水介質換能爆破技術

秦健飛，秦如霞

(中國水電八局，湖南長沙 410004)

水介質換能爆破技術

秦健飛，秦如霞

(中國水電八局，湖南長沙 410004)

自從炸藥用于工程爆破以來，炸藥爆炸的能量有效利用率一直維持在一個較低的水平。如何提高炸藥能量的有效利用率、降低爆破危害、降低爆破作業施工成本成為工程爆破科技工作者孜孜追求的目標。從爆破熱力學和物質化學的理念出發，提出水介質換能爆破新技術，該技術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。

爆炸熱力學系統；水介質換能爆破技術；最優值M；爆破水柱裝置

0 前 言

水介質換能爆破技術從炸藥爆炸的熱力學、化學機理出發，提出簡單便捷的技術解決方法，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，并且實施方法簡單易行，與現行的各種炸藥爆破作業施工工藝沒有多大差異，但效果更好，在相同爆破介質的條件下減少炸藥單耗20%～30%，爆破振動減小 20%～30%，爆破煙塵降低40%～90%，爆破介質破碎粒度與普通爆破相比較為均勻、大塊率降低、基本無爆破飛石，個別飛石可控制在20.0 m以內且爆堆集中方便挖裝和運輸作業，故成本下降20%～25%。因此施工單位容易接受，便于在全國水利水電、礦山、公路、鐵路各種爆破行業普遍推廣應用。水介質換能爆破技術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用，以降低爆破振動危害和減少爆破飛石和爆破煙塵，應用范圍極為廣泛。

1 水介質換能爆破機理

1.1 有水炮孔的爆破現象

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

1.2 爆炸熱力學系統

為了從熱力學、化學的角度來研究水介質換能爆破技術的機理，引入“爆炸熱力學系統”這個新概念。所謂“爆炸熱力學系統”是指爆破作業中需要使用炸藥對巖石、混凝土等介質進行破碎時在介質中人為造成一定的裝藥腔后埋設炸藥及起爆系統并堵塞封閉的整個爆破體系稱之為“爆炸熱力學系統”。

在沒有水介質參與的情況下，當引爆“爆炸熱力學系統”后，炸藥爆炸瞬時生成的高溫高壓爆生物質將對爆破介質產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。

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

1.3 水介質換能爆破機理

炸藥爆炸是一種瞬時發生的化學反應，這一化學反應生成新的物質并在極短時間內釋放大量的能。由于炸藥爆炸是瞬時發生，“爆炸熱力學系統”來不及和爆破介質發生熱交換，因此可以把“爆炸熱力學系統”當作絕熱系統看待。

這樣從熱力學角度分析可知，如果在“爆炸熱力學系統”中加入一定量的水，按照熱力學定律和物質不滅定律(質量守恒定律)，炸藥爆炸所釋放的能將轉換為水的內能，水在常壓狀態下當溫度達到2000℃時開始分解為氫和氧，積蓄了炸藥爆炸能的水和炸藥共生的爆生氣態物質在炸藥爆炸的3000℃的高溫和10×104MPa的高壓條件下將進一步發生化學反應生成新的物質。

計算表明，這些高溫高壓爆生氣態物質其體積在標準狀況下比原來增加了1200多倍，由于這些氣態物質受到高度壓縮，因此積蓄了巨大的勢能，它將遵循瞬時爆轟論的“爆轟產物的飛散遵循等距離面組規律”，主要以急劇膨脹做功的方式擠壓爆破介質使爆破介質破碎，完成爆破作業，見圖1。

圖1 水介質參與炸藥爆炸主要以急劇膨脹做功示意

另一方面從物質化學結構觀點看，化學鍵的斷裂和形成是物質在化學變化中系統發生能量變化的主要原因。一個化學反應過程，本質上就是舊化學鍵斷裂和新化學鍵形成的過程。在“爆炸熱力學系統”中由于水介質的加入，使水和炸藥共同參與化學反應，即水的化學鍵發生一個斷裂后再形成的過程，見圖2。這一能量變化(能量轉換)的化學反應過程也就相對延緩了“爆炸熱力學系統”瞬時爆轟的時程。換句話說，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生空氣沖擊波、地震波、光和聲的效應等危害作用變小的根本原因，就像核電站將核反應速度變緩，慢速釋放原子能會消除了核爆炸的危害作用一樣。這就是水介質換能爆破技術水介質參與炸藥爆炸的機理，也是水介質換能爆破技術與炸藥單獨爆炸機理的區別所在。

圖2 水介質參與炸藥爆炸化學反應化學鍵斷裂與生成示意

2 水介質換能爆破技術的實施

2.1 將炸藥爆炸能轉換為水的內能

在爆破介質的裝藥腔中安裝質量比大于或等于最優值M的水介質和炸藥，且將炸藥和水介質相互隔離，其中最優值M的計算式如下：

式中：M——水介質和炸藥的質量比之最優值；

He——爆破所采用炸藥的爆熱，見表1；

Hs——氫和氧合成水時所釋放的熱能，Hs＝15879 kJ/kg。

表1 常用工業炸藥的爆熱數值表

質量比等于最優值M的情況下，所有炸藥的能量在高溫高壓下提高水介質的化學鍵鍵能而使其斷裂分解為氫和氧，在質量比大于最優值M的情況下，所有炸藥的能量能夠將部分水介質的化學鍵斷裂而分解為氫和氧。在質量比小于最優值M的情況下，則不能夠將所有炸藥的能量充分利用以將水介質的化學鍵斷裂而分解為氫和氧，則會存在炸藥的能量有效利用率不足的問題。因此在爆破作業中，在“爆炸熱力學系統”加入一定量的水使之與炸藥的質量比等于或略大于M值即可。

2.2 水介質換能爆破技術的實施程序

水介質換能爆破技術的實施程序是：在爆破介質的炸藥裝藥腔中安裝質量比大于或等于最優值的水介質和炸藥，且將炸藥和水介質相互隔離；引爆炸藥裝藥腔中安裝的炸藥。

2.3 水介質換能爆破水柱裝置的制作

水介質換能爆破用水柱裝置的制作是用專利產品“爆破用水柱裝置封口設備”采用特制聚乙烯復合管材熱壓一次性焊接而成。

水介質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)中下落時的沖擊力均勻作用在袋體的端部逐漸變小的結構段，因此能夠減少裝藥腔(炮孔)對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，袋體內設計成能夠形成一定的真空度，

可以減小水柱下落過程水對袋壁的沖擊力，從而能夠有效防止袋體發生破裂，提高袋體的可靠性，見圖3，爆破水柱裝置可承受70 kg以上的壓力不破裂不滲水。需要說明的是在袋體的兩個端部都對稱設置有熱壓焊縫帶，從而使得袋體的兩端可以無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 水介質換能爆破水柱裝置及炸藥安裝

(1)無水炮孔。在無水炮孔中，炸藥被分為一段或者兩段及以上的藥柱安裝，水介質封裝在爆破水柱裝置中使得炸藥和水介質相互隔離，每一段藥柱的兩端均設有爆破水柱裝置，且無水炮孔的底部和靠近堵塞封口段的端部均設有爆破水柱裝置。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濕封堵壓實即可。

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

(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，只要在安裝炸藥箱時，上下層藥箱錯開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 語

2016年3月3日筆者向國家知識產權局提出兩項專利申請，3月4日國家知識產權局發出受理通知書，3月22日發出初步審查合格通知書，6月15日國家知識產權局已公布了《一種水介質換能爆破方法及其裝藥腔》發明專利并進入實質性審查程序，7月27日國家知識產權局已授權《一種水介質換能爆破用水柱裝置及其封口設備》實用新型專利。

[1] 何廣沂，等.節能環保工程爆破[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

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

[3] 宋心琦.高中化學2[M].北京：人民教育出版社.2004.

2016-02-17)

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