1.3 双聚能预裂与光面爆破综合技术概述

1.3.1 双聚能预裂与光面爆破综合技术的研发始末

2004年4月1日，中国水利水电第八工程局有限公司成立了“聚能预裂（光面）爆破技术研究”课题组，随后提出了试验大纲，明确试验目标和试验方法，该科研项目正式启动。2004年11月，在成都召开的中国水利水电建设集团公司科技项目立项评审会上得到批准，从此纳入了中国水利水电建设集团公司的科研计划。

课题组的任务就是寻求一种聚能药卷比较简单、价廉的聚能结构成形技术和设法使聚能爆破与预裂（光面）爆破能够有机结合的技术途径，力争在不降低国家规范要求的前提下减少预裂（光面）爆破造孔工作量、提高保留岩体的稳定性，从而达到既可加快施工进度、提高预裂（光面）爆破的施工质量，又能够降低预裂（光面）爆破施工成本的多重目标。

通过两年多的试验研究，终于获得了成功！2006年在小湾水电站水垫塘保护层开挖中进行了大面积的推广应用，研制的椭圆双极线性聚能药柱（EBLSC）及其配套对中装置以及施工工艺都以其简单、便捷、实用、经济、高效等特点为推广应用该项先进项技术提供了一个可借鉴的样板。

2007年1月19日该项新技术《岩石开挖双聚能槽管聚能预裂（光面）爆破技术》通过了中国水利水电建设集团公司组织的专家鉴定并被中国工程院院士、中国爆破协会理事长汪旭光命名为“双聚能预裂与光面爆破综合技术”（或称EBLSC爆破技术）。

鉴定会后，按照鉴定专家组的意见“聚能预裂（光面）爆破技术研究”课题组又联合中南大学、中国人民解放军国防科学技术大学、长江水利委员会长江科学院进行了系统的理论研究和试验验证，即“双聚能预裂与光面爆破综合技术”的二期研发。2010年3月18日“二期研发”再次通过了中国水利水电建设集团公司组织的以中国工程院冯叔瑜、汪旭光院士为首的专家鉴定。专家一致认为该项科研成果取得完全成功，达到了国际领先水平。

1.3.2 双聚能预裂与光面爆破综合技术的创新

（1）预裂（光面）爆破理论和技术的重大突破。众所周知炸药爆轰过程非常短促，普通工业炸药爆速为3200～5500m/s，EBLSC的短轴为22mm，全断面爆轰时间只需4.00～6.87×10^-6s，即爆轰瞬时发生，并且在推广应用双聚能与光面爆破综合技术的工程实践中引爆EBLSC时外表引爆和中心引爆并不影响EBLSC的爆破效果。因此可按“瞬时爆轰论”（即：基于瞬时爆轰的EBLSC爆炸力学模型分析理论）开展系列理论研究。

采用计算分析得出了EBLSC的“爆破能量分配影响爆速、聚能结构决定聚能射流效应产生、聚能药管及其密度对爆破效果有重大影响”等聚能爆破新理论。突破了“普通工业炸药以及没有金属聚能罩不能产生聚能射流”的传统理论。

按照“瞬时爆轰假说”建立爆炸分析模型和分析软件来诠释EBLSC的爆破机理以及分析“双聚能预裂与光面爆破综合技术”研发中发现的一些爆破新规律并由此得出的新的预裂（光面）爆破理论都为现场验证试验和工程实践所证实。

一个假说的论点能够被实践所证实，那么这个假说就可以上升为理论，据此提出建立了基于瞬时爆轰的EBLSC爆炸力学模型分析理论，简称为“瞬时爆轰论”。

秦健飞在《工程爆破》2009年03期发表的《双聚能槽药柱的研究与应用》中，在总结采用瞬时爆轰假说分析聚能预裂爆破得出的结论与采用“双聚能预裂与光面爆破综合技术”作预裂爆破的实施效果完全相符的基础上首次提出建立“瞬时爆轰论”（即：基于瞬时爆轰的EBLSC爆炸力学模型分析理论）。之后又在第9届西班牙国际爆破破岩学术会议的论文《Study and Application of Elliptical Bipolar Linear Shaped Charge》中再次提出建立“瞬时爆轰论”。

按照“瞬时爆轰论”进行数值计算可求解EBLSC的最优理论装药结构参数，其结论恰好又与工地试验得出EBLSC的最优断面十分吻合，这也认证了“瞬时爆轰论”的正确性。

“瞬时爆轰论”构建了岩石断裂力学的新理论，为EBLSC的结构优化找到了理论依据，实现了预裂（光面）爆破理论和技术上的重大突破。

1）建立EBLSC分析模型和开发EBLSC装药有效部分分析软件，开展了爆轰产物飞散规律分析研究。

· EBLSC能形成良好的聚能效应；

· EBLSC的爆破能量径向分配关系影响爆速；

· EBLSC有聚能结构就会有聚能射流效应产生；

· EBLSC的药管结构及其密度对爆破效果有重大影响。

这些聚能预裂爆破新规律、新理论在现场EBLSC原型验证试验中都得到一一证实。

例如：在碾压平整密实渣场上进行的侵彻对比实验（图1-10），测得常规技术采用的φ25圆柱形药柱不能产生刻痕，而EBLSC却留下宽6.9mm、深6.4mm的刻槽，这表明EBLSC具有显著聚能射流效应。

2）研究EBLSC的破岩机理。研究EBLSC的破岩机理，建立了双聚能预裂与光面爆破综合技术孔壁处爆炸应力计算模型，并与常规预裂爆破技术（圆柱形不耦合装药）进行了对比计算。

在对PVC外壳的作用研究和炮孔壁处最大爆炸应力的分析和计算的基础上，探讨和研究的EBLSC药柱炮孔间距。对于某型EBLSC药柱，得出聚能方向应力是短轴方向的231倍、是同等情况下常规圆柱形药柱的14.4倍，而EBLSC药柱炮孔间距是常规圆柱形药柱的3.29倍的结论。

3）提出EBLSC装药不耦合系数确定准则。合理设计EBLSC药柱爆炸效应回收装置，测得该药柱在不同孔径的回收装置中的爆炸终点效应（主要是刻槽深度），从而达到确定EBLSC药柱最佳不耦合系数的目的。

通过现场爆炸试验，并对试验数据进行有效分析，得出了 EBLSC最佳不耦合系数为3.47的结论，即：试验中的某型EBLSC药柱在直径约85mm的炮孔中刻槽效果最佳。

4）开展EBLSCPVC外壳作用机理研究与分析。EBLSC外壳作用机理研究与分析表明在瞬时爆轰作用下，EBLSC外壳的PVC材料迅速汽化，消耗了药柱瞬时爆轰的部分能量，起到了缓冲峰值压力（降低约17.63%，）保护孔壁的良好作用，同时增大的气体量（气体量增加63.5%），对于气刃作用使裂缝的扩张和延伸都起到了更好的作用。

（2）研发成功“双聚能预裂与光面爆破专用装置”。突破普通工业炸药和无金属聚能罩不能形成聚能效应的传统理论，在国内外首创采用普通工业炸药装入高密度聚氯乙烯制作双聚能槽管成形EBLSC并巧妙采用对中装置使EBLSC的聚能射流面与预裂面完全吻合，突破了聚能预裂（光面）爆破技术瓶颈，实现了聚能预裂与光面爆破的生产性应用和突破性发展，将大直径（φ80～100mm）预裂（光面）爆破孔距从通常的80～100cm提高到200～300cm。

双聚能预裂与光面爆破专用装置由双聚能槽管、连接套管、孔内对中环和孔口对中环组成。它能确保每个炮孔里面EBLSC的聚能槽能够处在一条直线上、所有炮孔EBLSC的聚能槽能够处在同一个面上并且与预裂（光面）爆破面完全吻合。

将普通工业炸药装入双聚能槽管就形成了EBLSC，因此，EBLSC爆破后能够自下而上沿全炮孔聚集爆破能量，而对中装置又能使爆破能量按照指定的方向集中释放，这样就更有利于爆破应力波作用、高压气体的膨胀作用、聚能射流的气刃作用能够沿全孔上下同时充分发挥作用，在瞬时爆轰作用下，EBLSC外壳的PVC材料迅速汽化，消耗了药柱瞬时爆轰时的部分能量，相应也就减小了EBLSC非射流方向对炮孔周边的爆炸压力初始峰值，另外由于EBLSC爆破能量能集中释放加之面装药密度的大幅度减少，爆炸对炮孔的破坏作用得到有效的控制。而同时增大的气体量（气体量增加63.5%，）对于气刃作用使裂缝的扩张和延伸都起到了更好的作用。能够使爆破孔距扩大2～3倍，因此EBLSC爆破技术，不仅扩大了爆破孔距而且大大提高了保留岩体的稳定性，可广泛用于各种工程爆破中的轮廓控制爆破施工。

（3）双聚能预裂与光面爆破综合技术。首创研发成功“双聚能预裂与光面爆破综合技术（EBLSC爆破技术）”以及“双聚能预裂与光面爆破专用装置和填装乳化炸药的装药设备”，圆满解决了EBLSC爆破技术的孔网参数设计、EBLSC对炮孔的完全不耦合装药和完全对中等关键技术和施工工艺，首次实现了聚能预裂与光面爆破生产性应用和突破性发展，获国家一级施工工法和5项国家专利，其中“双聚能预裂与光面爆破综合技术施工工法及其专用装置”发明专利（ZL200710034494.5）被评为2010年中国专利优秀奖。

1）完全对中、完全不耦合装药技术。双聚能槽管采用耦合、连续装药形成EBLSC，该药柱对于炮孔则为“完全不耦合装药”。双级线性聚能结构和对中装置可实现EBLSC对炮孔的“完全对中、完全不耦合装药”并能确保聚能射流沿预裂（光面）爆破面发挥气刃作用，实现了“双聚能预裂与光面爆破综合技术”的生产性应用和突破性发展。

2）双聚能预裂与光面爆破综合技术施工工法。“双聚能预裂与光面爆破综合技术”及其施工工艺是确保采用椭圆双级线性聚能药柱顺利进行预裂（光面）爆破并取得理想效果的关键。根据试验成果和生产实践经验我们制定了易于操作、成熟可靠的《双聚能预裂与光面爆破综合技术施工工法》，2008年3月该工法已被住房和城乡建设部审批为国家一级工法［YJGF078—2006（一级）］。

从现在推广应用的情况看采用该项先进技术其预裂孔距都在2.0～2.5m，个别工程达到3.1m。该技术与普通药柱进行预裂爆破相比，预裂孔距扩大了2～3倍，造孔工作量、矽尘排放量、能耗、面装药密度减少50%～65%、成本降低50%～55%，有利于节能减排，且残留半孔没有爆破再生裂隙。长江水利委员会长江科学院对溪洛渡水电站双聚能预裂爆破振动监测表明，爆破梯段边坡最大质点振速为3.77cm/s，小湾水电站双聚能水平预裂爆破后西北勘测设计研究院工程物探研究所对爆破保留岩体进行了声波检测，建基面100cm范围内其平均波速衰减率为0.95%～1.88%，所有指标都远小于国家规范要求，使用效果见图1-11。

图1-11中，内侧为普通水平预裂爆破效果，孔距80cm；照片外侧为双聚能水平预裂爆破效果，孔距200cm。

“双聚能预裂与光面爆破综合技术”的技术经济指标均为国际领先水平。因此“双聚能预裂与光面爆破综合技术”2010年已被住房和城乡建设部作为《建筑业10项新技术（2010）》在全国推广应用，具有显著的社会经济效益。这些技术经济指标是迄今为止国内外的同类技术是无法比拟的。

3）研发成功小直径乳化炸药装药机。研发成功小直径乳化炸药装药机，填补了我国移动式小直径乳化炸药装药机的空白。

双聚能槽管可以采用人工或者机械装药。粉状炸药可以采用锥形容器直接灌装，乳化炸药全管装药必须采用装药机装药。由于“双聚能槽管”的直径小，装药面积仅有4.73cm²，其管内最小间隙只有18.0mm，我国目前只有少数炸药生产厂家才有国外进口的乳化炸药灌注设备，其灌注直径最小为25mm。迄今为止还没有国产移动式小直径的乳化炸药灌注设备，世界上最先进的移动式乳化炸药灌注设备不仅价格高昂达几百万元1台，最关键的是不能解决小直径药管的灌装问题，特别是难以实现对小直径的双聚能槽管的装药，也难以实现在施工现场灵活移动装药。

“双聚能槽管”的装药（特别是装乳化炸药）成为制约该项技术推广应用的瓶颈，研发装药机成为无法避让的科研课题。历经多次改进研发的定型产品SJNZYJ型乳化炸药装药机完全满足了这种小直径双聚能槽管的装药要求。该机结构简单、移动、操作方便、自动控制系统安全可靠，装药机结构见图1-12、实物见图1-13。装药机的研发成功填补了我国移动式小直径乳化炸药装药机的空白，获得国家3项专利。乳化炸药装药机的研发成功也为推广应用“双聚能预裂与光面爆破综合技术”提供了广阔的前景。