立井凍結(jié)段爆破拒爆原因分析

立井凍結(jié)段爆破拒爆原因分析

1過立井凍結(jié)段低溫含水層爆破時(shí)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(yīng)性好、生產(chǎn)和使用安全等優(yōu)點(diǎn)。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(huì)出現(xiàn)氧化劑水溶液析晶,低溫條件下進(jìn)行爆破施工會(huì)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(jié)法掘進(jìn)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(jié)段低溫含水炮孔裝藥爆破時(shí)的拒爆現(xiàn)象,我們?cè)诎不栈茨隙〖旱V風(fēng)井凍結(jié)礫石層掘進(jìn)爆破施工中就出現(xiàn)過?；茨系V業(yè)集團(tuán)丁集煤礦風(fēng)井表土段采用凍結(jié)法施工,凍結(jié)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(shí)測(cè)掘進(jìn)工作面溫度在-18℃左右。進(jìn)入礫石層后,為了加快掘進(jìn)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(dǎo)軌式鑿巖機(jī)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(huì)同生產(chǎn)廠家根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,認(rèn)真分析了拒爆產(chǎn)生的原因,提出了預(yù)防拒爆的措施,采用塑料管裝藥結(jié)構(gòu),并通過地表模擬試驗(yàn)后應(yīng)用于實(shí)踐中,消除了拒爆,取得了良好的掘進(jìn)爆破效果。2小藥量低溫襲擊試驗(yàn)通常對(duì)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(shè)計(jì)不合理,使得通過起爆雷管的電流達(dá)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(cuò)接漏接、裝藥不連續(xù)等。然而在此次處理拒爆時(shí)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(gè)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(yīng)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(shù)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(rèn)為乳化裝藥在此施工條件下拒爆的原因可能是以下三個(gè)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(shí)間內(nèi)乳化炸藥具有良好的抗凍性能。文獻(xiàn)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(cè)其爆速,結(jié)果發(fā)現(xiàn),雖然隨著冷凍時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(shí)間長(zhǎng)達(dá)8～10h,最先裝入炮孔中的炸藥被冷凍長(zhǎng)達(dá)6～8h),就可能造成炸藥中氧化劑水溶液結(jié)冰或析晶,兩者相互交錯(cuò),降低了炸藥的流動(dòng)性和可塑性,妨礙了炸藥顆粒之間相互流動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱點(diǎn),同時(shí)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(yàn)該乳化炸藥的抗凍性能,對(duì)乳化炸藥進(jìn)行了小藥量低溫爆炸模擬試驗(yàn)。取三種藥量100g、200g、300g的原塑料包裝乳化炸藥直接放入凍結(jié)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(yàn)時(shí)的溫度不變),用普通工業(yè)雷管起爆,結(jié)果全部爆炸。試驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)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(xué)氣泡、膨脹珍珠巖和各種微珠等。乳化炸藥在實(shí)際巖土和礦山采掘工作面延時(shí)爆破過程中,毗鄰炮孔中裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波或應(yīng)力波等動(dòng)壓壓縮次爆炮孔裝藥,就會(huì)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(shí)爆破時(shí),這種現(xiàn)象更加顯著。相關(guān)的文獻(xiàn)研究表明,乳化炸藥受動(dòng)態(tài)壓力作用后,其微觀的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,乳化基質(zhì)顆粒產(chǎn)生聚結(jié)、變形、析晶、破乳,使敏化氣泡減少,降低了乳化炸藥爆轟反應(yīng)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(yàn)研究分析得出,動(dòng)壓作用下乳化基質(zhì)和敏化載體都會(huì)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(jié)構(gòu)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(gè)因素相互影響、相互作用,致使炸藥減敏。對(duì)于玻璃微球敏化的乳化炸藥來說,在動(dòng)壓作用下,不但微觀結(jié)構(gòu)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(shí)不再能夠形成足夠而有效的熱點(diǎn),所以炸藥的爆炸性能降低。由于基質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化,其中的W/O結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到破壞,尤其是水相中硝酸鹽的結(jié)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(jié)合程度大大下降,導(dǎo)致達(dá)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(duì)于化學(xué)發(fā)泡敏化的乳化炸藥,在動(dòng)壓作用下,乳化炸藥中氣泡會(huì)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(duì)形成熱點(diǎn)不利,乳化炸藥的爆炸性能降低。對(duì)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(dòng)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(jié)變大、析晶使得體系的不均一性增大,導(dǎo)致爆炸性能變差;再者,膨脹珍珠巖的強(qiáng)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(diǎn)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(huì)發(fā)生減敏,當(dāng)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(shí)間不合理,先期起爆的乳化炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)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(dǎo)致炸藥動(dòng)壓減敏甚至拒爆。如果如此,那么出現(xiàn)盲炮的炮孔應(yīng)在已爆炸炮孔周圍的附近炮孔,而不應(yīng)該出現(xiàn)大面積的拒爆?，F(xiàn)實(shí)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(dòng)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(jié)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(dá)到一定值后而拒爆。文獻(xiàn)的試驗(yàn)研究表明,乳化裝藥在靜壓力較小時(shí),隨著壓力增大爆速增大,但當(dāng)壓力增大到某值時(shí),隨著壓力增大爆速下降,壓力越大下降速率越快。其機(jī)理是乳化炸藥受靜壓力作用硝酸銨的溶解度降低,當(dāng)壓力達(dá)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(dǎo)致炸藥的穩(wěn)定性下降,影響了裝藥的爆轟性能,當(dāng)壓縮后炸藥密度大于其爆轟臨界密度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生拒爆。由于工作面采用濕式打孔,整個(gè)鉆孔工序要占時(shí)6～8h,且工作面的溫度低,一般在-18℃左右,一個(gè)炮孔鉆出提鉆后,很短時(shí)間內(nèi)炮孔就會(huì)被凍實(shí),無法進(jìn)行裝藥。為此,實(shí)際鉆孔爆破施工時(shí),采取的是每一個(gè)炮孔鉆出后,立即裝入乳化炸藥,這樣先期裝藥受凍時(shí)間較長(zhǎng),炮孔中的水結(jié)冰,體積膨脹增大,又由于炮孔上部有600～800mm長(zhǎng)度的炮泥,體積膨脹受到約束,導(dǎo)致炮孔內(nèi)結(jié)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(dāng)密度超過其臨界密度后炸藥拒爆。為檢驗(yàn)是否由此原因引起的拒爆,還進(jìn)行了小藥量爆炸模擬試驗(yàn)。以外徑60mm、管壁厚2mm、內(nèi)徑54mm(實(shí)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(zhǎng)的炮泥封實(shí),同樣放入凍結(jié)站-32℃的鹽水箱中冷凍12h,取出后快速運(yùn)到試驗(yàn)場(chǎng)地用普通工業(yè)雷管起爆,結(jié)果全部拒爆(施工恰在冬季,試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度約-8℃,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不大)。試驗(yàn)驗(yàn)證了以上關(guān)于乳化炸藥拒爆原因的分析,主要是炮孔中水結(jié)冰、體積膨脹而引起的乳化炸藥的靜壓減敏作用。3長(zhǎng)壁塑料管模擬試驗(yàn)掌握了乳化炸藥拒爆的真正原因,就能針對(duì)其采取措施預(yù)防拒爆。設(shè)計(jì)采用塑料管抗壓裝藥結(jié)構(gòu),其主導(dǎo)思想是:(1)采用的塑料管裝藥外殼要求有一定的抗圍壓強(qiáng)度,足以抵抗炮孔中水結(jié)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(yīng)盡可能的接近炮孔直徑,以減少其間的容水量,進(jìn)而減小凍結(jié)壓力。(3)塑料管的兩端嚴(yán)密封實(shí),不能讓水進(jìn)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(yù)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(qiáng)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(shí),不能讓水進(jìn)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(yàn)證此種裝藥結(jié)構(gòu)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(jié)時(shí)間和試驗(yàn)方法,分別對(duì)空氣不耦合裝藥和耦合散裝藥進(jìn)行了模擬試驗(yàn),共試驗(yàn)了6炮,結(jié)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(yīng)力波的壓縮作用,減小乳化炸藥動(dòng)壓減敏的影響。4立井凍結(jié)段爆破技術(shù)除了采用塑料管抗壓裝藥結(jié)構(gòu)預(yù)防拒爆外,為保證獲得良好的爆破效果,還進(jìn)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(shí)起爆為半秒延時(shí)起爆。這樣一方面先期起爆的裝藥對(duì)凍土或巖石造成充分破碎并移動(dòng)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(dòng)壓作用后受影響的藥卷,在沖擊波或應(yīng)力波通過后炸藥性能在一定程度上有所恢復(fù)。有資料研究證明乳化裝藥具有此種性能,例如化學(xué)發(fā)泡敏化的乳化炸藥,氣泡受動(dòng)壓后變小,但當(dāng)沖擊波或應(yīng)力波通過后,氣泡具有一定的恢復(fù)能力。該段井筒掘進(jìn)直徑為11.8m,掘進(jìn)斷面積109.3m2,設(shè)計(jì)采用的掘進(jìn)爆破參數(shù)如表1所示。另外,立井凍結(jié)段爆破施工還必須確保凍結(jié)管和凍結(jié)壁的安全,因此采取了嚴(yán)格控制裝藥量、周邊孔采用控界爆破技術(shù)、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(dòng)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(xùn),為降低鉆孔時(shí)的粉塵,用熱水濕式鉆孔效果較好,但大量長(zhǎng)時(shí)間的供應(yīng)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(shè)計(jì)的爆破參數(shù)