綠色數(shù)字智能爆破在地下水封石油洞庫的應(yīng)用探討

高 靜

(中國安能集團第三工程局有限公司，四川 成都 611135)

1 綠色數(shù)字智能爆破

自從我國古人發(fā)明了黑火藥，人類文明和進步有了長足的進展，1867～1875年，諾貝爾發(fā)明了硝化甘油炸藥、硝化棉炸藥和雷管，強力推進了爆破技術(shù)的發(fā)展。20世紀人類經(jīng)歷了兩次世界大戰(zhàn)，對炸藥進行的研究達到了一個空前的高度。上世紀50年代，乳化炸藥、導(dǎo)爆管起爆、微差爆破、靜態(tài)爆破、控制爆破等技術(shù)逐漸發(fā)展并走向成熟。進入新世紀，科技發(fā)展日新月異，全球信息化和智能化突飛猛進，為工業(yè)技術(shù)帶來了一場新革命，工程爆破技術(shù)亦產(chǎn)生了新的飛躍，我國的爆破技術(shù)在大量工程和理論研究的基礎(chǔ)上，通過馮叔瑜、汪旭光、盧文波、謝賢啟等的努力，提出了精細爆破概念，并于2008年3月30日在武漢召開了中國工程爆破學(xué)會“精細爆破[1]”研討會。目前，數(shù)字化、智能化、綠色工程爆破技術(shù)的研究已起步，期待著我們?nèi)プ灾鲃?chuàng)新、實現(xiàn)爆破技術(shù)的新突破。

數(shù)字智能爆破系指建立在數(shù)字基礎(chǔ)之上，利用智能化的手段對爆破能量和爆破作用過程實施精確的控制，以實現(xiàn)爆破效果和爆破危害的智能控制。數(shù)字智能爆破主要利用數(shù)字技術(shù)和智能技術(shù)，注重爆破力學(xué)、巖石動力學(xué)、材料力學(xué)和工程爆破等相關(guān)學(xué)科的最新研究成果，利用計算機信息處理技術(shù)、數(shù)字模擬技術(shù)、智能技術(shù)，對爆破設(shè)計、施工方案和參數(shù)進行數(shù)字化、智能化，以求精準實現(xiàn)爆破意圖。

2 綠色數(shù)字智能爆破的幾項關(guān)鍵技術(shù)

2.1 爆破材料的數(shù)字化和智能化

對于爆破器材，特別是雷管從火雷管、瞬發(fā)電雷管到秒雷管、毫秒雷管，再到數(shù)碼雷管[2]，現(xiàn)實起爆時間從無法控制到精準數(shù)字控制。目前，對于炸藥，各國也做了很多工作，例如：俄羅斯研發(fā)了一種可用于光面爆破的低能炸藥，其在傳統(tǒng)乳化炸藥中摻入高分子聚苯乙烯顆粒，密度為0.52 g/cm3，爆速為2 440 m/s。印度在地下工程光面爆破中所用的低能炸藥(摻惰性材料)：密度為0.6～0.7 g/cm3，爆速為1 800～2 220 m/s。

目前，對爆破器材的數(shù)字化、智能化等的研究方興未艾，發(fā)展十分迅猛。

總的來說，進入新世紀后，新型炸藥的研發(fā)也進入了嶄新階段，對高性能可調(diào)炸藥、高性能炸藥、低爆速炸藥、高威力炸藥、水下爆破專用炸藥以及零氮和零碳排放的綠色炸藥的研究方興未艾。但其最主要的問題是：對炸藥的智能開發(fā)仍然是瓶頸，炸藥實現(xiàn)能量的控制還有相當大的難度，特別是針對不同的巖土體或爆破體能智能的控制能量的釋放仍有許多工作需要研發(fā)，有很多問題需要研究。

另外，除工業(yè)炸藥外的新的破碎能，如液態(tài)二氧化碳、激光、高壓脈沖、高壓射流等正在得到應(yīng)用和研究，已成為新型的破碎能源或補充能源。

2.2 爆破設(shè)計的智能化和自動化

主要包括以下幾方面的設(shè)計：

(1)爆破總體方案的智能設(shè)計。主要針對不同的爆破對象智能選取爆破方案。例如高邊坡開挖，可以根據(jù)邊坡的高度、巖石的類別等現(xiàn)場實際情況，智能比較選取爆破方案，如淺孔梯段爆破，還是深孔梯段爆破，或者其他爆破方式。

(2)爆破參數(shù)的智能化設(shè)計。就是在爆破總體方案的基礎(chǔ)上對鉆孔直徑、深度、孔間排距、炸藥選型、單耗、單孔裝藥、總藥量、一次起爆藥量等進行智能化設(shè)計。

(3)炸藥選型的智能化設(shè)計。針對不同的巖土體、不同部位、巖石的強度、巖體的結(jié)構(gòu)特征和巖石的賦存狀態(tài)，結(jié)合爆破后的塊度要求，智能選取不同能量和爆速的炸藥。

(4)起爆系統(tǒng)的智能化設(shè)計。對于起爆系統(tǒng)，目前ORICA等公司做了很多研究，基于現(xiàn)代智能技術(shù)設(shè)計了起爆網(wǎng)路，基本上能實現(xiàn)智能起爆。

(5)能量傳播的智能控制設(shè)計。根據(jù)前期對巖土體的勘查與認識，得到了精準的數(shù)字，如巖石的硬度、節(jié)理裂隙的分布和性質(zhì)、地下水狀態(tài)、圍巖地應(yīng)力等，合理設(shè)計裝藥結(jié)構(gòu)，采取智能炸藥或智能控制裝置，引導(dǎo)能量的釋放和傳播。

2.3 施工過程的數(shù)字化和智能化

施工過程中，應(yīng)根據(jù)爆破智能設(shè)計要求，對設(shè)備選型、鉆孔、驗孔、裝藥、連網(wǎng)、警戒、起爆和炮后處置進行詳細規(guī)劃。設(shè)備必須具備感知器，對巖石情況和鉆孔過程進行數(shù)字化處理；具備圖像傳輸功能，全面收集并整體采集收據(jù)。裝藥主要是在收集鉆孔資料和智能化識別的基礎(chǔ)上對爆破設(shè)計做出智能優(yōu)化設(shè)計，智能起爆是智能精準控制能量的傳爆和釋放。

2.4 爆破監(jiān)測和評價的智能化

爆破監(jiān)測主要是監(jiān)測爆破的有害效應(yīng)，特別是地震波和有毒有害氣體等。目前，地震波的數(shù)字模擬(圖1)和監(jiān)測技術(shù)基本實現(xiàn)了智能化、自動化。爆破效果的評價主要集中在爆破成型質(zhì)量和對巖體的損傷，對于這方面的數(shù)字智能評價業(yè)已起步，但評價體系的完備性、快捷性和科學(xué)性仍需進一步研發(fā)。

圖1 爆破振動地震波傳播的數(shù)字模擬

3 數(shù)字智能綠色爆破在地下水封油庫的應(yīng)用前景與展望

我國地下油、氣儲庫的起步相對較晚，實際起步于上世紀90年代，隨著戰(zhàn)略儲備計劃的實施，越來越多的大型地下水封油庫[3]已經(jīng)新建或規(guī)劃籌建。由于其屬于地下洞室群，體積大、洞室交叉多(圖2)，對開挖提出了嚴格的要求，因此，必須有效降低對巖體的損傷和破壞，確保洞室穩(wěn)定和巖體的完好性，有效保護圍巖的滲透性[4]。某大型地下水封石油洞庫布置圖見圖2。

圖2 某大型地下水封石油洞庫布置圖

3.1 對圍巖的保護

傳統(tǒng)爆破主要采用的是預(yù)裂爆破和光面爆破等控制爆破手段，但其鉆孔過程對圍巖的感知是粗放的。由于地下水封油庫對圍巖的成型和損傷要求特別高，如果采用數(shù)字智能綠色爆破，可以通過鉆孔自動成像和硬度感知器等對鉆孔的過程進行數(shù)字記錄，根據(jù)鉆孔過程收集到的數(shù)據(jù)，及時調(diào)整爆破參數(shù)和選擇合適的爆破器材，智能化調(diào)整爆破設(shè)計，已成為保護圍巖的必由之路。

數(shù)字智能綠色爆破的發(fā)展必將對圍巖的保護起到十分重要的作用，特別是可視化爆破設(shè)計的逐漸成熟(圖3)，圍巖保護將更加可靠。鉆孔可視化成像情況見圖3。

圖3 鉆孔可視化成像圖

3.2 對塊度的理想化

地下水封油庫的地質(zhì)條件一般很好，所開挖的石材具有較高的經(jīng)濟價值，可加工成砂石骨料或用于其他用途，故其爆破塊度在一定程度上決定著經(jīng)濟效益，如果塊度能達到合理的范圍，爆破效益必然顯著增加，通過爆破作業(yè)全過程的智能優(yōu)化，從鉆孔過程的信息的收集和處理、對生產(chǎn)率到收益率都會起到良好的作用。爆破巖石粒徑成像監(jiān)控情況見圖4。

3.3 對有害效應(yīng)的智能控制

美麗中國、綠色中國的建設(shè)需要減排節(jié)能，爆破采用環(huán)保綠色的炸藥亦為值得研究的重要課題。在大型地下水封油庫施工過程中，由于通風(fēng)排煙和煙氣無害化處理是施工的難點，因此，需要采用零氮和零碳排放的綠色炸藥以達到氮和碳等有毒有害氣體零排放、有效保護施工現(xiàn)場的空氣質(zhì)量，對預(yù)防空氣污染、爆破沖擊波、爆破飛散物、爆破噪音[5]等進行智能控制。但這些方面的研究還存在很多問題，尚需我們進一步研究。

4 結(jié) 語

進入21世紀，人類開啟了數(shù)字時代、智能時代和綠色時代，綠色數(shù)字智能爆破是時代的產(chǎn)物和必然要求，在地下水封油庫采用這一技術(shù)符合時代發(fā)展要求，探討這一技術(shù)的應(yīng)用可以得出以下結(jié)語：

(1)數(shù)字智能綠色爆破技術(shù)是一種全新的技術(shù)，值得在地下水封油庫的建設(shè)中應(yīng)用和發(fā)展，其必將為地下工程帶來一次技術(shù)革命。

(2)數(shù)字智能綠色爆破尚處于研發(fā)起步階段，雖然取得了一定的進展，但仍有許多問題值得研究和探討。

(3)這一技術(shù)的研發(fā)和實踐需要成本，需要參建各方的共同努力，研發(fā)時其局部的投資可能增大，需要比常規(guī)爆破研發(fā)更多的資金，但該項技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用將產(chǎn)生巨大的社會效益。

總之，數(shù)字智能綠色爆破技術(shù)已經(jīng)起航，前景可期，筆者僅對其現(xiàn)狀進行了闡述與探討，更多的工作需要加大人、財、物的投入，才能為地下水封油庫的建設(shè)作出貢獻。