爆破工程講座30

專題講座

爆炸和爆破的世紀(jì)回憶與展望力建學(xué)院道橋與地下工程系

東兆星

2013年3月2023/12/5120世紀(jì)：爆破十爆炸工藝從紀(jì)元開始，我們的祖先在第一個千禧中〔公元7世紀(jì)〕創(chuàng)造了黑火藥(BlackPowder)，人類從此知道了“爆炸〞；(usedinfireworksandsignals)第二個千僖的17世紀(jì)〔1627年〕，匈牙利人最先用黑火藥采礦，從此出現(xiàn)了“爆破〞。此后西歐創(chuàng)造了硝化甘油、梯思梯(TNT)、黑索金(RDX)等多種后來叫做猛炸藥的物質(zhì)，由于沒有可靠的起爆手段，軍事和工業(yè)都難以有效利用。

2023/12/52直到1867年，諾貝爾(AlfredNobel)同時創(chuàng)造了雷管和工業(yè)硝化甘油藥卷，從此啟動了爆炸和爆破的飛速開展。激波原理和爆破漏斗概念是這種開展的理論根底，爆炸和爆破的效益那么是這種開展的巨大動力。

AlfredNobel2023/12/53

當(dāng)我們在這21世紀(jì)之初回憶爆破百余年來的開展時，也許應(yīng)該提到19世紀(jì)的學(xué)者未曾清楚預(yù)見到的以下幾項(xiàng)進(jìn)展。

2023/12/541.爆破漏斗原理的擴(kuò)展和異化

有了爆破，就需要計(jì)算用藥量，基于幾何相似的爆破漏斗概念是爆破原理的根底，該原理假設(shè)爆破用藥量Q與被爆破的巖石體積V成正比，有Q＝K×V其中K定義為爆破單位體積巖石的用藥量(單耗)。2023/12/55假設(shè)以球形藥包爆破為典型，可導(dǎo)出計(jì)算單個藥包炸藥用量的通式Q=KW3f〔n〕

其中W定義為最小抵抗線，表示自藥包中心至臨空面的最小距離；n=r/W表示漏斗底面半徑r與最小抵抗線W之比，反映漏斗的張開程度，漏斗開度越大，爆破作用越強(qiáng)，故將n定義為爆破作用指數(shù)，2023/12/56n＞1為拋擲爆破，n=1為標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破0.75＜n＜1為減弱拋擲爆破，n＜75為松動爆破。f(n)那么是爆破作用指數(shù)的冪函數(shù)。但是,當(dāng)時的學(xué)者未必想象到了漏斗原理在本世紀(jì)會有如此巨大的擴(kuò)展、演化和異化。

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20世紀(jì)的爆破實(shí)踐證明：隨W值增大，K和f(n)值需要相應(yīng)增大，說明幾何相似應(yīng)考慮力學(xué)特征進(jìn)行修正，已提出的Q＝k1W2十k2W3十k3W4或Q＝kW3.5f(n)等反映了這種修正的嘗試。

2023/12/58此外，成排的群藥包為防止鄰近藥包相互作用產(chǎn)生的應(yīng)力削弱區(qū)，要求減小w／a值(寬孔距爆破技術(shù)〕；光面爆破相反要求增大w／a值，以獲得平整輪廓面和減小壓碎圈；定向拋擲堆積的體積平衡原理和彈道原理描述了漏斗邊緣以外的現(xiàn)象；以及用不耦合裝藥降低爆炸初壓，減小過粉碎和增大拋擲功的比例，在拋擲爆破和輪廓爆破方面取得的成功，等等，可歸結(jié)為漏斗原理的擴(kuò)展和演化。

2023/12/59預(yù)裂爆破、水壓爆破、軟基處理、爆炸成型都存在某種幾何相似，但都不能用爆破漏斗來解釋；建筑物定向傾倒或定向滑坡筑壩那么是爆破啟動的重力作用過程；都應(yīng)歸結(jié)為爆破漏斗的異化，顯示出新的爆破作用機(jī)制。上述進(jìn)展說明，激波原理和爆炸產(chǎn)物作功原理有普適性，爆破漏斗原理有局限性，20世紀(jì)也許可以說是爆破向爆炸工藝演化的世紀(jì)。

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爆破器材和爆破技術(shù)相互促進(jìn)，協(xié)同開展

20世紀(jì)中，爆破規(guī)模不斷擴(kuò)大和爆炸工藝多樣化的需求，刺激了爆破器材的快速開展；爆破器材的快速開展又推動了爆破和爆炸工藝的巨大進(jìn)步。20世紀(jì)爆破器材有五大創(chuàng)造：電和非電毫秒延時起爆系統(tǒng)硝銨基炸藥及其含水衍生品種系列不耦合裝藥塑性薄膜炸藥無起爆藥雷管

2023/12/511當(dāng)我們思考它們的創(chuàng)造過程時，可以得出結(jié)論：爆破開展的需求是爆破器材開展的動力，根底科學(xué)和技術(shù)科學(xué)的成果那么是爆破器材進(jìn)步的保證。固體火焰理論促進(jìn)了微氣體產(chǎn)物的毫秒延時藥劑的誕生；管道效應(yīng)導(dǎo)致非電導(dǎo)爆管和不耦合裝藥的創(chuàng)造；外表化學(xué)和外表物理學(xué)進(jìn)展演化出抗水硝銨類炸藥；爆燃轉(zhuǎn)為爆轟的研究成果促進(jìn)了無起爆藥雷管的構(gòu)思。電和非電延時起爆系統(tǒng)的先后創(chuàng)造，成為大規(guī)模群藥包依序爆破的導(dǎo)演，同時又是減輕爆破地震、沖擊波等有害效應(yīng)和防止現(xiàn)代化引起的各種干擾危害的有力工具。2023/12/512抗水起爆器材和抗水炸藥是軟基處理和各種水下爆炸工程的可靠手段；比硝化甘油平安、廉價得多的硝銨基炸藥及其含水衍生品種的創(chuàng)造為實(shí)施上述爆破提供了最經(jīng)濟(jì)的能源；塑性、薄層或聚能裝藥是爆炸成型、復(fù)合、穿孔、切割，外表硬化和消除剩余應(yīng)力的動力。無起爆藥雷管的問世那么根本改善了雷管造、存、運(yùn)、用的平安性，并為根治起爆藥的生產(chǎn)污水提供了保證。

在技術(shù)上，像爆炸工藝與爆破器材這樣相輔相成，沒有矛盾的姐妹技術(shù)是不多見的。

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采掘機(jī)械和爆破是在競爭中相互促進(jìn)的伙伴

20世紀(jì)中，風(fēng)動、液壓鉆機(jī)和硬質(zhì)合金鉆具的開展，極大地提高了鑿巖效率，它們與爆破器材的進(jìn)步相配合，使萬噸炸藥硐室群藥包一次爆破1300萬m3巖石成為可行的工藝方法〔中國迄今為止已進(jìn)行萬噸級大爆破3次〕，而配備了大容積鏟斗的電力或液壓挖裝機(jī)械和大型運(yùn)載車型的出現(xiàn)，那么使1500—3000噸炸藥深孔群藥包一次爆破70—150萬m3礦巖成為日常生產(chǎn)環(huán)節(jié)(美國)。新型機(jī)械、新型爆破器材與爆破的配合，極大提高了生產(chǎn)效率，創(chuàng)造了巨大財(cái)富。2023/12/514附：珠海機(jī)場炮臺山萬噸級大爆破工程

珠海機(jī)場炮臺山總爆破方量1080萬立方米，一次起爆炸藥12000余噸，于1993年12月28日起爆，距山體600米處的英表村平安無恙。爆破成功后，國內(nèi)近百家新聞單位進(jìn)行了報(bào)導(dǎo)，李鵬總理在珠海機(jī)場視察時，聽了匯報(bào)后說，此次爆破是中國爆破史上的一次重大突破，并譽(yù)稱為“亞洲第一炮〞。此工程由總參工程兵工程學(xué)院承擔(dān)。朱振海同志擔(dān)任副總技術(shù)師，負(fù)責(zé)前期勘察和爆破方案設(shè)計(jì)及施工技術(shù)指導(dǎo)工作。2023/12/515另一方面，水力采煤，靜態(tài)破碎技術(shù)和帶鋸開采裝飾用石料幾乎取代了同類的爆破開采。機(jī)械全斷面掘進(jìn)巷道〔TBM)或撤除建筑物，也是同類爆破方法的有力競爭對手。通過競爭優(yōu)勝劣汰是科技進(jìn)步的法那么。歷史上爆破的出現(xiàn)曾使基于杠桿原理的鍬、鎬、鋤相形見絀；今天，一些落后的爆破工藝被新型機(jī)械淘汰，可能促進(jìn)新型爆炸工藝的誕生。這是競爭促開展的規(guī)律。

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21世紀(jì)：爆破十爆炸工藝十爆炸產(chǎn)業(yè)

20世紀(jì)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)步開辟了廣闊的開展空間，同時又提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)!有限的陸地資源的強(qiáng)化開采，強(qiáng)迫人們想到海底資源；世紀(jì)末宣告60億人口日到來，引導(dǎo)人們思考食物鏈和生存空間的擴(kuò)展，諸如育種、纖維酪化、無土栽培和山地、冰川和沙漠改造，以及生活垃圾的處理；交通運(yùn)輸?shù)膲毫蜕鷳B(tài)保護(hù)的呼吁，促使坑口電站、煤層氣化、油頁巖原地析餾和侵析采礦的開展等等。

2023/12/517本文的問題是：爆破業(yè)者能做什么?當(dāng)面對重大課題時，愛因期坦說過：“想象力比知識更重要〞，讓我們展開想象的翅膀吧。

2023/12/5181.開展內(nèi)部藥包和大抵抗線藥包爆破技術(shù)

內(nèi)部藥包已在擴(kuò)大油井產(chǎn)油強(qiáng)度、提高旱井出水率、修建地下儲存?zhèn)}庫和地下水窖、爆擴(kuò)樁、改善防雷接地電阻等方面做出奉獻(xiàn)。預(yù)期在21世紀(jì)中，由于煤層氣化、油頁巖原地析餾以及陸地、深海浸析采礦的需求，以內(nèi)部藥包爆炸獲取范圍廣闊、裂縫細(xì)勻的爆破技術(shù)將會開展。這種爆破的裝藥應(yīng)有高能量密度，以減小鉆孔直徑和孔網(wǎng)密度；有適當(dāng)?shù)谋ǔ鯄海却偈沽芽p產(chǎn)生又無大范圍過粉碎；有較長的爆壓持續(xù)時間，以支持裂縫擴(kuò)展。

2023/12/519因此，可能的方案之一是不耦合或水耦合的，間隔裝填的或相繼起爆的藥包群。LosAlamos國家試驗(yàn)室的Shale模型是解決原地爆炸油頁巖的有益嘗試，說明內(nèi)部藥包有開展前景。

另一方面，大抵抗線藥包揚(yáng)棄爆破用于山脈、冰川、沙漠或河道改造以及海底非浸析采礦可能會逐漸普及，爆破漏斗的幾何相似原理將進(jìn)一步異化，從而建立爆破的現(xiàn)代力學(xué)模型。

2023/12/5202爆破器材將有劃時代的進(jìn)展

首先，工業(yè)炸藥可能向三方面開展：(1)可能出現(xiàn)比硝銨炸藥更經(jīng)濟(jì)有效的締合鍵能炸藥以空氣和煤為原料的硝酸銨價格低廉，爆炸力中等，成為20世紀(jì)工業(yè)炸藥的根底成分。然而，絕大多數(shù)現(xiàn)有工業(yè)炸藥都是氧化復(fù)原型炸藥，爆炸產(chǎn)生有害氣體〔CO、NO、NO2、SO2等〕，據(jù)估計(jì)，工業(yè)爆炸每年排入大氣的一氧化碳約70—80萬噸，氮氧化物約20—30萬噸，成為環(huán)保問題之一。地球能接受的爆炸產(chǎn)物是N2、02和H20。因此，開展以空氣為原料，爆炸后再生成空氣成分的炸藥是誘人的思路。2023/12/521

相同原子的締合鍵比不同原子的化合鍵的能量大，以締合鍵能炸藥取代化合鍵能炸藥應(yīng)是方向之一，試制N3

或o3及其締合物，如可能的(N3)2n或(N3)2n+l和(O3)2n或(o3)2n+l值得實(shí)踐。幾年前N3在美國試驗(yàn)室強(qiáng)烈爆炸，預(yù)示著以空氣為原料的振蕩共價鍵能炸藥的誕生，其爆炸產(chǎn)物為N2，故同時也是環(huán)保炸藥。

2023/12/522(2)核爆炸能和平利用

現(xiàn)實(shí)的困難是平安、價格和產(chǎn)物的放射性污染。平安在于加強(qiáng)管理。降低價格在于民用化，面向市場的規(guī)模生產(chǎn)是降低本錢的關(guān)鍵。放射性污染有待開展清潔的核爆炸。相信在21世紀(jì)能解決這些問題。在沒有清潔核爆炸之前，核炸藥可以用作內(nèi)部藥包為前述目的效勞，即利用核爆炸的高溫使藥包附近的巖石熔化形成玻璃體殼，將放射產(chǎn)物“關(guān)閉〞在殼中，俄羅斯在地下銷毀核武器，說明了這個方案的可行性。在實(shí)現(xiàn)清潔的核爆炸之后，核炸藥在大抵抗線藥包爆破中將舉足輕重，并為大地改造和深海爆破作出極大的奉獻(xiàn)。

2023/12/523(3)更小夸克的爆炸能源的利用

李政道在1991年預(yù)言：盡管宇稱守恒定律已被證明，但現(xiàn)實(shí)中宇稱都不守恒，說明空間中存在著無限的能源。并且說，正像20世紀(jì)初蒲朗克常數(shù)和測不準(zhǔn)關(guān)系引導(dǎo)出核能、激光一樣，新的發(fā)現(xiàn)將在21世紀(jì)出現(xiàn)。這是否預(yù)示著爆破業(yè)在21世紀(jì)可能利用更小夸克的爆炸能，盡管利用的方式目前還不清楚。

2023/12/524其次，起爆器材也將有更進(jìn)一步開展：

(1)信息延時起爆技術(shù)

信息技術(shù)將促進(jìn)更精確且延時段別可能任意控制的起爆系統(tǒng)問世(數(shù)碼雷管)，使爆破效果和爆破有害效應(yīng)得到更精確的控制。

2023/12/525(2)無起爆藥雷管將會普及，無雷管起爆也可能實(shí)現(xiàn)

雖然20世紀(jì)未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)炸藥的無雷管起爆，但我們衷心期望著2l世紀(jì)能有一種價格可與雷管競爭的非雷管高新技術(shù)起爆器材問世。

(3)高抗水和耐熱起爆器材

隨著地層深部采礦和海底采礦的開展，耐地?zé)岷湍蜕钏鸨鞑膶_展。雙層管殼的水壓自補(bǔ)償式雷管和非雷管起爆應(yīng)當(dāng)有廣闊的應(yīng)用前景。

2023/12/5263機(jī)械和爆炸在競爭中相互滲透和協(xié)同開展

前面提到水力采煤、帶鋸開采石料、機(jī)械掘進(jìn)巷道和撤除建構(gòu)物同爆破的競爭，將促進(jìn)爆炸工藝原理的改進(jìn)。事實(shí)上，20世紀(jì)60—70年代在美國曾有一輪相互代謝的競爭。當(dāng)時火力鉆機(jī)曾部份取代了老一代鉆機(jī)，隨后又被新型的液壓式牙輪鉆機(jī)所取代；同期開展的全自動連續(xù)小藥量爆炸掘進(jìn)巷道系統(tǒng)也未能勝過現(xiàn)已投產(chǎn)的液壓牙輪掘巷機(jī)。2023/12/527火鉆是液體燃料與壓縮空氣的亞音速燃燒實(shí)現(xiàn)鉆孔的機(jī)械，破巖機(jī)制是利用巖石晶粒的各向異性膨脹產(chǎn)生熱應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)的，由于熱交換時間短，熱滲透層淺，各種巖晶的熱膨脹各向異性也不同，火鉆只在石英巖中效果最好，終于被牙輪鉆機(jī)取代。連續(xù)爆炸掘巷系統(tǒng)采取不斷輸送雷管起爆固態(tài)炸藥的設(shè)計(jì)，競爭力自然缺乏。2023/12/528上述教訓(xùn)的啟示是：應(yīng)該開展連續(xù)的馬赫數(shù)M＝2～4的超音速燃燒或帶有激波的連續(xù)精確爆燃為根底的破巖設(shè)備。其作用時間較快，激波滲透層較厚，利于快速鉆孔或掘巷。其工作介質(zhì)宜用液體混合炸藥或懸濁態(tài)、乳濁態(tài)的流態(tài)炸藥。這種系統(tǒng)假設(shè)能聚焦，就是巖石切割設(shè)備。

2023/12/529另一方面，爆炸聚能切割可否由單級幾何形狀的聚能結(jié)構(gòu)衍生為多級的聚能結(jié)構(gòu)，或由多個聚能穴組成的蜂窩狀聚能聚焦結(jié)構(gòu)，從而提高切割的精度和深度。

至于地下煤礦的水力采煤，迄今仍是最平安、高效的技術(shù)方案，看不出在同樣條件下用爆炸方法取而代之的途徑。但是，爆炸可能在煤層氣化工藝中發(fā)揮作用?！八暡晦D(zhuǎn)“山〞轉(zhuǎn)或許也是競爭的法那么之一。

2023/12/5304、

可能形成興旺的爆炸產(chǎn)業(yè)

錢學(xué)森在1981年就指出：爆炸可以產(chǎn)生極強(qiáng)的脈沖電流，脈沖磁場和極高的壓力，“這里有能量轉(zhuǎn)化問題，而對研究來說，特別要求轉(zhuǎn)化過程的精密控制。爆炸所產(chǎn)生高壓已用于生產(chǎn)，如爆炸成型和爆炸合成金剛石等。近年來，利用爆炸產(chǎn)生的極強(qiáng)脈沖電磁場作為軍用電子對抗手段已裝備部隊(duì)，用爆炸效應(yīng)育種、纖維酯化或膨化等也有報(bào)導(dǎo)。因此，期待21世紀(jì)出現(xiàn)爆炸產(chǎn)業(yè)應(yīng)是有根據(jù)的。

2023/12/531(1)穩(wěn)固和開展爆炸加工

爆炸成型、復(fù)合、異型件沖孔等已經(jīng)形成一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，而爆炸切割、硬化和消除剩余應(yīng)力多在廢舊結(jié)構(gòu)撤除、大型設(shè)備維修后處理中發(fā)揮作用。從一定意義上說，爆炸加工是機(jī)械制造業(yè)的組成部份。但由于機(jī)械業(yè)中激光、等離子、電火花，高頻感應(yīng)，精密氧割等高新技術(shù)的開展，又與爆炸加工形成競爭。

2023/12/532(2)未來爆破的“黑匣子〞產(chǎn)業(yè)

利用爆破時的脈沖電磁場、高壓場和后繼的負(fù)壓場生產(chǎn)伴生產(chǎn)品，是誘人的設(shè)想。20世紀(jì)用于爆破的數(shù)十億噸炸藥，只有爆破效果，沒有伴生產(chǎn)品，極大地降低了爆破效益，確是撼事。不過，從理想到現(xiàn)實(shí)，需要解決