1、一种高能燃烧破岩药柱的应用 谢兴华 张小康 王林杰 丁亚明 安徽理工大学化学工程学院 中国铁路四局集团第一工程有限公司 安徽荻港海螺水泥股份有限公司 摘 要： 为了研究出一种更适用城市发展需要的非炸药爆破方法, 研制一种由多种含硝基的氧化剂、非金属粉末、黏结剂组成的新高能燃烧剂。新高能燃烧剂与电解质溶液、膨胀剂按照一定比例组装成破岩药柱。药柱特殊的成分及装药结构易于填塞, 简化了工程步骤。采用特制的点火电极, 其峰值电压在 10kV 以上, 点火能量足够, 并且点火方式安全。破岩实验说明:药柱具有切割、破碎岩石的能力, 抛掷距离不足 3m, 且具备振动小、弱抛掷、微有毒气体释放的特点;破碎1m
2、3石块成本要比普通燃烧剂低 1 元, 具有实际应用价值。关键词： 岩石破碎; 非炸药爆破; 高能燃烧剂; 破岩药柱; 作者简介：谢兴华 (1963-) , 男, 博士, 教授, 从事爆破器材及工程应用方面的研究。E-mail:作者简介：张小康 (1991-) , 男, 在读硕士, 从事弹药工程与爆炸技术方面的研究。E-mail:收稿日期：2017-05-17Application of a high-energy incendiary crushing rock charge columnXIE Xing-hua ZHANG Xiao-kang WANG Lin-jie DING Ya-min
3、g School of Chemical Engineering, Anhui University of Science The First Engineering Co., Ltd, of CTCE Group; Anhui Digang Conch Cement Co., Ltd.; Abstract： In order to develop a non-explosive blasting method which is more suitable for urban development, a new high-energy incendiary agent is introcuc
4、ed.The incendiary agent composing of nitro groups oxidizing agents, non-metal powder and binder.Crushing rock charge column composing of the new high-energy incendiary agent and electrolyte solution, swelling agent according to a certain proportion.The special composition and charging structure of t
5、he charge column are easy to plug and simplify the engineering steps.The special ignition electrode is used to the charge column.Its peak voltage is above 10 kV.The ignition energy is enough.And the ignition mode is safe.The rock breaking test indicated that the charge column with the ability to cut
6、 and crush rocks, and the distance of rock throwing is less than 3 m.The charge column with the characteristics of small vibration, weak throwing, small toxic gas production.The cost of crushing 1 m3 stone is 1 RMB lower than that of ordinary agent.It has practical application value.Keyword： rock cr
7、ushing; non-explosive methods; high-energy incendiary agent; crushing rock charge column; Received： 2017-05-17随着我国城市化进程脚步的不断加快, 旧建筑物的拆除不断走向高标准化, 要求更安全、更节能、对环境破坏更小。因此, 传统的炸药爆破法在进行城市爆破作业时受到了诸多限制, 而非炸药爆破法正好弥补了这一缺陷。应用于爆破工程中的非炸药爆破有机械法, 静态破碎剂, 高能燃烧剂等1-2, 其各有优缺点。其中普通高能燃烧剂一般均采用金属氧化物或金属粉末, 例如:氧化铜、铝粉、三氧化二铁、二氧
8、化锰、氯酸钾等。这些高能燃烧剂固然能达到理想的爆破效果, 但成本较高, 而且浪费金属, 大量的运用活泼金属粉末也易发生危险。本文介绍了一种新高能燃烧剂是采用了来源广泛的一种非金属粉末, 与多种含硝基的氧化剂及其他黏结剂组成的燃烧剂, 电解质溶液、膨胀剂组装成高能燃烧破岩药柱。药柱在破岩时具有弱抛掷、微有毒气体释放、振动小, 安全性高的特点, 完全可以满足一般切割、破碎岩石的要求。1 破岩机理高能燃烧破岩药柱由新高能燃烧剂、电解质溶液、膨胀剂组成。燃烧剂快速燃烧产生大量的热, 电解质溶液在热的作用下迅速汽化, 膨胀剂此时与电解质溶液反应会生成具有膨胀作用的物质, 同时会吸收产生的有害气体, 则实
9、际释放的有毒气体含量较小。新高能燃烧剂的快速燃烧产生高温、高压的气体, 这些气体迅速作用于周边岩石, 岩石在热的作用下也会软化强度变低, 当内部高压大于岩石的抗拉强度时, 岩石会发生破坏产生裂隙, 高压气体的气楔作用使岩石破坏程度加大, 直至开裂或是破碎7。其中值得注意的是, 膨胀剂在此时也会产生高压, 对岩石的破坏起到一定的作用, 更重要的是它会加强填塞, 防止发生“冲天炮”现象。高能燃烧破岩药柱利用的是热-气作用、快速增压作用 (其中快速增压作用更像一种“快速的静态膨胀剂”) , 其中起主要破岩作用的是热-气作用, 快速增压作用主要是加强填塞, 这种复合作用无强空气冲击波, 微有毒气体释放
10、, 弱抛掷, 振动小, 特殊的点燃方式生产安全性高。2 破岩药柱制造工艺2.1 燃烧剂的实验室制造新高能燃烧剂采用多种含硝基的氧化剂, 一种非金属粉末作为还原剂, 并且添加一定量的黏结剂。由于普通非金属粉末颗粒较大, 不利于燃烧剂各组分的完全混合, 所以需要用高速研磨机进行研磨3, 粒度至少能过 40 目筛子。药剂制取采用湿法制粒法, 具体步骤:第一, 取氧化剂溶于水置于加热板上;第二, 待氧化剂完全溶解, 加入非金属粉末搅拌混合均匀, 继续加热;第三, 待溶液中药品完全结晶出来, 呈湿润状, 加入黏结剂进行造粒;第四, 造粒后进行干燥处理, 放入干燥器中备用。湿法制粒制成的颗粒质量好, 外形
11、美观, 粒度均匀, 而金属粉末采用这种方法危险性较高。2.2 破岩药柱的组装工艺普通高能燃烧剂主要采用金属氧化物或强氧化剂与金属粉末燃烧, 其可能会产生有害气体4, 例如:NO、NO 2、SO 2等。高能燃烧破岩药柱由新高能燃烧剂、电解质溶液、膨胀剂 (以 CaO、MgO 为主要成分的混合物) 组成, 3 个组分相对独立, 分别装于燃烧剂室、电解质溶液室、膨胀剂室。3 个药室可以采用上、下组合装药结构, 也可采用被筒装药结构及其他一些适合特殊情况下的结构, 其基本的原则就是让 3 个组分相互作用, 反应完全5-6。根据理论计算及实际破岩实验, 确定新高能燃烧剂所占药柱质量为 30%50%, 膨
12、胀剂所占药柱质量为 35%50%, 电解质溶液所占药柱质量为 15%20%。装药结构图如图 1图 2 所示, 可根据现场实际情况确定具体药室装入哪种药剂。图 1 上下 3 段装药的剖面 Fig.1 The three sections of charging section 下载原图图 2 被筒结构俯视与正视 Fig.2 Sleeve structure vertical view and front view 下载原图2.3 点火电极的选择为了寻找合适的点燃部件, 分别用雷管、导爆索、导爆管、一般起爆器、雷管药头直接点燃新高能燃烧剂 5 次, 均未成功点燃燃烧剂, 因此可认为新高能燃烧剂不具
13、有雷管感度, 对导爆索、一般起爆器、导爆管、药头均不敏感。为此, 特制了一个长约 10cm 的点火电极, 其发火峰值电压 10kV 以上, 成功点燃了新高能燃烧剂, 说明此新高能燃烧剂具有电火花感度, 且该电极需用高电压才能点燃, 有效地防止了静电。图 3 电极结构 Fig.3 Electrode structure 下载原图该电极内部采用特殊结构, 不像雷管药头利用电阻丝发热点燃发火件, 其主要利用的是瞬间产生的高压电火花点燃药剂。其中点火电极置于燃烧剂室中, 需要起爆时, 只需接通点火电极即可。一般的起爆器用于起爆药柱可靠性可能较低, 因此需要大功率起爆器, 如若有强电起爆也可8。2.4
14、破岩药柱装药结构在不考虑被破碎物体具有特殊结构 (具有明显的裂隙、节理、非正常挤压状态等) 时, 炮孔深度与被破碎物体的厚度有如下关系:式中:H 为被破碎物体厚度;L 为炮孔深度。当被破碎物体太薄时, 孔深要相应的减小, 并且填塞也要相应的加固。当被破碎物体太厚时, 可以放入多个药柱共同起爆, 药柱之间可以用填塞物隔开。填塞用普通填塞物即可, 如若需要加固填塞, 可用快硬水泥、锚固剂等进行加强填塞9-10 (见图 4) 。图 4 药柱装药结构 Fig.4 Charge column structure 下载原图2.5 装药量的选择在选择孔深、孔距、排距时要充分考虑到被爆破岩石的抗拉强度、抗压强
15、度、是否有裂隙、节理、形状大小等影响因素, 同时还要考虑是切割岩石, 还是破碎岩石。一般情况下, 不考虑其他因素影响, 切割岩石要比破碎岩石药剂用量小。根据此药柱的多次破岩实验结果, 并参考了普通高能燃烧剂破岩网路参数的选择原则9, 一般建议孔距为 200500 mm, 排距为 300500 mm, 孔深为6001 000mm, 可以根据被爆破岩石的长度、厚度、强度等具体情况进行适当的改动。当孔深、孔距、排距确定的情况下, 还需要确定单孔装药量。单孔装药量不仅与孔网参数有紧密的联系, 同时还受到被破碎岩石形状、强度等参数的影响。根据多次破岩实验结果及一般燃烧剂药量选择原则, 药量的选择和对比如
16、表 1表 2 所示。从表 1表 2 可以看出, 所使用破岩药柱总药量虽然比普通高能燃烧剂用量大, 但是破岩药柱的主要成本来源于新高能燃烧剂, 电解质溶液及膨胀剂两者都是较廉价的物质, 所以整个药柱的成本低于普通高能燃烧剂。根据实验, 在采用被筒装药会比上下装药结构节约 20%的用量。当需要大量的使用破岩药柱时, 建议采用被筒装药结构, 因为这种结构更加节省药量, 但制作工艺相对复杂, 可根据实际需求综合考虑, 采用最经济的装药结构。表 1 破岩药柱用量 Table 1 The amount of crushing rock charge column 下载原表 表 2 燃烧剂用量对比 Tabl
17、e 2 Comparison of incendiary agent 下载原表 根据核算实验室制取每 100g 新高能燃烧剂需 4.5 元, 制取 100g 普通高能燃烧剂需 5.2 元的结果, 得知新高能燃烧剂比普通高能燃烧剂成本低。当采用实验室制备高能燃烧破岩药柱 (上下装药结构) 时, 破碎每立方普通岩石最低需 4元左右, 实验室制备的某普通高能燃烧剂则最低需要 5 元左右, 由此可知, 高能燃烧破岩药柱与普通高能燃烧剂相比更具备成本优势。3 破岩实验切割实验、破碎实验选取在采石场进行, 岩石性质属于普通岩石。1) 切割实验。选取尺寸为 1 000 mm1 000mm1 200mm 的石
18、块, 在 1 000 mm1 000 mm 面中间打孔, 孔深 800 mm, 孔径 42 mm, 药柱装药量 200g, 用速效水泥、碎石渣进行填塞, 孔口用橡胶皮覆盖, 等 30 min 后水泥完全填塞炮孔, 用大功率起爆器点燃药柱, 岩石切割效果如图 5 所示。2) 破碎实验。选取尺寸为 1 000 mm1 000mm800mm 的石块, 在 1 000mm800mm 面中间打孔, 孔深 600mm, 孔径 42mm, 药柱装药量 350g, 用速效水泥、碎石渣进行填塞, 孔口用橡胶皮覆盖, 等 30 min 后水泥完全填塞炮孔, 用大功率起爆器点燃药柱, 最远石块的抛掷距离不足 3m,
19、 石块大小适合。岩石破碎效果如图 6 所示。图 5 切割后岩石分为两块 Fig.5 The rock is cut into two pieces 下载原图图 6 破碎后的岩石碎块 Fig.6 Rock fragments after blasting 下载原图3) 岩石双孔破碎实验。选取一没有明显裂隙、节理的较大石块, 用钻机在石块邻近自由面边打 2 个炮孔, 孔距为 500 mm, 孔深 600 mm, 孔径 42mm, 最小抵抗线 500mm, 单孔装药量为 350g, 用速效水泥、碎石渣进行填塞, 孔口用橡胶皮覆盖, 等 30min 后水泥完全填塞炮孔, 用大功率起爆器点燃药柱, 最远
20、石块的抛掷距离不足 3m, 石块大小适合。岩石双孔破碎效果如图 7 所示。图 7 破碎后的岩石碎块 Fig.7 Rock fragments after blasting 下载原图由上述 3 种实验可知, 高能燃烧破岩药柱具有良好的切割、破碎岩石的能力, 达到了预期理想的爆破效果, 且与普通高能燃烧剂相比, 其不用加强填塞, 操作更简便, 特殊的点燃方式安全性更高, 在成本上也更具优势。实验的成功也说明了药柱采用分组装药结构的合理性。新高能燃烧剂含有硝基化合物, 可能产生的有毒气体为 NO、NO 2等酸性气体11, 而电解质溶液与膨胀剂含有碱性氧化物。在激发药柱时产生的高温足以让其充分反应,
21、并且经理论计算其含量足以吸收所产生的酸性气体。从实验结果中可以看出, 电解质溶液与膨胀剂在破岩实验中对填塞的加强及岩石被成功的切割与破碎, 说明电解质溶液、膨胀剂、酸性气体 3 者发生了反应, 即酸性气体被吸收, 所以有毒气体实际释放量较小。此种组合装药结构加强了填塞, 微有毒气体释放, 在理论上及实践上都是可行的。4 结论1) 实验表明, 高能燃烧破岩药柱完全具有切割石材、破碎石材的能力。2) 新高能燃烧剂由多种含硝基的氧化剂、一种常见非金属还原剂及黏结剂组成, 颗粒质量好, 所组装成的破岩药柱切割、破碎岩石时具有振动小、弱抛掷、安全性高、微有毒气体释放的特点。3) 高能燃烧破岩药柱由新高能
22、燃烧剂、电解质溶液、膨胀剂 3 组分组成, 特殊的装药结构更有利于填塞, 制备材料来源广泛, 价格低廉, 适用于市政工程、贵重石材的开采及特殊条件下的爆破工程。4) 高能燃烧破岩药柱目前仅适用于爆破量不大于 5m 破岩工程, 由于爆破网路的一致性、协同性等问题需要解决, 所以对于大型爆破工程还需进一步的实验。参考文献1袁芳, 景晓春, 刘兴华.岩石非爆破开挖施工方案的选择与实践J.陕西水利工程, 2014, 5 (6) :109-110.YUAN F, JING X C, LIU X H.Non-blasting excavation construction scheme selection
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