第685期：水壓爆破技術理論與應用
參考文獻
[1]林大能. 水壓爆破的發展與現狀. 礦業研究與開發. 1999.3.008
[2]劉志. 水下爆炸衝擊波的的傳播特性實驗研究. 西南交通大學研究生學位論文
[3]張雲鵬. 炮孔水壓爆破及其應用. 爆破器材. 1997年4月
[4]陳士海. 深孔水壓爆破裝葯結構與應用研究. 煤炭學報. 2000年25卷
[5]張松林. 水壓爆破破碎特徵研究[ M] . 北京:北京鋼鐵學院，1986 .
[6]中國科技大學爆破組. 水壓控制爆破拆除大板樓. 爆破，1985(2)
[7]潘國斌，林大能. 水壓爆破破壞程度影響因素的試驗研究. 西安礦業學院學報，1998( 2)
[8]黃鎮雄. 水壓控制爆破技術的實踐. 南方鋼鐵，1988 (1) : 4 3~45
[9]聶武丁. 隧道掘進水壓爆破技術的實際應用. 工程爆破. 2012年12月第18卷第四期
摘要：水壓爆破利用水的不可壓縮性，減少爆炸能量到達炮眼圍岩時的損失，有利於岩石破碎。爆炸氣體的膨脹會產生「水楔」效應，在促進岩體更深層次的碎裂破壞的同時，炮孔中的水能夠霧化降塵，大大降低粉塵污染，可以有效解決無水爆破存在的危害效應。
工程爆破中採用的方法中例如預裂爆破、光面爆破等，這些方法主要是利用炸藥爆炸產生的衝擊波、高溫高壓的爆轟氣體等作用在結構物或岩體上，使被爆物破碎破壞，都存在一定的缺點不足之處，主要體現在飛石、噪音和空氣衝擊波及地震波對周圍建築物和環境的影響。將藥包放在裝滿水的被爆容器中相應設計位置稱為水壓爆破，該方法是用水傳播爆轟壓力，作用在容器上，使容器破壞，該方法能夠有效控制空氣衝擊波、飛石及雜訊等。水壓爆破法能夠減少炸藥使用量，提高利用率；提高施工效率；提高經濟效益，節約成本；降低空氣污染程度，減少環境污染及對人體的損害。
1、水壓爆破分類
水壓爆破法通過藥包及作用條件的區別分為兩大類。鑽孔水壓爆破是第一類，藥包位於有水鑽孔中進行爆破，介質抵抗線大，所以待破壞介質中應力波作用時間較長，起主要作用；壁體整體性運動引起介質破壞是第二類水壓爆破，主要是容器狀構築物或建築物。[1]這種方式的待破壞介質的厚度較薄，荷載作用時間比應力波通過介質的時間長，波的傳播會造成介質的整體性運動，從而可以基本不考慮應力波的傳播，直接考慮整體性慣性運動。該法主要是利用水的特性，傳播能量損失少。爆炸瞬間水傳播衝擊波到容器壁使其發生變形，產生位移，並且發生反射形成二次載入，加速破壞容器,最終使得容器均勻解體破碎。
2、水壓爆破的基本原理
在水壓爆破下被爆物的破壞形式主要有兩種：一是衝擊波，利用爆炸瞬間的超強壓力破壞目標；二是氣泡脈動壓力波。衝擊波是主要因素力量。
炸藥爆炸後，能量以衝擊波的形式在水中徑向傳播。爆炸瞬間產生的高壓，能夠達到十幾萬個大氣壓，這些高壓能量將立刻轉化為在水中傳播的強壓波以及水的擴散運動。隨著高度壓縮的爆炸生成物的膨脹，壓力快速衰減，衰減持續時間不超過幾毫秒。衝擊波的傳播速度超過聲速，其向四周迅速衝擊運動。衝擊波壓力隨距離的增大下降，直到其速度降到水中聲速，衝擊波能量與距離的平方成反比，在水中可被反射或吸收。
爆炸形成的球形氣泡內初始溫度可達到3000℃，壓強相當於50000個大氣壓，在爆炸後極短時間，其便可達到峰值壓力。氣泡脈動壓力波是由高壓氣團向四周擴散產生。海水由於氣泡的膨脹，向外作高速徑向流動，當運動排開的水吸收的能量達到阻止氣泡膨脹所需量時這一運動停止。之後，氣泡內壓力由於氣體冷卻，下降低到周圍海水壓力。但由於慣性作用，海水仍繼續運動，從而造成氣泡繼續膨脹，氣泡停止膨脹時，氣泡內的壓力遠小於周圍海水的壓力。隨後，海水作反向運動，氣泡壓縮[2]。同理由於海水的慣性作用使得氣泡壓縮到一定程度時，其內壓遠超過周圍海水的靜壓，氣泡又處於爆炸發生時的相似狀態，產生二次波。氣泡脈動即氣團在水中膨脹一壓縮一再膨脹一再壓縮…。雖然二次波的最大壓力僅為衝擊波壓力的10一20%，但是二次波的作用時間卻遠超過衝擊波壓力作用時間。造成目標破壞的主要原因因其所處位置的不同而發生改變，當目標處於距離爆心大於氣泡的最大半徑的位置時，破壞主要由衝擊波引起；當距爆心距小於氣泡的最大半徑時，造成破壞的因素較為複雜，衝擊波、氣泡脈動波和它們引起的水流的衝擊都可導致對目標的破壞。
3、水壓爆破特點
與慣常採用的工程爆破技術相比，由於水的物理力學性能不同於空氣，水壓爆破具有以下特點：
（1）由於水是一種壓縮性小，密度大、流動粘度也較大的物質，因而水中爆炸產生的爆轟產物的膨脹很慢。爆炸衝擊波的作用強度高和作用時間長；
（2）水介質的不可壓縮性、高的傳能率和堵塞作用使得傳遞的爆破能量分布更加均勻、利用率高；
（3）水壓爆破會產生更加均勻的破碎塊度；控制爆破震動、飛石、空氣衝擊波在採用水壓爆破時可以得到有效控制，更加安全可靠；它也能夠有效限制有毒氣體的產生、降低爆破粉塵，降低施工時對人體造成的傷害[3]。
而水壓爆破中的鑽孔水壓爆破的水中衝擊波陣面是圓柱形，壓力波垂直於炮孔壁入射，孔深較淺時可近似將孔內應力看做是均勻分布的，和使用弱性炸藥的效果一樣，使用柱狀裝葯時也是如此。
因為水壓爆破的這些特點，使得其在工程應用中具有很的價值，尤其是在拆除複雜地形下的構築物、礦山大塊岩石的二次破碎等工程中，利用更有優勢。
4、鑽孔水壓爆破的裝藥方式
在實際應用過程中，根據炸藥類型、裝藥量和岩體性質的不同需要使用各不相同的裝葯結構。根據藥包在水中不同的位置，水壓爆破的裝葯結構主要分為以下幾種方式(圖1)：
圖1 裝葯結構
（a）徑向水耦合爆破，（b）藥包間水間隔爆破；（c）藥包底部水間隔爆破；（d）藥包上部水間隔爆破;
1 ——雷管腳線；2 ——炮泥；3 ——水；4 ——炸藥
(1) 徑向水耦合爆破：在此結構中，藥包尺寸比炮孔尺寸小，充水耦合，爆破能量可以均勻地施加在孔壁的不同位置上。
(2)炮孔藥包間水間隔爆破：在此機構中，上、下兩個藥包起爆時，爆炸會使水柱中的水產生非常強烈的衝擊，這時的水柱可以看做一個密閉的高壓水室。
(3)炮孔藥包底部水間隔爆破：此方式適用於有水的炮孔底。在衝擊的作用下，底部間隔段的水快速移動，形成密閉、高壓的水激波，作用在孔底岩石上，克服根底，同時通過水的緩衝作用降低岩石的過度粉碎。
(4)炮孔上部水間隔爆破：通過此結構，可以使裝藥方式變為連續性的柱狀裝葯[4]。
由相關實驗，可知同等藥量時，由於水作為傳能介質的衰減作用，有水孔底部裝葯的塊度比無水集中裝葯時的大；裝葯位置對爆破塊度由較大的影響，具體表現為裝葯位置越低，爆破塊度越小；裝藥量的多少對於爆破塊度並不會產生較大的影響，但是當裝藥量小於一定的數量，可以提高爆破塊度，但是整體裝葯位置對塊度影響較小，此時水起均化壓力波作用；水的傳能作用可以有效提高傳播能量的效率，相同藥量的情況下，塊度與不耦合係數成正比。
採用不同藥量時，爆破塊度與藥量的多少成反比，和裝葯的結構沒有關係；當不耦合係數相同時，水壓爆破塊度預裝藥量相互獨立，爆破塊度基本不隨藥量的降低而發生變化。只是在藥量少時，塊度均勻；但在採用非鑽孔水壓爆破法及採用空氣不耦合裝葯結構時，降低藥量，塊度明顯增大[5]。
5、水壓爆破技術的應用
其具體應用有拆除構築物、大塊岩石的二次破碎、露天深孔水壓爆破和巷道掘進水壓爆破等。使用炮孔水壓爆破法，可以有效的降低飛石距離，從而有效的減少空氣衝擊波和噪音的危害。其具體應用列舉如下：
A、炮孔水壓爆破拆除混凝土基礎
通常構築物拆除時，都是在比較複雜的環境條件中進行，從而需要控制空氣衝擊波、噪音、震動、飛石等爆破中產生的損害。為達到這一目的常常採用減小孔網參數，減少裝藥量和一次起爆藥量等措施。採用上述措施時勢必使炸藥集中於孔底，但是當孔深l> (1.5 ~ 2.0) W (W為最小抵抗線) 時，炮眼上部介質得不到充分破碎，因此必須分段裝葯。在實踐中，我國從80年代開始利用炮孔水壓爆破的特點，代替分段裝葯爆破，在工程中採用水壓爆破，取得很好地爆破效果。例如在1984年中科大成功利用水壓爆破方法原地拆除一幢三層大板樓[6]。再如西安礦業學院在1995年市在西安鋼廠用成功使用水壓爆破技術拆除了一座容量為3000 t的水塔[7]。
B、大塊岩石的二次破碎
根據《爆破安全規程》規定，在工程爆破過程中，採用裸露藥包破碎大塊時，安全距離需40m，淺眼爆破時需為30 m。但在一些中小露天礦或露天礦邊界地帶，不滿足上述要求。採用炮孔水壓爆破法破碎大塊，可以大大降低飛石的距離，減少空氣衝擊波和噪音的危害。例如，在80年代初山東萊蕪鐵礦成功利用水壓爆破技術完成了大塊的二次破碎，成功地解決了由於安全距離不足的問題[8]。
C、露天深孔水壓爆破
露天深孔水壓爆破以深孔底部空氣間隔裝葯爆破為基礎，解決了有水炮孔的排水問題。在炮孔底部預留出一定高度的空氣間隔，在深孔的上部進行連續裝葯稱為深孔底部空氣間隔裝葯。爆破時上部炸藥爆炸後產生的膨脹壓力使空氣柱受壓縮，空氣柱的壓力可以消除根底，從而提高能量利用率，減少炸藥消耗量。通過裝葯重心的上移從而使上部岩石破碎地更加均勻。只要設計合理，便可以達到爆破後不出現根底的效果。通過水柱相較於空氣柱，更加有效的克服比較大的底盤的抵抗線從而消除根底。水柱高度可大於空氣柱高度，可節省更多炸藥。深孔水壓爆破還可利用炮孔的自然積水，同時也節約了排水產生的費用。
D、巷道掘進水壓爆破
巷道掘進水壓爆破即AB法或ABS法，由日本最先使用。A B 法和A B S 法爆破在日本和香港掘進地下隧道時已經得到成功應用。新建的滬昆鐵路客運專線貴州段中茅坪山隧道便採用的是這種爆破方法，產生了良好的效果[9]。
6、結語
水壓爆破可以提高炸藥能量利用率，與普通爆破方法相比，其炸藥消耗量幾乎減小了一半，費用低；減少了爆破過程中產生的震動對圍岩的損害，是的巷道爆破的輪廓線大體上一次成型，減少了防毒排煙費用的使用；於此同時，由於破碎均勻、大塊率減少，產生的擾動小，超挖小，更有利於機械化施工，施工進度加快。簡單的炮眼布置，最小的抵抗線和大小均勻的炮眼間距；較少的浮石，也提高了施工作業的安全性；經濟效益顯著。此外，還減少了爆破中產生的灰塵對生態環境的污染
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