“双聚能预裂与光面爆破综合技术”(椭圆双极线性聚能药柱爆破技术)与其巨大的经济社会效益

“双聚能预裂与光面爆破综合技术”（椭圆双极线性聚能药柱爆破技术）与其巨大的经济社会效益中国水电八局有限公司秦健飞1、一期研究成果及鉴定获奖情况1.1课题立项背景早在60年代就有人采用孔壁切槽来形成聚能结构实现聚能预裂爆破，这是聚能预裂爆破的最早邹形，但是效果都不十分令人满意，也未能大面积推广应用。80年代末国内有科技工作者曾经做过聚能预裂爆破试验研究,但终因技术及工艺水平的限制无法用于施工实践，进入90年代国内外众多科技工作者设计了各种形式、各种材质的聚能药管成形聚能药卷进行聚能预裂爆破试验研究，还有学者试图采用金属聚能结构打开聚能预裂(光面)爆破技术的瓶颈，终因结构复杂、造价高昂而难以在工程中推广应用。本课题研究旨在打破常规，寻求聚能药卷较为简单、价廉的聚能结构成形技术和设法使聚能爆破与预裂（光面）爆破能够有机结合的技术途径，在不降低国家规范要求的前提下减少预裂（光面）爆破造孔工作量、降低能耗、提高保留岩体的稳定性，达到既可加快施工进度、提高预裂（光面）爆破的爆破质量，又能够降低预裂（光面）爆破施工成本的多重目标。2004年初在中国水电八局科研项目立项评审会议上，“聚能预裂（光面）爆破技术研究”获得了立项批准。随后提出了试验大纲，明确试验目标和试验方法,并成立以局副总工程师秦健飞为首的科研课题组，该科研项目正式启动。2004年11月在成都召开的中国水利水电建设集团公司科技项目立项评审会上得到批准，从此纳入了中国水利水电建设集团公司的科研计划。1.2关键技术及创新点经过2年努力课题组研发成功了“双聚能预裂与光面爆破综合技术”并实现了生产性应用的突破性发展和关键技术的突破——研发了双聚能槽管的成形技术并采用试验方法确定了双聚能槽管的最优断面、聚能药卷对中等成套技术。从而实现了聚能爆破与预裂（光面）爆破的有机结合！获得了先进的技术经济指标制定了简单易行的施工工艺确保大规模的推广应用顺利进行。1.3科技成果鉴定及获奖情况该课题2004年9月在贵州构皮滩水电站首次试验成功，2005年10月在重庆彭水水电站进行验证试验同样取得了圆满成果，2006年3月开始在溪洛渡水电站、小湾水电站展开了大面积的生产性推广应用取得了相当好的效果。2007年1月19日通过了由中国水利水电建设集团公司组织我国爆破界权威专家进行的科技鉴定，以冯叔瑜院士为主任委员汪旭光、谭靖夷院士为副主任委员的鉴定委员会一致认为：“该项研究成果具有创新性，总体达到了国际先进水平。建议对双聚能槽管的聚能效应进行深入研究，为进一步的推广应用提供理论基础。”由于该研究成果成绩斐然2007年获得了中国电力科学技术二等奖、中国水利水电建设集团公司科技进步一等奖、中国施工企业管理协会科技创新一等奖，2008年获得中国工程爆破协会科技进步二等奖等诸多奖项。这对于课题组是莫大的鼓舞与鞭策，激励我们加倍努力！因此我们在一期研究基础上2007年又联合中南大学、国防科大、长江科学院进一步开展了更为深入的理论研究和试验验证研工作。一期研究鉴定会议会场2007年获中国电力科学技术二等奖2007年中国施工企业管理协会科技创新一等奖2007年获中中国水利水电建设集团公司科技进步一等奖2008年获得中国工程爆破协会科技进步二等奖2、二期理论研究及其验证2.1二期研究的提出课题组按照一期鉴定委员会提出的“建议对双聚能槽管的聚能效应进行深入研究，为进一步的推广应用提供理论基础。”建议，为了园满解释低爆速的普通工业炸药以及没有金属聚能罩材的聚能结构能够产生聚能效应的工程实际状况我们必须寻求一种全新的理论！为此在2007年新春伊始中国水利水电第八工程局有限公司就联合中南大学、国防科大、长江科学院展开了更为广泛、更为深入的计算机数值模拟研究。国防科大通过银河计算机系统完成了双聚能药卷的数值模拟工作并取得了与长江科学院采用不同的国外软件进行数值计算得出的基本一致的研究成果。随后我们又到施工现场对研究成果利用压力传感器分别测量正在推广应用的椭圆双极线性聚能原形药柱射流方向和非射流方向的应力波，以及该药柱聚能效应的原形观测、爆破波速变化测定、裂缝展开宽度测定等等一系列验证试验，从而完成了系统的理论研究，在此基础上建立了“瞬时爆轰论”等有关椭圆双极线性聚能药柱的聚能预裂爆破理论体系并且研发成功配套的小口径双聚能槽管乳化炸药装药设备。2.2理论创新情况2.2.1建立“瞬时爆轰论”在“双聚能预裂与光面爆破综合技术”实际施工中椭圆双极线性聚能药柱是采用导爆索绑在短半轴边或者置于双聚能槽管内引爆的，两种引爆方式对于爆破效果没有区别。工业导爆索的爆速≥6000m/s，药柱全断面的爆轰过程非常短促。目前常使用的工业炸药的爆速为3200～5500m/s，椭圆双极线性聚能药柱短半轴方向宽度22mm,全断面爆轰时间只有4.00～6.87×10－6s。因此，可以假定爆轰是瞬间完成,这样就可以不考虑起爆点在装药中位置的影响。这就是瞬时爆轰假说，采用瞬时爆轰的假说，可以使问题的研究简化。

按照瞬时爆轰假说，1）在爆炸瞬间飞散过程无热能损失，即爆炸产物和外界来不及进行热交换爆炸过程即已完成，换句话说炸药爆炸瞬间爆破孔内爆轰产物的压力就可以达到热化学压力。所谓热化学压力就是在绝热状态下，爆轰产物还在炸药装药初所占的体积内就已获得热和化学平衡后所达到的流体准静压力。2）爆炸产物的散射可认为是在这种高压状态下向外迅速膨胀的质点运动。也就是说，炸药爆炸所释放出的能量全部转变为爆炸产物的内能，在真空中散射时，内能完全转变为动能。3）对于均质炸药，爆轰产物的飞散遵循“等距离面组”规律，即单位时间内都是相等厚度的爆轰产物层沿装药原表面的法线方向往外飞散。据此我们可以建立椭圆双极线性聚能药柱爆炸分析模型，用来分析计算椭圆双极线性聚能药柱聚能方向的装药有效部分及其利用率η，进而对装药结构参数进行优化设计。

建立以椭圆形长轴为X轴，短轴为Y轴的直角坐标系，如下图所示。在瞬时爆轰假说条件下，爆轰产物沿着其装药表面的法线向各个方向散射开来，而形成所谓的散射面，这个面把未运动和已运动的产物分离开来，随时间的推移它将逐渐向药柱内部推移并一层层向外脱离。这样沿椭圆面和聚能槽的张角面这两个方向飞散的爆轰产物在中间相遇会形成一个交界面，该交界面为一条曲线，求解这条曲线便可得出各方向散射的药量。椭圆双极线性聚能药柱爆炸分析模型国防科大利用银河计算机系统进行数值模拟分析求解这条曲线及椭圆双极线性聚能药柱产生聚能效应的有效利用率η＝S有/S总。以η的最大值做为判断最优参数的标准，得出了以下结论：在短半轴与长半轴之比b/a为0.8222时，即：当a＝15、b＝12.3331、c＝9、α＝34.8235时，椭圆双极线性聚能药柱在聚能方向的利用率最大，为最优装药的结构参数，这与工地试验得出的最优断面（a＝15、b＝11、c＝9、α＝35）十分吻合，假说被实践证实，在此基础上我们建立起“瞬时爆轰论”。计算还表明在椭圆双极线性聚能药柱为上述最优断面时药柱有工地试验最优结构图计算机模拟分析最优结构图41.2%的药量产生聚能效应，因此在进行预裂（光面）爆破时椭圆双极线性聚能药柱比普通相同断面的园形药柱可以将孔距扩大2~3倍。现场试验和计算机数值模拟同时证明，椭圆双极线性聚能药柱在射流方向和非射流方向对孔壁的压应力存在很大的差异即在射流方向其应力大于岩石的破坏强度在粒子射流的作用下十分有利于裂缝的形成，而在非射流方向对孔壁的压应力大大小于岩石的破坏强度对炮孔岩壁起到了很好的保护作用，见下图：（a）射流方向岩石应力-位置曲线（b）非射流方向岩石应力-位置曲线岩石中射流方向以及非射流方向应力峰值与位置曲线示意图这一爆破新规律还可以应用于混凝土的近体拆除爆破！2.2.2确立相关爆破新理论（1）装药结构是影响爆速的因素之一2007年12月25日委托长江科学院在溪洛渡水电站工地采用HandiTrapⅡVOD爆速测试系统对φ32药柱和双聚能槽药柱爆速测试结果表明由于双聚能作用,在炮孔内的双聚能槽炸药爆炸时,爆速比φ32药柱在自然状态下的爆速降低了19.55%。经典爆破理论认为影响炸药爆速的主要因素为炸药成分、装药密度、原材料细度和药柱直径等。双聚能槽药柱在炮孔内爆炸时，虽然药柱直径比普通预裂爆破所使用的φ32mm药柱要小,但是在炮孔内爆炸时增强了约束爆速不会这样大幅度降低，并且炸药的爆速当炸药品种和药柱断面确定之后这些都是确定不变的因素。因此双聚能槽药柱爆炸时爆速降低的原因，除了药柱直径变小外应当还有其他原因。为了验证这种特殊现象我们在云南龙开口水电站工地做了6组园形截面与3组双聚能槽药柱在孔内外的爆速对比试验,以求得相同药经不同装药结构的药柱的爆速。回归分析表明:１）双聚能槽药柱的爆速在孔外露天条件下比等面积的园形药柱的爆速降低2.11％；２）在炮孔内条件下比等面积的园形药柱的爆速降低2.47％。（2）爆破药柱有聚能结构就有聚能效应产生计算机数值模拟计算表明:药柱形状只要有聚能结构,就会有聚能效应产生。这种新规律也为试验所完全证实！用Φ25圆柱形药柱（装药截面4.90cm2）和椭圆双极线性聚能药柱（装药截面4.73cm2）在四川泸定水电站碾压平整密实渣场的爆破试验也充分证明了这一结论。Φ25圆柱形药柱（截面4.90cm2）椭圆双极线性聚能药柱（截面4.73cm2）渣面上只留下爆破痕迹，无刻痕渣面上留下6.9mm宽、6.4mm深的刻槽（3）药柱结构和罩材密度是影响聚能效应的关键因素现场试验和计算机数值模拟分析都表明聚能预裂形成孔距的大小与聚能槽的张角戚戚相关是影响聚能效应的关键因素之一；双聚能槽外壳的密度达1.8~2.0，高温作用下气化后其粒子射流虽然比金属粒子射流略差，但是比一般炸药气体射流具有更高的作功能力，中南大学给出的有、无壳体的聚能装药结构对混凝土靶板侵彻破坏情况能够很好地说明PVC外壳的密度和炸药密度的不同就反应出对混凝土靶板侵彻破坏情况的差异。模拟分析得出椭圆双极线性聚能药柱模拟分析得出椭圆双极线性聚能药柱有壳体时混凝土侵彻毁成果无壳体时混凝土侵彻毁成果（4）研究并确立了椭圆双极线性聚能药柱的最佳不耦合装药系数为3.47采用500×500×31.4mm橡胶板在其中心位置模拟不同口径炮孔做刻槽试表明：长短轴比为30mm/22mm、外壳厚度为2.0mm的椭圆双极线性聚能装药在84.96mm直径的炮孔中刻槽最深，也就是说按等效药径计算，其最佳装药不耦合系数为84.96÷24.5＝3.47。试验装置断面图试验装置实物图等效药径编号爆炸前橡胶板尺寸(mm)爆炸后橡胶板尺寸(mm)mm中心孔直径厚度长度宽度中心孔直径左刻槽深右刻槽深平均槽深24.511140.0631.450050044.566.364.545.4524.5248.6431.450050050.910.28.689.4424.5374.531.450050076.0413.6812.5613.1224.5487.531.450050088.115.3616.2415.824.55101.731.4500500101.719.3615.0817.2224.56112.531.4500500112.513.2612.5812.92橡胶板刻槽试验成果表我们还做了小橡胶板（255×165×21.3mm）刻槽试验，得出基本相同的试验成果，对大小二种橡胶板的平均值进行回归，可得出槽深L与孔径Φ的函数关系:L=-0.0049φ2+0.8326φ-18.135分析上式，可知当孔径φ为84.96时，刻槽深度有最大值，其最大值16.88。此时，小橡胶板上刻槽深为17.94，大橡胶板上刻槽深度为15.81。橡胶板刻槽试验分析如下图橡胶板刻槽试验分析成果图（5）研究并确立了椭圆双极线性聚能药柱PVC外壳作用研究表明成形椭圆双极线性聚能药柱的PVC外壳在缓冲峰值压力和增加爆生气体量方面作用明显，进而可以起到保护孔壁和增大聚能气刃作用的双重效果。双槽聚能管为特殊配方的PVC材料，该外壳除了对装药起到固定成型作用外，还极大地影响着装药的爆炸作用，该影响主要表现在三个方面:1）外壳的存在一定程度上阻碍了外界稀疏波向炸药内传播，有利于爆轰的成长，装药外壳硬度越大，炸药爆轰就越理想。当外壳硬度或密度达一定程度时，炸药的爆轰几乎不受外界影响时，可以近似看作刚体，就可以认为炸药的爆轰为理想爆轰。与常规裸装药爆轰相比，由于受PVC外壳的影响，双聚能槽装药较常规装药爆轰要完全得多，炸药爆炸放出的能量要多。2）是外壳的存在极大地缓冲了爆炸作用，大大削弱了爆轰气体的峰值压力。在数千度的高温高压爆轰产物作用下，PVC外壳材料早已汽化，这一点从爆破现场炮孔内壁上没有任何其它物质可以得到证实。PVC外壳材料汽化产生的气体，与高温高压爆轰气体相互作用达到新的平衡，降低了合成气体的压力和温度），起到了缓冲作用（经理论分析可得出作用于孔壁上的初始冲击压力峰值降低17.59%）。这一点对于边坡的保护起到了有利作用，可以最大限度的减少残孔上的次生破坏。3）外壳材料汽化后产生了大量的气体产物，大大增加了炮孔内的气体总量（计算表明双聚能槽药柱爆破时比普通药柱增加了63.5%的爆生气体），这些气体量的增加使得高压气体的气刃作用得到了加强，有利于裂隙的扩张和延伸。因此椭圆双极线性聚能药柱的PVC外壳起到了保护孔壁和扩大孔距良好作用，用它作为聚能罩材和成形药柱是最经济、最实用的。2.3二期研究成果鉴定及获奖情况2010年3月18日二期研究再次通过了由中国水利水电建设集团公司组织我国爆破界权威专家进行的科技鉴定，以冯叔瑜院士为主任委员汪旭光院士、宗敦峰总工为副主任委员的鉴定委员会一致认为：“本课题在国内外首次研究的椭圆双极线性聚能药柱设计新颖、结构简单，突破了传统的聚能爆破理论。该项研究成果在小湾、溪洛渡、构皮滩、彭水、鲁底拉、龙开口、铅厂、南水北调、武都引水等大中型水利水电工程建设中推广应用，取得了良好效果。与现行的预裂与光面爆破技术相比，可减少造孔工作量和装药量50%，有效降低了爆破影响，提高了爆破质量，经济与社会效益显著。研制的双聚能槽乳化炸药装药机结构合理、自动化程度高、性能可靠，为规模化生产应用奠定了基础。研究成果具有创新性和实用性，鉴定委员会主任、副主任签署的鉴定意见由于二期研究不仅在理论上做出了创新，圆满解释了双聚能预裂爆破的新规律，而且进行了全面的试验验证，使“双聚能预裂与光面爆破综合技术爆破”（椭圆双极线性聚能药柱爆破技术）得到了进一步的推广应用。学术界正在接受这一爆破新理论、工程界正在不断推广应用这一新技术。为此住房和城乡建设部发出通知将“双聚能预裂与光面爆破综合技术爆破”作为2010年建筑业10大新技术在全国推广应用，该项爆破新技术已编入我国爆破技术人员使用的大型工具书《爆破手册》和全国工程爆破技术人员统一培训教材《爆破技术设计与施工》。因此“椭圆双极线性聚能药柱爆破技术”获得2010年中国水利水电建设集团公司科技进步特等奖、中国工程爆破协会科技进步特等奖、中国水力发电协会科技进步一等奖、国家能源局科学技术一等奖（已公示宣布证书暂未发下）。国家财政部中央级建筑施工科技研发二等奖。目前正在由中国工程爆破协会推荐申报国家技术发明奖。2010年获得中国工程爆破协会科技进步特等奖2010年获水力发电科学技术一等奖3、二期研究成果的深远意义3.1二期研究带动人才培养活跃学术气氛由于该课题具有创新性，中南大学把这个课题作为博士生的研究课题，国防科大作为硕士生的研究课题。他们以一期研究成果为研究平台与中国水利水电第八工程局有限公司的技术干部合作更加深入开展对“椭圆双极线性聚能药柱爆破技术”的理论研究。在推广应用过程中也使不少施工单位的科技人员不仅掌握了这一新技术也让他们对这一新技术展开了更为深入的研究，这些年轻的技术人员在研究中发表了不少很有学术价值的学术论文活跃了爆破界的学术气氛：聚能预裂(光面)综合技术(工程爆破第13卷第2期）、双极聚能射流数值模拟研究（采矿技术第9卷第第5期09.09）、双槽聚能装药结构的优化分析（采矿技术第9卷第5期09.09）、双聚能槽药柱的研究及应用（中国水利电力第七届工程爆破学术论文集）、双聚能槽药柱的研究及工程应用（南华大学学报第23卷第1期）、小湾电站水垫塘开挖聚能预裂爆破试验分析（黄河水利职业技术学院学报第20卷第4期09.10）、聚能预裂爆破在小湾水垫塘、二道坝工程中的应用（湖南水利水电第44卷第4期）、聚能管在渠道石质边坡爆破开挖中的应用（甘肃水利水电技术第44卷2008第4期）、双聚能预裂爆破在格里桥大坝坝肩开挖的应用（中国青年科技第9卷2009第5期）、聚能预裂爆破技术在铅厂水电站的应用（云南水力发电第25卷2009第2期）、椭圆双极线性聚能药柱数值模拟及应力测试研究（中国工程科技论坛第125场论文集2011.09）等，在此不再一一列举。3.2官方认可促进科研成果转换为社会生产力由于在生产实践中我们不断优化并总结该项新技术的施工工艺，使之形成并完善为“双聚能预裂与光面爆破综合技术施工工法”，该工法在大面积推广应用中发挥了指导施工、规范化作业的良好作用。2008年3月国家住房和城乡建设部以建质［2008］22号文将“双聚能预裂与光面爆破综合技术施工工法”审批为国家一级工法并颁发了国家一级工法证书，工法编号：YJGF078-2006(一级)，双聚能预裂与光面爆破综合技术施工工法及其专用装置获得两项国家专利，专利号分别为：ZL200710034494.5和ZL200720062631.1；该项新技术的施工配套设——双聚能槽管乳化炸药装药机获四项国家专利，专利号分别为：ZL200910084311.x（公开号CN101576363A）、ZL200920107039.8、ZL200920107036.4、ZL200920107038.3。“双聚能预裂与光面爆破综合技术施工工法”证书“双聚能预裂与光面爆破综合技术”获两项国家专利“双聚能槽管乳化炸药装药设备”获获两项国家专利胶状物料输送机、胶状物料输送的加压装置专利证书2010年在中国第12届优秀专利评审会上由国资委推荐的“双聚能预裂与光面爆破综合技术施工工法及其专用装置”发明专利被国家知识产权局评为中国第12届专利优秀奖。中国第12届专利优秀奖发明人证书中国第12届专利优秀奖专利权人奖牌该项新爆破新技术与现行预裂与光面爆破技术相比，爆破孔距扩大了2-3倍，单位面积造孔量、单位面积能耗、单位面积装药量都降低50～65%，单位面积爆破成本降低50～55%（根据钻孔设备不同每平方米可以节省30~40元），并有效地降低了爆破有害影响，提高了爆破质量，经济与社会效益显著，其技术指标如下：技术指标规范要求椭圆