最新研究：爆破理论有新突破

(1)破岩机理研究活跃,数学模型获实际应用。自20世纪50年代未提出爆破应力波与爆生气体作用破岩机理以来,随着相关科学技术的发展,特别是计算机技术的广泛应用,人们对爆破破岩各个方面的把握也在逐步深化,新的数理方法,新的观测、分析技术为研究爆破破岩这一复杂过程提供了新的技术支持。到目前为止,人们应用分形、损伤等数理新方法,正试图对岩体的天然结构进行全面、真实地描述;结合卫星定位系统,人们可以对炮孔进行准确定位,并利用钻机工作参数获取岩体性质数据,新型矿用炸药,为人们调节爆破破岩的能量输入提供了可能;高精度电子雷管,使人们精确地控制爆破时序成为现实;新的爆破破碎块度分布光学量测、分析技术,为人们对爆破破碎效果的定量、全面评定提供了手段;大容量、高速度计算机可以满足爆破破碎复杂系统的模拟要求。基于上述对爆破破碎的综合认识,人们已能全面审视爆破破碎的机理,以求最终获得全面的理解与把握,使爆破真正走向科学化、数码化。目前,国外爆破数学模型已经在不同爆破作业中获得实际应用,尤其SABREX,HARRIES模型,JKMRC模型等应用得更为广泛,我国在这方面与国外相比,存在一定的差距。

(2)爆破技术精细化。正如前述,数码电子雷管、新型系列炸药和遥控起爆等为爆破技术精细化提供了有利的条件。近年来,利用数码电子雷管和新型乳化炸药的优点,在爆破作业环境复杂的地下矿山实现了爆破技术精细化,获得了良好的爆破效果和显著的技术经济效益。例如,加拿大诺兰达公司的布朗士卫克矿是一座大型地下铅锌矿山,在预留矿柱(长150m、高100m、厚80m)连续发生大规模岩爆和塌方、致使矿山1/3采区被迫停产,占矿山现有储量1/4。在此紧急情况下,需要采用大规模的精确短延时的卸压爆破,使矿山恢复生产和保证安全作业。经过加拿大和美国有关专家的研讨论证,数码电子雷管和小直径散装乳化炸药的结合便成为首选技术方案。爆破专家刘谦博士等首先利用DMC程序对爆破过程进行了模拟,形成了完整的爆破方案。炸药和起居器材均由美国Orica公司提供,即利用地下装药车装填炮孔的散装乳化炸药,I—Kon数码电子雷管(延时间隔为2ms、如13ms,15ms,17ms,19ms 等,延时误差为0.2ms)。炮孔直径114mm,孔间距2.5m,排间距2.0m。从南到北沿走向布置74排共850个炮孔,使用I—Kon雷管1500发,散装乳化炸药252t,Top炮孔雷管早爆5ms,以避免爆轰波相碰撞。观测结果表明,在74排炮孔约6s延时爆破中,其延时误差在5ms以内。每个爆破分区的起爆分区的起爆时间,延期顺序和各排炮孔的作用,都是按照设计进行的,没有出现振动水平超高或超低的异常现象。此次爆破共破碎矿石36万t。装运结果表明,破碎的矿石块度像预料的一样,碎小易装,大大地提高了矿山生产效率,做到了卸压与生产双收益。刘谦博士在澳大利亚200l学术会议上作报告指出,数码电子雷管的应用是起爆技术上的一次革命,必将改变许多爆破设计方面的指导思想,许多以前认为是不可能做到的高难度爆破,由于数码电子雷管的使用而变为可能。

(3)软岩与高温矿岩爆破技术有突破。低密度、低爆速、低威力炸药为改善软岩爆破效果提供了有力的工具。正如前述Orica推出的Novalite系列炸药的密度范围为0.3～1.1g/cm3,爆速为2～4.5km/s,且爆轰稳定。这样就可以针对软弱矿岩的实际情况,选用不同密度和爆速的炸药,既可以使装填药柱保持达到上部,减少上部大块,又可以避免炮孔底部药量过于集中产生过远的抛掷。该系列炸药在澳大利亚猎人谷几个煤矿的上盘软岩剥离爆破中获得应用,爆破效果良好,爆堆和块度均匀,非常适宜铲装。北京矿冶研究总院研制的低密度(0.5～0.6g/cm3)粉状炸药也在江西武山铜矿的软岩爆破中获得应用。此外,低密度炸药在预裂爆破和光面爆破中使用效果也很理想,半孔率高达90%以上。

高温(通常60～100℃)硫化矿岩爆破作业中的早爆事故是全世界爆破工作者十分关注的问题,早期的研究工作主要集中于药卷包装材料。近年来,研制生产了能够耐高温的散装炸药,既能保证安全,又能得到好的爆破效果。例如,澳大利亚Dgno Nobel亚太公司,针对西澳两大铁矿存在的炸药与岩石接触自燃自爆问题,用重铵油炸药和泵送乳化炸药取代原先的ANFO 炸药,使问题得到彻底解决。澳大利亚Orica炸药技术中心,针对巴比亚新几内亚火山区金矿开采的高温硫化矿炸药自燃自爆问题,开发成功一种散装乳化型起爆弹,使高达150℃极端爆破的炸药问题得以解决。

(4)爆破规模和爆破设计实现系统优化。爆破规模由采场几何形状、年产矿石量、爆破技术和装备水平等综合确定的。国外爆破规模普遍较大,爆破量一般为35万～70万t。大型露天矿均采用高台阶大孔径爆破,台阶高度为18～29m,孔径为310～414mm。中小型矿山的台阶高度为12m 左右,孔径150～172mm。国外不同矿山的爆破设计程序尽管有所差异,但是一些主要矿山均采用计算机的辅助设计。通常根据爆区地质平面图、现场孔位标志、炮孔和爆堆的品位标志以及矿岩性质、地质构造、爆区形状和炸药类型等进行爆破,设计优化孔网、装药量等参数。美国奥斯汀炸药公司爆破服务队承担为矿山进行装药爆破任务。他们编制的QET 计算机程序,可以根据地形地质情况、爆破参数、装药结构、要求的爆破块度和爆破有害效应等项内容,用以确定出不同的爆破方案供用户选择。同时也对各方案进行单价分析,作为投标的依据。

(5)水利工程爆破。随着水利建设事业的发展,爆破技术得到了广泛的应用,解决了一系列工程施工难题。如葛洲坝水利枢纽大江上游围堰混凝土防渗墙水下一次拆除,采用了双复式交叉连接非电起爆网络等爆破技术;三峡工程永久船闸170m 高边坡开挖中,特别是68.5m 高的闸室直立边坡开挖过程中,综合应用各类爆破技术,成功解决了爆破对保留岩体影响、开挖精度等要求;广东珠海炮台山移山填海洞室大爆破,总装药量1.2万t,一次爆破总量1085万m3。水工建筑物基础保护层普遍采用炮孔底部设置柔性垫层的小梯段爆破技术或使用水平预裂结合梯段爆破的一次爆破技术进行开挖。

随着大型水电站的建设,大跨度地下厂房爆破技术得到了较快发展,已建的二滩水电站地下厂房达280.3m×25.5m×63.9m(长×宽×高);在建的龙滩水电站地下厂房开挖尺寸为398.9m×30.7m×77.3m(长×宽×高);大吨位桥机岩壁梁开挖爆破技术已经成熟;复杂的地下洞室群开挖爆破项目越来越多,小浪底工程共有13条立体交叉、相距很近的泄洪、排沙和发电等地下洞室群,洞挖石方达315万m3;天生桥水电站3条引水隧洞直径为10m,长达10km。目前,地下洞室开挖已向全断面(特大断面除外)开挖方向发展,控制爆破、喷锚支护和围岩稳定监测已成为隧洞开挖的主要组成部分。(www.xing528.com)

水利工程施工中广泛采用了防水性能好、威力满足要求的多品种和多规格炸药,引进了乳化炸药和铵油炸药现场混制与装药技术。非电起爆系统的普遍应用,大大提高了爆破安全性和机械化作业水平。我国自行研制的高精度电子延期雷管,可进行等间隔、不跳段起爆,使得多分段、长延时等特殊要求的爆破得以实现,起爆雷管正向高精度、多段数、等间隔微差方向发展。

施工机械是提高爆破技术的重要条件。钻孔机械由手风钻到潜孔钻,并由低风压向中高风压发展,提高了爆破作业速度;引进了液压钻机,进一步提高了钻孔效率和精度;引进了多臂钻机,使地下工程的钻孔爆破进入了新阶段:引进和开发的混装炸药车;实现了现场连续自动化合成炸药生产工艺和装药机械化,提高了装药质量,生产条件和爆破效果得到进一步改善。

(6)河道对爆破地震波传播规律的影响分析。在工程建设中,有时会出现爆破开挖点与需要进行监测的建筑物之间隔有一片水域的情况,例如三峡三期围堰拆除时,围堰与大坝之间有一定宽度的水域;金沙江向家坝工地,由于河面较窄,在河的一岸进行爆破施工时需要对对岸的建筑物进行振动监测。在这种情况下进行爆破作业时,水中建筑物或对岸边坡不仅受到由基岩传来的地震波的作用,同时受到爆破引起的地震水压力的作用。

为了控制爆破震动对河道对岸建筑物及边坡等的影响,保证其不受爆破震动的危害,武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室对爆破地震波的跨河道传播及衰减规律进行了一系列研究。初步结论如下:①通过理论分析可以得到爆破地震波经河道传播时大致的衰减规律,而数值模拟则能具体地给出岩体中各点的震动强度分布规律。②无论是在有水还是在无水情况下,一般来说,爆破地震波对对岸的影响都较小,在有水情况下,由于水的夹制作用,爆源侧河岸的震速要小于无水情况下爆源侧河岸的震速。③数值模拟结果表明,不考虑水体影响时的结果比考虑水体影响的流固耦合分析结果要偏于安全;在进行理论分析时,由于没有考虑应力波的物理衰减,计算的透射系数比实际偏大,所以计算结果是偏安全的。

(7)爆破震动作用下新浇基础混凝土的安全震动速度研究。现场及室内实验资料表明,爆破震动会对新浇混凝土的质量产生不利影响。因此严格控制爆破震动速度,以降低爆破震动对新浇混凝土的影响,成为水利水电工程建设中的重要技术问题之一。初步研究结论如下:①理论分析与计算表明,影响新浇筑基础混凝土的极限震动速度的主要因素为新浇筑混凝土的允许拉应变、混凝土和基岩的弹性模量、泊松比以及基岩的声波速度。②我国现行采用的新浇筑大体积混凝土基础面上的质点安全震动速度标准总体上具有较大的安全储备。现行规范将1～3d混凝土划在同一龄期段似乎太笼统,必须进一步细分。然而,对新浇筑基础混凝土这种特殊结构,其震动破坏不仅仅由混凝土的早期强度决定,而且还与静力状态混凝土内的初始应变状态密切联系。新浇筑混凝土体内的应变状态受到混凝土内温度应力、混凝土的徐变及自缩变形等多方面的影响。另外,国内外目前尚缺少混凝土从初凝至3d龄期的超早期强度极限拉应变值的实验资料,而此阶段的新浇筑混凝土最易受到爆破震动的不利影响。这些方面的研究工作还有待进一步开展。