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岩石爆破

炸药

技术性能
炸药有三个基本特点：
-炸药是在热冲击、摩擦或二者之间的组合作用下会被点燃的化合物或混合物
-炸药会在爆炸中非常快速地分解（与爆燃不同，爆炸的速度更慢并且其原料为火药）
-在爆炸后，热量（4500℃）和大量高压气体（250000Pa）被迅速释放。气体在热力下快速膨胀，克服周围岩层的约束后发生爆炸。
在爆破中，爆炸释放的能量会产生四种基本效应：
-岩石破碎
-岩体移动
-地面振动
-空气冲击波
地表岩石开挖爆破炸药的技术性质要求：
-有效性和稳定性
-良好的爆炸性能

-操作时安全稳定
-良好的膜特性
-无毒
-耐水性、易于存储
-环保性
-抗冻性
-氧平衡
-存储寿命长

有效性和稳定性

炸药的有效性和稳定性决定了爆破工程中应如何使用炸药。其他特性或多或少是所有炸药的共同特征。当比较不同炸药的效率时，应考虑以下技术特性：
-爆震速度（VOD）
-灵敏度
-比容
-爆炸热
-单位重量炸药的威力
-装药密度
-每单位体积的强度
炸药的爆速是检测波穿过爆炸装药的每秒钟的速度。许多因素影响爆速，如产品类型，直径，限制，温度和启动程度。
今天的炸药的爆速范围约为1500-7000m/s。根据其爆轰速度存在两种类型（表3.10-1）：

表3.10-1（爆轰速度作为直径）
-低爆速炸药（1500-2500m/s）
-高爆速炸药（2500-7000m/s）
对于同一类型的炸药，其装药直径同样影响爆轰速度。通常装药直径越大，爆炸时流体动力学要求的最大爆轰速度越高。
炸药还具有“临界直径”。临界直径是引爆过程中爆炸柱内自支撑的最小直径。在直径小于“临界直径”的情况下，炸药不会发生爆震，并且会熄灭。

一定爆炸类型中，温度的改变也会影响爆轰速度。一般来说，含有少量或不含液体的炸药，在正常低温下爆轰速度受温度改变影响较小。

应充分引爆炸药以尽快达到最大爆轰速度。引爆不完全将会使炸药在爆轰速度增长的过程中产生低阶爆炸，导致爆炸失败。
爆炸的传播需要通过总电荷继续反应。或者在自由空气中点燃下一次电荷，即炸药每隔一段距离即设置一次，可以推进爆炸的传播。增加炸药的装药直径也能推进爆炸的传播。
某些炸药十分敏感，它们可以在距离很远的炮孔之间传爆。喷砂材料的类型、炸药的类型、炸药的尺寸、炮孔之间的距离和水的影响等等因素都会对传爆距离产生影响。多数情况下，爆破时需要注意的是使电荷不在空气中传播，从而让炸药之间独立，为延时爆破提供条件。

比容是在正常条件（0℃和760mmHg）下由一公斤炸药产生的气体量，以L/kg表示。爆热是爆炸时释放的能量，它通常以kJ/kg表示。气体压力波的影响取决于由爆炸产生的热量和气体体积的量。在热膨胀中，30-40％的热量转化为机械功。比气体体积和爆炸热都会影响爆炸时产生气体的膨胀。爆炸产生的气体体积越大并且气体越热，炸药的爆炸效果就越好。

单位重量炸药的威力（s）

重量强度是一个指示爆炸能量的比率的指标，根据气体体积和爆热计算：

其中 s=单位重量炸药的威力
e=能量系数
V=体积系数

其中 Qv爆热单位（kcal/kg）

V1=0℃/1个标准大气压下的气体体积

其他爆炸物的s值相以对于炸药的s值表示。
炸药的性能不仅取决于爆炸释放的总能量，还取决于能量释放的速率以及爆炸能用来破坏和移动围岩的方式。总之，爆炸性质和被爆破材料的性质都影响炸药的性能。该值还低估了在现代爆破中使用的最大量的炸药，例如铵油炸药，重铵油炸药和乳状液炸药。这种炸药的起爆温度较低，高温硝酸甘油炸药相比，爆破效率更高（对于铵油炸药和乳化物，爆炸时需补偿的能量，比大多数硝酸甘油炸药低得多）。
装药密度是单位炮孔体积重的炸药质量。它通常以kg/dmsup3;表示。在设计爆破时，了解适当的装药密度十分重要。大多数炸药的装药密度约为0.8kg/dmsup3;到1.65kg/dmsup3;。
在设计阶段，了解一个炮眼将装载多少公斤炸药是十分必要的。如图3.10.-2所示。

图3.10.-2。 装药密度和炮眼直径的线性关系

上图显示装药密度越大，炸药的破碎能力越好。炸药在炮眼中被压实。压实程度根据孔和砂箱的直径，孔长度和倾斜度以及料筒类型确定。通常对炸药和填充的乳状液炸药的压缩程度为5-10％。炮眼中初始裂纹的破碎压力取决于爆炸时炸药对孔壁的压力：

其中P=爆破压力（bar）

D 装药密度（kg/dmsup3;）

V 爆速（m/s）

易爆性和有效性

除了铵油炸药和大多数乳化炸药，所有炸药都可以用雷管或电雷管点燃。在某些情况下，铵油炸药是用炸药作为引物引爆的。因此，引爆物应该由高爆速的炸药组成。炸药是可以成功地用于引爆铵油炸药的。
浆状炸药和大多数乳化炸药必须始终用特殊设计的引爆物点燃。这些引爆物通常具有非常高的爆轰速度。在实践中，浆状炸药和大多数乳化炸药的临界爆破孔直径为51mm（2英寸）。
炸药必须足够敏感，以确保炸药在整个炮孔中被充分引爆。因此，灵敏度对于小直径炮孔来说，如25-38mm（1.5英寸）炮孔，尤为关键。

操作安全
炸药在装填和运输时必须保证安全，以确保在交送爆破人员时足够安全。因此炸药在获批使用前，必须经过充分的测试与检测。商用炸药的基本测试是压力测试，其中一项是让重物从一定高度落到炸药上。该测试确定的是炸药对冲击的敏感性。

有害气体

炸药和爆炸剂产生的烟雾，可能会含有会对健康或环境造成危害的爆炸反应产物。能够氧平衡炸药的大多数反应物是无害的。但是由于氧平衡可能被破坏，会产生不完全反应或与大气的二次反应而形成少量有毒反应产物。
有害爆炸产物的量收到多种因素影响，例如炸药组成和均匀性、防水性、爆速、装药直径、装药密度、炸药类型、包装类型。在爆炸前和爆炸过程中，当岩石含有硫化物或其他反应性成分时，炸药和周围岩石之间也可能发生额外反应。

表3.10-1有毒烟雾的阈值

就算只有一氧化碳（CO）和氮氧化物（NO和NO2）的浓度过高，也会使得暴露在烟雾里的人员处于危险之中。
一氧化碳（CO）是由有机材料的不完全燃烧形成的无色无味的气体。其密度略低于（1.25kg/msup3;）比大气空气（1.293kg/msup3;）。然而，在矿井或隧道中难以与空气分离。工作人员吸入毒性很大的一氧化碳后，由于一氧化碳对血液血红蛋白的亲和力显着高于氧，如果CO浓度足够高，工作人员就会窒息，有生命危险。
一氧化氮（NO）是无色和高毒性的气体。NO会对皮肤和粘膜的造成强刺激。通过氧化，它形成二氧化氮（NO₂）。NO₂是红色、棕色气体，在高浓度下工作人员吸入是极为致命的。如果二氧化氮的烟雾浓度超过30ppm，在白光源下对其观察时，颜色为橙色或红色。
硝酸甘油炸药的烟雾中含有少量的硝酸甘油和硝基甘醇，它们会使血管扩张，引起头痛并降低血压。工作人员接触炸药的主要来源是皮肤与其直接相碰。在美国，炸药制造商协会已经建立了烟气分类标准，该标准基于在标准条件下，爆炸产生的烟雾由22英寸滤芯过滤后，发出的有毒气体的体积。根据本标准，

炸药可以归类如下：
等级1：0-0.16
等级2：0.16-0.33
等级3：0.33-0.67

只有满足等级1要求的炸药才可用于地下矿井。对于煤矿，MSHA已经确定产生的每454克的炸药（2.5立方英尺/磅）允许产生有毒气体的体积不得超过71升。在任何情况下，都需保持良好的通风。保持通风分散烟雾，是保证爆破施工安全的重要措施。如果在设计和装料过程中，采取以下建议和程序，可以有效减少隧道中的有毒烟雾：
-使用具有良好烟雾特性的氧平衡炸药。
-在钻孔时使用对准装置，以使大多数孔稍微向上倾斜，防止水积聚在钻孔中，污染炸药影响其引爆性能。

-引爆线可能会引起铵油炸药的不完全反应，导致大量有毒烟雾产生。因此在装填铵油炸药的小直径炮孔中不要使用引爆线。

-在开凿炮孔时，将炮眼周围的直径扩大为炮孔直径的10倍左右。因为在炮眼周围填充炸药不仅对破坏围岩没有很大的帮助，而且会产生大量的有毒气体。

图3.10-3铵油含油与CO和NO2气体量关系曲线

由上图可知，当使用铵油炸药（铵油炸药）时，保持氧平衡在适宜的水平十分重要。若铵油炸药中的燃料油的比例与5.7％相差较大，则混合物爆破效果较差且会产生大量有毒气体。

耐水性和存储性

在实际工程中，经常会遇到在水下爆破的情况。即使是在普通岩体中爆破，也经常会遇到炮孔中充满水的情况。塑胶炸药通常具有较高的耐水性，包装状态良好的炸药具有更好的耐水性。炸药的耐水性是指炸药耐水渗透的能力。它通常表示炸药浸没在静态水一段时间后，仍然可以引爆的小时数。当水渗透炸药时，它会降低炸药的强度，使其敏感性下降。炸药的防水性不仅取决于包装程度的好坏和自身耐水性质，还和水的状态有关联。水压较低时，水对炸药耐水性的影响要小于高压及流动水时的情况。

炸药的储存性质使它们可以较长时间的储存而不影响其安全性，可靠性和性能。虽然炸药可以存储寿命较长，但是应尽快使用，以免变质。
塑料炸药不应储存在高温环境中，因为它们可能会软化。炸药中的盐类物质受热后可能会穿透包装物。如果发生这种情况，墨盒将会变形影响使用。粉末型炸药对储存环境中的水分更敏感。在高湿度下，炸药的盐会在滤芯上形成硬化的沉积物。
混合炸药在某些情况下可以进行分离，其特性在分离后将会完全改变，变得稳定。所以工厂一般情况下，会将炸药的成分分开制造，以保证安全。炸药存储空间的干燥和整洁十分重要。在存储时，也应考虑到上述特性，以保证安全。

炸药和明胶

近年来，硝酸铵在炸药中变得越来越重要，取代了大部分硝酸甘油。在北欧国家，炸药的情况也是如此。

炸药有三种基本类型：粒状，半明胶和明胶。明胶和半明胶炸药含有硝酸铁，硝酸甘油与硝酸甘油结合形成粘性凝胶。该产品的粘度取决于硝酸铁的百分比。另一方面，粒状炸药不含硝基铁素体，具有颗粒状的质感。
通常，硝酸甘油的百分比越高，炸药的耐水性就越好。低硝酸甘油百分比炸药通常用于充填物。这些炸药通常用于装填建筑爆破的小直径炮眼。在某些光面爆破中，预裂爆破时经常使用到上述炸药。
铵油炸药
铵油炸药是硝酸铵和燃料油（5.7％）的混合物，其中硝酸铵用作氧化剂，燃料油用作燃料。铵油炸药在现代爆破应用中极大的提高了爆破的经济性和安全性。通常铵油炸药的价格比硝酸甘油炸药便宜三分之一到五分之一，并且因为它敏感度较低，因此使用时较为安全。在相当多的工程爆破条件下，铵油炸药因为可以产生较多的气体，其破碎围岩的能力较强。
铵油炸药是适用于直径超过51毫米的干燥炮孔的最佳填充物，它们通过气体膨胀导使围岩破坏。但爆破时如果是小直径炮孔或者需要较高起爆速度时，铵油炸药的效果则不太理想。
铵油炸药的主要缺点是它耐水性差：如果它变湿，就会难以引爆。如果在装药之前将炮孔中的水除去，一些铵油炸药产品也可以在潮湿的孔中装填。因此应避免长时间将铵油炸药置于炮孔中。需注意的是，铵油炸药不能被正常的雷管引爆。
爆速随会炮眼的直径的变化而变化，在250毫米炮眼中爆速可以达到4400米/秒。爆速也会随着炮眼的直径的减小而减小。当炮眼直径小于25mm时，爆震不稳定。铵油炸药在干燥的大口径炮孔（75〜250mm）下爆炸效果最好。不可在中小型爆破孔（25〜100mm）内引爆铵油炸药。引爆线将直接引爆铵油炸药纵向爆炸，并且由于铵油炸药不能达到稳定的爆震速度（2000〜4400m/s），化学反应将难以进行完全。
少铵油炸药
学者们已经尝试了各种将铵油炸药与惰性材料混合的方法，但是现在最常用的还原剂是发泡聚苯乙烯球体。由于密度不同，铵油炸药和聚苯乙烯球体往往会发生分离。但是挪威Dyno工业公司开发的一种新的装填技术解决了这个问题。该技术与混凝土注浆的技术相似。铵油炸药和还原剂储存在单独的容器中，然后在充入软管中混合在一起，混合物通过该软管充入孔眼。通过这种方法装填需要两个容器。
重铵油炸药
重铵油炸药是铵油炸药和乳化炸药的混合物。它的使用越来越广泛，因为它通常与纯乳化炸药一样有效，并且非常经济。重铵油炸药由注入燃料油的敏化硝酸铵的球体、颗粒组成。当颗粒相互接触时发生最大密度，留下空隙，在重铵油炸药中，填充有足够粘度基础乳化炸药和稳定的可冷却泵送的炸药。在重铵油炸药中，敏化硝酸铵颗粒作为空隙调节剂，它填补了重铵油炸药内部的空隙。可以改变它的成分的比例以改变整体的敏感性、爆能和耐水性。
在大约1.3倍的密度下，重铵油炸药的爆能和灵敏度达到峰值。将微小的颗粒添加到基础乳化炸药中可提高重铵油炸药灵敏度、爆能、耐水性，但这样也会增加成本。重铵油炸药的耐水性、灵敏度、混合程度、装药后的储存寿命也取决于乳化炸药含量和质量。
浆状炸药
泥浆是专门为大型深孔爆破和潮湿环境爆破设计的。浆状炸药敏感性不强，因此必须用雷管启动。浆状炸药是防水的，可直接泵入孔中或装填在塑料袋中。
浆状炸药含有硝酸铵，常常还含有铝，水和其他一些物质，以保持爆炸良好。任何组合物的性质都取决于其各固体成分的类型和混合比例，浆状炸药也不例外。

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