水介质换能爆破技术

秦健飞，秦如霞

(中国水电八局，湖南长沙 410004)

水介质换能爆破技术

秦健飞，秦如霞

(中国水电八局，湖南长沙 410004)

自从炸药用于工程爆破以来，炸药爆炸的能量有效利用率一直维持在一个较低的水平。如何提高炸药能量的有效利用率、降低爆破危害、降低爆破作业施工成本成为工程爆破科技工作者孜孜追求的目标。从爆破热力学和物质化学的理念出发，提出水介质换能爆破新技术，该技术能够较大幅度地提高炸药能量的有效利用率、降低爆破危害、降低爆破成本。

爆炸热力学系统；水介质换能爆破技术；最优值M；爆破水柱装置

0 前 言

水介质换能爆破技术从炸药爆炸的热力学、化学机理出发，提出简单便捷的技术解决方法，能够较大幅度提高炸药能量的有效利用率、减小炸药爆炸的危害作用，并且实施方法简单易行，与现行的各种炸药爆破作业施工工艺没有多大差异，但效果更好，在相同爆破介质的条件下减少炸药单耗20%～30%，爆破振动减小 20%～30%，爆破烟尘降低40%～90%，爆破介质破碎粒度与普通爆破相比较为均匀、大块率降低、基本无爆破飞石，个别飞石可控制在20.0 m以内且爆堆集中方便挖装和运输作业，故成本下降20%～25%。因此施工单位容易接受，便于在全国水利水电、矿山、公路、铁路各种爆破行业普遍推广应用。水介质换能爆破技术既可以用于各种孔径的钻孔爆破(浅孔、深孔、洞挖、明挖)，也可以用于药室爆破；既可以用于水上爆破也可以用于水下爆破，还可以在各种各样的拆除爆破中应用，以降低爆破振动危害和减少爆破飞石和爆破烟尘，应用范围极为广泛。

1 水介质换能爆破机理

1.1 有水炮孔的爆破现象

在观察分析在地下水位比较高的有水炮孔爆破时“其爆破声响(爆破噪音)、爆破扬尘、爆破振动、爆破飞石都比较小”的现象后发现，在“爆炸热力学系统”中，由于水介质的存在可以缓解炸药的爆炸危害。

1.2 爆炸热力学系统

为了从热力学、化学的角度来研究水介质换能爆破技术的机理，引入“爆炸热力学系统”这个新概念。所谓“爆炸热力学系统”是指爆破作业中需要使用炸药对岩石、混凝土等介质进行破碎时在介质中人为造成一定的装药腔后埋设炸药及起爆系统并堵塞封闭的整个爆破体系称之为“爆炸热力学系统”。

在没有水介质参与的情况下，当引爆“爆炸热力学系统”后，炸药爆炸瞬时生成的高温高压爆生物质将对爆破介质产生挤压破碎并且伴生爆破地震波、空气冲击波、光、声、爆破飞石等危害效应。

在有水介质参与的情况下，当引爆“爆炸热力学系统”后，水介质将参与炸药爆炸的化学反应，共同生成新的物质并主要以急剧膨胀的方式挤压、破碎爆破介质，同时爆破危害作用也得到最大程度的缓解、削弱。

1.3 水介质换能爆破机理

炸药爆炸是一种瞬时发生的化学反应，这一化学反应生成新的物质并在极短时间内释放大量的能。由于炸药爆炸是瞬时发生，“爆炸热力学系统”来不及和爆破介质发生热交换，因此可以把“爆炸热力学系统”当作绝热系统看待。

这样从热力学角度分析可知，如果在“爆炸热力学系统”中加入一定量的水，按照热力学定律和物质不灭定律(质量守恒定律)，炸药爆炸所释放的能将转换为水的内能，水在常压状态下当温度达到2000℃时开始分解为氢和氧，积蓄了炸药爆炸能的水和炸药共生的爆生气态物质在炸药爆炸的3000℃的高温和10×104MPa的高压条件下将进一步发生化学反应生成新的物质。

计算表明，这些高温高压爆生气态物质其体积在标准状况下比原来增加了1200多倍，由于这些气态物质受到高度压缩，因此积蓄了巨大的势能，它将遵循瞬时爆轰论的“爆轰产物的飞散遵循等距离面组规律”，主要以急剧膨胀做功的方式挤压爆破介质使爆破介质破碎，完成爆破作业，见图1。

图1 水介质参与炸药爆炸主要以急剧膨胀做功示意

另一方面从物质化学结构观点看，化学键的断裂和形成是物质在化学变化中系统发生能量变化的主要原因。一个化学反应过程，本质上就是旧化学键断裂和新化学键形成的过程。在“爆炸热力学系统”中由于水介质的加入，使水和炸药共同参与化学反应，即水的化学键发生一个断裂后再形成的过程，见图2。这一能量变化(能量转换)的化学反应过程也就相对延缓了“爆炸热力学系统”瞬时爆轰的时程。换句话说，有水参与炸药爆炸就能够较为缓慢地释放炸药的爆炸能，这就是炸药爆炸所产生空气冲击波、地震波、光和声的效应等危害作用变小的根本原因，就像核电站将核反应速度变缓，慢速释放原子能会消除了核爆炸的危害作用一样。这就是水介质换能爆破技术水介质参与炸药爆炸的机理，也是水介质换能爆破技术与炸药单独爆炸机理的区别所在。

图2 水介质参与炸药爆炸化学反应化学键断裂与生成示意

2 水介质换能爆破技术的实施

2.1 将炸药爆炸能转换为水的内能

在爆破介质的装药腔中安装质量比大于或等于最优值M的水介质和炸药，且将炸药和水介质相互隔离，其中最优值M的计算式如下：

式中：M——水介质和炸药的质量比之最优值；

He——爆破所采用炸药的爆热，见表1；

Hs——氢和氧合成水时所释放的热能，Hs＝15879 kJ/kg。

表1 常用工业炸药的爆热数值表

质量比等于最优值M的情况下，所有炸药的能量在高温高压下提高水介质的化学键键能而使其断裂分解为氢和氧，在质量比大于最优值M的情况下，所有炸药的能量能够将部分水介质的化学键断裂而分解为氢和氧。在质量比小于最优值M的情况下，则不能够将所有炸药的能量充分利用以将水介质的化学键断裂而分解为氢和氧，则会存在炸药的能量有效利用率不足的问题。因此在爆破作业中，在“爆炸热力学系统”加入一定量的水使之与炸药的质量比等于或略大于M值即可。

2.2 水介质换能爆破技术的实施程序

水介质换能爆破技术的实施程序是：在爆破介质的炸药装药腔中安装质量比大于或等于最优值的水介质和炸药，且将炸药和水介质相互隔离；引爆炸药装药腔中安装的炸药。

2.3 水介质换能爆破水柱装置的制作

水介质换能爆破用水柱装置的制作是用专利产品“爆破用水柱装置封口设备”采用特制聚乙烯复合管材热压一次性焊接而成。

水介质换能爆破用水柱装置是封闭的袋状圆柱体，袋体的端部向两端逐渐变小并有瘪平的尾翼，能够保证袋体在装药腔(炮孔)中下落时的冲击力均匀作用在袋体的端部逐渐变小的结构段，因此能够减少装药腔(炮孔)对袋体的局部冲击反力，并且由于瘪平的尾翼与炮孔壁的摩擦力可以减缓水柱袋下落的冲击力，袋体内设计成能够形成一定的真空度，

可以减小水柱下落过程水对袋壁的冲击力，从而能够有效防止袋体发生破裂，提高袋体的可靠性，见图3，爆破水柱装置可承受70 kg以上的压力不破裂不渗水。需要说明的是在袋体的两个端部都对称设置有热压焊缝带，从而使得袋体的两端可以无障碍地选择任意一端朝下，确保水袋安装便捷、快速。

图3 爆破水柱装置

2.4 水介质换能爆破水柱装置及炸药安装

(1)无水炮孔。在无水炮孔中，炸药被分为一段或者两段及以上的药柱安装，水介质封装在爆破水柱装置中使得炸药和水介质相互隔离，每一段药柱的两端均设有爆破水柱装置，且无水炮孔的底部和靠近堵塞封口段的端部均设有爆破水柱装置。堵塞段和普通炮孔爆破完全一样，并要求用钻孔石渣加水润湿封堵压实即可。

(2)有水炮孔。有水炮孔中的炸药装设于防水袋中形成药卷，药卷插设于有水炮孔中使得炸药和水介质相互隔离，有水炮孔的内壁和药卷之间形成径向不耦合的装药结构，有水炮孔中的水介质位于有炮孔的内壁和药卷之间。

(3)水下爆破炮孔。水下爆破炮孔的安装与有水炮孔无异。

(4)药室爆破。药室爆破的爆破水柱装置及炸药安装更为简单。由于药室爆破炸药用量大，一般都是成箱的炸药安装在药室内，只要在安装炸药箱时，上下层药箱错开布置并留出爆破水柱装置的安装间隙，将爆破水柱装置安装在炸药箱的间隙中即可。

3 结 语

2016年3月3日笔者向国家知识产权局提出两项专利申请，3月4日国家知识产权局发出受理通知书，3月22日发出初步审查合格通知书，6月15日国家知识产权局已公布了《一种水介质换能爆破方法及其装药腔》发明专利并进入实质性审查程序，7月27日国家知识产权局已授权《一种水介质换能爆破用水柱装置及其封口设备》实用新型专利。

[1] 何广沂，等.节能环保工程爆破[M].北京：中国铁道出版社，2007.

[2] 秦健飞.双聚能预裂与光面爆破综合技术[M].北京：中国水利水电出版社，2014.

[3] 宋心琦.高中化学2[M].北京：人民教育出版社.2004.

2016-02-17)

秦健飞(1945-)，广西桂林人，教授级高级工程师，主要从事工程爆破施工、管理和科研工作，Email：412901469＠qq.com。