立井凍結段爆破拒爆原因分析

立井凍結段爆破拒爆原因分析

1過立井凍結段低溫含水層爆破時的拒爆現(xiàn)象橡膠爆炸和乳化爆炸具有高度爆炸感度高、爆炸能力好、抗水性好、能量密度適應性好、生產(chǎn)和使用安全等優(yōu)點。然而水膠炸藥和乳化炸藥的主要成分是飽和的氧化劑水溶液,在一定的溫度下會出現(xiàn)氧化劑水溶液析晶,低溫條件下進行爆破施工會影響炸藥的爆轟性能。有研究資料表明,乳化炸藥的低溫爆速明顯優(yōu)于水膠炸藥。眾多低溫條件下的鐵路、隧道、路塹、基坑等凍土爆破工程都采用了乳化炸藥,特別是煤礦立井不穩(wěn)定厚表土凍結法掘進爆破中更是較多地采用乳化炸藥,大都取得了良好的爆破效果。但也出現(xiàn)過立井凍結段低溫含水炮孔裝藥爆破時的拒爆現(xiàn)象,我們在安徽淮南丁集煤礦風井凍結礫石層掘進爆破施工中就出現(xiàn)過?；茨系V業(yè)集團丁集煤礦風井表土段采用凍結法施工,凍結深度560～580m,其中有25～30m的礫石層,位于井筒垂深490～520m,粒徑大都在100～300mm之間,其間含有黏土。實測掘進工作面溫度在-18℃左右。進入礫石層后,為了加快掘進速度、保證施工安全,采用爆破方法施工,用傘形鉆架配備重型導軌式鑿巖機鉆孔,優(yōu)選抗凍性能良好的巖石乳化炸藥、毫秒電雷管起爆、反向閉合爆破網(wǎng)路。但在第1次爆破中,就出現(xiàn)了大量炮孔裝藥拒爆現(xiàn)象。為此我們會同生產(chǎn)廠家根據(jù)現(xiàn)場情況,認真分析了拒爆產(chǎn)生的原因,提出了預防拒爆的措施,采用塑料管裝藥結構,并通過地表模擬試驗后應用于實踐中,消除了拒爆,取得了良好的掘進爆破效果。2小藥量低溫襲擊試驗通常對于電爆網(wǎng)路,產(chǎn)生拒爆的原因主要有以下幾方面:①爆破材料(雷管和炸藥)質(zhì)量不合格或過期變質(zhì)失效;②電爆網(wǎng)路設計不合理,使得通過起爆雷管的電流達不到雷管的起爆電流值;③爆破作業(yè)操作不規(guī)范,如接觸電阻過大、線路接地漏電、錯接漏接、裝藥不連續(xù)等。然而在此次處理拒爆時發(fā)現(xiàn),除了10%～20%的雷管可能由于起爆能力不足發(fā)生拒爆外,有80%～90%的是炸藥拒爆。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的材料,該批乳化炸藥的生產(chǎn)期不足1個月,沒有超過180天的保質(zhì)有效期,不可能變質(zhì)失效,且該品種乳化炸藥在其它工程中應用情況很好,均沒有出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象。所采用的巖石乳化炸藥的技術性能為藥卷密度0.95～1.30g/cm3、殉爆距離≥3cm、爆速≥3200m/s、猛度≥12mm。經(jīng)過綜合分析,我們認為乳化裝藥在此施工條件下拒爆的原因可能是以下三個方面:(1)乳化炸藥的抗凍性能是否滿足要求。一般情況下,在低溫條件下短時間內(nèi)乳化炸藥具有良好的抗凍性能。文獻用自制的以珍珠巖作敏化劑的乳化炸藥,在-24℃條件下冷凍后測其爆速,結果發(fā)現(xiàn),雖然隨著冷凍時間增加其爆速下降,但下降的速率很小,冷凍12天后才發(fā)生拒爆。但如果炸藥質(zhì)量不合格,再加上較長時間低溫冷凍(由于礫石層中含有黏土,鉆孔難度大,從鉆孔到裝藥連線放炮時間長達8～10h,最先裝入炮孔中的炸藥被冷凍長達6～8h),就可能造成炸藥中氧化劑水溶液結冰或析晶,兩者相互交錯,降低了炸藥的流動性和可塑性,妨礙了炸藥顆粒之間相互流動產(chǎn)生的摩擦熱點,同時也阻礙了爆轟產(chǎn)物的相互滲透,使炸藥爆轟性能降低甚至拒爆。如果是因低溫而拒爆,則是該批次乳化炸藥的抗凍性能不合格。為檢驗該乳化炸藥的抗凍性能,對乳化炸藥進行了小藥量低溫爆炸模擬試驗。取三種藥量100g、200g、300g的原塑料包裝乳化炸藥直接放入凍結站-32℃的鹽水箱中冷凍12h,取出裝入盛有-32℃鹽水的大保溫瓶中(以保證乳化炸藥爆炸試驗時的溫度不變),用普通工業(yè)雷管起爆,結果全部爆炸。試驗驗證了該乳化炸藥具有良好的抗凍性能,不是抗凍性差引起的炸藥拒爆。(2)乳化炸藥的動壓減敏作用。為使乳化炸藥具有雷管感度,乳化炸藥在生產(chǎn)過程中,在乳化基質(zhì)中混入大量的均勻微小敏化氣泡,敏化氣泡載體主要有化學氣泡、膨脹珍珠巖和各種微珠等。乳化炸藥在實際巖土和礦山采掘工作面延時爆破過程中,毗鄰炮孔中裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波或應力波等動壓壓縮次爆炮孔裝藥,就會使其發(fā)生減敏現(xiàn)象。特別是在水下和礦井有淋水工作面采用延時爆破時,這種現(xiàn)象更加顯著。相關的文獻研究表明,乳化炸藥受動態(tài)壓力作用后,其微觀的物理化學結構發(fā)生變化,乳化基質(zhì)顆粒產(chǎn)生聚結、變形、析晶、破乳,使敏化氣泡減少,降低了乳化炸藥爆轟反應速度,破壞了乳化炸藥原有的爆炸性能,產(chǎn)生減敏現(xiàn)象。通過試驗研究分析得出,動壓作用下乳化基質(zhì)和敏化載體都會有不同程度的破壞,乳化基質(zhì)的破壞主要表現(xiàn)在微觀結構的變化,體系的不均一性增大,敏化載體的破壞主要表現(xiàn)在氣泡的變小和載體的破裂,這兩個因素相互影響、相互作用,致使炸藥減敏。對于玻璃微球敏化的乳化炸藥來說,在動壓作用下,不但微觀結構發(fā)生了變化,而且其中的玻璃微球也遭到了破壞,在被引爆時不再能夠形成足夠而有效的熱點,所以炸藥的爆炸性能降低。由于基質(zhì)內(nèi)部微觀結構的變化,其中的W/O結構已經(jīng)遭到破壞,尤其是水相中硝酸鹽的結晶析出,使其中的水相和油相間的界面遭到破壞,兩相間的緊密結合程度大大下降,導致達到爆轟所需的能量增加,以致工業(yè)電雷管難以將其起爆。對于化學發(fā)泡敏化的乳化炸藥,在動壓作用下,乳化炸藥中氣泡會被壓縮變小,且由于藥體在沖擊波壓力的作用下向氣泡內(nèi)形成射流,把氣泡分割成一些更小的氣泡,這種原因?qū)е旅艋瘹馀菘s小,對形成熱點不利,乳化炸藥的爆炸性能降低。對于膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥,由于膨脹珍珠巖具有不規(guī)則的外形和較多的棱角,在動壓作用下,乳化炸藥的兩相界面膜很容易被破壞,水相粒子發(fā)生聚結變大、析晶使得體系的不均一性增大,導致爆炸性能變差;再者,膨脹珍珠巖的強度較低且空隙是開放型的,在較低的壓力作用下便能被壓碎,而壓碎后的小顆粒是不利于形成熱點的,使得膨脹珍珠巖敏化的乳化炸藥在較低壓力的作用下就會發(fā)生減敏,當壓力增大到一定值后,隨著壓力的增大乳化炸藥的減敏程度迅速增大直至失去爆炸性能。爆破參數(shù)和爆破延遲時間不合理,先期起爆的乳化炸藥爆炸時產(chǎn)生的動態(tài)壓力,通過巖石介質(zhì)傳遞到并壓縮臨近炮孔中的乳化炸藥導致炸藥動壓減敏甚至拒爆。如果如此,那么出現(xiàn)盲炮的炮孔應在已爆炸炮孔周圍的附近炮孔,而不應該出現(xiàn)大面積的拒爆?，F(xiàn)實是已爆炸的炮孔都是后裝藥的炮孔,出現(xiàn)拒爆都是先前裝藥的炮孔。因此,由動壓作用造成拒爆不是主要原因。(3)乳化炸藥的靜壓減敏作用。炮孔中的水結冰,體積增大產(chǎn)生膨脹靜壓力,乳化炸藥受擠壓,密度增大,爆速降低,達到一定值后而拒爆。文獻的試驗研究表明,乳化裝藥在靜壓力較小時,隨著壓力增大爆速增大,但當壓力增大到某值時,隨著壓力增大爆速下降,壓力越大下降速率越快。其機理是乳化炸藥受靜壓力作用硝酸銨的溶解度降低,當壓力達到一定值后,乳化炸藥中液珠變大,均勻性變差,分層速度加快導致炸藥的穩(wěn)定性下降,影響了裝藥的爆轟性能,當壓縮后炸藥密度大于其爆轟臨界密度時就會產(chǎn)生拒爆。由于工作面采用濕式打孔,整個鉆孔工序要占時6～8h,且工作面的溫度低,一般在-18℃左右,一個炮孔鉆出提鉆后,很短時間內(nèi)炮孔就會被凍實,無法進行裝藥。為此,實際鉆孔爆破施工時,采取的是每一個炮孔鉆出后,立即裝入乳化炸藥,這樣先期裝藥受凍時間較長,炮孔中的水結冰,體積膨脹增大,又由于炮孔上部有600～800mm長度的炮泥,體積膨脹受到約束,導致炮孔內(nèi)結冰靜壓力升高,乳化炸藥受到擠壓,藥卷變形、密度增大、爆速下降,當密度超過其臨界密度后炸藥拒爆。為檢驗是否由此原因引起的拒爆,還進行了小藥量爆炸模擬試驗。以外徑60mm、管壁厚2mm、內(nèi)徑54mm(實際釬頭直徑55mm,炮孔直徑56～60mm,與模擬塑料管相符)的硬質(zhì)塑料管模擬炮孔,取三種藥量100g、200g、300g的直徑35mm的乳化炸藥裝入塑料管中,炸藥和管壁間充滿水,緊挨著裝藥將塑料管的兩端用200mm長的炮泥封實,同樣放入凍結站-32℃的鹽水箱中冷凍12h,取出后快速運到試驗場地用普通工業(yè)雷管起爆,結果全部拒爆(施工恰在冬季,試驗時的環(huán)境溫度約-8℃,對試驗結果影響不大)。試驗驗證了以上關于乳化炸藥拒爆原因的分析,主要是炮孔中水結冰、體積膨脹而引起的乳化炸藥的靜壓減敏作用。3長壁塑料管模擬試驗掌握了乳化炸藥拒爆的真正原因,就能針對其采取措施預防拒爆。設計采用塑料管抗壓裝藥結構,其主導思想是:(1)采用的塑料管裝藥外殼要求有一定的抗圍壓強度,足以抵抗炮孔中水結冰所產(chǎn)生的圍壓力。(2)在保證裝藥順利的情況下,塑料管的外徑應盡可能的接近炮孔直徑,以減少其間的容水量,進而減小凍結壓力。(3)塑料管的兩端嚴密封實,不能讓水進入,保證管內(nèi)為空氣不耦合裝藥或耦合散裝藥。具體做法是在地面預先將炸藥空氣不耦合或耦合散裝的方式裝入具有一定抗圍壓強度的硬質(zhì)塑料管中,并反向裝入起爆雷管,管的兩端同樣用200mm的炮泥封實,不能讓水進入,然后將炸藥連同塑料管一同裝入炮孔中。塑料管外徑50mm、壁厚2mm、內(nèi)徑46mm。同樣,為驗證此種裝藥結構的可用性,正式下井使用前還在地面取同樣的藥量,以外徑80mm的塑料管模擬炮孔,用同樣的凍結時間和試驗方法,分別對空氣不耦合裝藥和耦合散裝藥進行了模擬試驗,共試驗了6炮,結果全部爆炸。另外,硬質(zhì)塑料管還能在一定程度上抵抗爆炸沖擊波或爆炸應力波的壓縮作用,減小乳化炸藥動壓減敏的影響。4立井凍結段爆破技術除了采用塑料管抗壓裝藥結構預防拒爆外,為保證獲得良好的爆破效果,還進一步優(yōu)化了爆破參數(shù)和優(yōu)選了起爆雷管,改原毫秒延時起爆為半秒延時起爆。這樣一方面先期起爆的裝藥對凍土或巖石造成充分破碎并移動一定距離,為后期起爆裝藥創(chuàng)造新的自由面以改善爆破效果;另一方面,還可能使受動壓作用后受影響的藥卷,在沖擊波或應力波通過后炸藥性能在一定程度上有所恢復。有資料研究證明乳化裝藥具有此種性能,例如化學發(fā)泡敏化的乳化炸藥,氣泡受動壓后變小,但當沖擊波或應力波通過后,氣泡具有一定的恢復能力。該段井筒掘進直徑為11.8m,掘進斷面積109.3m2,設計采用的掘進爆破參數(shù)如表1所示。另外,立井凍結段爆破施工還必須確保凍結管和凍結壁的安全,因此采取了嚴格控制裝藥量、周邊孔采用控界爆破技術、較為密集鉆孔、較低的線裝藥密度等措施;閉合反向起爆電爆網(wǎng)路,采用地面380V動力電源起爆。5爆破參數(shù)和藥劑的操作吸取以前卡鉆的教訓,為降低鉆孔時的粉塵,用熱水濕式鉆孔效果較好,但大量長時間的供應熱水很不方便,試用清水,在較快的鉆孔速度下同樣有較好的效果。按設計的爆破參數(shù)