爆破工程讲座30教材

2021/4/131专题讲座爆炸和爆破的世纪回顾与展望力建学院道桥与地下工程系东兆星2013年3月2021/4/13220世纪：爆破十爆炸工艺从纪元开始，我们的祖先在第一个千禧中（公元7世纪）发明了黑火药(BlackPowder)，人类从此知道了“爆炸”；(usedinfireworksandsignals)第二个千僖的17世纪（1627年），匈牙利人最先用黑火药采矿，从此出现了“爆破”。此后西欧发明了硝化甘油、梯思梯(TNT)、黑索金(RDX)等多种后来叫做猛炸药的物质，由于没有可靠的起爆手段，军事和工业都难以有效利用。2021/4/133直到1867年，诺贝尔(AlfredNobel)同时发明了雷管和工业硝化甘油药卷，从此启动了爆炸和爆破的飞速发展。激波原理和爆破漏斗概念是这种发展的理论基础，爆炸和爆破的效益则是这种发展的巨大动力。AlfredNobel2021/4/134当我们在这21世纪之初回顾爆破百余年来的发展时，也许应该提到19世纪的学者未曾清楚预见到的下列几项进展。2021/4/1351.爆破漏斗原理的扩展和异化•有了爆破，就需要计算用药量，基于几何相似的爆破漏斗概念是爆破原理的基础，该原理假设爆破用药量Q与被爆破的岩石体积V成正比，有Q＝K×V其中K定义为爆破单位体积岩石的用药量(单耗)。2021/4/136若以球形药包爆破为典型，可导出计算单个药包炸药用量的通式Q=KW3f（n）其中W定义为最小抵抗线，表示自药包中心至临空面的最小距离；n=r/W表示漏斗底面半径r与最小抵抗线W之比，反映漏斗的张开程度，漏斗开度越大，爆破作用越强，故将n定义为爆破作用指数，2021/4/137n＞1为抛掷爆破，n=1为标准抛掷爆破0.75＜n＜1为减弱抛掷爆破，n＜75为松动爆破。f(n)则是爆破作用指数的幂函数。但是,当时的学者未必想象到了漏斗原理在本世纪会有如此巨大的扩展、演化和异化。2021/4/13820世纪的爆破实践证明：随W值增大，K和f(n)值需要相应增大，表明几何相似应考虑力学特征进行修正，已提出的Q＝k1W2十k2W3十k3W4或Q＝kW3.5f(n)等反映了这种修正的尝试。2021/4/139此外，成排的群药包为避免邻近药包相互作用产生的应力削弱区，要求减小w／a值(宽孔距爆破技术）；光面爆破相反要求增大w／a值，以获得平整轮廓面和减小压碎圈；定向抛掷堆积的体积平衡原理和弹道原理描述了漏斗边缘以外的现象；以及用不耦合装药降低爆炸初压，减小过粉碎和增大抛掷功的比例，在抛掷爆破和轮廓爆破方面取得的成功，等等，可归结为漏斗原理的扩展和演化。2021/4/1310预裂爆破、水压爆破、软基处理、爆炸成型都存在某种几何相似，但都不能用爆破漏斗来解释；建筑物定向倾倒或定向滑坡筑坝则是爆破启动的重力作用过程；都应归结为爆破漏斗的异化，显示出新的爆破作用机制。上述进展表明，激波原理和爆炸产物作功原理有普适性，爆破漏斗原理有局限性，20世纪也许可以说是爆破向爆炸工艺演化的世纪。2021/4/13112爆破器材和爆破技术相互促进，协同发展20世纪中，爆破规模不断扩大和爆炸工艺多样化的需求，刺激了爆破器材的快速发展；爆破器材的快速发展又推动了爆破和爆炸工艺的巨大进步。20世纪爆破器材有五大发明：电和非电毫秒延时起爆系统硝铵基炸药及其含水衍生品种系列不耦合装药塑性薄膜炸药无起爆药雷管2021/4/1312当我们思考它们的发明过程时，可以得出结论：爆破发展的需求是爆破器材发展的动力，基础科学和技术科学的成果则是爆破器材进步的保证。固体火焰理论促进了微气体产物的毫秒延时药剂的诞生；管道效应导致非电导爆管和不耦合装药的发明；表面化学和表面物理学进展演化出抗水硝铵类炸药；爆燃转为爆轰的研究成果促进了无起爆药雷管的构思。电和非电延时起爆系统的先后发明，成为大规模群药包依序爆破的导演，同时又是减轻爆破地震、冲击波等有害效应和防止现代化引起的各种干扰危害的有力工具。2021/4/1313抗水起爆器材和抗水炸药是软基处理和各种水下爆炸工程的可靠手段；比硝化甘油安全、便宜得多的硝铵基炸药及其含水衍生品种的发明为实施上述爆破提供了最经济的能源；塑性、薄层或聚能装药是爆炸成型、复合、穿孔、切割，表面硬化和消除残余应力的动力。无起爆药雷管的问世则根本改善了雷管造、存、运、用的安全性，并为根治起爆药的生产污水提供了保证。在技术上，像爆炸工艺与爆破器材这样相辅相成，没有矛盾的姐妹技术是不多见的。2021/4/13143采掘机械和爆破是在竞争中相互促进的伙伴20世纪中，风动、液压钻机和硬质合金钻具的发展，极大地提高了凿岩效率，它们与爆破器材的进步相配合，使万吨炸药硐室群药包一次爆破1300万m3岩石成为可行的工艺方法（中国迄今为止已进行万吨级大爆破3次），而配备了大容积铲斗的电力或液压挖装机械和大型运载车型的出现，则使1500—3000吨炸药深孔群药包一次爆破70—150万m3矿岩成为日常生产环节(美国)。新型机械、新型爆破器材与爆破的配合，极大提高了生产效率，创造了巨大财富。2021/4/1315附：珠海机场炮台山万吨级大爆破工程珠海机场炮台山总爆破方量1080万立方米，一次起爆炸药12000余吨，于1993年12月28日起爆，距山体600米处的英表村安全无恙。爆破成功后，国内近百家新闻单位进行了报导，李鹏总理在珠海机场视察时，听了汇报后说，此次爆破是中国爆破史上的一次重大突破，并誉称为“亚洲第一炮”。此项目由总参工程兵工程学院承担。朱振海同志担任副总技术师，负责前期勘察和爆破方案设计及施工技术指导工作。2021/4/1316另一方面，水力采煤，静态破碎技术和带锯开采装饰用石料几乎取代了同类的爆破开采。机械全断面掘进巷道（TBM)或拆除建筑物，也是同类爆破方法的有力竞争对手。通过竞争优胜劣汰是科技进步的法则。历史上爆破的出现曾使基于杠杆原理的锹、镐、锄相形见绌；今天，一些落后的爆破工艺被新型机械淘汰，可能促进新型爆炸工艺的诞生。这是竞争促发展的规律。2021/4/131721世纪：爆破十爆炸工艺十爆炸产业20世纪的产业进步开辟了广阔的发展空间，同时又提出了严峻的挑战!有限的陆地资源的强化开采，强迫人们想到海底资源；世纪末宣告60亿人口日到来，引导人们思考食物链和生存空间的扩展，诸如育种、纤维酪化、无土栽培和山地、冰川和沙漠改造，以及生活垃圾的处理；交通运输的压力和生态保护的呼吁，促使坑口电站、煤层气化、油页岩原地析馏和侵析采矿的发展等等。2021/4/1318本文的问题是：爆破业者能做什么?当面对重大课题时，爱因期坦说过：“想象力比知识更重要”，让我们展开想象的翅膀吧。2021/4/13191.发展内部药包和大抵抗线药包爆破技术内部药包已在扩大油井产油强度、提高旱井出水率、修建地下储存仓库和地下水窖、爆扩桩、改善防雷接地电阻等方面做出贡献。预期在21世纪中，由于煤层气化、油页岩原地析馏以及陆地、深海浸析采矿的需求，以内部药包爆炸获取范围广阔、裂缝细匀的爆破技术将会发展。这种爆破的装药应有高能量密度，以减小钻孔直径和孔网密度；有适当的爆炸初压，既促使裂缝产生又无大范围过粉碎；有较长的爆压持续时间，以支持裂缝扩展。2021/4/1320因此，可能的方案之一是不耦合或水耦合的，间隔装填的或相继起爆的药包群。LosAlamos国家试验室的Shale模型是解决原地爆炸油页岩的有益尝试，说明内部药包有发展前景。另一方面，大抵抗线药包扬弃爆破用于山脉、冰川、沙漠或河道改造以及海底非浸析采矿可能会逐渐普及，爆破漏斗的几何相似原理将进一步异化，从而建立爆破的现代力学模型。2021/4/13212爆破器材将有划时代的进展首先，工业炸药可能向三方面发展：(1)可能出现比硝铵炸药更经济有效的缔合键能炸药以空气和煤为原料的硝酸铵价格低廉，爆炸力中等，成为20世纪工业炸药的基础成分。然而，绝大多数现有工业炸药都是氧化还原型炸药，爆炸产生有害气体（CO、NO、NO2、SO2等），据估计，工业爆炸每年排入大气的一氧化碳约70—80万吨，氮氧化物约20—30万吨，成为环保问题之一。地球能接受的爆炸产物是N2、02和H20。因此，发展以空气为原料，爆炸后再生成空气成分的炸药是诱人的思路。2021/4/1322相同原子的缔合键比不同原子的化合键的能量大，以缔合键能炸药取代化合键能炸药应是方向之一，试制N3或o3及其缔合物，如可能的(N3)2n或(N3)2n+l和(O3)2n或(o3)2n+l值得实践。几年前N3在美国试验室强烈爆炸，预示着以空气为原料的振荡共价键能炸药的诞生，其爆炸产物为N2，故同时也是环保炸药。2021/4/1323(2)核爆炸能和平利用现实的困难是安全、价格和产物的放射性污染。安全在于加强管理。降低价格在于民用化，面向市场的规模生产是降低成本的关键。放射性污染有待发展清洁的核爆炸。相信在21世纪能解决这些问题。在没有清洁核爆炸之前，核炸药可以用作内部药包为前述目的服务，即利用核爆炸的高温使药包附近的岩石熔化形成玻璃体壳，将放射产物“关闭”在壳中，俄罗斯在地下销毁核武器，表明了这个方案的可行性。在实现清洁的核爆炸之后，核炸药在大抵抗线药包爆破中将举足轻重，并为大地改造和深海爆破作出极大的贡献。2021/4/1324(3)更小夸克的爆炸能源的利用李政道在1991年预言：尽管宇称守恒定律已被证明，但现实中宇称都不守恒，表明空间中存在着无限的能源。并且说，正像20世纪初蒲朗克常数和测不准关系引导出核能、激光一样，新的发现将在21世纪出现。这是否预示着爆破业在21世纪可能利用更小夸克的爆炸能，尽管利用的方式目前还不清楚。2021/4/1325其次，起爆器材也将有更进一步发展：(1)信息延时起爆技术信息技术将促进更精确且延时段别可能任意控制的起爆系统问世(数码雷管)，使爆破效果和爆破有害效应得到更精确的控制。2021/4/1326(2)无起爆药雷管将会普及，无雷管起爆也可能实现虽然20世纪未能实现工业炸药的无雷管起爆，但我们衷心期望着2l世纪能有一种价格可与雷管竞争的非雷管高新技术起爆器材问世。(3)高抗水和耐热起爆器材随着地层深部采矿和海底采矿的发展，耐地热和耐深水起爆器材将会发展。双层管壳的水压自补偿式雷管和非雷管起爆应当有广阔的应用前景。2021/4/13273机械和爆炸在竞争中相互渗透和协同发展前面提到水力采煤、带锯开采石料、机械掘进巷道和拆除建构物同爆破的竞争，将促进爆炸工艺原理的改进。事实上，20世纪60—70年代在美国曾有一轮相互代谢的竞争。当时火力钻机曾部份取代了老一代钻机，随后又被新型的液压式牙轮钻机所取代；同期发展的全自动连续小药量爆炸掘进巷道系统也未能胜过现已投产的液压牙轮掘巷机。2021/4/1328火钻是液体燃料与压缩空气的亚音速燃烧实现钻孔的机械，破岩机制是利用岩石晶粒的各向异性膨胀产生热应力来实现的，由于热交换时间短，热渗透层浅，各种岩晶的热膨胀各向异性也不同，火钻只在石英岩中效果最好，终于被牙轮钻机取代。连续爆炸掘巷系统采取不断输送雷管起爆固态炸药的设计，竞争力自然不足。2021/4/1329上述教训的启示是：应该发展连续的马赫数M＝2～4的超音速燃烧或带有激波的连续精确爆燃为基础的破岩设备。其作用时间较快，激波渗透层较厚，利于快速钻孔或掘巷。其工作介质宜用液体混合炸药或悬浊态、乳浊态的流态炸药。这种系统若能聚焦，就是岩石切割设备。2021/4/1330另一方面，爆炸聚能切割可否由单级几何形状的聚能结构衍生为多级的聚能结构，或由多个聚能穴组成的蜂窝状聚能聚焦结构，从而提高切割的精度和深度。至于地下煤矿的水力采煤，迄今仍是最安全、高效的技术方案，看不出在同样条件下用爆炸方法取而代之的途径。但是，爆炸可能在煤层气化工艺中发挥作用。“水”不转“山”转或许也是竞争的法则之一。2021/4/13314、可能形成兴旺的爆炸产业钱学森在1981年就指出：爆炸可以产生极强的脉冲电流，脉冲磁场和极高的压力，“这里有