CN104713432A - 一种爆轰波聚能的爆破方法 - Google Patents

Abstract

一种爆轰波聚能的爆破方法，属于工程爆破技术领域。其特征是通过多点连续起爆改变低爆速主装药在炮孔中的爆轰波分布，使爆轰波在炮孔径向碰撞形成局部的高压和高能量密度区域，促进岩石中的裂纹形成与发展，提高爆轰对岩石的破坏作用；同时，不降低炮孔中炸药的装填量，保证爆破装药的总能量；使低爆速主装药沿炮孔轴向均匀一致爆轰，提高低爆速主装药的能量利用率，确保爆轰的完全性。本发明的效果和益处是提高了爆轰对岩石的破坏能力；使低爆速主装药充分爆轰，提高爆破效率，降低作业成本；解决了竖井、巷道掘进、岩塞、地下孤石破碎、水下爆破等夹制力大的工程爆破难题。

Description

一种爆轰波聚能的爆破方法

技术领域

本发明属于工程爆破技术领域，尤其涉及一种爆轰波聚能的爆破方法。

背景技术

爆破工程被广泛应用于矿山开采、道路建设、水工工程、建筑基础建设等工程中。目前，在工程爆破中最常用是各种浅孔和深孔爆破，理论上均属于条形药包的装药形式。并且工程爆破所使用的炸药均以硝酸铵类炸药为主，如：多孔粒状铵油、乳化粉状炸药和乳化炸药等工业炸药，这类炸药相对于高能军用炸药而言爆速较低，爆速通常在2.0～4.0km/s之间。该类炸药本身对环境条件要求较高，很容易受温度、湿度、装药结构的影响。在使用深孔条形装药爆破时，在距离起爆点的远端常发生爆轰不完全的情况,不仅造成了资源的浪费，也降低了爆破效果，增加二次破碎和铲装的费用。因此，提高工业炸药的爆轰完整性就变得十分必要,专利CN 1556366 A曾提出了一种在药柱中心起爆，提高炸药能量利用率的方法，并达到一定的效果。

另外，将爆炸聚能效应用于工程爆破，有利于改善爆破质量，已经成为共识。但常用的聚能爆破都是采用成型装药的空穴聚能效应来实现的,即在炸药与炮孔之间遗留一定的气体空穴或带有金属聚能罩的空穴。如专利ZL200310120894.X，CN 202582379 U，CN 102735121 A，CN 102974944 A,CN 202853496U，CN 201016669 Y，CN 1556367 A等都是利用空穴聚能装置达到聚能爆破效果的。空穴聚能爆破由于炮孔中内留有空腔，不能充分利用炮孔容积,导致爆破装药量减小，虽然能够起到局部聚能的效用，但由于装药量的降低，使爆破总能量降低；再者，空穴聚能爆破的要点是必须保证空腔的形状与大小，所以必须使用成型药包，药包外壳和聚能罩大多使用塑料或金属材料，制作工艺复杂且耗料较多；当用于含水炮孔时，对聚能穴还必须进行密封，聚能穴一旦进水不但起不到聚能爆破效果，甚至不如普通爆破。如上所述，空穴聚能爆破的成本较高，在水下使用较为困难、风险大，不能充分利用炮孔装药容积。因此，目前空穴聚能爆破并没有在工程爆破中得到广泛应用，仅被用于工程质量要求极高的边坡预裂爆破、隧道光面爆破等。

多点起爆技术(爆轰波聚能)是一种新型的战斗部定向飞片控制技术(如：孙兴昀，定向战斗部偏心多点起爆技术及其增益效能研究，南京理工大学硕士论文，2013年；黄静等，多点偏心起爆对破片速度增益的影响，现代防御技术，2011年6期.)，这种多点起爆技术可以通过缩短主装药的反应时间，在炸药中利用爆轰波的碰撞产生聚能效应，提高炸药驱动飞片的能量利用率。然而，由于爆轰波聚能必须用设置多个起爆点，调控起爆时间差，即使是同步起爆也必须使用微秒同步雷管才能实现。而工业雷管的同步时间一般为1～10毫秒量级，相差1000～10000倍，所以多点起爆的爆轰波聚能技术主要应用于爆炸成型弹丸控制这类军用产品中，在工程爆破中几乎无法应用。目前，只有发明专利ZL200310120894.X提出了用两条高爆速炸药起爆工业炸药，提高主装药驱动聚能切割飞片能力的方法。直接将多点连续起爆用于岩土爆破工程尚未见报道。因此，如何低成本、有效地在工程爆破中实行多点连续起爆，通过改变工业炸药在炮孔中爆轰波的分布，实现爆轰波聚能；以及通过什么样的爆轰波聚能方式提高炸药对岩石介质破坏效果，保证炸药的装填量，提高炸药的能量利用率，并且安全、稳定；均是爆破工程中亟待解决的问题。这些问题的解决会为硬岩爆破、采掘块度控制、隧道掘进、水下爆破等提供一种高效的新型聚能爆破方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在炮孔中实现爆轰波聚能的新型爆破方法，旨在通过多点连续起爆改变工业炸药在炮孔中的爆轰波分布，使爆轰波在炮孔径向碰撞形成局部的高压和高能量密度区域，使炮孔周向形成不均匀的压力场，促进岩石中的裂纹形成与发展，提高炸药爆轰对岩石的破坏作用。同时，不降低炸药在炮孔中的装填量，保证爆破装药的总能量。并使炸药沿炮孔纵向(轴向)均匀一致爆轰，提高低能炸药的能量利用率，确保炸药爆轰的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

沿炮孔装药段通长布置多条高爆速炸药作为起爆药，并使高爆速药条在炮孔周向均匀布置，在炮孔中装填低爆速的工业炸药作为主装药。当炸药在炮孔中任意一点起爆后，高爆速药条先于低爆速主装药爆轰，并带动主装药起爆；待主装药起爆时，其中的爆轰波就会在两条起爆药条之间发生汇聚，爆轰波在该点产生斜反射或马赫反射，汇聚点压力增加到炸药爆压的2倍以上，产生爆轰波聚能效应。沿炮孔周向看，由于爆轰波汇聚点压力远高于其他部位，在炮孔四周的岩石中造成了多条突出的开裂区，岩石沿开裂区形成应力集中进一步破坏，因此提高了主装药对岩石的破坏能力。

炸药正常爆轰压力用下式求解：

$P=\frac{1}{K+1}{\mathrm{\ρ}}_0{D}^2---\left(1\right)$

式中：K为炸药多方指数，高能炸药取值3；低能炸药取值为1.5-2.8；ρ₀为炸药的装药密度；D为炸药爆速。对于导爆索等高能炸药，其爆轰压力达14GPa，而对于硝酸铵类工业炸药，其爆轰压力只能达到上述炸药的40％。

爆轰波正反射前后的压力之比β₁与炸药多方指数K之间的关系式为(参见：刘杰,杜忠华,王锋,等.基于爆轰波碰撞形成LEEP的研究[J].工程力学,2014,31(8):235-242.)：

${\mathrm{\β}}_1=(5K+1+\sqrt{{17K}^2+2K+1})/4K---\left(2\right)$

取K值为3，可见碰撞造成压力增加比例为2.39倍。

当汇聚爆轰波碰撞角度达到一定值时，会产生马赫反射。根据斜冲击波马赫反射理论，将马赫反射段爆轰波的能量释放近似认为与正常爆轰相同时，则马赫反射后的爆压与正常爆压的比值β₂可用下式表述(参见：孙新利等.内爆冲击动力学[M].西北工业大学出版社.)：

β₂＝1/(1-cosα)         (2)

式中：α表示爆轰波的入射角。

由上式可知，当爆轰波的入射角达到45°时，爆压比值达到3.41倍，远超过正反射的2.39倍。由此，通过爆轰波的汇聚碰撞能达到使低爆速炸药增压的目的。

具体技术方案按如下程序进行：

1)预制药包方法：

根据需要选择高爆速起爆炸药(1)的条数，高爆速起爆炸药(1)与柱形低爆速主装药(2)等长，沿周向均分并均匀粘结固定在柱形低爆速主装药(2)包上即可。使用时，与普通爆破相同，按设计装药长度将多个药包直接置入炮孔中，可任意选择一个药包放置雷管。适用于乳化炸药、管药等。

2)支架固定起爆药条方法：

对于散装的粉状、粒状装药，以及机械现场装药，使用塑料、竹、木等安全材料预制成支架，将高爆速起爆药条(1)沿周向均匀粘结在支架上。进行装药作业时，向炮孔底部放置起爆支架，然后装药；当装药高度达到支架高度时，投入新的起爆支架连续作业，直至装药完毕。可任意选择一个支架位置放置雷管。

在上述爆轰波聚能爆破方法中的具体参数规定如下：

1)高爆速起爆药条(1)的条数必须在两条以上，否则达不到爆轰波聚能的效果，而从成本的角度考虑，高爆速起爆药条(1)的条数又不宜过多，按常用的最大炮孔孔径350mm计，高爆速起爆药条(1)的条数不宜超过8条，故高爆速起爆药条(1)的条数为2～8条。

2)当起爆药条距离过近时，汇聚爆轰波的高压作用时间会减少，会影响岩石中聚能裂纹的深度，该发明适用的炮孔孔径为32～400mm。

3)高爆速起爆药条(1)的爆速必须大于低爆速主装药(2)的1.155倍，否则也达不到爆轰波聚能效果。炮孔中高爆速起爆药条(1)先于低爆速主装药(2)爆轰并起爆低爆速主装药(2)，在低爆速主装药(2)中形成斜爆轰波，爆轰波的斜角α几何关系式如下：

D/D₀＝1/sinα          (3)

其中：D为高速起爆炸药(1)的爆速；D₀为低爆速主装药(2)的爆速。要保证爆轰波汇聚压力在2倍以上，按式(2)计算α大于等于60度；因此，计算出D/D₀为1.155，考虑到目前常用高能炸药爆速不超过8000m/s,而爆破用工业炸药爆速一般不小于2000m/s，故高爆速起爆药条(1)的爆速为低爆速主装药(2)的1.155～4倍。

4)除上述要求外，按一般炸药起爆技术要求，高爆速起爆药条(1)的每米装药量必须达到可靠起爆低爆速主装药(1)的用量，当高爆速起爆药条(1)没有起爆低爆速主装药(2)的能力时，用高爆速炸药与次级起爆药共同组成有起爆能力的高爆速起爆药条(1)。在水下应用时，高爆速起爆药条必须采用防水炸药或进行可靠的防水处理。高爆速起爆药条(1)必须具有在工程爆破中使用的安全性。目前，可制成高爆速起爆药条(1)的品种有很多，如：以RDX或PETN为主要成分的橡胶药条、细震源药柱、硝化甘油添加硝铵的药柱、金属壳导爆索、普通工业导爆索等等，综合考虑一般以使用普通工业导爆索为最佳。工业导爆索爆速大于6500m/s,常用工业炸药的爆速均在4500m/s以下，爆速比大于1.44，满足爆速要求；一般12g/m的工业导爆索具有8#雷管的起爆能力，可以直接用于起爆有8#雷管感度的工业炸药；当主装药没有雷管(8#)感度时，可在导爆索上附加有雷管(8#)感度的管药作为次级起爆药。

本发明的效果和益处是：

1)本发明通过改变爆轰波的传播方式，增大炸药对炮孔局部的爆轰压力，提高了爆轰对岩石的破坏能力和爆破效率。

2)由于高爆速起爆药条(1)在炮孔中通长布置，可以带动整个炮孔中的低爆速主装药(2)充分爆轰，避免了低爆速主装药(2)不充分爆轰的问题。

3)与空穴聚能爆破法相比，本发明能够使整个炮孔横截面上装满炸药，充分利用了炮孔的装药空间，提高了炮孔的利用率；同时，由于没有空穴，更加适于水孔或水下爆破；也不会由于空穴失效引起爆破效果的巨大变化。

4)由于本发明提高了爆轰对岩石的破坏作用，使低猛度炸药满足硬岩爆破的要求；解决了竖井、巷道掘进、岩塞、地下孤石破碎、水下爆破等夹制力大的工程爆破难题。

附图说明

图1是炮孔装药结构纵剖面图；

图2是炮孔装药结构A-A横截面图；

图中：1 高爆速起爆药条；2 低爆速主装药；3 岩体；4 雷管；5 填塞；6导爆管。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实施例1

直径1m的桩井爆破实施例。采用直径32mm钻头钻孔，掏槽孔钻孔深度1m，崩落孔钻孔深度0.8m,在同样孔网参数情况下进行普通爆破与爆轰波聚能爆破对比实验，实验过程中严格控制两桩井的装药量一致，共进行三组。

作业时，用直径32mm、爆速3200m/s的2号岩石乳化炸药管药作为低爆速主装药(2)，用爆速大于6500m/s的两根工业导爆索作为高爆速起爆药条(1)。现场预制药包，采用胶带将两根导爆索对称粘贴在乳化炸药的两侧，根据桩基实际所需装药量进行装药，掏槽孔装两管药，每管长度200mm,在其中一管起爆药条上连接雷管(4)，崩落孔装一管药；装药完成后，采用钻渣进行填塞(5)。普通爆破除没安装导爆索外，按相同爆破参数进行爆破。

爆破后，应用该方法与常规爆破进行对比。结果表明，在1m深炮孔的桩井中，应用该发明的聚能爆破的开挖深度平均为1.1m，普通爆破则平均为0.9m，开挖深度提高137.5％；爆后进行了初略的岩石块度测量，岩块最大直径由常规的约50cm降低约40cm，岩块体积下降51.2％。爆破效果良好。

实施例2

为定量地确定炸药爆轰聚能方法对炸药作功能力的提高值，为大型爆破设计提供依据。本实例中根据国家标准《炸药作功能力试验铅壔法》(GB12436-90)设计了起爆方法对炸药作功能力影响的对比试验。试验分8#雷管、中心双导爆索、对称双导爆索起爆三组试验，分别测量铵油炸药的作功能力。

雷管起爆炸药的作功能力试验是严格依照国家标准实行的，测得所使用铵油炸药的扩孔体积为231.89ml。中心双导爆索起爆时，将两根并拢的导爆索在药柱中心插至孔底，在外部用雷管引爆；同时测量导爆索本身的扩孔体积，扣除导爆索作用后得到扩孔体积为261.14ml。

应用本发明的爆轰波聚能爆破时，采用靠孔边对称的两根导爆索起爆，首先将导爆索对称固定在支架上，送入铅壔预留孔直至孔底，然后装填铵油炸药，在用石英砂填孔后，然后在外部安装雷管引爆导爆索起爆。爆破后，测量扩孔体积并扣除导爆索体积，该发明得到的炸药扩孔体积为259.19ml。可见与中心高速起爆的爆力几乎相同，而较原始硝铵炸药的爆力提高到111.8％,仅仅是起爆方式的变化使铵油炸药的整体作功能力提高了11.8％。另外，对爆破后的三组铅壔孔深度变化也进行了测量，本发明方法的爆后铅壔孔深度增加了18mm，较中心双导爆索起爆的15.5mm增加了16.13％，较雷管起爆的10mm增加了80％。这说明本发明的爆破方法在提高炸药整体作功能力的同时，也有很好的局部聚能作用。

实施例3

以PVC塑料条加工成长1m的四腿支架，外径约为100mm，在支架上捆扎好4条导爆索作为高爆速起爆药条(1)。将该支架送入直径φ115mm炮孔后，装填粉状铵油炸药作为低爆速主装药(2)，当炸药装填至1m深度时，放入第二个支架，再装药，8m深炮孔共装入高爆速起爆药条(1)支架5个，低爆速主装药(2)长度5m,雷管与起爆药包放置在装药深度3m处。最后，以钻渣填塞(5)，填塞(5)长度为3m。孔外连线与常规爆破相同，过去常规爆破出现大面积需要二次破碎的大块，而应用本发明后没有发现需要二次破碎的大块，未见因炸药不完全爆轰产生的黄烟，铲装效率大幅改善，爆破效果较好。

实施例4

12m高梯段的石灰岩爆破，炮孔直径140mm，钻孔深度13m,超深1m，孔排距分别为7m与4.5m，常规爆破时采用孔内外微差爆破，两孔一响，单段起爆药量约为270kg,单耗0.36kg/m³。爆破后常出现需要二次破碎的大块，并常有炸药不完全爆轰的黄烟。

使用本发明，以PVC塑料条加工成长1m的长方形支架，外径约为130mm，在支架上捆扎好2条导爆索作为高爆速起爆药条(1)，并在导爆索上绑扎2#岩石乳化炸药作为次级起爆药包。将该支架送入直径φ140mm炮孔后，装填多孔粒状铵油炸药作为低爆速主装药(2)，当炸药装填至1m深度时，放入第二个支架，再装药，13m深炮孔共装入高爆速起爆药条(1)支架9个，低爆速主装药(2)长度8.5m,雷管与起爆药包放置在装药深度4m处，与导爆索相连。最后，以钻渣填塞(5)，填塞(5)长度为4.5m。孔外连线与常规爆破相同，爆破后没有发现需要二次破碎的大块，也未见因炸药不完全爆轰产生的黄烟，铲装效率大幅改善，爆破效果良好。

Claims (1)

1.一种爆轰波聚能的爆破方法，其特征是：

a)在整个炮孔中通长布置多条高爆速起爆药条(1)，高爆速起爆药条(1)沿炮孔内壁周向均匀布置，通过高爆速起爆药条(1)起爆炮孔中的低爆速主装药(2)；

b)高爆速起爆药条(1)与低爆速主装药(2)的爆速比为1.155～4倍；

c)高爆速起爆药条(1)的条数为2～8条；

d)当高爆速起爆药条(1)没有起爆低爆速主装药(2)的能力时，用高爆速炸药与次级起爆药共同组成有起爆能力的高爆速起爆药条(1)。