水压爆破技术理论与应用

水压爆破技术理论与应用摘要：水压爆破利用水的不可压缩性，减少爆炸能量到达炮眼围岩时的损失，有利于岩石破碎。爆炸气体的膨胀会产生“水楔”效应，在促进岩体更深层次的碎裂破坏的同时，炮孔中的水能够雾化降尘，大大降低粉尘污染，可以有效解决无水爆破存在的危害效应。关键词：水压爆破；工程爆破；装药Abstract:usingtheincompressibilityofwaterpressureblasting,decreasethelossofexplosionenergyarrivedatholewallrock,it’sconducivetobreaking.Theexpansionofthegasexplosionwillproducethewaterwedgeeffect,topromotedeepercataclasticrockmassdamage.Atthesametime,thewaterintheholecanbeatomizeddust,reducedustpollution,caneffectivelysolvetheanhydroustheharmofblastingeffect.Keywords:waterpressureblasting;Engineeringblasting;charge工程爆破中采用的方法中例如预裂爆破、光面爆破等，这些方法主要是利用炸药爆炸产生的冲击波、高温高压的爆轰气体等作用在结构物或岩体上，使被爆物破碎破坏，都存在一定的缺点不足之处，主要体现在飞石、噪音和空气冲击波及地震波对周围建筑物和环境的影响。将药包放在装满水的被爆容器中相应设计位置称为水压爆破，该方法是用水传播爆轰压力，作用在容器上，使容器破坏，该方法能够有效控制空气冲击波、飞石及噪声等。水压爆破法能够减少炸药使用量，提高利用率；提高施工效率；提高经济效益，节约成本；降低空气污染程度，减少环境污染及对人体的损害。1、水压爆破分类水压爆破法通过药包及作用条件的区别分为两大类。钻孔水压爆破是第一类，药包位于有水钻孔中进行爆破，介质抵抗线大，所以待破坏介质中应力波作用时间较长，起主要作用；壁体整体性运动引起介质破坏是第二类水压爆破，主要是容器状构筑物或建筑物。这种方式的待破坏介质的厚度较薄，荷载作用时间比应力波通过介质的时间长，波的传播会造成介质的整体性运动，从而可以基本不考虑应力波的传播，直接考虑整体性惯性运动。该法主要是利用水的特性，传播能量损失少。爆炸瞬间水传播冲击波到容器壁使其发生变形，产生位移，并且发生反射形成二次加载，加速破坏容器,最终使得容器均匀解体破碎。2、水压爆破的基本原理在水压爆破下被爆物的破坏形式主要有两种：一是冲击波，利用爆炸瞬间的超强压力破坏目标；二是气泡脉动压力波。冲击波是主要因素力量。炸药爆炸后，能量以冲击波的形式在水中径向传播。爆炸瞬间产生的高压，能够达到十几万个大气压，这些高压能量将立刻转化为在水中传播的强压波以及水的扩散运动。随着高度压缩的爆炸生成物的膨胀，压力快速衰减，衰减持续时间不超过几毫秒。冲击波的传播速度超过声速，其向四周迅速冲击运动。冲击波压力随距离的增大下降，直到其速度降到水中声速，冲击波能量与距离的平方成反比，在水中可被反射或吸收。爆炸形成的球形气泡内初始温度可达到3000℃，压强相当于50000个大气压，在爆炸后极短时间，其便可达到峰值压力。气泡脉动压力波是由高压气团向四周扩散产生。海水由于气泡的膨胀，向外作高速径向流动，当运动排开的水吸收的能量达到阻止气泡膨胀所需量时这一运动停止。之后，气泡内压力由于气体冷却，下降低到周围海水压力。但由于惯性作用，海水仍继续运动，从而造成气泡继续膨胀，气泡停止膨胀时，气泡内的压力远小于周围海水的压力。随后，海水作反向运动，气泡压缩。同理由于海水的惯性作用使得气泡压缩到一定程度时，其内压远超过周围海水的静压，气泡又处于爆炸发生时的相似状态，产生二次波。气泡脉动即气团在水中膨胀一压缩一再膨胀一再压缩…。虽然二次波的最大压力仅为冲击波压力的10一20%，但是二次波的作用时间却远超过冲击波压力作用时间。造成目标破坏的主要原因因其所处位置的不同而发生改变，当目标处于距离爆心大于气泡的最大半径的位置时，破坏主要由冲击波引起；当距爆心距小于气泡的最大半径时，造成破坏的因素较为复杂，冲击波、气泡脉动波和它们引起的水流的冲击都可导致对目标的破坏。3、水压爆破特点与惯常采用的工程爆破技术相比，由于水的物理力学性能不同于空气，水压爆破具有以下特点：（1）由于水是一种压缩性小，密度大、流动粘度也较大的物质，因而水中爆炸产生的爆轰产物的膨胀很慢。爆炸冲击波的作用强度高和作用时间长；（2）水介质的不可压缩性、高的传能率和堵塞作用使得传递的爆破能量分布更加均匀、利用率高；（3）水压爆破会产生更加均匀的破碎块度；控制爆破震动、飞石、空气冲击波在采用水压爆破时可以得到有效控制，更加安全可靠；它也能够有效限制有毒气体的产生、降低爆破粉尘，降低施工时对人体造成的伤害。而水压爆破中的钻孔水压爆破的水中冲击波阵面是圆柱形，压力波垂直于炮孔壁入射，孔深较浅时可近似将孔内应力看做是均匀分布的，和使用弱性炸药的效果一样，使用柱状装药时也是如此。因为水压爆破的这些特点，使得其在工程应用中具有很的价值，尤其是在拆除复杂地形下的构筑物、矿山大块岩石的二次破碎等工程中，利用更有优势。4、钻孔水压爆破的装药方式在实际应用过程中，根据炸药类型、装药量和岩体性质的不同需要使用各不相同的装药结构。根据药包在水中不同的位置，水压爆破的装药结构主要分为以下几种方式(图1)：图1装药结构（a）径向水耦合爆破，（b）药包间水间隔爆破；（c）药包底部水间隔爆破；（d）药包上部水间隔爆破;1——雷管脚线；2——炮泥；3——水；4——炸药(1)径向水耦合爆破：在此结构中，药包尺寸比炮孔尺寸小，充水耦合，爆破能量可以均匀地施加在孔壁的不同位置上。(2)炮孔药包间水间隔爆破：在此机构中，上、下两个药包起爆时，爆炸会使水柱中的水产生非常强烈的冲击，这时的水柱可以看做一个密闭的高压水室。(3)炮孔药包底部水间隔爆破：此方式适用于有水的炮孔底。在冲击的作用下，底部间隔段的水快速移动，形成密闭、高压的水激波，作用在孔底岩石上，克服根底，同时通过水的缓冲作用降低岩石的过度粉碎。(4)炮孔上部水间隔爆破：通过此结构，可以使装药方式变为连续性的柱状装药。由相关实验，可知同等药量时，由于水作为传能介质的衰减作用，有水孔底部装药的块度比无水集中装药时的大；装药位置对爆破块度由较大的影响，具体表现为装药位置越低，爆破块度越小；装药量的多少对于爆破块度并不会产生较大的影响，但是当装药量小于一定的数量，可以提高爆破块度，但是整体装药位置对块度影响较小，此时水起均化压力波作用；水的传能作用可以有效提高传播能量的效率，相同药量的情况下，块度与不耦合系数成正比。采用不同药量时，爆破块度与药量的多少成反比，和装药的结构没有关系；当不耦合系数相同时，水压爆破块度预装药量相互独立，爆破块度基本不随药量的降低而发生变化。只是在药量少时，块度均匀；但在采用非钻孔水压爆破法及采用空气不耦合装药结构时，降低药量，块度明显增大。5、水压爆破技术的应用其具体应用有拆除构筑物、大块岩石的二次破碎、露天深孔水压爆破和巷道掘进水压爆破等。使用炮孔水压爆破法，可以有效的降低飞石距离，从而有效的减少空气冲击波和噪音的危害。其具体应用列举如下：A、炮孔水压爆破拆除混凝土基础通常构筑物拆除时，都是在比较复杂的环境条件中进行，从而需要控制空气冲击波、噪音、震动、飞石等爆破中产生的损害。为达到这一目的常常采用减小孔网参数，减少装药量和一次起爆药量等措施。采用上述措施时势必使炸药集中于孔底，但是当孔深l(1.5~2.0)W(W为最小抵抗线)时，炮眼上部介质得不到充分破碎，因此必须分段装药。在实践中，我国从80年代开始利用炮孔水压爆破的特点，代替分段装药爆破，在工程中采用水压爆破，取得很好地爆破效果。例如在1984年中科大成功利用水压爆破方法原地拆除一幢三层大板楼。再如西安矿业学院在1995年市在西安钢厂用成功使用水压爆破技术拆除了一座容量为3000t的水塔。B、大块岩石的二次破碎根据《爆破安全规程》规定，在工程爆破过程中，采用裸露药包破碎大块时，安全距离需40m，浅眼爆破时需为30m。但在一些中小露天矿或露天矿边界地带，不满足上述要求。采用炮孔水压爆破法破碎大块，可以大大降低飞石的距离，减少空气冲击波和噪音的危害。例如，在80年代初山东莱芜铁矿成功利用水压爆破技术完成了大块的二次破碎，成功地解决了由于安全距离不足的问题。C、露天深孔水压爆破露天深孔水压爆破以深孔底部空气间隔装药爆破为基础，解决了有水炮孔的排水问题。在炮孔底部预留出一定高度的空气间隔，在深孔的上部进行连续装药称为深孔底部空气间隔装药。爆破时上部炸药爆炸后产生的膨胀压力使空气柱受压缩，空气柱的压力可以消除根底，从而提高能量利用率，减少炸药消耗量。通过装药重心的上移从而使上部岩石破碎地更加均匀。只要设计合理，便可以达到爆破后不出现根底的效果。通过水柱相较于空气柱，更加有效的克服比较大的底盘的抵抗线从而消除根底。水柱高度可大于空气柱高度，可节省更多炸药。深孔水压爆破还可利用炮孔的自然积水，同时也节约了排水产生的费用。D、巷道掘进水压爆破巷道掘进水压爆破即AB法或ABS法，由日本最先使用。AB法和ABS法爆破在日本和香港掘进地下隧道时已经得到成功应用。新建的沪昆铁路客运专线贵州段中茅坪山隧道便采用的是这种爆破方法，产生了良好的效果。6、结语水压爆破可以提高炸药能量利用率，与普通爆破方法相比，其炸药消耗量几乎减小了一半，费用低；减少了爆破过程中产生的震动对围岩的损害，是的巷道爆破的轮廓线大体上一次成型，减少了防毒排烟费用的使用；于此同时，由于破碎均匀、大块率减少，产生的扰动小，超挖小，更有利于机械化施工，施工进度加快。简单的炮眼布置，最小的抵抗线和大小均匀的炮眼间距；较少的浮石，也提高了施工作业的安全性；经济效益显著。此外，还减少了爆破中产生的灰尘对生态环境的污染。参考文献[1]林大能.水压爆破的发展与现状.矿业研究与开发.1999.3.008[2]刘志.水下爆炸冲击波的的传播特性实验研究.西南交通大学研究生学位论文[3]张云鹏.炮孔水压爆破及其应用.爆破器材.1997年4月[4]陈士海.深孔水压爆破装药结构与应用研究.煤炭学报.2000年25卷[5]张松林.水压爆破破碎特征研究[M].北京:北京钢铁学院，1986.[6]中国科技大学爆破组.水压控制爆破拆除大板楼.爆破，1985(2)[7]潘国斌，林大能.水压爆破破坏程度影响因素的试验研究.西安矿业学院学报，1998(2)[8]黄镇雄.水压控制爆破技术的实践.南方钢铁，1988(1):43~45[9]聂武丁.隧道掘进水压爆破技术的实际应用.工程爆破.2012年12月第18卷第四期