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控制爆破技术研究现状及发展方向

2024-04-22 来源:易榕旅网


控制爆破技术研究现状及发展方向

摘要:随着爆破技术的不断发展和爆破器材的不断创新,爆破技术的应用领域也不断扩大,在城市内广泛应用控制爆破技术,获得了很好的社会效益和经济效益。本文综述了控制爆破的定义、原理、技术研究发展现状,其中包括光面(预裂)爆破、定向断裂控制爆破、护壁爆破等,并对控制爆破的未来发展提出了建议。

关键词:控制爆破,新技术,研究现状,发展方向

前言

爆破是破岩的重要手段有时甚至是唯一手段。岩石爆破技术的发展不仅取决于机械设备、工业炸药、测量技术、工程地质领域的发展,而且依托爆炸力学、爆轰理论、岩石力学等基础学科的研究成果。随着岩石爆破理论、断裂力学、爆炸力学研究的深入,以及先进测试技术、电子计算机技术的发展及其在爆破中的广泛应用,现代岩石爆破技术的发展朝着机械化、自动化、精细化、数字化方向发展。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。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。

目前,国内外用控制爆破法拆除楼房、桥梁、设备基础、码头、烟囱、水塔等较为普遍。由此可见,采用控制爆破法拆除城市的废旧建筑物,既经济、快速,又安全可靠。近年来,用控制爆破完成各类拆除工程,促进了人们对这种新型爆破技术的理论、设计计算和操作工艺等方面认识的提高。为使这种新型爆破技术更有生命力,更安全可靠,有必要

从理论和实践上加强研究探讨,使之得以控制,爆得好,进度快,既省钱又省力。

1、 控制爆破概述

1.1 控制爆破的定义

控制爆破,是指通过一定的技术措施严格控制爆炸能量和爆破规模,使爆破的声响、震动、飞石、倾倒方向、破坏区域以及破碎物的散坍范围在规定限度以内的爆破方法。通俗地讲,所谓控制爆破是指对工程爆破过程中由于炸药在被爆破对象的爆炸而产生的飞散物、地震、空气冲击波、烟尘、噪音等公害通过一定的技术手段加以控制的一种的爆破技术。

控制爆破目前在工程施工中得到广泛应用。不同于一般的工程爆破,控制爆破对由爆破作用引起的危害有更加严格的要求,多用于城市或人口稠密、附近建筑物群集的地区各种建(构)筑物的拆除以及为减小爆破对被保护对象有害效应的爆破,因此,控制爆破不是单纯指拆除爆破或者其中哪一种爆破。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。

1.2控制爆破的主要原理

(1)能量平衡原理

根据控制爆破的要求,选择最优爆破参数,使作用于每个炮眼的爆炸能量与破碎炮眼周围介质所需的最低能量相等或接近,使炮眼间裂缝贯通或原地破碎,而无过多的剩余能量造

成爆破地震、飞石、空气冲击波等危害作用。

(2)缓冲作用原理

采取优选爆破能源或改变装药结构等技术措施,缓和爆破压力对介质的冲击作用。

(3)最小抵抗线原理

设计布孔参数时,要根据自由面大小、数量,正确确定最小抵抗线,以便控制破坏范围和破碎程度,使其符合工程质量要求,以及使最小抵抗线朝向允许破碎和堆积的方向。

(4)分散爆破原理

采用多打眼、少装药、多段起爆的方法,把爆破所需要的总装药量进行分散微量化处理,分次逐段起爆,使爆破能量得到合理地利用和控制。但由于使用场合和地点等情况的不同,作用原理有的突出,有的淡化。

2、控制爆破中的控制

2.1控制爆破所要求控制的内容

(1)控制爆破破坏的范围,只爆破被爆破对象需要被破坏、破碎的的部位,保留其余部分的完整性;(2)爆破后建筑物的倾倒方向和坍塌范围;(3)控制爆破时产生的飞散物的飞散距离;(4)空气冲击波强度和噪音的强度;(5)控制爆破所引起的震动及其对附近建筑物的震动影响,也称爆破地震效应;(6)粉尘;

(7)水下冲击波;(8)涌浪等。

2.2 爆破的宏观控制

所谓“控制爆破”无非是指通过一定的技术措施,严格控制爆破能量和爆破规模,使爆破的声响、冲击波、爆轰波、振动、破坏区域、飞块距离以及破碎物的散塌范围,控制在规定的限度以内!这些都需要通过精确的设计计算和精心的操作来实现。由于爆破项目有的在室内,有的在室外;有的有倒塌方向、空间,有的无倒塌方向、空间;有的处在地下、半地下,有的在地面;有的却需要爆破半截,留半截,或爆掉一部分,完好的保留一部分;有的只要爆而无声,有的只要爆倒则可;也有的要求达到规定的块度、破碎度和倒塌散布面。可见,控制爆破对象的规模、质量、数量、大小、形状等不同,必须针对爆破目标有目的地加以控制。就宏观控制来说,应侧重于(1)从爆破前的勘察中实施控制;(2)从爆破的规模上实施控制;(3)从采用的爆破方法上实施控制;(4)从选用的爆破器材上实施控制;(5)从爆破的设计上实施控制;(6)从爆破施工工艺上实施控制;(7)从爆破的防护措施上实施控制

2.3爆破的微观控制

(1)被保护体的材质检验关:设计爆破方案前要尽可能地借助必要的仪器对被爆物体的材质进行检验,测定出它的强度,以便作为计算装药量时选取材料抗力系数的依据

(2)结构力学分析关:对于定向爆破的物体和高大建筑物的控制爆破,这是必不可少的手段,特别是对于需要预爆一部分的建筑物,非进行结构分析不可,否则,将产生失稳而造成失控事故。

(3)爆破器材材质实验关:对于规模较大的高大建筑物的控制爆破,爆破器材质量必须保证百分百的稳定、安全、可靠,这些爆破器材必须通过必要的仪器测试,未经过测试试验的爆破器材不能在控制爆破中使用,这也是实施有效控制的重要工作。

(4)各种爆破参数的选取和计算关:各种爆破参数的选取、装药量计算、飞块安全距离计算\"爆破地震波安全距离计算\"准爆网络计算都必须准确无误,必要时需借助于计算机。

(5)爆破时的网路检查关:控制爆破的网路必须准确无误,要达到安全可靠的目的。

3、控制爆破技术研究现状

3.1 光面(预裂)爆破技术

光面技术爆破是20世纪50年代在瑞典兴起、60年代中期在我国全面推广应用的光面爆破技术。光面技术爆破代表了沿途工程爆破的第一个重要发展阶段。长期的工程应用表明,光面爆破相对于普通爆破技术,在减少超欠挖、降低爆破与支护材料、提高施工效率方面存在较大优势,但是存在对隧道围岩或边坡保留岩体的严重损伤破坏、孔痕保留率低、炮孔间距较小等不足。

光面(预裂)爆破技术就是利用空孔的导向作用实现炮孔间开裂缝的形成。日本的滕山邦久等在1970年就对导向孔在光面爆破中的作用进行了研究,探讨了空孔对沿空孔方向以外生成裂缝的控制作用,弄清楚了这种控制效果随装药孔与空孔的间距不同和装药条件不同而变化等问题。中国矿业大学的朱振海等利用动光弹的方法研究了空孔在爆破中的作用:空孔与炮孔的距离对裂纹扩展方向有显著影响,排孔的数量对裂纹长度有一定的影响,炮孔之间的空孔具有导向作用。

从断裂力学的观点来看空孔,实际上在爆炸应力波到达空孔之前,空孔对断裂模式不发生任何影响;当爆炸应力波到达空孔时,装药孔周围的径向裂纹在炸药爆炸的瞬间就已形成了。因此,空孔虽然能起导向作用,却不能起到保护围岩不受损伤的作用。钻凿空孔实现断裂控制的方法,在工程实践中取得了一定的效果,但也存在一些尚待研究解决的问题,如怎样确定空孔与装药孔之间的最佳间距等。

3.2 定向断裂控制爆破系列技术

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。定向断裂爆破是沿途工程爆破第二个重要发展阶段。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;(2)聚能药卷爆破;(3)切缝药管爆破。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等通过试验验证了切槽爆破保护保留岩体的作用。郑周练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、梁为民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。

定向断裂控制爆破实质是对炸药爆炸能量在介质中的作用加以控制的问题。定向断裂控制爆破理论研究着重研究介质在爆炸能作用下的起裂、扩展和终止的条件和方式,解释

和分析了不同装药形式和不同装药结构产生定向断裂的不同爆炸作用机理,明确了爆炸动作用的冲击是介质起裂的主要原因,而裂缝的扩展是爆轰产物的准静压力作用的结果。定向断裂控制爆破技术则是通过对装药形状(聚能药包)、装药结构(装药切缝)的改变,或者在介质中人为造成缺陷(炮孔刻槽)等技术措施,达到引导爆炸能量在断裂方向形成集中的目的,从而实现定向断裂。

3.3 护壁爆破技术

综合比较和分析以上两类技术,光面爆破技术的孔间裂纹主要依靠空孔的导向作用形成,无法避免对保留岩体的损伤破坏和在其上形成宏观裂纹,因此,光面爆破技术基本上没有较好地满足以上三个方面的要求。定向断裂控制爆破技术虽然解决了光面爆破的裂纹开裂方向不确定的问题,但仍然没有完全解决爆炸产物对孔壁保留岩体或围岩的损伤破坏问题。定向断裂控制爆破除本身存在的药包加工和切槽作业困难外,对于爆炸能量的充分利用和保护保留岩体或围岩方面仍然存在较大不足。

护壁爆破技术是在定向断裂爆破技术基础上的进一步发展,也称为护壁光面(预裂)爆破技术,它利用药包外侧的一层或多层护壁套管来控制爆破应力场分布,以使裂纹更好地按预定方向起裂,进一步保护保留岩体,破碎临空面岩石。目前,根据装药结构的不同,护壁爆破分为:单侧护壁爆破和双侧护壁爆破;根据护壁套管层数的不同分为:单层护壁爆破、双层护壁爆破和多层护壁爆破;根据爆破类型的不同分为:光面护壁爆破、切槽护壁爆破、聚能护壁爆破和切缝护壁爆破。张志呈等进行了不同装药结构爆破的声波对比测试试验,结果表明护壁不耦合装药爆破对边坡保留岩体的损伤最小。蒲传金等开展了光面护壁爆破水泥砂浆模型试验研究,结果表明护壁套管为1层时护壁面方向的应变减小量最大。

除采用套管来实现护壁外,其它结构也能取得较好效果。中国专利 2316625Y 公开

了一种光爆劈裂管。太原理工大学朱志武等提出一种双介质径向耦合控制爆破技术,相对单介质耦合爆破,该技术能更有效地控制裂缝的产生和发展,达到护壁的效果。

护壁爆破装药结构示意图 光爆劈裂管

3.4 空气间隔装药爆破技术

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。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。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。,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。

空气间隔爆破技术(图)已在国外的采矿业中得到了大量的应用。Melniokov 等认为,空气层的存在,导致爆炸作用过程中激发产生二次和后续系列加载波的作用,亦导致先前压力波造成的裂隙岩体的进一步破坏。虽然,空气间隔装药结构作用在炮孔上的平均压力低于耦合装药方式,但它可以通过产生的后续系列加载波的作用来达到破碎岩石的目的,他们认为,系列后续加载波是由于在带有空气层炮孔里的3个冲击波波阵面,即来自于爆炸气体的冲击波波阵面和在堵头或孔底反射引起的冲击波的波阵面,以不同的速度在不同的位置相互作用而产生的。围岩里的初始裂隙网络将会被这些后续加载波所提供的能量的持续作用不断扩大,该破坏效果当然比单一强冲击波对围岩的破坏效果好(为已有裂隙网的进一步扩大破碎所需压力总比破碎完整岩体是要小得多)。空气间隔装药技术在爆破作用过程中一方面降低了爆压的峰值,降低或避免了对围岩的破碎作用;另一方面由于延长了爆压作用时间,可以获得更大的爆破冲量(爆压与爆压作用时间的乘积),最终提高了爆破的有效能量利用率。这些试验研究表明,使用空气间隔装药技术用于台阶梯段爆破而得到与常规装药方式相近效果,同时可以减少大量的装药工作量及大量减少起爆器材的使用,达到了提高工作效率和有效节省爆破成本的目的。

间隔装药爆破结构

工程实践中,空气层比例的确定往往是依靠经验数据,因此,该值的

变化范围较大(15 %~35 %)。从理论高度研究空气间隔装药爆破的机理,并确定合理的空气层比例是空气间隔装药爆破技术推广应用的重要研究课题,具有较高的技术价值及广阔的潜在工程应用前景。

3.5 孔底起爆爆破技术

孔底起爆爆破也称为反向起爆爆破,是由于正向起爆存在炮眼利用率低+爆破效率差等缺点而产生的。孔底炸药反向起爆后爆炸应力波由孔底向孔口传播,应力波的反射使爆炸应力场的作用增加,同时爆生气体压力增大+作用时间增长,发生残孔残药的可能减小。但该技术存在装药作业复杂,作业人员素质要求较高等缺点。反向起爆爆破示意图见图。张杰、刘志强、桂晓根等通过孔底起爆机理分析和工程应用认为,反向起爆爆破无论在爆破效果+掘进速度+爆破安全性等方面都优于正向起爆爆破。

孔底起爆爆破示意图

3.5 微差爆破

微差爆破也叫微差控制爆破,国际上惯称为毫秒延期爆破。是指在爆破施工中采用一种特制的毫秒延期雷管,以毫秒级时差顺序起爆各个(组)药包的爆破技术。微差爆破能有效地控制爆破冲击波、震动、噪音和飞石;操作简单、安全、迅速;可近火爆破而不造成伤害;破碎程度好,可提高爆破效率和技术经济效益。但该网路设计较为复杂;需特殊的毫秒延期雷管及导爆材料。

在炮采工作面采煤工艺中,最主要的工序是爆破落煤,对爆破工作的要求是:煤体破碎均匀,保证进度,工作面煤壁平直,不留顶、底煤,不破顶,不崩倒柱子,不崩翻溜子以及炸药雷管消耗低等。爆破效果的好坏直接影响着工作面的产量、效率和安全因此,要根据煤层的硬度、厚度、节理和裂隙发育程度及顶板的状况,正确地确定钻眼爆破参数。煤矿炮采工作面长期以来一直采用瞬发雷管串联分段放炮,顶板不稳定时,每次爆几个炮眼,甚至采用留煤垛间隔爆破方珐,该方法放炮次数多,工序时间长爆破效果差,工人劳动强度大,容易发生事故,制约着炮采工作面的产量和效率的提高。使用毫秒爆破技术,可以一次多放炮,减少顶板震动次数.爆破产生的地震波互相干扰抵消,从而减少了对顶板的震动,有利于顶板的管理,同时也有利于提高爆破装煤率。实践证明,毫秒爆破技术能更好地解决传统爆破工艺存在的问题,有较好的经济效益。

微差爆破作用原理:由于相邻深孔起爆间隔时间很短,在爆破过程中存在着复杂的相互作用,其主要作用原理是先爆孔为相邻的后爆孔创造新的自由面、应力波的相互迭加作用和岩块之间的碰撞作用,使被爆岩体获得良好的破碎,并相应提高了炸药能量的利用率。

(1)应力波迭加作用:先爆炮孔产生的压缩应力波,使自由面方向及孔与孔之间的岩石强烈变形和移动,随着微裂隙的产生和爆炸气体的扩散,孔内空腔压力下降,作用力减弱。

这时相邻药包起爆,后爆药包是在相邻先爆药包的应力尚未完全消失时起爆的,两组深孔爆炸应力波相互迭加,加强了爆炸应力场的作功能力。

(2)增加自由面作用:先爆的炮孔刚好形成了爆破漏斗,新形成的爆破漏斗侧边以及漏斗体外的细微裂隙对后爆的炮孔来说,相当于新增加了自由面,改善了爆破作用条件,从而使岩体得到良好的破碎。

(3)岩块相互碰撞作用:根据有关研究成果,爆后约150 ms岩石解体,岩块开始进入弹道抛掷和塌落阶段;而岩块移动的初速度为1416-25 m/s,平均速度1113-12 m/s。这样,当第一响炮孔起爆后,破碎岩块尚未回落到地表时,相邻第二、第三响炮孔也已起爆,岩块在空中相遇,产生了补充破碎作用。

(4)减少爆破地震作用:由于毫秒爆破显著减少了单响药量,因此无论在时间上,还是在空间分布上都减少了爆破震动的有害作用。如果毫秒延时选择得当,可能产生主震相的正负迭加,更加有效减小爆破震动的有害作用,既使错开主震相的相位,初震相和余震相迭加,也不会超过原来主震相的最大震幅。

3.6 松动爆破

松动爆破是炸药爆炸时,岩体被破碎松动但不抛掷。它的装药量只有标准抛掷爆破的40%- 50%。松动爆破的爆堆比较集中,对爆区周围未爆部分的破坏范围较小。松动爆破又分普通松动及加强松动爆破。松动爆破后岩石只呈现破裂和松动状态,可以形成松动爆破漏斗。加强松动爆破形成可见的爆破漏斗并产生少量抛掷作用。松动爆破是广泛应用的一种爆破方式,它常用于采矿、土方开挖等工程。

4、控制爆破技术发展建议

由于生产建设的需要,控制爆破这门新技术获得了飞速发展,解决了许多难度很大的工程问题,取得了明显的经济效益。但是,还存在一些巫待解决的间题。

4.1理论研究落后于生产实践

经过几百年的努力,岩土爆破的理论研究工作得到了进展,但仍落后于工程实践。控制爆破更是如此,爆破机理上还没有统一的理论,现有的装药量计算公式、爆破参数的选择等,大多是凭经验和工程类比法确定,缺乏完整的理论指导。为了安全,采用消极的防护,增加了工程费用,经济上很不合理。

4.2研制新的爆破材料,提高爆破效果

近年来,虽然研制了光面爆破专用炸药,以及塑性、粘性、挠性和耐热炸药,但性能不太稳定,且成本较高。燃烧剂与破碎剂的出现对安全生产有利,但作用缓慢,力量较小。因此,应进一步改进和提高现有的各种爆破材料,并研制新的适于控制爆破的材料。由于控制爆破具有特殊的用途和明显的经济和社会效益,其应用前景广阔。随着时代的发展和技术的进步以及控制爆破技术的进一步完善,控制爆破在国民经济建设的各个领域,尤其是在城市建设中,将会起到越来越重要的作用。

4.3 实现钻眼机械化

实现钻眼机械化是当前的重要任务之一。立井大型伞形钻架和重型轨道凿岩机的配套使用为立井深孔光面爆破技术的应用和发展提供了前提和保障,但其应用还未能普及。巷道

掘进中大型钻凿机械如凿岩台车、钻装机、钻装锚机虽也己被采用,但同立井一样,其普及程度仍很低。钻眼机械化的滞后发展,严重影响了新的爆破技术的应用,因此今后应该在努力全面实行采掘高效配套机械化的基础上,加快钻眼机械化的进程,研制钻眼装药综合机械,实现钻眼装药机械化。

4.4 善爆破技术的多方控制

实现多方控制化是各种爆破技术多年来共同努力的方向,工程爆破中的城市拆除爆破、抛掷爆破、松动爆破等都已成功地实现了安全和效果的双面控制。在煤矿爆破中控制尤为重要,主要表现在爆破时间、爆破能量、爆破顺序、爆破环境等方面对爆破机理、爆破质量、爆破方向、爆破产物、爆破危害、爆破效果等实行控制。目前煤矿井下已采用的有深孔爆破、光面爆破、微差爆破、松动爆破、定向爆破、安全爆破等。只要能够对各种爆破作业实行准确控制,钻眼爆破法的生命力就是无尽的。做好爆破控制工作,必将给煤矿安全、高效爆破带来美好前景。在近期应在大力加强研究与推广那些己见成效的控制爆破技术,如立井深孔高效光面爆破、岩巷掘进高延期毫秒爆破、无抛掷松动爆破、周边聚能切割成型爆破等。结合生产实践研究新的爆破技术,如适宜井下的防爆安全型非电导爆管起爆系统等。可见,煤矿控制爆破将是今后奋斗的首要目标。

5、前景展望

控制爆破技术的出现与应用是爆破器材发展史上的重要里程碑。采用控制爆破,可以在人口和建筑物密集的城市安全高效地进行建筑结构的拆除和土石方开挖,突破了城市这个“爆破禁区”,为爆破器材的应用开创了广阔的新天地;同时,控制爆破技术的发展,对矿山爆破作业起到了重大的促进作用,矿山爆破作业进一步走上安全、高效、低成本的正轨。

控制爆破技术的普遍应用也对爆破器材的品种及性能提出了新的要求。由于爆破对象的不同需要使用不同品种的炸药以合理地利用其能量,最大强度地破坏施爆对象并保护周围建筑不受损坏;水压爆破理论与应用技术的推广,对爆破器材的防水性又提出了新的要求;随着爆破拆除规模的增加和应用范围的拓广,对起爆间隔控制的精度要求也需要相应的提高。控制爆破技术是煤矿井下破岩的基本方法,钻眼爆破在安全和高效两个主要方面与高速发展起来的现代化机械破岩技术相比已面临严峻挑战,由于采用各种刀具切害」、滚压、研磨等破岩手段易于控制、安全可靠、且能连续有效地作业,因此目前在煤矿采掘中大有取代爆破法而成为采掘较为松散煤岩的主要方法。虽然在坚硬岩石中机械破岩尚有难度,但钻爆破岩法不能停滞,必需大力提高爆破的安全性和有效性,不断创新,不断进取。

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