立井冻结段爆破拒爆原因分析

立井冻结段爆破拒爆原因分析

1过立井冻结段低温含水层爆破时的拒爆现象橡胶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、能量密度适应性好、生产和使用安全等优点。然而水胶炸药和乳化炸药的主要成分是饱和的氧化剂水溶液,在一定的温度下会出现氧化剂水溶液析晶,低温条件下进行爆破施工会影响炸药的爆轰性能。有研究资料表明,乳化炸药的低温爆速明显优于水胶炸药。众多低温条件下的铁路、隧道、路堑、基坑等冻土爆破工程都采用了乳化炸药,特别是煤矿立井不稳定厚表土冻结法掘进爆破中更是较多地采用乳化炸药,大都取得了良好的爆破效果。但也出现过立井冻结段低温含水炮孔装药爆破时的拒爆现象,我们在安徽淮南丁集煤矿风井冻结砾石层掘进爆破施工中就出现过。淮南矿业集团丁集煤矿风井表土段采用冻结法施工,冻结深度560～580m,其中有25～30m的砾石层,位于井筒垂深490～520m,粒径大都在100～300mm之间,其间含有黏土。实测掘进工作面温度在-18℃左右。进入砾石层后,为了加快掘进速度、保证施工安全,采用爆破方法施工,用伞形钻架配备重型导轨式凿岩机钻孔,优选抗冻性能良好的岩石乳化炸药、毫秒电雷管起爆、反向闭合爆破网路。但在第1次爆破中,就出现了大量炮孔装药拒爆现象。为此我们会同生产厂家根据现场情况,认真分析了拒爆产生的原因,提出了预防拒爆的措施,采用塑料管装药结构,并通过地表模拟试验后应用于实践中,消除了拒爆,取得了良好的掘进爆破效果。2小药量低温袭击试验通常对于电爆网路,产生拒爆的原因主要有以下几方面:①爆破材料(雷管和炸药)质量不合格或过期变质失效;②电爆网路设计不合理,使得通过起爆雷管的电流达不到雷管的起爆电流值;③爆破作业操作不规范,如接触电阻过大、线路接地漏电、错接漏接、装药不连续等。然而在此次处理拒爆时发现,除了10%～20%的雷管可能由于起爆能力不足发生拒爆外,有80%～90%的是炸药拒爆。根据生产厂家提供的材料,该批乳化炸药的生产期不足1个月,没有超过180天的保质有效期,不可能变质失效,且该品种乳化炸药在其它工程中应用情况很好,均没有出现拒爆现象。所采用的岩石乳化炸药的技术性能为药卷密度0.95～1.30g/cm3、殉爆距离≥3cm、爆速≥3200m/s、猛度≥12mm。经过综合分析,我们认为乳化装药在此施工条件下拒爆的原因可能是以下三个方面:(1)乳化炸药的抗冻性能是否满足要求。一般情况下,在低温条件下短时间内乳化炸药具有良好的抗冻性能。文献用自制的以珍珠岩作敏化剂的乳化炸药,在-24℃条件下冷冻后测其爆速,结果发现,虽然随着冷冻时间增加其爆速下降,但下降的速率很小,冷冻12天后才发生拒爆。但如果炸药质量不合格,再加上较长时间低温冷冻(由于砾石层中含有黏土,钻孔难度大,从钻孔到装药连线放炮时间长达8～10h,最先装入炮孔中的炸药被冷冻长达6～8h),就可能造成炸药中氧化剂水溶液结冰或析晶,两者相互交错,降低了炸药的流动性和可塑性,妨碍了炸药颗粒之间相互流动产生的摩擦热点,同时也阻碍了爆轰产物的相互渗透,使炸药爆轰性能降低甚至拒爆。如果是因低温而拒爆,则是该批次乳化炸药的抗冻性能不合格。为检验该乳化炸药的抗冻性能,对乳化炸药进行了小药量低温爆炸模拟试验。取三种药量100g、200g、300g的原塑料包装乳化炸药直接放入冻结站-32℃的盐水箱中冷冻12h,取出装入盛有-32℃盐水的大保温瓶中(以保证乳化炸药爆炸试验时的温度不变),用普通工业雷管起爆,结果全部爆炸。试验验证了该乳化炸药具有良好的抗冻性能,不是抗冻性差引起的炸药拒爆。(2)乳化炸药的动压减敏作用。为使乳化炸药具有雷管感度,乳化炸药在生产过程中,在乳化基质中混入大量的均匀微小敏化气泡,敏化气泡载体主要有化学气泡、膨胀珍珠岩和各种微珠等。乳化炸药在实际岩土和矿山采掘工作面延时爆破过程中,毗邻炮孔中装药爆炸产生的冲击波或应力波等动压压缩次爆炮孔装药,就会使其发生减敏现象。特别是在水下和矿井有淋水工作面采用延时爆破时,这种现象更加显著。相关的文献研究表明,乳化炸药受动态压力作用后,其微观的物理化学结构发生变化,乳化基质颗粒产生聚结、变形、析晶、破乳,使敏化气泡减少,降低了乳化炸药爆轰反应速度,破坏了乳化炸药原有的爆炸性能,产生减敏现象。通过试验研究分析得出,动压作用下乳化基质和敏化载体都会有不同程度的破坏,乳化基质的破坏主要表现在微观结构的变化,体系的不均一性增大,敏化载体的破坏主要表现在气泡的变小和载体的破裂,这两个因素相互影响、相互作用,致使炸药减敏。对于玻璃微球敏化的乳化炸药来说,在动压作用下,不但微观结构发生了变化,而且其中的玻璃微球也遭到了破坏,在被引爆时不再能够形成足够而有效的热点,所以炸药的爆炸性能降低。由于基质内部微观结构的变化,其中的W/O结构已经遭到破坏,尤其是水相中硝酸盐的结晶析出,使其中的水相和油相间的界面遭到破坏,两相间的紧密结合程度大大下降,导致达到爆轰所需的能量增加,以致工业电雷管难以将其起爆。对于化学发泡敏化的乳化炸药,在动压作用下,乳化炸药中气泡会被压缩变小,且由于药体在冲击波压力的作用下向气泡内形成射流,把气泡分割成一些更小的气泡,这种原因导致敏化气泡缩小,对形成热点不利,乳化炸药的爆炸性能降低。对于膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药,由于膨胀珍珠岩具有不规则的外形和较多的棱角,在动压作用下,乳化炸药的两相界面膜很容易被破坏,水相粒子发生聚结变大、析晶使得体系的不均一性增大,导致爆炸性能变差;再者,膨胀珍珠岩的强度较低且空隙是开放型的,在较低的压力作用下便能被压碎,而压碎后的小颗粒是不利于形成热点的,使得膨胀珍珠岩敏化的乳化炸药在较低压力的作用下就会发生减敏,当压力增大到一定值后,随着压力的增大乳化炸药的减敏程度迅速增大直至失去爆炸性能。爆破参数和爆破延迟时间不合理,先期起爆的乳化炸药爆炸时产生的动态压力,通过岩石介质传递到并压缩临近炮孔中的乳化炸药导致炸药动压减敏甚至拒爆。如果如此,那么出现盲炮的炮孔应在已爆炸炮孔周围的附近炮孔,而不应该出现大面积的拒爆。现实是已爆炸的炮孔都是后装药的炮孔,出现拒爆都是先前装药的炮孔。因此,由动压作用造成拒爆不是主要原因。(3)乳化炸药的静压减敏作用。炮孔中的水结冰,体积增大产生膨胀静压力,乳化炸药受挤压,密度增大,爆速降低,达到一定值后而拒爆。文献的试验研究表明,乳化装药在静压力较小时,随着压力增大爆速增大,但当压力增大到某值时,随着压力增大爆速下降,压力越大下降速率越快。其机理是乳化炸药受静压力作用硝酸铵的溶解度降低,当压力达到一定值后,乳化炸药中液珠变大,均匀性变差,分层速度加快导致炸药的稳定性下降,影响了装药的爆轰性能,当压缩后炸药密度大于其爆轰临界密度时就会产生拒爆。由于工作面采用湿式打孔,整个钻孔工序要占时6～8h,且工作面的温度低,一般在-18℃左右,一个炮孔钻出提钻后,很短时间内炮孔就会被冻实,无法进行装药。为此,实际钻孔爆破施工时,采取的是每一个炮孔钻出后,立即装入乳化炸药,这样先期装药受冻时间较长,炮孔中的水结冰,体积膨胀增大,又由于炮孔上部有600～800mm长度的炮泥,体积膨胀受到约束,导致炮孔内结冰静压力升高,乳化炸药受到挤压,药卷变形、密度增大、爆速下降,当密度超过其临界密度后炸药拒爆。为检验是否由此原因引起的拒爆,还进行了小药量爆炸模拟试验。以外径60mm、管壁厚2mm、内径54mm(实际钎头直径55mm,炮孔直径56～60mm,与模拟塑料管相符)的硬质塑料管模拟炮孔,取三种药量100g、200g、300g的直径35mm的乳化炸药装入塑料管中,炸药和管壁间充满水,紧挨着装药将塑料管的两端用200mm长的炮泥封实,同样放入冻结站-32℃的盐水箱中冷冻12h,取出后快速运到试验场地用普通工业雷管起爆,结果全部拒爆(施工恰在冬季,试验时的环境温度约-8℃,对试验结果影响不大)。试验验证了以上关于乳化炸药拒爆原因的分析,主要是炮孔中水结冰、体积膨胀而引起的乳化炸药的静压减敏作用。3长壁塑料管模拟试验掌握了乳化炸药拒爆的真正原因,就能针对其采取措施预防拒爆。设计采用塑料管抗压装药结构,其主导思想是:(1)采用的塑料管装药外壳要求有一定的抗围压强度,足以抵抗炮孔中水结冰所产生的围压力。(2)在保证装药顺利的情况下,塑料管的外径应尽可能的接近炮孔直径,以减少其间的容水量,进而减小冻结压力。(3)塑料管的两端严密封实,不能让水进入,保证管内为空气不耦合装药或耦合散装药。具体做法是在地面预先将炸药空气不耦合或耦合散装的方式装入具有一定抗围压强度的硬质塑料管中,并反向装入起爆雷管,管的两端同样用200mm的炮泥封实,不能让水进入,然后将炸药连同塑料管一同装入炮孔中。塑料管外径50mm、壁厚2mm、内径46mm。同样,为验证此种装药结构的可用性,正式下井使用前还在地面取同样的药量,以外径80mm的塑料管模拟炮孔,用同样的冻结时间和试验方法,分别对空气不耦合装药和耦合散装药进行了模拟试验,共试验了6炮,结果全部爆炸。另外,硬质塑料管还能在一定程度上抵抗爆炸冲击波或爆炸应力波的压缩作用,减小乳化炸药动压减敏的影响。4立井冻结段爆破技术除了采用塑料管抗压装药结构预防拒爆外,为保证获得良好的爆破效果,还进一步优化了爆破参数和优选了起爆雷管,改原毫秒延时起爆为半秒延时起爆。这样一方面先期起爆的装药对冻土或岩石造成充分破碎并移动一定距离,为后期起爆装药创造新的自由面以改善爆破效果;另一方面,还可能使受动压作用后受影响的药卷,在冲击波或应力波通过后炸药性能在一定程度上有所恢复。有资料研究证明乳化装药具有此种性能,例如化学发泡敏化的乳化炸药,气泡受动压后变小,但当冲击波或应力波通过后,气泡具有一定的恢复能力。该段井筒掘进直径为11.8m,掘进断面积109.3m2,设计采用的掘进爆破参数如表1所示。另外,立井冻结段爆破施工还必须确保冻结管和冻结壁的安全,因此采取了严格控制装药量、周边孔采用控界爆破技术、较为密集钻孔、较低的线装药密度等措施;闭合反向起爆电爆网路,采用地面380V动力电源起爆。5爆破参数和药剂的操作吸取以前卡钻的教训,为降低钻孔时的粉尘,用热水湿式钻孔效果较好,但大量长时间的供应热水很不方便,试用清水,在较快的钻孔速度下同样有较好的效果。按设计的爆破参数