yōu)值M的計(jì)算式如下：

式中：M——水介質(zhì)和炸藥的質(zhì)量比之最優(yōu)值；

He——爆破所采用炸藥的爆熱，見(jiàn)表1；

Hs——?dú)浜脱鹾铣伤畷r(shí)所釋放的熱能，Hs＝15879 kJ/kg。

表1 常用工業(yè)炸藥的爆熱數(shù)值表

質(zhì)量比等于最優(yōu)值M的情況下，所有炸藥的能量在高溫高壓下提高水介質(zhì)的化學(xué)鍵鍵能而使其斷裂分解為氫和氧，在質(zhì)量比大于最優(yōu)值M的情況下，所有炸藥的能量能夠?qū)⒉糠炙橘|(zhì)的化學(xué)鍵斷裂而分解為氫和氧。在質(zhì)量比小于最優(yōu)值M的情況下，則不能夠?qū)⑺姓ㄋ幍哪芰砍浞掷靡詫⑺橘|(zhì)的化學(xué)鍵斷裂而分解為氫和氧，則會(huì)存在炸藥的能量有效利用率不足的問(wèn)題。因此在爆破作業(yè)中，在“爆炸熱力學(xué)系統(tǒng)”加入一定量的水使之與炸藥的質(zhì)量比等于或略大于M值即可。

2.2 水介質(zhì)換能爆破技術(shù)的實(shí)施程序

水介質(zhì)換能爆破技術(shù)的實(shí)施程序是：在爆破介質(zhì)的炸藥裝藥腔中安裝質(zhì)量比大于或等于最優(yōu)值的水介質(zhì)和炸藥，且將炸藥和水介質(zhì)相互隔離；引爆炸藥裝藥腔中安裝的炸藥。

2.3 水介質(zhì)換能爆破水柱裝置的制作

水介質(zhì)換能爆破用水柱裝置的制作是用專利產(chǎn)品“爆破用水柱裝置封口設(shè)備”采用特制聚乙烯復(fù)合管材熱壓一次性焊接而成。

水介質(zhì)換能爆破用水柱裝置是封閉的袋狀圓柱體，袋體的端部向兩端逐漸變小并有癟平的尾翼，能夠保證袋體在裝藥腔(炮孔)中下落時(shí)的沖擊力均勻作用在袋體的端部逐漸變小的結(jié)構(gòu)段，因此能夠減少裝藥腔(炮孔)對(duì)袋體的局部沖擊反力，并且由于癟平的尾翼與炮孔壁的摩擦力可以減緩水柱袋下落的沖擊力，袋體內(nèi)設(shè)計(jì)成能夠形成一定的真空度，

可以減小水柱下落過(guò)程水對(duì)袋壁的沖擊力，從而能夠有效防止袋體發(fā)生破裂，提高袋體的可靠性，見(jiàn)圖3，爆破水柱裝置可承受70 kg以上的壓力不破裂不滲水。需要說(shuō)明的是在袋體的兩個(gè)端部都對(duì)稱設(shè)置有熱壓焊縫帶，從而使得袋體的兩端可以無(wú)障礙地選擇任意一端朝下，確保水袋安裝便捷、快速。

圖3 爆破水柱裝置

2.4 水介質(zhì)換能爆破水柱裝置及炸藥安裝

(1)無(wú)水炮孔。在無(wú)水炮孔中，炸藥被分為一段或者兩段及以上的藥柱安裝，水介質(zhì)封裝在爆破水柱裝置中使得炸藥和水介質(zhì)相互隔離，每一段藥柱的兩端均設(shè)有爆破水柱裝置，且無(wú)水炮孔的底部和靠近堵塞封口段的端部均設(shè)有爆破水柱裝置。堵塞段和普通炮孔爆破完全一樣，并要求用鉆孔石渣加水潤(rùn)濕封堵壓實(shí)即可。

(2)有水炮孔。有水炮孔中的炸藥裝設(shè)于防水袋中形成藥卷，藥卷插設(shè)于有水炮孔中使得炸藥和水介質(zhì)相互隔離，有水炮孔的內(nèi)壁和藥卷之間形成徑向不耦合的裝藥結(jié)構(gòu)，有水炮孔中的水介質(zhì)位于有炮孔的內(nèi)壁和藥卷之間。

(3)水下爆破炮孔。水下爆破炮孔的安裝與有水炮孔無(wú)異。

(4)藥室爆破。藥室爆破的爆破水柱裝置及炸藥安裝更為簡(jiǎn)單。由于藥室爆破炸藥用量大，一般都是成箱的炸藥安裝在藥室內(nèi)，只要在安裝炸藥箱時(shí)，上下層藥箱錯(cuò)開(kāi)布置并留出爆破水柱裝置的安裝間隙，將爆破水柱裝置安裝在炸藥箱的間隙中即可。

3 結(jié) 語(yǔ)

2016年3月3日筆者向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提出兩項(xiàng)專利申請(qǐng)，3月4日國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局發(fā)出受理通知書，3月22日發(fā)出初步審查合格通知書，6月15日國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局已公布了《一種水介質(zhì)換能爆破方法及其裝藥腔》發(fā)明專利并進(jìn)入實(shí)質(zhì)性審查程序，7月27日國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局已授權(quán)《一種水介質(zhì)換能爆破用水柱裝置及其封口設(shè)備》實(shí)用新型專利。

[1] 何廣沂，等.節(jié)能環(huán)保工程爆破[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[2] 秦健飛.雙聚能預(yù)裂與光面爆破綜合技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

[3] 宋心琦.高中化學(xué)2[M].北京：人民教育出版社.2004.

2016-02-17)

秦健飛(1945-)，廣西桂林人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事工程爆破施工、管理和科研工作，Email：412901469＠qq.com。