聚能水压爆破技术研究进展

聚能水压爆破技术是我国著名爆破专家何广沂教授提出的，是将传统线性聚能爆破和水压爆破的优点融合发展而成的。1968-1979年，何广沂[1]研制了几种聚能药包，进行了多次穿孔试验，并将聚能爆破技术逐步应用于岩土工程中。自1991年开始，何广沂等又在公路石方开挖中开展了大量的水压爆破现场试验，逐步形成了露天深孔水压爆破技术；1997年该技术通过了部级鉴定并获得了“国内外首创”的高度评价；基于该技术的成功应用，何广沂在1998年开始研究“隧道掘进水压爆破技术”，并于2002年通过了重庆市科委组织的专家鉴定；2016年研发出了聚能水压爆破技术，2018年出版的《隧道掘进聚能水压爆破新技术》也被鉴定为国际领先水平，书中对该技术作出了“三提高一保护”(提高炸药能量利用率、提高施工效率、提高经济效益和保护环境)的评价。同时，经诸多学者和工程技术人员的研究证实，其具有节能(聚能水压作用节约了炸药)、减排(水起到雾化降尘作用)的优势，符合绿色施工要求，逐渐在路基、隧道、矿山、水利等工程中得到了应用。本文综述了聚能水压爆破技术的理论研究和工程应用现状，指出了应用中存在的问题，并对后续研究提出了建议，以期为该技术的进一步推广应用提供参考。1聚能水压爆破机理研究进展1.1聚能水压爆破研究现状1996年，陈士海等提出水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”效应有利于裂纹的进一步扩展以及岩石的进一步破碎，理论计算结果表明，水压爆破裂纹的贯穿长度约为传统爆破的10倍。2001年，江杰才等进一步优化了ABS聚能管，通过控制爆炸后应力波的传播方向，达到了聚能爆破的目的。2003年，何满潮等[7]提出了双向聚能拉伸爆破新技术，并研发了相应的聚能装置。2007年，韩国工程师JEONG等研究发现，水压预裂与普通预裂相比，水压爆破传能效率明显提升。2009年，刘永胜等在空气介质耦合切缝药包装药结构的基础上，结合含水炮孔爆破技术成果提出了一种新的水耦合切缝药包装药结构，并利用射流理论对该装药结构作用下岩石的开裂机理进行了探讨；罗勇等通过理论计算和现场试验分析了水不耦合下的爆破压力和作用时长等参数，发现水压控制爆破可达到降尘、加快施工进度等效果。2010年，孙鑫等开发了穿层深孔水压控制爆破技术，该技术结合了爆破力和水力的双重作用。2011年，SELLERS将水压控制爆破应用于隧道开挖工程，发现水压控制爆破在改善爆破环境的同时提高了爆破效率。2012年，GHASEMI等[13]在Sungun铜矿开采中调整水压光爆参数，使用MC方法对爆破参数进行了数值模拟，得出了最优爆破参数。2015年，康勇等提出了基于高压水射流切槽的定向聚能护壁爆破新方法。2016年，夏彬伟等进行了缝槽水压爆破导向裂缝扩展实验，发现缝槽尖端方向应力变化大于其他方向，质点振动更大。2021年，叶志伟等基于弹性波动理论，初步确定了水耦合爆破孔壁压力峰值的简化计算模型。2022年，戴霖等提出了“一种聚能水压爆破装置”；吴波等对椭圆双极线性聚能水压爆破进行了数值模拟，得出在聚能定向爆破下，炮孔裂纹具有一定的趋向性，水的加入能够增强爆破效果。1.2聚能爆破原理1888年，美国人C.E.Munrfe在进行爆炸试验时发现了聚能效应[19]，即在炸药爆炸时，爆轰产物基本是由炸药表面的法向方向飞散而出的。BHANDARI等[20]通过试验证明了岩石定向爆破断裂技术的可行性。基于此聚能效应，聚能爆破技术得到了快速发展。聚能药包定向破岩由聚能射流形成导向切缝、切缝尖端形成裂纹并扩展以及爆生气体的残压推移等三个阶段构成。爆破形成的高压力、高速度、高密度的聚能射流能够提高炸药爆炸的做功能力，形成导向切缝并萌生初始裂纹；与聚能射流同时作用的还有从聚能孔释放的爆生气体，该气体进入裂隙中形成强有力的“气楔作用，其一方面促进了炮孔周围裂纹的发展，另一方面在垂直聚能方向产生了反射拉应力集中，促使岩体沿设定方向张拉开裂。聚能爆破力学模型如图1所示。图1双孔聚能爆破力学模型1.3水压爆破原理水压爆破是指以水代替空气作为传爆介质，将炸药爆轰时产生的能量作用于被爆介质上，使其充分破碎的爆破技术，其致裂范围为以钻孔为中心的椭圆。水是一种难以压缩的流体介质，变形能损失较少，炸药在水介质中爆炸后，将引起流体介质强烈的压缩和运动而形成冲击波，冲击波传播至炮孔壁时会发生反射和透射；与此同时，水在爆生气体膨胀作用下产生“水楔”效应，迫使岩体进一步破碎。对周围固体介质的作用机理按时间先后可分为3种：传递能量作用、水楔劈裂作用、缓能作用。1.4聚能水压爆破原理李增恩实测了聚能水压爆破作业中掌子面某一点X、Y、Z轴三个方向的波形，得出聚能水压爆破的振动峰值在Y轴(聚能方向)的能量最大，其原因是聚能水压爆破产生了“水楔”效应，利用水的不可压缩性，降低了X轴方向上的冲击力，同时增大了Y轴和Z轴方向的冲击力，对掌子面产生了二次破碎。SONG等采用基于LS-DYNA的数值模拟和现场试验，分别对聚能水压光爆的围岩动力响应特性进行了研究，结果表明，聚能方向上有效应力最大，裂隙区范围也最大。聚能水压光爆作用原理如图2所示。图2聚能水压光爆作用原理当前的聚能水压光面爆破施工是先在炮孔底部放置1卷水袋，再将其他水袋与炸药间隔安放，孔口设置1段炮泥填塞，采用导爆索传爆，炸药产生的高温、高压、高速聚能射流作用破岩成缝，随之形成的“水楔”效应使裂缝扩展、贯穿，而水介质的缓能作用减弱了爆破对保留围岩的扰动及损伤，且降低了爆破振动、减少了粉尘及噪声等有害效应，可达到良好的爆破效果。2聚能水压爆破装药结构2.1聚能结构形式自聚能水压爆破技术出现后，聚能切缝形式不断变化，形成聚能效应、增强爆破效果的辅助手段大致有以下4类：a.通过向炮孔壁挖凿V字形缺口[见图3(a)]，使相邻炮孔起爆时，在炮孔轴线方向产生应力集中，延长爆生气体作用时间，促进裂纹向V字形缺口连线方向发育，形成导向裂纹，实现定向聚能爆破。b.将圆柱状炸药改为双V字形缺口柱状炸药[见图3(b)]，利用爆炸产物由炸药表面法向飞散的特性控制爆炸产物沿V字形缺口轴向聚集，增强轴向能量，实现定向聚能爆破。c.将炸药嵌入聚能装置[见图3(c)]，常见的聚能管截面见图4。聚能管是炸药爆炸时的第一接触面，由于其特殊形状使爆生气体在非导向方向受到抑制，促进爆生气体向导向方向聚集，增强导向方向的气楔作用，从而起到保护围岩、促进裂隙发育的作用。图4聚能管常用截面形状d.采用切缝聚能装置[见图3(d)]，切缝管与聚能管作用机理相似，药包爆炸后，切缝方向产生压应力集中现象，促使形成剪切应力差，破坏面沿着切缝方向延伸。宫本英修认为，刑罚的作用有二，一是实际效果，二是感情效果。实际效果是对犯罪的预防作用，这种作用包括一般预防与特别预防。刑罚的感情效果包括一平复被害人及其亲属等的报复心理；二作为一种社会公愤的显示；三使一般性的报应情感得到满足[7]26。据此，刑罚的功能不仅在于威慑罪犯与潜在的犯罪分子，更重要的是发挥其预防功能。

图3聚能切缝形式2.2聚能水压爆破装药结构形式装药结构直接影响孔壁爆轰压力的作用方式和破坏效应，不耦合装药结构分为径向不耦合和轴向不耦合，也存在二者组合形式，如径向空气不耦合+轴向水间隔装药结构。聚能水压爆破技术中水的位置有两种，即炮孔径向水耦合和炮孔轴向水间隔。刘永胜等提出了一种径向水耦合切缝药包装药结构(见图5)。轴向水的装药结构形式多样，一般以尼龙水袋或小塑料管作为水容器，沿轴向放入炮孔内，为保证炸药在炮孔的中心位置，还可利用竹节来平衡。图5水耦合切缝药包结构用水将炸药隔开，采用导爆索连接炸药是聚能水压爆破独有的特点。聚能水压轴向水装药方式如图6所示。图6聚能水压轴向装药方式3聚能水压爆破技术工程应用典型案例聚能水压爆破技术具有定向聚能控制爆破方向、减少围岩扰动、减少炸药使用量、减少排炮烟及粉尘时间等优点，故而被广泛应用于岩土工程爆破中，尤其是公路、铁路、隧道掘进和矿山开采。a.成兰铁路金瓶岩隧道长12773m，最大埋深791m，具有“四极三高”的显著特征，施工采用了聚能水压光面爆破技术。仅周边眼爆破成本就降低了32.9%，喷射混凝土支护费用降低了15%～20%，同时周边眼钻孔时间减少了约0.5h。b.贵州省剑榕高速公路下归里隧道地处西南山岭地区，经过多个循环试验，证实了聚能水压光面爆破可以节省炸药、降低烟尘、改善隧道施工作业环境；对于完整性较高的岩体，可以大幅度扩大周边眼的孔距，在缩短工期的同时经济效益也有显著提升。c.呼和乌素煤矿在宽4.0m、高3.2m、净断面面积12.80m2的某巷道掘进中采用聚能水压光面爆破施工周边孔，结果显示，孔数大幅减少，仅钻孔费用就减少了50%，雷管的消耗数较常规光面爆破减少1/2，缩短了通风时间，最大超挖量比常规光面爆破明显减小，炮孔残留率达95%。4聚能水压爆破技术应用存在的问题a.目前聚能管的制作与使用中仍存在一些不足，针对不同隧道断面及岩石等级，聚能管型号参数的选取无对应标准。另外，聚能管角度放置无法定位、周边孔间距控制不当造成洞身光爆效果不好等现象时有发生。b.针对水袋、炮泥的制作已研发了专用的机械设备，但聚能管内装药需利用注药枪和空压机等设备完成，装药需要专用场地和技术人员，水袋入孔没有保护，孔壁摩擦易导致水袋破裂。c.理论上认为炸药和水耦合会产生“水楔”效应，即利用爆破应力波对水的不可压缩性，使爆炸能量经水传递到炮孔围岩中几乎无损失，更利于岩石破碎；但水与炸药的位置关系以及水与炸药的装填比例尚未明确，使得目前在用的聚能水压爆破技术无法形成可广泛遵循的规范或技术标准。5展望基于聚能水压爆破技术研究进展和应用现状，对该技术未来的研究方向提出以下展望：a.目前对聚能水压爆破破岩机理的研究还很粗略，大都采用数值计算方法模拟爆炸的高温、高压、高速状态，往往忽略了PVC管材在爆轰冲击作用瞬间的状态问题。因此，聚能管材料特性是其作为爆破辅材的关键参数，值得深入探究。b.