高效無聲破碎劑的應用

張 鵬

（山西晉煤集團成莊礦生產技術科,山西 晉城 048021）

1 靜態爆破技術——高效無聲破碎劑的破碎原理

無聲破碎劑主要成分為氧化鈣、特殊硅酸鹽,是一種靜態爆破材料,能夠在施工過程中很方便、安全的進行爆破工程,配合其他無機粉末物質,能夠進行式（1）的化學反應。

CaO＋H2→O Ca（OH）2＋6.5×104J（1）

化學方程式（1）是很常見的放熱反應,熱量的放出會使藥劑體積逐漸膨脹,最后達到之前體積的3倍～4倍,表面積也相應增加到了原來的近100倍,且每1mol的CaO進行反應可以放出6.5×104J。根據這個原理,這些物質注入到有限空間的炮孔內,物體膨脹,孔壁所受到的壓力可以上升到50MPa,介質在這種情況下產生徑向壓縮應力和切向的拉伸應力。但在施工過程中,巖石或者混凝土一般所能承受的壓力遠遠小于這種化學反應所產生的壓力,巖石的抗拉強度為5MPa～10MPa,混泥土的抗拉強度為20MPa～60MPa。而通常無聲破碎劑的膨脹壓力可達30MPa～50MPa。所以,在炮孔中發生了那樣的化學反應之后,產生的熱量以及壓力會讓周圍的介質產生周向拉應力。當拉力逐漸增大的時候,介質也會慢慢地出現裂縫,隨著拉力的持續增大而裂開,最后介質就會破壞,達到爆破目的。

對比炸藥破碎機理,靜態爆破技術依靠它化學反應的能量來達到目的。在被破壞體內,用無聲破碎劑進行化學反應和一系列物理變化,讓被破碎體吸收熱量,溫度升高,體積膨脹,產生相應的周向拉應力,導致介質破碎。靜態爆破技術能夠高效、方便、安全地達到目的,并且不會造成環境的污染,相比傳統炸藥技術節省了不少資源。

2 破碎劑的主要性能

破碎劑的膨脹力最大可達到122MPa（1 220kg/cm2）。拌合水溫度在10℃～15℃,反應時間可在2h～10h調節,最大膨脹力出現最短時間在2h內。可以控制被破碎體破碎完成后的形狀,施工簡單,易操作,不需專業工種,操作人員培訓時間短。其歸類于《水泥制品》中,為非易燃易爆危險品,安全易管理［1］。

3 靜態爆破技術的施工工藝

3.1 設計布眼

在布眼之前要保證至少有一個臨空面,并且鉆出來的孔的方向要進來和臨空保持平行,橫向分布的孔和縱向孔的距離各30cm,在切割巖石和混凝土上面擺列整齊,并在一個平面上,保持成一個平排炮孔。孔間距離要根據巖石和混凝土自身的屬性來決定。例如,混凝土和巖石的強度很高,則相距就要小一點,防止因能量不夠而不能完全裂開。另外,鉆眼的深度也要視情況而定。布孔設計參數見第129頁表1。

3.2 鉆孔

用直徑為38mm～42mm的鉆頭在已確定的施工區域內打眼。打眼深度可根據巖石硬度及施工地點條件自行選擇,一般控制在1m～2m。

鉆孔布置參數見第129頁表2：

表1 布孔設計參數表

表2 孔距與排距簡易布置表

3.3 裝藥

1）向下和向下傾斜的眼孔,可在藥劑中加入質量分數30%～32%的水,攪拌成糊狀。因藥劑放在空氣中有反應,所以,要迅速倒入孔內并保證藥劑在孔內處于密封狀態。鑒于向下灌裝比較便利,如果條件允許,施工可以從上到下進行分層破碎,便于工人操作。

2）水平方向和向上方向的鉆孔,不能直接放入藥劑,可用一個工具裝起來。一般是采用高強長纖維紙袋。在紙袋中放入藥劑,準備好整個施工需要的數量,然后用純凈水完全浸泡,使其完全濕潤。不冒氣泡的時候,就可以取出進行裝藥了。

3）在裝藥時,每組施工人員在操作過程中不能負責過多的孔,每次的拌藥量不能超過實際能夠完成的工作量。各個小組的每項工作盡量統一步驟,以利于破碎混凝土和巖石。每次在填裝藥劑的時候都要進行一些核對,如巖石的溫度、水的溫度是否符合要求。在填裝過程中,禁止將已經發生反應的一些化學藥品再進行裝填,避免發生意外。

4）巖石剛開裂后,可向裂縫中加水,支持藥劑持續反應,可獲得更好效果。

5）反應時間

化學的反應速率與是否加入催化劑、反應過程中的溫度及藥劑的濃度有關。在實際操作中,為了避免反應發生得太快而來不及控制,一般使用如下2種方法：一是控制溫度,抑制化學反應的活性,降低化學反應速率；二是加入抑制劑或反催化劑,降低反應速率。特別是在夏季施工時,要特別注意反應溫度,外界環境溫度本來就高,需要嚴格控制拌合水的溫度,將反應時間盡量控制在30min～150min。

4 無聲破碎劑在井下巖巷施工中的應用情況

成莊礦640回風聯絡巷起底長度為29m,平均厚度為1.4m,其起底起點位置為煤倉上口皮帶機頭硐室配電點,該巷以南、以北50m范圍內有高開、移變等設備,100m以內有南翼膠帶巷工作面的出煤皮帶及煤倉掘進工作面。因現場條件限制,存在如下問題：一是使用火藥可能損壞設備；二是在進行爆破作業時需停電撤人,影響2個掘進工作面的施工；三是巖石較硬,在不使用火藥爆破僅只用挖機支挖時,每天支挖工程量僅為0.5m,施工效率低。

在使用無聲破碎劑后,此處起底進度提高至平均每天1m,且未對其他作業地點及現場設備造成影響。

同時,針對破碎劑無聲、無沖擊波爆破的優點及反應時間長的缺點,此次起底作業采用平行作業的方式,即利用3d左右時間提前從巷口開始進行漲裂,從第4d開始挖機支挖與破碎漲裂同步進行,施工工期由單獨機械支挖的60d縮短至破碎劑配合機械支挖的33d,提高了施工工效,且降低了對其他作業地點的影響。

5 靜態爆破技術的應用前景

靜態爆破技術作為爆破技術的一項重要補充和發展,適用于煤礦井下機電設備多、放炮影響較大區域的爆破,其放炮效果雖然不如傳統的火藥爆破效果,但這一技術的主要優點在于其無聲、無火焰、無沖擊波,對周圍環境破壞小,能適用于任何作業地點,尤其是機電硐室附近的巖巷掘進施工,能夠大大減小職工的勞動前度,調高掘進效率。

參考文獻：

［1］ 游寶坤.靜態爆破技術——無聲破碎劑及其應用［M］.北京：中國建材工業出版社,2008.