二氧化碳膨脹爆破不同步影響因素探究

朱寬 ，徐添福 ，劉保陽 ，周桂松 ，鐘冬望，武森

(1.葛洲壩易普力(湖南)科技有限公司， 湖南 瀏陽市 410300；2.中國葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司， 重慶 401121；3.武漢科技大學(xué)， 湖北 武漢 430000；4.湖南省訓(xùn)保軍訓(xùn)器材有限公司， 湖南 瀏陽市 410300)

0 引言

二氧化碳膨脹爆破技術(shù)起源于 1930年代的歐美，1990年代被引入我國。該技術(shù)是一種以物理爆炸為主的破巖方法，其破巖機(jī)理和以強(qiáng)爆炸應(yīng)力波作用為主的炸藥類爆破方式不同，做功主要依靠相變產(chǎn)生的氣體膨脹能，不僅能量轉(zhuǎn)化利用的效率高，而且有利于減輕爆破振動、沖擊波、飛石、粉塵、有毒氣體等安全環(huán)保的壓力。同時，二氧化碳液-氣相變?yōu)槲鼰徇^程，不會產(chǎn)生火花而導(dǎo)致瓦斯爆炸事故。這種安全環(huán)保上的獨(dú)特優(yōu)勢，使其非常適用于臨近建筑物爆破、水下爆破、煤礦瓦斯抽采等作業(yè)場合，可成為傳統(tǒng)炸藥類爆破方式的有益補(bǔ)充。

近年來，二氧化碳膨脹爆破技術(shù)在中國已得到廣泛推廣應(yīng)用。煤炭科學(xué)研究總院爆破技術(shù)研究所郭志興[1]通過在平頂山礦務(wù)局七礦地面進(jìn)行爆破筒試驗，初步驗證了二氧化碳爆破的安全性、便捷性?；茨系V業(yè)學(xué)院徐穎、程玉生[2-3]建立了一套高壓氣體爆破模擬實驗系統(tǒng)，開展了高壓氣體爆破作用機(jī)理及破煤塊度方面的研究工作。國防科大李必紅、夏軍[4-5]等開展了二氧化碳膨脹爆破技術(shù)在隧道、礦山、市政工程中的應(yīng)用。中南大學(xué)周科平等[6]通過實驗室測定液態(tài)二氧化碳爆破系統(tǒng)爆破管內(nèi)壓力，獲得了膨脹管內(nèi)膨脹壓力與時間關(guān)系曲線。中煤科工集團(tuán)殷衛(wèi)峰[7]通過現(xiàn)場試驗對比了3種壓裂方式在標(biāo)準(zhǔn)靶中的造縫效果，并給出了不同致裂方式的效果對比。中國礦業(yè)大學(xué)孫建中[8]、煤科院孫小明[9]、河南理工大學(xué)董慶祥、王兆豐等[10]通過不同方式對二氧化碳相變膨脹能進(jìn)行了計算，計算得出其能量范圍為0.15 kg～0.22 kg TNT當(dāng)量。

二氧化碳膨脹爆破技術(shù)在工程爆破領(lǐng)域的應(yīng)用目前以臨近保護(hù)建構(gòu)筑物的礦山工程、市政工程居多，多采用多根致裂管進(jìn)行串聯(lián)同時起爆，但爆破過程中時常出現(xiàn)多根致裂管爆破不同步現(xiàn)象，特別是在同一炮孔中裝填多根致裂管時，如果起爆時間相差過大，先爆破致裂管易使后爆破致裂管出現(xiàn)變形，影響爆破效果，甚至出現(xiàn)“飛管”現(xiàn)象，產(chǎn)生很大的安全隱患。因此，研究二氧化碳膨脹爆破的同步性問題，對于改善爆破效果具有重要意義。影響爆破不同步的因素很多，組網(wǎng)方式、電阻大小、致裂管結(jié)構(gòu)、氣體充裝質(zhì)量誤差、激發(fā)管與膨脹管配比、孔網(wǎng)參數(shù)等均可能不同程度造成爆破不同步現(xiàn)象，筆者主要選擇對爆破不同步影響最直接的幾個因素剖析，進(jìn)而提出改進(jìn)措施。

1 電點(diǎn)火頭電阻的影響

目前，二氧化碳膨脹爆破致裂管中的激發(fā)管主要采用的是煙花行業(yè)用的電點(diǎn)火藥頭，電點(diǎn)火藥頭的核心是一種電發(fā)熱材料，在電熱材料的周圍裹上一層點(diǎn)火藥物構(gòu)成點(diǎn)火頭，點(diǎn)火藥物成分主要包括苦味酸鉀、高氯酸鉀、氧化鐵紅、硅粉、聚乙烯醇等。當(dāng)通過一定大的電流，使電發(fā)熱材料產(chǎn)生高熱，引燃藥物形成高溫火球，從而達(dá)到點(diǎn)火目的。電點(diǎn)火頭的起爆電流一般為0.8 A，安全電流為0.25 A。實踐證明，通過電發(fā)熱材料的電流必須大于0.8 A，才能使電點(diǎn)火頭全點(diǎn)火。根據(jù)焦耳定律，Q=I2Rt，其中Q為發(fā)熱量，I為通過電流，R為電阻值，t為作用時間。目前激發(fā)管中使用的電點(diǎn)火頭電阻差別較大，一般在0.9 Ω～1.1 Ω之間，最大偏差能達(dá)到0.2 Ω，當(dāng)起爆器導(dǎo)通起爆后，采用串聯(lián)電路雖然使每個激發(fā)管中的電點(diǎn)火藥頭電流均一致，但是因電阻差別導(dǎo)致發(fā)熱量不一致，因而每個點(diǎn)火頭升溫速率也有所差異，進(jìn)而導(dǎo)致激發(fā)管激發(fā)致裂管中的液態(tài)二氧化碳相變的時間也不同，故而出現(xiàn)爆破不同步的現(xiàn)象。

以國內(nèi)某石灰石礦山項目為例，巖石抗壓強(qiáng)度為50 MPa～80 MPa，表面中度風(fēng)化，內(nèi)部弱風(fēng)化。采用89#孔外充氣一次性管施工，管徑為89 mm，長度1.0 m，充裝二氧化碳?xì)怏w3.8 kg。激發(fā)管長度為0.8 m，使用藥劑600 g，在激發(fā)管內(nèi)均勻設(shè)置3個點(diǎn)火頭。鉆孔直徑為115 mm，孔深5 m，孔距設(shè)定為1.8 m，排距設(shè)定為1.5 m，底盤抵抗線不大于1.5 m，梅花形布孔，共布置3排炮孔，對91根致裂管采用串聯(lián)同時起爆，總電阻為 387 Ω，采用CHA-1000E型起爆器起爆。采用高速攝影儀采集圖像后進(jìn)行圖片逐幀分離，得到起爆后不同時刻的巖石運(yùn)動狀態(tài)，如圖1所示。從圖1中可知，t1=13.217 s時，1#部位開始運(yùn)動；t3=13.533 s時，1#部位完全裂開；t4=13.883 s時，2#部位開始運(yùn)動，并在t6=14.550 s時完全裂開。整個過程中1#部位和2#部位之間的起爆時差達(dá)到0.666 s。

圖1 不同時刻巖石運(yùn)動狀態(tài)

因此，為減小爆破不同步問題，應(yīng)在激發(fā)管生產(chǎn)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)，選擇電阻誤差小，可靠度高的電點(diǎn)火藥頭作為原材料，同時做好防潮處理，減少環(huán)境因素對電點(diǎn)火頭電阻的影響。

2 致裂管結(jié)構(gòu)的影響

2.1 重復(fù)性致裂管

目前致裂管主流產(chǎn)品有3種，分別為孔外充氣重復(fù)管、孔外充氣一次性管和孔內(nèi)充氣一次性管。英國CARDOX公司開發(fā)研制的液態(tài)二氧化碳相變致裂裝置稱為 Cardox管，其基本部件有儲液管、點(diǎn)火發(fā)熱劑（也稱激發(fā)管、活化劑）、定壓卸能片和卸能頭，如圖2所示。已有的試驗和研究成果顯示，液態(tài)二氧化碳受熱相變后體積膨脹達(dá)到600倍以上，瞬間爆破壓力范圍在100 MPa～300 MPa之間，能夠滿足煤巖和大多數(shù)巖體致裂、推移的要求。Cardox管為孔外充氣重復(fù)管的代表產(chǎn)品。重復(fù)管的壁厚一般在7 mm以上，甚至厚達(dá)20 mm，定壓泄能片的厚度可根據(jù)需要調(diào)整，壓力測試表明，4 mm厚的定壓片其峰值相變壓力可達(dá)160 MPa，6 mm厚的定壓片其峰值相變壓力可達(dá)270 MPa。因重復(fù)管壁厚遠(yuǎn)大于定壓片厚度，致裂管管體的承壓能力較強(qiáng)，當(dāng)致裂管內(nèi)峰值壓力超過定壓片的抗剪切強(qiáng)度時，定壓片即被擊穿泄能，如圖3所示。因破裂位置固定，可靠性較高，炮孔周邊充填的密實性等基本不會影響致裂管正常做功，因而對起爆同步性影響較小。

圖2 重復(fù)管的結(jié)構(gòu)

圖3 定壓片破裂前后對比

2.2 孔外充氣一次性致裂管

國內(nèi)工程應(yīng)用的孔外充氣一次性膨脹管其結(jié)構(gòu)基本一致，它是在孔外充氣重復(fù)管的基礎(chǔ)上省略了定壓片和泄氣頭等部件，直接通過氣體相變膨脹使致裂管體破裂而對外做功，其膨脹管為壁厚 4 mm～5 mm的無縫鋼管?？淄獬錃庖淮涡怨芤?guī)避了重復(fù)管中的管體笨重，且容易出現(xiàn)“飛管”等安全問題，操作便捷性大幅提升。但因孔外充氣一次性管無定壓片，管體破裂的隨機(jī)性較高，致裂管何時開始破裂主要取決于整根致裂管中最薄弱部位。在工程實踐中致裂管一般沿著頂部劈開，會形成1/2～2/3致裂管長度的致裂縫，見圖4（a），當(dāng)致裂管管體強(qiáng)度均勻時，致裂管會形成貫穿整管的致裂縫，見圖4（b）。當(dāng)出現(xiàn)焊接不牢固的情況下，在氣體相變膨脹過程中會出現(xiàn)堵頭直接沖開的情形，見圖4（c）。對于孔外充氣一次性膨脹管，當(dāng)不同孔內(nèi)的致裂管破裂方式不一樣時，氣體相變后泄壓時間會有明顯的不一致，因而出現(xiàn)不同步的情形。

圖4 孔外充氣一次性致裂管爆破后殘片

2.3 孔內(nèi)充氣一次性致裂管

近年來，在孔外充氣一次性管的基礎(chǔ)上，國內(nèi)以深圳凱強(qiáng)力為代表的致裂管生產(chǎn)單位對產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步升級，研制開發(fā)了孔內(nèi)充氣一次性致裂管產(chǎn)品，如圖5所示。該產(chǎn)品主要利用孔壁的反作用力，使壁厚削減為1.0 mm～1.5 mm，稱為“塑紙管”。在現(xiàn)場先將膨脹管裝入炮孔并填塞密實，然后將充氣設(shè)備運(yùn)輸至爆破區(qū)域，利用預(yù)留的充氣管進(jìn)行現(xiàn)場充氣。該產(chǎn)品很好地利用了孔壁的圍壓，使產(chǎn)品更加輕巧便捷，可一定程度降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。同時，充氣過程均為在孔內(nèi)填塞后進(jìn)行，可提高使用過程的安全性。

因孔內(nèi)充氣一次性致裂管管壁較薄，在無約束環(huán)境下，致裂管承受壓能力僅為5 MPa～10 MPa。而液態(tài)二氧化碳充裝壓力一般為8 MPa～12 MPa，略高于致裂管的承壓能力，如果致裂管裝入炮孔后填塞不密實極易出現(xiàn)管體在氣體相變前先發(fā)生變形或撕裂，延長起爆時間，甚至出現(xiàn)拒爆情形。特別是二氧化碳膨脹爆破在礦山項目應(yīng)用中主要以石灰石項目居多，在石灰石巖層中，溶洞、裂隙巖體、軟弱夾層等情況大量存在，對于爆破不同步的問題尤其應(yīng)該重視。

圖5 孔內(nèi)充氣一次性致裂管

以國內(nèi)某項目孔內(nèi)充氣一次性致裂管施工項目為例，巖石為石灰石，中度風(fēng)化。采用 76#管施工，管徑為76 mm，長度1.4 m，充裝5 kg二氧化碳?xì)怏w。炮孔孔徑為90 mm，深度為6.0 m，孔距為1.5 m，排距為1.3 m，布置3排炮孔。采用串聯(lián)電路起爆（見圖6），采用高速攝影儀采集圖像后進(jìn)行圖片逐幀分離，得到起爆后不同時刻的氣體釋放狀態(tài)圖，如圖7所示。在t1=6.867 s時，觀察到1-1#炮孔開始釋放氣體，t3=7.292 s時，1-4#炮孔開始釋放氣體，t4=7.504 s時，第3-1#炮孔開始釋放氣體，從t5=7.823 s到t6=9.274 s之間，1-5#、1-6#、2-4#、2-5#等幾個炮孔在1.4 s時間內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)、緩慢釋放氣體狀態(tài)，臺階整體未松動。此次爆破失敗的直接原因為堵塞質(zhì)量不合格，致裂管與孔壁之間的間隙填塞不密實，使致裂管破裂前已經(jīng)發(fā)生相變變形，孔口段堵塞不密實使致裂管進(jìn)一步變形，管內(nèi)體積增大，相變壓力降低，雖然該壓力可使管體發(fā)生破裂，但釋放的壓力已降低至巖石抗壓強(qiáng)度以下，不足以破壞巖石，氣體只能將堵塞料沖開后從孔口緩慢釋放。

圖6 炮孔布置

圖7 不同時刻炮孔氣體釋放狀態(tài)

3 激發(fā)管藥劑與氣體質(zhì)量配比的影響

同樣質(zhì)量的激發(fā)管只能激發(fā)對應(yīng)質(zhì)量的液態(tài)二氧化碳，使其在環(huán)境溫度上升到31.4℃以上時瞬間相變，從而對外做功。當(dāng)不同致裂管中的激發(fā)管藥劑與氣體質(zhì)量配比不一致時，則參與相變的液態(tài)二氧化碳也不一致，并造成致裂管內(nèi)壓力-時間曲線出現(xiàn)差異，達(dá)到重復(fù)管中定壓片剪切強(qiáng)度或一次管中管體破裂強(qiáng)度的時間也會不同，從而造成爆破不同步現(xiàn)象。一般而言，在同一型號致裂管中安裝的激發(fā)管重量誤差可控制在±1%以內(nèi)，但致裂管中的液態(tài)二氧化碳充裝質(zhì)量卻有較大差異。充裝機(jī)上的氣體流量顯示只能作為參考，實際主要通過稱量膨脹管充裝前后的質(zhì)量差來計算實際充裝量。

激發(fā)藥劑與管液體二氧化碳?xì)怏w的最佳配比，對減少充氣質(zhì)量誤差對爆破不同步的影響尤為重要，該配比可通過試驗獲得。選用湖南某公司生產(chǎn)的激發(fā)管藥劑，采用改進(jìn)的 95#重復(fù)管進(jìn)行試驗，管徑為95 mm，管長65 cm，充裝3 kg液態(tài)二氧化碳?xì)怏w（見圖8）。通過調(diào)整激發(fā)管藥劑重量來試驗不同配比下的激發(fā)效果，在試驗坑中激發(fā)后得到的爆破結(jié)果見表1。從表1中的試驗結(jié)果可見，當(dāng)激發(fā)管藥劑配比大于1:7.6時，激發(fā)管均有殘藥剩余，當(dāng)激發(fā)管藥劑配比小于 1:8.7時，激發(fā)管藥劑完全參與反應(yīng)，無殘藥，而在配比為 1:7.6時，殘藥量已非常少，可推測最佳配比在 1:8.0左右。工程實踐中可根據(jù)此配比來調(diào)整不同致裂管中的液態(tài)二氧化碳充裝量，以保障各致裂管中氣體相變后壓力保持一致，提高做功的同步性。

表1 不同激發(fā)管藥劑與液態(tài)二氧化碳配比做功試驗結(jié)果

圖8 400 g激發(fā)管藥劑匹配3.04 kg液態(tài)二氧化碳爆破效果

4 結(jié)論

通過理論分析與現(xiàn)場實踐，研究了電點(diǎn)火頭電阻值、致裂管結(jié)構(gòu)及激發(fā)管藥劑與二氧化碳?xì)怏w質(zhì)量配比等對二氧化碳膨脹爆破不同步的影響，得出結(jié)論如下：

（1）二氧化碳膨脹爆破電起爆方式宜采用串聯(lián)電路，串聯(lián)電路影響爆破不同步的主要原因為電點(diǎn)火頭的電阻誤差造成不同電點(diǎn)火藥頭功率大小不一致，升溫速率有差異，從而影響激發(fā)管激發(fā)先后順序；

（2）不同膨脹管結(jié)構(gòu)中，重復(fù)性致裂管同步性較好，影響孔外充氣一次性管不同步的主要因素為致裂管的破裂方式，孔內(nèi)充氣一次性管爆破同步性受填塞質(zhì)量影響較大；

（3）國內(nèi)某公司試驗獲得的激發(fā)管藥劑與液態(tài)二氧化碳質(zhì)量最佳配比約為 1:8，根據(jù)此配比可合理配置不同致裂管中的二氧化碳充裝量，確保氣體相變后壓力保持一致，提高爆破同步性。