基于物理降溫靜態爆破防噴孔實驗研究*

解北京，嚴　正，趙澤明

(中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083)

0　引言

以無聲破碎劑為載體的固體膨脹，在脆性體斷裂時，會發出幾分貝的聲響，但一般人無法聽出，稱之為靜態爆破[1]。無聲破碎劑是水泥類的膨脹膠凝材料，它與水反應，形成固相體積倍增的結晶，使得被破碎物的裂縫寬度和深度不斷擴展，致使脆性物體崩裂破碎。破碎劑即為膨脹水泥(SCA，Soundless Cracking Agent)，SCA是一種膨脹膠凝材料，主要成分為CaO，并添加一定比例的添加劑，其膨脹力的來源是CaO的水化反應[2]，SCA水化反應前后的固體體積和內部物質的孔隙體積均會增大，破碎劑反應后體積將增大3倍[3]。SCA在受限空間內發生固體膨脹，便產生了可觀的膨脹力[4]。破碎劑硬化后的流變應變有助于破碎劑在反應過程中保持膨脹壓處處相等，具有與液壓相類似的特點，使得破碎劑能夠實現對孔壁均勻加載壓力[5]。這種新的靜態爆破方法自發明以來其應用范圍不斷擴大，如水利水電站行業[6]、地鐵隧道[7]、道路交通工程[8]、古代建筑修復工程[9]、礦井[10]、非戰爭軍事行動[11]等，以其噪聲小、效果好得到廣泛應用。

然而，由于該方法在狹小的空間里進行放熱反應，容易造成噴孔現象，特別是高溫無聲破碎劑噴出傷人，對施工人員的生命健康造成巨大威脅。溫尊禮、徐全軍[12]等采用設計的擴孔鉆頭和四爪堵孔器，實驗成功將孤石塊破碎，但該技術堵孔性能不牢靠，經濟成本高，對操作人員要求較高；徐全軍等[13]設計出基于動量平衡原理研發的大孔徑靜態爆破平衡密封裝置，利用膨脹劑膨脹軸向壓力相互平衡抵消原理，并采用硅膠套進行密封，但該裝置經濟成本高；王作鵬、杜善華等[14]在破碎劑里加入活性物質來減緩膨脹劑的水化反應減少噴孔，該方法使破碎劑的制作比較繁瑣，經濟成本比較高。因此需要一套結構簡單、經濟實用、能夠在靜態爆破過程中有效防止噴孔的裝置。

1　實驗系統設計

1.1　實驗裝置設計依據

噴孔現象產生的主要原因是破碎劑水化時短時間內產生大量水化熱而周圍介質散熱太慢，短時間熱量的集聚會使漿體的溫度快速升值到100℃以上，迅速氣化產生蒸氣壓[1]。本實驗基于物理降溫的原理，利用水比熱容大、吸熱能力強和鋼質材料導熱性能好的特點，吸收破碎劑產生大量的熱。

實驗原理是：獲取把無聲破碎劑水合時從t1降到不發生噴孔時的溫度t2所需要水的質量，得出：

Q=cm(t1-t2)

(1)

式中：Q為靜態爆破破碎劑產生的熱量，kJ；c為水的比熱容，J/(kg·℃)；m為水的質量，kg。

獲取鋼管的內徑，由孔的高度h得出鋼管的長度H，根據圓柱體積公式可得盛水鋼管的內徑2r。

(2)

式中：H為鋼管的長度，m；h為孔的高度，m；r為鋼管內半徑，m；m為水的質量，kg；ρ為水的密度，kg/m3。

獲取鋼管的外徑2R，根據以下公式得出：

(3)

式中：σp為鋼管的徑向應力，Pa；σφ為鋼管的環向應力，Pa；R為鋼管的外半徑，m；r為鋼管的內半徑，m；q為膨脹壓，Pa。根據公式(1)～(3)計算出所需要的水的質量、鋼管的內外徑和高度，根據鋼管數據選擇鋼管規格且鋼管下部封口上部開口。在鉆孔上放置套盤，鋼管中加入稱好質量的水，通過套環放入鉆孔，將無聲破碎劑加入孔與鋼管之間，等待爆破完成。

1.2　靜態爆破防噴孔裝置制備

靜態爆破防噴孔裝置由套盤、固定支架、套環和鋼管組成。套盤、固定支架和套環用鐵板切割連接一起，固定支架支撐套環在套盤的中心位置，套環外徑和套盤內圓之間的鐵板切割成齒牙狀將這些齒牙狀的鐵板朝一個方向折成與套盤垂直。在需要爆破的地方打好鉆孔，把套盤齒牙狀的鐵板套入鉆孔中，防止套盤在爆破的過程中在平面上移動。鋼管上部開口，下部封口，加入一定質量的水，通過套環放入鉆孔，套環把鋼管固定在鉆孔的中心位置。將無聲破碎劑加入孔與鋼管之間，等待爆破完成。裝置簡單易制作，而且可以很好地固定在鉆孔上。裝置如圖1所示。

圖1　實驗裝置Fig.1　Experimental apparatus

鉆孔直徑29 mm，高度為300 mm。鋼管采用的是304不銹鋼，1 000 g無聲破碎劑大約能產生2 000×4.18 kJ熱量，使用量為300 g。t2取100℃，t1取70℃，由公式(1)計算出把溫度從100℃降到70℃所需水的質量約為0.02 kg。由公式(2)計算出鋼管長度為320 mm，盛水鋼管的內直徑2r約為9 mm。膨脹壓取30 MPa ，由公式(3)可知鋼管的徑向應力為30 MPa。鋼管的環向應力按照屈服應力來取，為300 MPa，由公式(3)計算得鋼管的外半徑為5 mm，即外直徑2R為10 mm。從而得到長度為320 mm的盛水的鋼管的內直徑為9 mm，外直徑只要大于或等于10 mm時既能把溫度從100℃降到70℃，又不會在30 MPa的膨脹壓下失效。

根據計算選擇小口徑無縫鋼管規格為12 mm×1.5 mm，即鋼管外直徑12 mm，壁厚1.5 mm，內直徑9 mm。鋼管下部封口，上部開口。鋼管的外徑12 mm，套環的內直徑取14 mm，比鋼管外徑長2 mm。為了方便用刀在鐵皮上切出固定支架，整個固定支架的寬度取6 mm,套環外徑取20 mm，套環的作用是把鋼管穩定在鉆孔中心位置，套盤內圓直徑要求比鉆孔直徑略小，取27 mm。為了整個裝置的穩定性，套盤外圓直徑取50 mm。將套環外徑和套盤內經之間的鐵皮切成寬度大約3 mm的齒牙狀，把這些齒牙狀的鐵皮朝一個方向折成與套盤垂直，這樣套盤可以套在鉆孔里，防止套盤在平面上晃動。本實驗用304不銹鋼管代替鉆孔。

1.3　靜態爆破防噴孔實驗系統

靜態爆破防噴孔實驗系統主要由防噴孔裝置、應力應變儀、信號采集系統等3大部分組成，如圖2～3所示。

圖2　實驗系統結構Fig.2　Experimental system structure

圖3　模擬實驗系統Fig.3　Simulation experiment system

1.4　信號采集系統

本實驗同步采集了應力和微震信號，應力測試實驗中共布置了4路應變片，溫度測試實驗中共布置2個熱電偶，1個熱電偶貼在鉆孔外壁，1個熱電偶插在鉆孔里。

1)應變信號采集

①應變儀與應變片

應變信號采集系統使用的DY2102E動靜態應變儀，共4路通道，橋路電阻適用于1～60 kΩ，供橋電壓按照2，4，6V分檔，供橋電壓精度±0.1%，應變系數K= 2.00，自動平衡時間為2 s，能夠保持平衡48 h。應變片采用了北京一洋應振測試技術有限公司的BX120-5AA應變片，靈敏系數為2.08，敏感柵5 mm×3 mm，基底9.4 mm×5.7 mm。

②存儲記錄儀

應變信號采集系統使用的HIOKI 8860-50存儲記錄儀，能夠根據外部采樣的采樣周期來設置系統的采樣速度，滿足溫度、應變等輸入單元存儲記錄，可以同時實現高速記錄與實時記錄。

2)溫度信號采集

K型微細熱電偶：直徑1 mm鎧裝K型熱電偶，測溫范圍：0～1 200℃，響應時間：<200 ms。1個熱電偶貼在鉆孔外壁，1個熱電偶插在鉆孔里。通過連接儲存記錄儀中的溫度通道記錄實驗過程中的溫度變化。

2　靜態爆破防噴孔實驗結果分析

2.1　膨脹劑的膨脹力測試

破碎劑對中空圓管內壁的壓力稱為膨脹力，是表征其破碎巖體性能的重要參數，通常使用電測應力法獲得[15]。實驗用304不銹鋼管代替鉆孔，直徑29 mm、高度300 mm。本實驗采用了外管法測試破碎劑在內管中的膨脹力，驗證了破碎劑為實驗提供穩定壓力的可靠性。

實驗按照水灰比3∶1的要求制備了破碎劑漿體：首先稱取膨脹劑600 g，自來水200 g，攪拌均勻后，十分鐘內將漿體灌入鋼管，然后將鋼管上端面迅速使用橡膠塞密封。本實驗膨脹壓按下列公式算出：

(4)

式中：E為圓管彈性模量；D為鋼管外徑，mm；d為鋼管內徑，mm；εθ為鋼管圓周方向應變量；μ為圓管泊松比。

破碎劑漿體在水化反應過程中，始終存在流變應變，其管壁應變與膨脹力滿足式(4)，將傳力管的各相關參數代入式(4)可得：P=24.832×103εθMPa。

計算得到膨脹壓為P約為95 MPa。

圖4描述了破碎劑反應過程中鋼管溫度、圓周方向應變和膨脹力的變化曲線，其中橫坐標軸為破碎劑反應時間，共1 500 min，縱向y坐標軸為鋼管溫度坐標軸，縱向y1坐標軸為應變坐標軸，縱向y2坐標軸為應力坐標軸，分別為溫度、應變和應力變化曲線。如圖4所示，實驗室溫度為22.5℃，破碎劑初始溫度即為實驗室室溫，破碎劑加入鋼管的前200 min反應較為緩慢，系統熱量開始積聚(達到24℃)，鋼管變形微弱；在250 min左右膨脹劑反應劇烈，系統溫度急劇上升至29℃，膨脹力跳躍式增加；經歷過劇烈反應階段后，破碎劑反應變得穩定，溫度逐漸降低至室溫，膨脹力線性增長，最終達到最大膨脹力95 MPa。

圖4　膨脹壓測試Fig.4　Expansion pressure test

2.3　加防噴孔裝置和未加防噴孔裝置實驗數據對比分析

圖5描述了加防噴孔裝置和未加防噴孔裝置的情況下破碎劑的溫度和應力的變化曲線。

圖5　實驗數據對比Fig.5　Experimental data comparison

實驗未加防噴孔裝置，實驗過程中發生噴孔。破碎劑反應過程中破碎劑溫度、應力的變化曲線，其中橫坐標軸為破碎劑反應時間，共300 min。如圖5所示，實驗室溫度為28℃，破碎劑初始溫度即為實驗室室溫，破碎劑加入鋼管的前90 min，反應較為緩慢，系統熱量開始積聚達到45℃，鋼管變形微弱；在90 min左右，破碎劑反應劇烈，系統溫度急劇上升至142℃，膨脹力跳躍式增加，短時間熱量的集聚會使漿體的溫度快速升值到140℃，迅速氣化產生蒸氣壓，而周圍介質散熱太慢，造成瞬間噴孔；噴孔導致部分漿體噴出鋼管，溫度、應力瞬間降低；經歷過噴孔后，剩余的破碎劑反應變得穩定，溫度逐漸降低至室溫，膨脹力維持在剩余破碎劑的最大應力。

實驗加防噴孔裝置，實驗過程中未發生噴孔。破碎劑反應過程中破碎劑溫度、應力的變化曲線，其中橫坐標軸為破碎劑反應時間，共1 200 min。如圖5所示，實驗室溫度為31℃，破碎劑初始溫度即為實驗室室溫，破碎劑加入鋼管的前300 min，溫度和膨脹力增加緩慢；在300 min時，破碎劑劇烈反應，溫度集聚增加，由于加防噴孔裝置，內部細鋼管的導熱和水的吸熱能力強，導致系統熱量增加到51℃，膨脹力也跳躍式增加；在400 min左右，破碎劑反應劇烈，系統溫度達到最高51℃，膨脹力急劇增加；400 min后，破碎劑反應變得穩定，溫度逐漸降低至室溫，膨脹力線性增長，最終達到最大膨脹力48 MPa。

加防噴孔裝置和未加防噴孔裝置實驗數據對比分析可知，未加防噴孔裝置實驗的破碎劑反應溫度上升快，導致破碎劑反應劇烈，在90 min左右時能量集聚并發生了噴孔；加防噴孔裝置實驗的破碎劑反應產生的熱量被水吸收，使得破碎劑溫度升高的比較緩慢，在400 min左右時，破碎劑溫度達到最高51℃，能量未集聚，未發生噴孔；400 min后，破碎劑反應變得穩定，溫度逐漸降低至室溫。應力變化如圖5所示，未加防噴孔裝置實驗的破碎劑反應劇烈，在90 min左右，膨脹力瞬間增大達到53 MPa，并發生噴孔，一部分破碎劑噴出孔外，膨脹力瞬間減小，110 min后，剩余的破碎劑的膨脹力達到穩定；加防噴孔裝置實驗的破碎劑反應緩慢，在400 min左右由于溫度達到最大值，膨脹力也瞬間增加，400 min后，破碎劑反應穩定,膨脹力穩定增加，防噴孔裝置對破碎劑的最大膨脹力沒有影響。

3　結論

1)利用水比熱容大的特點吸收熱量的物理方法，通過靜態爆破劑膨脹應力的理論計算，設計了物理降溫結構實驗裝置。

2)實驗裝置主要由套盤、固定支架、套環和鋼管組成，裝置結構簡單、材料易獲取，可重復使用。

3)通過應力和溫度對比測試實驗發現，未加防噴孔裝置，破碎劑反應迅速，破碎劑的溫度和膨脹力劇增，能量集聚，容易發生噴孔。加防噴孔裝置，因鋼管導熱性和水的吸熱性能力強，破碎劑溫度增加緩慢，膨脹力穩定增加，防噴孔裝置不影響膨脹力達到最大值，達到防噴孔的目的。

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