基于物理降温静态爆破防喷孔实验研究*

解北京，严　正，赵泽明

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

0　引言

以无声破碎剂为载体的固体膨胀，在脆性体断裂时，会发出几分贝的声响，但一般人无法听出，称之为静态爆破[1]。无声破碎剂是水泥类的膨胀胶凝材料，它与水反应，形成固相体积倍增的结晶，使得被破碎物的裂缝宽度和深度不断扩展，致使脆性物体崩裂破碎。破碎剂即为膨胀水泥(SCA，Soundless Cracking Agent)，SCA是一种膨胀胶凝材料，主要成分为CaO，并添加一定比例的添加剂，其膨胀力的来源是CaO的水化反应[2]，SCA水化反应前后的固体体积和内部物质的孔隙体积均会增大，破碎剂反应后体积将增大3倍[3]。SCA在受限空间内发生固体膨胀，便产生了可观的膨胀力[4]。破碎剂硬化后的流变应变有助于破碎剂在反应过程中保持膨胀压处处相等，具有与液压相类似的特点，使得破碎剂能够实现对孔壁均匀加载压力[5]。这种新的静态爆破方法自发明以来其应用范围不断扩大，如水利水电站行业[6]、地铁隧道[7]、道路交通工程[8]、古代建筑修复工程[9]、矿井[10]、非战争军事行动[11]等，以其噪声小、效果好得到广泛应用。

然而，由于该方法在狭小的空间里进行放热反应，容易造成喷孔现象，特别是高温无声破碎剂喷出伤人，对施工人员的生命健康造成巨大威胁。温尊礼、徐全军[12]等采用设计的扩孔钻头和四爪堵孔器，实验成功将孤石块破碎，但该技术堵孔性能不牢靠，经济成本高，对操作人员要求较高；徐全军等[13]设计出基于动量平衡原理研发的大孔径静态爆破平衡密封装置，利用膨胀剂膨胀轴向压力相互平衡抵消原理，并采用硅胶套进行密封，但该装置经济成本高；王作鹏、杜善华等[14]在破碎剂里加入活性物质来减缓膨胀剂的水化反应减少喷孔，该方法使破碎剂的制作比较繁琐，经济成本比较高。因此需要一套结构简单、经济实用、能够在静态爆破过程中有效防止喷孔的装置。

1　实验系统设计

1.1　实验装置设计依据

喷孔现象产生的主要原因是破碎剂水化时短时间内产生大量水化热而周围介质散热太慢，短时间热量的集聚会使浆体的温度快速升值到100℃以上，迅速气化产生蒸气压[1]。本实验基于物理降温的原理，利用水比热容大、吸热能力强和钢质材料导热性能好的特点，吸收破碎剂产生大量的热。

实验原理是：获取把无声破碎剂水合时从t1降到不发生喷孔时的温度t2所需要水的质量，得出：

Q=cm(t1-t2)

(1)

式中：Q为静态爆破破碎剂产生的热量，kJ；c为水的比热容，J/(kg·℃)；m为水的质量，kg。

获取钢管的内径，由孔的高度h得出钢管的长度H，根据圆柱体积公式可得盛水钢管的内径2r。

(2)

式中：H为钢管的长度，m；h为孔的高度，m；r为钢管内半径，m；m为水的质量，kg；ρ为水的密度，kg/m3。

获取钢管的外径2R，根据以下公式得出：

(3)

式中：σp为钢管的径向应力，Pa；σφ为钢管的环向应力，Pa；R为钢管的外半径，m；r为钢管的内半径，m；q为膨胀压，Pa。根据公式(1)～(3)计算出所需要的水的质量、钢管的内外径和高度，根据钢管数据选择钢管规格且钢管下部封口上部开口。在钻孔上放置套盘，钢管中加入称好质量的水，通过套环放入钻孔，将无声破碎剂加入孔与钢管之间，等待爆破完成。

1.2　静态爆破防喷孔装置制备

静态爆破防喷孔装置由套盘、固定支架、套环和钢管组成。套盘、固定支架和套环用铁板切割连接一起，固定支架支撑套环在套盘的中心位置，套环外径和套盘内圆之间的铁板切割成齿牙状将这些齿牙状的铁板朝一个方向折成与套盘垂直。在需要爆破的地方打好钻孔，把套盘齿牙状的铁板套入钻孔中，防止套盘在爆破的过程中在平面上移动。钢管上部开口，下部封口，加入一定质量的水，通过套环放入钻孔，套环把钢管固定在钻孔的中心位置。将无声破碎剂加入孔与钢管之间，等待爆破完成。装置简单易制作，而且可以很好地固定在钻孔上。装置如图1所示。

图1　实验装置Fig.1　Experimental apparatus

钻孔直径29 mm，高度为300 mm。钢管采用的是304不锈钢，1 000 g无声破碎剂大约能产生2 000×4.18 kJ热量，使用量为300 g。t2取100℃，t1取70℃，由公式(1)计算出把温度从100℃降到70℃所需水的质量约为0.02 kg。由公式(2)计算出钢管长度为320 mm，盛水钢管的内直径2r约为9 mm。膨胀压取30 MPa ，由公式(3)可知钢管的径向应力为30 MPa。钢管的环向应力按照屈服应力来取，为300 MPa，由公式(3)计算得钢管的外半径为5 mm，即外直径2R为10 mm。从而得到长度为320 mm的盛水的钢管的内直径为9 mm，外直径只要大于或等于10 mm时既能把温度从100℃降到70℃，又不会在30 MPa的膨胀压下失效。

根据计算选择小口径无缝钢管规格为12 mm×1.5 mm，即钢管外直径12 mm，壁厚1.5 mm，内直径9 mm。钢管下部封口，上部开口。钢管的外径12 mm，套环的内直径取14 mm，比钢管外径长2 mm。为了方便用刀在铁皮上切出固定支架，整个固定支架的宽度取6 mm,套环外径取20 mm，套环的作用是把钢管稳定在钻孔中心位置，套盘内圆直径要求比钻孔直径略小，取27 mm。为了整个装置的稳定性，套盘外圆直径取50 mm。将套环外径和套盘内经之间的铁皮切成宽度大约3 mm的齿牙状，把这些齿牙状的铁皮朝一个方向折成与套盘垂直，这样套盘可以套在钻孔里，防止套盘在平面上晃动。本实验用304不锈钢管代替钻孔。

1.3　静态爆破防喷孔实验系统

静态爆破防喷孔实验系统主要由防喷孔装置、应力应变仪、信号采集系统等3大部分组成，如图2～3所示。

图2　实验系统结构Fig.2　Experimental system structure

图3　模拟实验系统Fig.3　Simulation experiment system

1.4　信号采集系统

本实验同步采集了应力和微震信号，应力测试实验中共布置了4路应变片，温度测试实验中共布置2个热电偶，1个热电偶贴在钻孔外壁，1个热电偶插在钻孔里。

1)应变信号采集

①应变仪与应变片

应变信号采集系统使用的DY2102E动静态应变仪，共4路通道，桥路电阻适用于1～60 kΩ，供桥电压按照2，4，6V分档，供桥电压精度±0.1%，应变系数K= 2.00，自动平衡时间为2 s，能够保持平衡48 h。应变片采用了北京一洋应振测试技术有限公司的BX120-5AA应变片，灵敏系数为2.08，敏感栅5 mm×3 mm，基底9.4 mm×5.7 mm。

②存储记录仪

应变信号采集系统使用的HIOKI 8860-50存储记录仪，能够根据外部采样的采样周期来设置系统的采样速度，满足温度、应变等输入单元存储记录，可以同时实现高速记录与实时记录。

2)温度信号采集

K型微细热电偶：直径1 mm铠装K型热电偶，测温范围：0～1 200℃，响应时间：<200 ms。1个热电偶贴在钻孔外壁，1个热电偶插在钻孔里。通过连接储存记录仪中的温度通道记录实验过程中的温度变化。

2　静态爆破防喷孔实验结果分析

2.1　膨胀剂的膨胀力测试

破碎剂对中空圆管内壁的压力称为膨胀力，是表征其破碎岩体性能的重要参数，通常使用电测应力法获得[15]。实验用304不锈钢管代替钻孔，直径29 mm、高度300 mm。本实验采用了外管法测试破碎剂在内管中的膨胀力，验证了破碎剂为实验提供稳定压力的可靠性。

实验按照水灰比3∶1的要求制备了破碎剂浆体：首先称取膨胀剂600 g，自来水200 g，搅拌均匀后，十分钟内将浆体灌入钢管，然后将钢管上端面迅速使用橡胶塞密封。本实验膨胀压按下列公式算出：

(4)

式中：E为圆管弹性模量；D为钢管外径，mm；d为钢管内径，mm；εθ为钢管圆周方向应变量；μ为圆管泊松比。

破碎剂浆体在水化反应过程中，始终存在流变应变，其管壁应变与膨胀力满足式(4)，将传力管的各相关参数代入式(4)可得：P=24.832×103εθMPa。

计算得到膨胀压为P约为95 MPa。

图4描述了破碎剂反应过程中钢管温度、圆周方向应变和膨胀力的变化曲线，其中横坐标轴为破碎剂反应时间，共1 500 min，纵向y坐标轴为钢管温度坐标轴，纵向y1坐标轴为应变坐标轴，纵向y2坐标轴为应力坐标轴，分别为温度、应变和应力变化曲线。如图4所示，实验室温度为22.5℃，破碎剂初始温度即为实验室室温，破碎剂加入钢管的前200 min反应较为缓慢，系统热量开始积聚(达到24℃)，钢管变形微弱；在250 min左右膨胀剂反应剧烈，系统温度急剧上升至29℃，膨胀力跳跃式增加；经历过剧烈反应阶段后，破碎剂反应变得稳定，温度逐渐降低至室温，膨胀力线性增长，最终达到最大膨胀力95 MPa。

图4　膨胀压测试Fig.4　Expansion pressure test

2.3　加防喷孔装置和未加防喷孔装置实验数据对比分析

图5描述了加防喷孔装置和未加防喷孔装置的情况下破碎剂的温度和应力的变化曲线。

图5　实验数据对比Fig.5　Experimental data comparison

实验未加防喷孔装置，实验过程中发生喷孔。破碎剂反应过程中破碎剂温度、应力的变化曲线，其中横坐标轴为破碎剂反应时间，共300 min。如图5所示，实验室温度为28℃，破碎剂初始温度即为实验室室温，破碎剂加入钢管的前90 min，反应较为缓慢，系统热量开始积聚达到45℃，钢管变形微弱；在90 min左右，破碎剂反应剧烈，系统温度急剧上升至142℃，膨胀力跳跃式增加，短时间热量的集聚会使浆体的温度快速升值到140℃，迅速气化产生蒸气压，而周围介质散热太慢，造成瞬间喷孔；喷孔导致部分浆体喷出钢管，温度、应力瞬间降低；经历过喷孔后，剩余的破碎剂反应变得稳定，温度逐渐降低至室温，膨胀力维持在剩余破碎剂的最大应力。

实验加防喷孔装置，实验过程中未发生喷孔。破碎剂反应过程中破碎剂温度、应力的变化曲线，其中横坐标轴为破碎剂反应时间，共1 200 min。如图5所示，实验室温度为31℃，破碎剂初始温度即为实验室室温，破碎剂加入钢管的前300 min，温度和膨胀力增加缓慢；在300 min时，破碎剂剧烈反应，温度集聚增加，由于加防喷孔装置，内部细钢管的导热和水的吸热能力强，导致系统热量增加到51℃，膨胀力也跳跃式增加；在400 min左右，破碎剂反应剧烈，系统温度达到最高51℃，膨胀力急剧增加；400 min后，破碎剂反应变得稳定，温度逐渐降低至室温，膨胀力线性增长，最终达到最大膨胀力48 MPa。

加防喷孔装置和未加防喷孔装置实验数据对比分析可知，未加防喷孔装置实验的破碎剂反应温度上升快，导致破碎剂反应剧烈，在90 min左右时能量集聚并发生了喷孔；加防喷孔装置实验的破碎剂反应产生的热量被水吸收，使得破碎剂温度升高的比较缓慢，在400 min左右时，破碎剂温度达到最高51℃，能量未集聚，未发生喷孔；400 min后，破碎剂反应变得稳定，温度逐渐降低至室温。应力变化如图5所示，未加防喷孔装置实验的破碎剂反应剧烈，在90 min左右，膨胀力瞬间增大达到53 MPa，并发生喷孔，一部分破碎剂喷出孔外，膨胀力瞬间减小，110 min后，剩余的破碎剂的膨胀力达到稳定；加防喷孔装置实验的破碎剂反应缓慢，在400 min左右由于温度达到最大值，膨胀力也瞬间增加，400 min后，破碎剂反应稳定,膨胀力稳定增加，防喷孔装置对破碎剂的最大膨胀力没有影响。

3　结论

1)利用水比热容大的特点吸收热量的物理方法，通过静态爆破剂膨胀应力的理论计算，设计了物理降温结构实验装置。

2)实验装置主要由套盘、固定支架、套环和钢管组成，装置结构简单、材料易获取，可重复使用。

3)通过应力和温度对比测试实验发现，未加防喷孔装置，破碎剂反应迅速，破碎剂的温度和膨胀力剧增，能量集聚，容易发生喷孔。加防喷孔装置，因钢管导热性和水的吸热性能力强，破碎剂温度增加缓慢，膨胀力稳定增加，防喷孔装置不影响膨胀力达到最大值，达到防喷孔的目的。

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