控制爆破技术研究现状及发展建议(1)

第31卷第6期2009年12月四川冶金SichuanMetallurgyVol.31No.6Dec.，2009

作者简介：周志强，男，在读硕士，主要从事工程爆破技术研究。控制爆破技术研究现状及发展建议

周志强1，2易建政1王波3汪金军1（1.军械工程学院，河北石家庄050003；2.总装工程兵驻沈阳地区军事代表室，辽宁沈阳110004；3.62199部队，湖南娄底417111）

【摘要】综述了控制爆破技术的研究进展，其中包括松动爆破、微差挤压爆破、间隔装药爆破、光面（预裂）爆破、定向断裂爆破、护壁爆破、小抵抗线大孔距爆破、孔底起爆爆破、复合装药爆破、静态爆破等，并提出今后控制爆破技术发展的建议。此综述为进一步探求更加安全、高效、经济、环保的控制爆破技术打下了基础。【关键词】控制爆破研究现状发展建议

RESEARCHSITUATIONANDDEVELOPMENTSUGGESTIONSOFCONTROLLEDBLASTINGTECHNOLOGY

ZhouZhiqiang1，2YiJianzheng1WangBo1WangJinjun1（1.OrdnanceEngineeringCollege，Shijiazhuang050003，China；2.EngineerMilitaryRepresentativeOfficeoftheGeneralArmamentsDepartmentinShenyangArea，Shenyang110004，China；3.No.62199UnitofPLA，Loudi417111，China）

［Abstract］Theresearchprogressofcontrolledblastingtechnologywasreviewedinthepaper.Thetechnologiesincludelooseblasting，microsecondandextrusionblasting，intervalchargeblasting，smoothorpresplittingblasting，directionalsplittingblasting，blastingofprotectingboreholewall，smallburdenandwide-spaceblasting，holebottomprimingblasting，compoundchargeblastingandsilentblasting.Andsug-gestionsonenhancingthedevelopmentofcontrolledblastingtechnologywasmade.Thepapermadeabaseonstudyingmoresafety、efficientandsaveablecontrolledblastingtechnologyfurther.［Keywords］controlledblasting，researchsituation，developmentsuggestions

通常情况下，采用传统爆破法破碎岩石会出现：炮眼利用率低，围岩、边坡稳定性差，超挖、欠挖，大块率高，震动、空气冲击波、飞石、噪音、粉尘等危害严重，工程成本高等。针对这些问题，控制爆破技术应运而生，它是近年来发展最迅速的爆破技术之一。本文将从控制爆破技术概述、发展现状和发展建议等方面进行介绍和分析。1控制爆破技术概述20世纪中叶，即第二次世界大战后，许多城市被战争破坏，各国经济的恢复和发展，大量工业设施的重建和改建，使爆破技术的应用范围扩大。若采用传统爆破作业，其附带危害严重，不能满足实际需求，由此，控制爆破开始成为爆破工作者重点研究的课题。经过半个多世纪的发展，控制爆破技术得到全面发展，已应用到国民经济建设的各个领域，为国家现代化建设做出巨大贡献。可见，控制爆破技术的出现是爆破技术发展史上的重要里程碑，该技术的普遍应用推进了爆破器材的更新换代，促进了爆破从旷野进入城镇，使粗放的爆破施工变得安全、高效、经济、环保。随着控制爆破技术的进一步发展，其应用范围越来越广泛，被爆破的对象、爆破目的、爆破方法等都存在较大的差异。从广义来讲，诸如拆除爆破、加工成型爆破、水压爆破、聚能爆破、高温爆破、光面爆破、预裂爆破、定向爆破、微差爆破、挤压爆破、松动爆破等，均属控制爆破。因此，很难对控制爆破进行恰当的定义和分类。目前，比较合理的定义是［1］：根据工程要求和爆破具体条件，通过精心设计、施工与防护等技术措施，严格控制爆炸能释放过程和介质破碎过程，既要达到预期的爆破效果，又要将爆破范围、破碎程度、倒坍范围、抛掷方向、堆积形状以及爆破危害等控制在规定范围之内。这种对爆破效果和爆破危害进行双重控制的爆破，叫做控制爆破。控制爆破根据应用领域的不同，分为岩土开挖控制爆破、矿山开采控制爆破、拆除控制爆破、水下岩塞控制爆破、医疗控制爆破等；根据作用机理的不同，分为松动爆破、微差挤压爆破、间隔装药爆破、光面（预裂）爆破、定向断裂爆破、护壁爆破、小抵抗线大孔距爆破、孔底起爆爆破、复合装药爆破、静态爆破等。下文将以第二种分类为主线进行综合评述。2控制爆破技术研究现状2.1松动爆破技术该技术是根据C.W.利文斯顿爆破漏斗理论，通过对装药量、孔间距、排间距、装药结构等爆破参数的严格设计来实现控制爆破，广泛应用于防危害要求较高的爆破工程中，爆破作用指数n一般控制在（0～0.75）。宗琦等［2］开展了岩石松动爆破炮孔密集系数的研究，认为岩石松动爆破较为合理的炮孔密集系数m取值为1.5～2.0。刘鹏等［3］将微弱松动爆破技术应用到危岩体治理中，取n=0.65，获得满意效果。徐书雷［4］、胡军山［5］等对松动爆破技术作用机理和工程应用进行了一些有益的研究。2.2微差挤压爆破技术微差挤压爆破技术的实质是通过延时网路的微差作用来控制一次起爆药量，形成新的自由面，实现应力波的叠加、岩石碰撞挤压的二次破碎和地震波的干扰，从而达到提高破碎质量，降低爆破震动的效果。目前，微差控制已应用到各类爆破工程中，具体类型有：①排间微差；②孔间微差；③孔内分段微差。延时时间的确定是该技术的关键。武汉大学徐静波等［6］按照微差挤压爆破不同的作用原理，推导出微差时间间隔计算公式，值得参考。文献［7］报道了隧道掘进中微差爆破延时时间的计算方法。罗开军［8］研究认为微差爆破中合理的排间微差和孔间微差间隔时间由以下半经验公式计算。

t0=［S20+2（V22－V21）H0/g］12－S0V1+V2t=kQ13+10.2γeCdγrCr－()1.78Q13+SV（1）式中，t0为排间微差间隔时间，t为孔间微差间隔时间，S0为前后排距，H0为下落高度，V1为堵塞段飞行速度，V2为中部岩块飞行速度，V为岩块平均移动速度，Q为炮孔平均装药量，γe、γr为炸药和岩石的容重，Cd、Cr为孔内炸药爆速和岩石纵波波速，S为岩石移动距离。2.3间隔装药爆破技术间隔装药爆破也称为轴向不耦合装药爆破，通常指在装药之间或装药与炮泥之间填充空气或水，爆炸冲击波在通过填充介质时强度将大幅降低。相关研究结果表明，该技术的使用可使炮孔内的能量分配更加合理，岩体的过破碎情况减少。目前，根据装药结构的不同分为：连续不耦合装药、连续耦合装药、分段不耦合装药和分段耦合装药，分别如图1（a）、（b）、（c）、（d）所示。张广华［9］、Roy［10］、史维升［11］开展了装药结构对爆破效果的影响研究，认为分段装药炸药单耗小于连续装药单耗，且爆岩块度均匀，大块率和粉岩率明显降低。赵忠信［12］将间隔装药爆破技术应用到石灰石矿开采中，结果表明上下段装药量分别为20%和80%时，取得的爆破效果最佳。谢华刚等［13］在大型楼房拆除中采用了空气间隔微差爆破技术，飞石减少，工人劳动强度降低，炸药能量利用率提高，达到了预期的减震效果。

图1间隔装药爆破示意图水间隔装药爆破技术是当前重点推广的爆破技术之一。由于水具有近似的不可压缩性和不膨胀性，水耦合爆破时孔壁所受初始冲击压力以及随后因气体膨胀而产生的准静态应力都大于空气耦合爆破；另外，水的流动性使应力场分布更加规律。王作·06·四川冶金第31卷强等［14］通过对比试验得出，水间隔装药的综合爆破效果优于空气间隔装药，大块减少，炸药单耗降低。中国专利2007100513619公开了一种节能环保工程水压爆破技术，即水间隔装药爆破技术。据文献［15］报道，该技术的应用可节省炸药15%～20%以上，隧道爆破炮眼利用率达到97.4%，粉尘浓度降低42.5%～92%，有毒有害气体得到有效控制。近年来，关于孔底间隔装药爆破技术的报道增多，该技术是一种在炮孔底部放置一定高度空气层或水层后进行装药填塞的爆破方法，结构如图1（e）所示。根据冲击波理论，爆轰波通过空气（水）层传播到达孔底后绝大部分发生反射，反射回来的冲击波使空气（水）层内的准静态压力迅速升高，从而使岩石破碎更加充分，炮眼利用率提高，大块、根底减少，地震效应减弱。吕淑然［16］通过爆破试验得出，孔底间隔装药爆破的地震效应最小，孔上部间隔装药其次，孔中部间隔装药最大。程玉泉［17］、辜大志［18］等开展了孔底空气间隔装药爆破试验研究和工程应用，结果表明孔底空气间隔装药爆破比常规装药爆破的降震率高10%～15%，大块率低30%以上，有效提高了爆破质量。国内东鞍山铁矿、黑岱沟露天煤矿采用孔底空气间隔装药爆破技术后，炸药单耗明显降低，大块率降低50%，远区地震强度降低28%～36%［19］。刘友平等［20］在节能环保水压爆破技术的基础上进一步发展了孔底水间隔装药爆破技术，取得了更加环保的爆破效果。2.4光面（预裂）爆破技术自20世纪50年代在瑞典兴起、60年代中期引入国内以来，光面（预裂）爆破技术发展非常迅速，取得了巨大的综合效益，已广泛应用到井巷、隧道、地下、路堑工程等领域。光面爆破指通过径向不耦合装药及药量的控制，使爆炸压力在通过药包与孔壁间空气层时得以削减，孔壁不会出现明显的压碎，而只产生裂纹，滞后的高压气体膨胀作用使孔间连线上的裂纹贯通成缝。预裂爆破由光面爆破演变而来，作用机理与光面爆破相同，也称为预裂光面爆破。两者的主要差别在于：光面爆破的主爆破炮眼先于控制开挖轮廓面的光面炮眼起爆；而预裂爆破的主爆破炮眼在控制开挖轮廓面的预裂炮眼之后起爆。前者的运用可保护围岩的稳定性，形成平整的光爆面；后者可显著降低爆炸震动冲击对边坡、围岩的破坏。不耦合系数、炸药性质、装药量、炮眼密集系数、钻孔精度是影响光面（预裂）爆破效果的主要参数，装药结构如图2（a）所示。宗琦等［21］通过理论研究认为，不耦合装药的爆炸能量折射率比耦合装药低，但能量分布均匀，爆生气体作用时间长。罗勇［22］研究了装药结构对岩体内爆炸应力场的影响，得出不耦合系数和不耦合介质是装药爆炸岩体内应力场分布的主要影响因素；空气不耦合介质的降压作用较水介质优越，但爆压作用时间相对较短。阳天海等［23］结合工程实践认为，一般情况下，光面爆破采用的不耦合系数取1.6～3.0，预裂爆破取2.0～4.0。2.5定向断裂爆破技术定向断裂爆破是20世纪60年代在光面（预裂）爆破的基础上发展起来的一种控制爆破技术，也称为定向断裂光面（预裂）爆破。相对普通光面（预裂）爆破，定向断裂爆破使炮孔在设定的方向上优先产生裂纹并稳定扩展，从而实现减小爆破对保留岩体的破坏，保持岩壁平整的目的。到目前为止，定向断裂爆破主要有3种类型：①切槽爆破，见图2（b）；②聚能药卷爆破，见图2（c）；③切缝药管爆破，见图2（d）。在预定方向上优先形成裂缝是该技术的关键，导向形式、地质条件、炸药性质、炮孔参数等是影响成缝效果的主要因素。宗琦［24］研究了切槽爆破断裂成缝机理，建立了切槽爆破的断裂力学模型。Rathore等［25］通过试验验证了切槽爆破保护保留岩体的作用。郑周练［26］开展了螺旋切槽松动爆破力学机理及试验研究，结果表明螺旋切槽爆破效果优于传统轴向切槽爆破。史秀志等［27］开展了聚能药包爆破切割大型铜块体的工程实践，最终爆破效果达到了预期要求。罗勇等［28］对切缝药包在岩石定向断裂爆破中的切缝产生及裂纹起裂和扩展进行了研究，实验结果表明切缝管能使爆炸后的能量有方向性地集中。谢华刚［29］、梁为民［30］等开展了复合型切缝药包爆破试验研究，认为水介质耦合切缝药包比常规切缝药包取得的爆破定向效果更好，能量利用率更高。