水压爆破及其应用.docx

1、水压爆破及其应用第七章 水压爆破及其应用第一节 概 述在工程爆破中，自古以来都一直采用接触装药，即装药与药室（包括装药的炮眼、深孔和硐室等）壁之间紧密接触，不留空隙。这种装药方式叫做耦合装药。众所周知，炸药的爆炸过程是一个高速、高压和高温的能量释放过程。采用这种装药方式时，炸药在爆炸瞬间，以高达几十万大气压的压力（这种压力大大超过任何一种岩石的极限抗压强度）以每秒几千米的速度在极短时间（以微秒计）内猛烈冲击岩石，岩石在这种超动载荷的作用下，靠近装药的那部分岩石会遭受到粉碎；而远离装药的岩石，由于应力波强度的迅速衰减和作用时间的不足，常常会产生超过允许尺寸的大块。粉矿和大块在工程爆破中都有是不允

2、许的。同时，岩石在超动压的猛烈冲击下，常常会产生超爆或超挖，也就是说爆破的破碎范围超出了设计的范围，这样会破坏围岩和边坡的稳定性，造成不安全事故的隐患，增加了巷道和边坡的维护费用。同时，由于超高压的猛烈冲击，作用时间短，所以能量利用率低，真正用于破碎岩石的能量，据估计，对抛掷爆破来说，一般不超过57%，对松动爆破来说也不过达到20%左右，剩余的大部分能量浪费了。其中一部分造成爆破公害。比如炸药在岩石中爆破时，当应力波传播超出破裂圈以后，它的强度已衰减到不能直接破坏岩石，而只能引起岩石质点作弹性振动，这种振动形成地震波，当地震波的强度达到一定值时，就会引出爆区周围建筑物的破坏。同时，炸药爆炸时也

3、会产生高压气体，这种高压气体往外膨胀，冲击压缩周围的空气，因此 在空气中便会形成空气冲击波和噪声，这种空气冲击波和噪声达到一定强度时，也会引起周围建筑物的破坏和人员的伤亡。此外，爆炸的高压气体往外膨胀时常会推动着已破碎的岩块飞掷而形成飞石。飞石是爆破伤亡事故中占比例比较大的事故。造成上述后果的主要原因是爆破过程没有得到有效的控制。为了提高炸药在岩石中爆破时的能量利用率和抑制它的有害效应。爆破工作者作了长期不懈的努力，取得了重大的进展。近年来在抑制炸药爆炸的猛烈冲击作用方面提出的各种缓冲爆破技术就是这方面的成就之一。这种缓冲爆破技术的原理是不让炸药爆炸产生的猛烈冲击作用直接作用在岩石上，而是通过

4、中间介质（空气、水、沙子等）传给岩石，中间介质起到抑制冲击波的作用，即缓冲作用。这种缓冲爆破就是目前在工程爆破中使用的光面爆破、预裂爆破、间隔装药爆破和水压爆破等，前三种控制爆破技术都是以空气作为中间介质，即在装药与炮孔壁间或药包与药包之间留有空隙，使炸药爆炸产生的冲击作用先传给空气，然后才传给岩石。这样，空气起着缓冲作用。使传给岩石的冲击作用变得更平缓些，从而减轻了由于猛烈的冲击作用而产生的超爆或超挖，同时，有效地抑制了爆破的有害效应。后来，人们发现用水作缓冲介质比用空气的效果好，这是因为水的密度比空气大，水中的声速比空气中的高，而且水是不可压缩的，根据帕斯卡原理，水中一点受压后，它会均匀地

5、向四周传播压力。因此用水来代替空气，不仅提高了爆破能量的利用率，而且抑制爆破公害的效果更好。早在40年代末期，挪威和瑞典等国就在城市里进行过用水压爆破拆除建筑物的尝试，并获得了成功。以后这种技术迅速在各国推广，成为城市建筑物拆除爆破中一种较为安全的先进爆破技术。70年代末，日本的桥本博和高木薰将城市拆除爆破中的水压爆破经验，应用于隧道掘进和石材切割，发明了所谓ABS法（Agua Blasting Systm），应用结果，大大降低了炸药消耗量和振动强度，被谓为低振动爆破法。80年代初，我国山东莱芜铁矿将此技术应用于大块的二次破碎上，大大抑制了飞石的飞掷距离，成功地解决了一些离建筑物较近的露天矿，

6、由于安全距离不足，影响正常生产的问题。80年代中期山东省冶金工业总公司为了解决洪山铝土矿粉矿率过高的问题，首次在井下房柱法采场中，成功地在中深孔中进行了水压爆破试验，使粉矿率由原来的20%下降到7.3%，资源利用率提高了810%。与此同时，北京科技大学工程爆破研究室对水压爆破的作用特性在室内的砂浆模型上进行了试验和研究，得出了一些有价值的结论。第二节 水压爆破原理和特点水压爆破是将炸药包装置在受约束的有限水域（如充满水的炮眼、深孔、药室以及容器式的建筑物和构筑物等）内，当它爆炸时，利用水来传递爆炸能量和压力，由于水具有缓冲作用和均匀传递压力的作用，能使压力较平缓而均匀地作用在周围的介质上，使介

7、质均匀地破碎并大大降低了爆破的有害效应。缓冲爆破目前常采用空气和水作为缓冲介质，但是水与空气比较，它具有以下一些特点：1水的可压缩性比空气小，所以炸药在水中爆炸时，消耗在水介质变形上的能量比空气中要小得多。比如当向水体加压时，压力上升到100Mpa，水的密度仅变化5%。因此它的能量传递效率比空气高，若爆破同样体积和同样性质的介质时，水压爆破所消耗的炸药要比空气中低得多。2水密度比空气大，水中的声速也比空气中的大，所以纵波在水中传播时的阻抗值也比空气中的大，见表7-1中所列数据。因此炸药在水中爆炸后的气体产物的膨胀速度比空气中慢得多。而且根据帕斯卡原理，水能均匀传递压力，所以炸药在水中爆炸后的压

8、力能较均匀和平缓地作用在周围介质上，从而使介质破碎较均匀，同时抑制了飞石和降低了粉岩量。表71 水和空气的波阻抗值介质名称密度（g/mL）声速（m/s）波阻抗值（g/cm2s）水11500150000空气3303由于水的缓冲作用和炸药消耗量较低，所以水压爆破所产生的振动、空气冲击波和噪声都比空气中的小，对围岩的破坏作用也小，有利于保护围岩和边坡的稳定性。水压爆破与普通以空气为耦合介质的爆破相比较，在介质的破碎机理上没有太大的区别，但是在爆破作用特征上，由于两者的物理性质不同，却表现出明显的差异。北京科技大学工程爆破研究室在水泥沙浆模型上，在相同条件下对两者进行了对比的爆破试验，根据分析试验的结

9、果，得出了以下几点有意义的结论：1水压爆破与以空气为耦合介质的缓冲爆破相比，在不耦合系数相同的条件下，应变波的强度和变形势能，前者都比后者大，参见表7-2所列数据。这就说明爆破同样一种物体时，前者所消耗的能量和炸药都比后者低。表72 以空气和水为耦合介质条件下爆破时测得的应变值和应变势能不偶合系数K炮孔中的耦合介质平均最大应变值max()平均最大拉应力max(MPa)变形势能换算值(J)水405空气355水331空气223水270空气154水229空气1172水压爆破与以空气为耦合介质的缓冲爆破相比，应变波的强度随不耦合系数的增大皆呈指数函数衰减。但是，两者的衰减速度前者比后者要慢，两者相差几

10、乎接近于一倍。这是由于水的密度较大所致。缓冲爆破的效果除了与缓冲介质本身的性质有关以外，不耦合装药是形成缓冲爆破的关键技术措施。因此不耦合系数（炮孔直径与药包直径之比）是影响缓冲爆破效果的关键参数，选取不耦合系数时必需考虑介质的性质、炸药的性能和爆破条件和要求。选取的不耦合系数过小，起不到抑压和缓冲的作用，选取的值过大，则破碎不了介质。表7-3中的数值表明不耦合系数与应变值间的关系，当不耦合系数K小于时，水对应力波的衰减作用不大，当K值小到时，炮孔中充水和不充水，对应力波的衰减相差也不大。根据实验室的模型试验资料和一些生产单位的实践资料证明，只有当K2.0时，水压爆破才能发挥良好的缓冲作用。在

11、确定K值时可以采用类似工程的实践数据或在现场通过小型生产试验来确定。表73 不耦合系数与应变值的关系不耦合系数应变值max()水实测值405331270229计算值47244941031927122913984空气实测值355223154117计算值4704273582211641174517第三节 水压爆破应用于拆除建筑物时的荷载特点和优缺点 在城市中，用爆破法拆除建筑物和构筑物时，由于建筑物鳞次栉比，人口稠密，在这样的复杂环境中爆破，要求爆破后不产生飞石，不产生过大的振动、空气冲击波和噪声。水压爆破就是在这样的苛刻要求下应运而生的。凡是能盛水的建筑物和构筑物（如水塔、水池、碉堡和密闭的楼房

12、等等）都可采用水压爆破。这种爆破方法施工非常简单，不需要打眼，只需将药包悬吊在充满水的建筑物或构筑物中内，用电雷管或导爆管起爆即可。如图7-1所示，1是待爆破拆除的混凝土水池子，2是悬吊在水中的药包，3是池中的水面，4是电雷管的导线。当药包起爆后，混凝土池子便会被水压所破碎。 图71 水压爆破示意图水压爆破时荷载对构筑物壁的破坏过程可以概述如下：炸药引爆后，构筑物的内壁首先受到通过水介质传来的峰值为几百至几千大气压的冲击波的作用，构筑物四壁在此强荷载的作用下，开始变形移位，当变形应力超过脆性材料的抗拉强度极限时，构筑物产生破裂。随后，构筑物四壁又立即受到爆炸高压气团膨胀而产生的压力作用，如同又

13、一次突跃的加载，进一步加剧构筑物的破坏。此后，具有残压的水流，从裂缝中向外喷出，当水流残压能量足够大时，将携带少量碎片向外冲击，形成飞石。由此可知，水压拆除爆破主要存在两种形式的荷载：一是冲击波的作用；二是高压气团的膨胀压力和由其形成的高速水流作用。只要水压爆破的用药量恰当，便能使爆破飞石等危害作用受到有效控制。水压爆破目前已被广泛用于容器式建筑物和构筑物的拆除，它与常用的钻眼爆破方法比较，具有以下一些特点：1不需要钻眼，不需要钻眼设备，从而节省了钻眼的劳力、时间和费用，因此施工简单和进度快。2由于水传递压力的效率高而且均匀，故炸药消耗量小而且介质破碎均匀。3一次爆破的药包个数少，起爆网路简单

14、。4安全性好。水压爆破后产生的空气冲击波和噪声的强度都较小，飞石的距离近，同时炸药爆炸后产生的有毒气体和粉尘均被水溶解和湿润。5水压爆破的成本极低。水压爆破的缺点是：1要求使用的炸药和起爆器材具有较高的抗水性能，如没有这方面的性能，需采取良好的防水措施。2需要消耗大量的水，特别是拆除大容积的建筑物时，对待拆除的建筑物的防漏要求高。3爆破后需要注意排水。第四节 水压爆破装药量计算公式水压爆破装药量的计算目前尚缺乏一个公认的计算公式，国内外的学者根据自己的实践经验，从不同的角度提出了多种多样的经验公式或半理论半经验的计算公式，现归纳介绍如下，以供设计时的参考。（一）考虑注水体积和材料强度的经验公式

15、 （7-1）式中 Q 装药量，kg； K 与炸药性质和爆破方式等因素有关的系数。使用二号岩石硝铵炸药时，若采用敞口式爆破K = ；封口式爆破K = ； 容器式结构物的壁厚，m； e 结构材质的抗拉强度，105Pa（见表7-4）； V 注水体积，m3。表74 混凝土的抗压强度与抗拉强度抗压强度（105Pa）75100150200250300400抗拉强度（105Pa）681212192125 （二）考虑结构物形状尺寸的经验公式 1对截面为圆形或正方形的短筒形结构物，其装药量的计算公式为： （7-2）式中 Q 装药量，kg； Kb 与爆破方式有关的系数，对于封口式爆破Kb = 0.71.0，敞口式

16、爆破Kb = 0.91.2； Kc 结构物材质系数，砖和混凝土Kc = 0.4；钢筋混凝土Kc = 0.51.0； 结构物的壁厚，m；B 结构物的内直径或边长，若截面为矩形则为短边长，m。公式7-2的适用条件是：采用的炸药是二号岩石硝铵炸药，B/2，B1.0m。2对于截面为非圆形或非正方形的长形结构物，需将7-2式修正如下： （7-3）式中 Kd 结构调整系数，对于矩形截面Kd = ，圆形和正方形截面Kd = 1.0。式中的其它符号的意义同公式7-2，适用条件也与该式相同，若采用的炸药不是二号岩石硝铵时，需乘以炸药爆力的换算系数。（三）考虑结构物截面面积的经验公式：1截面较大的结构物的装药量计

17、算公式 （7-4）式中 Q 装药量，kg；Kc 结构物材质系数，混凝土Kc = 0.25；钢筋混凝土Kc = 0.30.35；砖Kc=0.180.24； Ke 炸药换算系数。黑梯炸药Ke = ；二号岩石销铵炸药Ke = 1.10；铵油炸药Ke = 1.15； S 通过药包中心的结构物周壁的水平截面面积，m2。2切割小截面结构物（如管子）的装药量计算公式 （7-5）式中 Q 装药量，kg； D 管子的外径，cm； t 管壁厚度，cm； C 装药系数，敞口式爆破C=/cm2；封口式爆破C=3kg/cm2。表7-5中列举了用水压管爆破切割混凝土管时的实际用药量，采用的炸药 是日本产的新桐代拿米炸药，

18、采用其它炸药时，应作适当的修正。表75 用水压爆破切割混凝土管时的用药量管径（cm）壁厚（cm）35/6.060/10装药量（g）253035455580（四）根据薄壁圆筒的弹性理论建立的计算公式（冲量准则公式）该公式是水压爆破产生的水中冲击波对圆筒的破坏看作是冲量作用的结果，以圆筒材料的极限抗拉强度作为破坏的强度判据，并运用结构在等效静载作用下产生的位移，与冲量作用下产生的位移是一样的这一原理，建立计算药量的公式，经过简化以后，得：1圆筒形结构物 （7-6）式中 Q 装药量，kg；K 装药系数，与结构物的材质、强度和要求的破碎程度以及碎块飞掷的远近距离有关。可以根据下列原则来选取K值：当爆破

19、对象为一般混凝土或砖石结构时，可视要求的破碎程度，取K=13；当爆破对象为钢筋混凝土时，可视所要求的破碎程度和控制碎块飞掷的距离，根据下列情况来选取K值：a混凝土局部破裂，但混凝土块未脱离钢筋，基本上无碎块飞掷时，取K = 23。b 混凝土炸开炸散，部分混凝土块脱离钢筋，碎块飞掷距离控制在20m以内，取K = 45。c混凝土炸飞，主筋炸断，碎块飞掷距离在2040m之间，取K = 67。 结构物质壁厚，m；R 圆筒形结构物的内径，m； K2 结构物壁的坚固性系数，它与结构物的壁厚与内半径R的比值有关。比值越大，说明结构物越坚固，Q值也应增大，K2可从图7-2中查得。2非圆筒形结构物的装药量计算公

20、式：（76）式是针对圆筒形结构物推导出来的装药量计算公式。当结构物为非圆筒形时，采用等效内半径代替（76）式中的内半径R，等效壁厚代替该式中的壁厚。这样图72 结构物坚固性系数非圆筒形结构物的装药量计算公式为： (7-7)式中 Q 装药量，kg； K1、K2 符号意义同公式（7-6）； 非圆筒形结构物的等效内半径，m； 非圆筒形结构物的等效壁厚，m；等效内半径和等效壁厚可以应用下面的公式计算： （7-8） （7-9）式中 SR 通过药包中心的非圆筒形结构物内水平截面面积，m2； S 通过药包中心的非圆筒形结构物周壁的水平截面面积，m2。第五节 水压爆破设计与施工一、水压爆破装药参数的设计装药量

21、确定好了以后，那么这些药量究竟分成几个药包好，这些药包在什么位置和药包装在水面以下多深。这些参数确定得正确与否，同样会影响水压爆破的效果、碎块飞掷的距离以及水柱上冲的高度。下面结合工程实践的经验，介绍一些确定原则和经验数据。（一）药包个数药包个数的确定主要取决于结构物容积大小和形状，而结构物的形状对于异形结构物来说，往往是确定药包个数的主要考虑因素。下面根据工程爆破的实践经验，依据结构物容积大小来确定药包个数的经验数据，使用时可结合实际情况，参照选取。1小容积结构物：这类结构物容积一般小于25m3，由于容积不大，壁薄和配筋少，若采用二号岩石硝铵炸药时，装药量一般小于3.0kg，因此若结构物形状

22、均匀时，采用一个药包为宜。2中等容积结构物：指结构物容积大于25m3但小于100m3。如果采用二号岩石硝铵炸药时，装药量一般为3.0，药包个数为12个。3大容积结构物：指容积大于100m3的结构物，需要的装药量一般超过8.0kg。装药个数可超过个，视实际情况而定。（二）药包装置的位置药包装置的位置取决于水压爆破时结构物四壁上阻力的分布情况、壁厚的变化，结构物的高径（即结构物的高度与直径（或短边长）之比）比或长宽比以及结构物的形状。当药包在容器式的结构物中进行水压爆破时，结构物内壁上所承受的载荷分布是不均匀的如图7-3所示，最大载荷位于药包中心同一水平面上的各点，因为这些点的位置距离药包中心最近

23、。随着距药包中心的距离的增加，壁上各点上受到的爆炸载荷逐渐降低，到水面处载荷为零。载荷的变化规律呈曲线形，在接近结构物底部时，载荷出现回升现象，但其值仍然小于最大载荷值。从炸药爆炸时结构物内壁所产生阻力的分布情况来看，结构物内顶部的阻力最小，随着深度的增加阻力也增大，到达底板时，阻力达到最大。图73 水压爆破载荷分布示意图Pm 最大载荷根据水压爆破时载荷分布的规律和阻力的变化情况，可以针对下面三种情况来确定药包在结构物横截面中的装置位置：1对于截面形状规则（如圆形和方形）、壁厚相等的短筒形结构物，如果采用单药包时，药包应布置在结构物内水平截面的几何中心处，同时由于结构物底部的阻力最大，因此药包

24、在垂直方向的位置应当稍微接近结构物的底部。2当结构物的壁厚不相同时，此时，不能将药包装置在结构物截面的几何中心处。因为这样装置药包，爆破后壁厚较大的部位将得不到充分的破碎。为了使结构物得到较均匀的破碎，在这种情况可采取以下三种措施：（1）采用偏心药包：如图7-4（a）所示，当截面形状规则而又采用单药包时，可奖药包装置在偏离结构物内截面几何中心而靠近壁厚较大的地方，药包的偏心距X可由（7-10）式确定。 （7-10） （7-11）式中 X 药包的偏心距，m； R 结构物内截面几何中心到内壁面的最短距离，m； 1 厚壁侧的壁厚，m；2 薄壁侧的壁厚，m； R1 药包至厚壁侧的最短距离，m； R2

25、药包至薄壁侧的最短距离，m。 图74 壁厚不等结构物的药包装置公式（7-10）的证明：通过实践可知：冲量准则公式使用灵活，既可以用来计算总药包药量，又可以用来计算分药包药量。计算分药包药量时，公式不变，只是R为药包中心至计算方向内壁之距，为计算方向壁厚。因要求两侧破碎程度相同，则K相同，按左侧计算药量有按右侧计算药量有因是同一药包，则Ql=Qr，即设偏心距为X，则 R2=R+X，R1=R-X，有只有X未知，解此方程得公式（7-10）（2）采用偏差药包：如图7-4（b）所示，当结构物的截面为长方形，而两侧的壁厚不相等时，可将总药量分为大小不相等的两个或两个以上的药包，等距分布。大药包装置在壁厚的

26、一侧，这样布置的药包叫做偏差药包。偏差药包可按下式来计算： （7-12） （7-13） （7-14）式中 Q0 偏差药包，kg； Q 总装药量，kg； Q1 靠近厚壁侧布置的药包，kg； Q2 靠近薄壁侧布置的药包，kg； 1、2 意义同前。（3）当圆筒形结构物的高度与直径之比，或正方形筒形结构物的高度与正方形边长之比大于1.5倍，可采用分层药包。当矩形截面结构物的长短边之比大于以上时，可采用分离药包。（三）药包入水深度入水深度是指从装置在水中的药包中心至水面的垂直距离。入水深度的确定需要考虑两方面的问题，一方面是当药包在水中爆炸时会发生水柱上冲和高压气体的逸出。若结构物上空有高压电线通过时，

27、水柱上冲可能会造成电线短路而酿成事故，同时高压气体逸出会影响爆破效果。因此，入水深度不能太小。另外一方面当药包在结构物中进行水压爆破时，结构物底部的阻力最大，为了克服这部分阻力，药包应尽量接近结构物底部。为了较理想的解决上述问题，根据经验，药包入水深度可参考下面经验公式的计算值。 （7-15） 式中 h 药包入水深度，m； Hs 结构物内的注水深度，m； H 结构物的净高度，m。上式的计算值可用药包入水深度允许的最小值来验算，该值为： （7-16） 式中 Q 装药量，kg。二、水压爆破的施工设计为了便水压爆破能获得较好的效果，在设计施工时，应遵守以下一些原则：1设计前应调查容器式结构物是否具备

28、采用水压爆破的条件。如注水后结构物会不会漏水，供水水源能否满足设计的要求，周围环境允不允许采用水压爆破，是否能采取有效的补救措施等等。2应仔细调查被爆破拆除对象的形状、容积、各部分结构的尺寸、材质及其强度、钢筋的尺寸及配制情况、结构物的新旧程度以及施工对破碎程度的要求等等。3实地观察拆除对象的位置、周围环境、附近建筑物和结构物距拆除对象的距离，坚固程度及对安全的要求，拆除对象的倾倒方向和碎碴的堆积场地等。4根据调查和了解到的数据和资料，绘制有关图纸、然后按结构物的形状、容积和壁厚是否均匀来拟定药包布置方案。对于形状极不规则和壁厚不等和容积较大的结构物，为了使整个结构物各部位受力均匀，可采取二个

29、或二个以上的药包，或者采用偏心药包或偏差药包；对于高耸结构物可布置多层药包。5装药量可用本节介绍的公式计算，然后参照类似工程的实际资料慎重确定。6对于高耸结构物，如果周围环境只允许定向倒塌时，可根据本书前面各章所谈到的原则来布置药包。7水压爆破应采用抗水炸药，如水胶炸药、乳化炸药、胶质炸药等。若工地缺少抗水炸药，也可以采用非抗水性的二号岩石硝铵炸药、铵油炸药以及其它非抗水性炸药，使用这类炸药时，必需采取有效的防水措施。例如将炸药装入玻璃瓶内，然后密封瓶口，再用融化了的石蜡封好。8在注水以前如发现结构物底板和四壁有渗水情况，应及时用防水材料涂抹。如结构物内有门窗或孔洞时，事先应封密好。对小型结构物可用钢板封闭，钢板与墙壁之间加一层胶皮垫层。钢板外侧加钢筋锚固，然后再堆码装有土的草袋，堆码的高度应超过门窗或孔洞的上缘高度；对于较大容积的结构物内的门窗应用砖石砌筑或混凝土浇灌。外侧仍需用装有砂土的草袋堆垒，以增加它的坚固性。9安全防护：为了防止飞石，爆破前应在结构物的四周外侧和顶板上覆盖轻质材质，如草帘、草袋、帆布和纺织的胶带帘等，必要时也在离结构物一定距离的四周，树立防护排架，上面挂上草袋或帆布等。如果结构物四周有重要建筑物需要加强防护时，可在结构物的四周或防护的一侧挖一定深度的防震沟，以减小振动对周围建筑物的影响。第五节、水压爆破工程实例 实例