课题1.2　爆破材料及起爆方法

1.2.1　爆破材料

1.2.1.1　炸药

1.炸药的基本性能

(1)爆力。爆力是指炸药在介质内部爆炸时对其周围介质产生的整体压缩、破坏和抛移能力。它的大小与炸药爆炸时释放出的能量大小成正比,炸药的爆热越高,生成气体量越多,爆力也就越大。测定炸药爆力的方法常用铅铸扩孔法和爆破漏斗法。

(2)猛度。炸药的猛度是指炸药在爆炸瞬间对与药包相邻的介质所产生的局部压缩、粉碎和击穿能力。炸药爆速越高,密度越大,其猛度越大。测量炸药猛度的方法是铅柱压缩法。

(3)爆速。爆速是指爆炸时爆炸波沿炸药内部传播的速度。爆速测定方法有导爆索法、电测法和高速摄影法。

(4)殉爆。炸药爆炸时引起与它不相接触的邻近炸药爆炸的现象称为殉爆。殉爆反映了炸药对冲击波的感度。主发药包的爆炸引爆被发药包爆炸的最大距离称为殉爆距离。影响殉爆的因素有装药密度、药量和直径、药卷约束条件和药卷放置方向等。

(5)感度。炸药在外能作用下起爆的难易程度称为该炸药的感度。不同的炸药在同一外能作用下起爆的难易程度是不同的,起爆某炸药所需的外能小,则该炸药的感度高;起爆某炸药所需的外能高,则该炸药的感度低。炸药的感度对于炸药的制造加工、运输、储存、使用的安全十分重要。感度过高的炸药容易发生爆炸事故,而感度过低的炸药又给起爆带来困难。工业上大量使用的炸药一般对热能、撞击和摩擦作用的感度都较低,通常要靠起爆能来起爆。根据起爆能的不同,炸药的感度可分为热感度、撞击感度、摩擦感度和爆炸冲能感度。

(6)炸药的安定性。炸药的安定性指炸药在长期储存中,保持原有物理化学性质的能力。有物理安定性与化学安定性之分。物理安定性主要是指炸药的吸湿性、挥发性、可塑性、机械强度、结块、老化、冻结、收缩等一系列物理性质。物理安定性的大小,取决于炸药的物理性质。如在保管使用硝化甘油类炸药时,由于炸药易挥发收缩、渗油、老化和冻结等导致炸药变质,严重影响保管和使用的安全性及爆炸性能。铵油炸药和矿岩石硝铵炸药易吸湿、结块,导致炸药变质严重,影响使用效果。炸药化学安定性的大小,取决于炸药的化学性质及常温下化学分解速度的大小,特别是取决于储存温度的高低。有的炸药要求储存条件较高,如5号浆状炸药要求不会导致硝酸铵重结晶的库房温度是20～30℃,而且要求通风良好。

(7)氧平衡。氧平衡是指炸药在爆炸分解时的氧化情况。如果炸药中的氧恰好等于其中可燃物完全氧化所需的氧量,即产生二氧化碳和水,没有剩余的氧成为零氧平衡;若含氧量不足,可燃物不能完全氧化且产生一氧化碳,此时称为负氧平衡;若含氧量过多,将炸药所放出的氮也氧化成有害气体一氧化氮称为正氧平衡。

2.工程炸药的种类、品种及性能

(1)炸药的分类。按其作用特点和应用范围,一般工程爆破使用的炸药可分为三种类型,见表1.3。

(2)常用炸药的性能。常用的炸药主要有梯恩梯、硝铵类炸药、胶质炸药、黑火药等,其主要性能和用途见表1.4。

1.2.1.2　起爆器材

起爆器材包括雷管、导火索和传爆线等。

1.火雷管

火雷管由管壳(材质为铜、铝、纸、塑料等)、起爆药(良好火感的、二硝基重氮酚)、猛炸药(感度略低但威力较大的黑索金、泰安)、加强帽(1.9～2.1mm小孔金属罩,铜片制,加强起爆药爆轰的约束条件、密封作用,减少外界影响)组成(图1.4)。上端开口,中段设加强帽,中有小孔,副起爆药压于管底,正起爆药压在上部。在管沟开口一端插入导火索,引爆后,火焰使正起爆药爆炸,最后引起副起爆药爆炸。

根据管内起爆药量的多少分1～10个号码,常用的为6号、8号。火雷管具有结构简单,生产效率高,使用方便、灵活,价格便宜,不受各种杂电、静电及感应电的干扰等优点。但由于导火索在传递火焰时,难以避免速燃、缓燃等致命弱点,在使用过程中爆破事故多,因此使用范围和使用量受到极大限制。

2.电雷管

电雷管分瞬发电雷管和延期电雷管。延期电雷管分为普通延期电雷管(秒或半秒延期电雷管)与毫秒延期电雷管。

(1)瞬发电雷管。瞬发电雷管是瞬发火引爆的雷管,实际上它是由火雷管和1个发火元件组成,其结构如图1.5所示。电引火元件结构如图1.6所示。当接通电源后,电流通过桥丝发热,使引火药头发火,导致整个雷管爆轰。

瞬发雷电管的主要技术指标有电阻、最高安全电流、最低准爆电流、铅板穿孔、进水时间等。

(2)普通延期电雷管。普通延期电雷管是雷管通电后,间隔一定时间才起爆的电雷管。延期时间为0.5s或1s。延期时间是用精致火索段或延期药来达到的,由其长度、药量和延期药配比来调节。采用精致导火索段的结构称为索式结构,采用延期体的结构称为装配式结构。

普通延期电雷管的结构如图1.7所示,该类雷管主要用于隧道掘进、采石、土方开挖等爆破作业中,在有瓦斯和煤尘爆炸危险的工作面不准使用延期电雷管。

(3)毫秒延期电雷管。毫秒延期电雷管有等间隔和非等间隔之分,段与段之间的间隔时间相等的称为等间隔,反之为非等间隔。

毫秒延期电雷管在爆破中应用越来越多,可降低爆破地震波、保护边坡、控制飞石。毫秒电雷管正在向高精度、多段数、多品种、多系列的方面发展,同时还要求它能抗静电、抗杂静电、耐高温、抗深水,以满足各种特殊要求的爆破需要。

1)抗杂散电流毫秒电雷管。抗杂散电流毫秒电雷管,简称为抗杂电雷管,按其抗杂电原理可分为容抗式、无桥丝式、低阻桥丝式三种。

无桥丝式电雷管是利用导电药代替桥丝。导电药起导电、发热作用,其电阻与电压有特殊关系,外接电压低,电阻高;外接电压高,则电阻值低,电流可以起爆电雷管,这样就可满足工程爆破的抗杂散电流的要求。

低阻桥丝式抗杂电毫秒电雷管,是采取降低桥丝电阻来控制发热量,使药头不会发火引爆,从而使杂电的能量大部分消耗在脚线上。该总雷管结构简单,有较高的抗杂电能力,能满足国内大部分有杂电的矿山的爆破要求。但由于桥丝电阻小,对网络绝缘要求很高,难于达到要求时则易产生拒爆,使用受到限制。

2)无起爆药毫秒电雷管。无起爆药雷管是目前最先进、最安全的雷管,由于取消雷管中正起爆药,实现整雷管只有单一猛炸药,并解决了无起爆药电雷管的群爆问题,其结构如图1.7所示。

无起爆药雷管电性能和爆炸威力与普通毫秒雷管相同,冲击感度低于普通电雷管,耐火性能比普通雷管要好。由于其结构简单,操作使用完全可与普通雷管同样对待。

3)安全电雷管。安全电雷管分为瞬发与毫秒两种,适用于瓦斯较突出的地下工程,配合安全炸药,在瓦斯矿井进行爆破。它是通过在雷管的猛炸药中加入消焰剂并改底部为平底结构等方法来实现安全起爆的。安全毫秒电雷管的延期时间必须控制在130ms以内。

(4)非电雷管。非电雷管是指专用于非电导爆管起爆系统的雷管,包括瞬发、秒差和毫秒雷管,产品已成系统化,可应用于各种工程爆破。

3.导火索

导火索是用来起爆火雷管和黑火药的起爆材料。用于一般爆破工程,不宜用于有瓦斯或矿尘爆炸危险的作业面。它是用黑火药做芯药,用麻、棉纱和纸做包皮,外面涂有沥青、油脂等防潮剂。

导火索的燃烧速度有两种:正常燃烧速度为100～120s/m,缓燃速度为180～210s/m。喷火强度不低于50mm。国产导火索每盘长250m,耐水性一般不低于2h,直径5～6mm。

4.导爆索

导爆索用强度大、爆速高的烈性黑索金作为药芯,以棉线、纸条为包缠物,并涂以防潮剂,表面涂以红色。索头涂以防潮剂。

导爆索不受电的干扰,使用安全,起爆准确可靠,并能同时起爆多个炮孔,同步性好,故在控制爆破中应用广泛;施工装药比较安全,网络敷设简单可靠;可在水孔或高温炮孔中使用。

5.导爆管

导爆管是一种半透明的具有一定强度、韧性、耐温、不透水的塑料管起爆材料。在塑料软管内壁涂薄薄一层胶状高性能混合炸药(主要为黑索金或奥克托金),装药量为(16±1.6)g/m。

具有抗火、抗电、抗冲击、抗水以及导爆安全等特性。

导爆管主要用于无瓦斯、矿尘的露天、井下、深水、杂散电流大和一次起爆多数炮孔的微差爆破作业中,或上述条件下的瞬发爆破或秒延期爆破。

1.2.2　起爆方法

按雷管的起爆方法不同,常用的起爆方法可分为电力起爆法、非电力起爆法和无线起爆法三类。非电力起爆法又包括火花起爆法、导爆索起爆法和导爆管起爆法。

1.电力起爆法

电力起爆法就是利用电能引爆电雷管进而起爆炸药的起爆方法,它所需的起爆器材有电雷管、导线和起爆源等。本法可以同时起爆多个药包,可间隔延期起爆,安全可靠。但是操作较复杂,准备工作量大,需较多电线,需一定的检查仪表和电源设备。电力起爆法适用于大中型重要的爆破工程。

电力起爆网络主要由电源、电线、电雷管等组成。

(1)起爆电源。电力起爆的电源,可用普通照明电源或动力电源,最好是使用专线。当缺乏电源而爆破规模又较小和起爆的雷管数量不多时,也可用干电池或蓄电池组合使用。另外还可以使用电容式起爆电源,即发爆器起爆。国产的发爆器有10发、30发、50发和100发几种型号,最大一次可起爆100个以内串联的电雷管,十分方便。但因其电流很小,故不能起爆并联雷管。常用的形式有DF-100型、FR81-25型、FR81-50型。

(2)导线。电爆网络中的导线一般采用绝缘良好的铜线和铝线。在大型电爆网络中的常用导线按其位置和作用划分为端线、连接线、区域线和主线。端线用来加长电雷管脚线,使之能引出孔口或洞室之外。端线通常采用断面为0.2～0.4mm2的铜芯塑料皮软线。连接线是用来连接相邻炮孔或药室的导线,通常采用断面为1～4mm2的铜芯或铝芯线。主线是连接区域城与电源的导线,常用断面为16～150mm2的铜芯或铝芯线。

(3)电雷管的主要参数。电雷管主要参数有最高安全电流、最低准爆电流、电雷管电阻。

1)最高安全电流。给电雷管通以恒定的直流电,在较长时间(5min)内不致使受发电雷管引火头发火的最大电流,称为电雷管最高安全电流。按规定,国产电雷管通50mA的电流,持续5min不爆的为合格产品;测量电雷管电爆网络的爆破仪表,其输出工作电流不得大于30mA。

2)最低准爆电流。给电雷管通一恒定的直流电。保证在1min内能使任何一发电雷管都能起爆的最小电流,称为最低准爆电流。国产电雷管的准爆电流不大于0.7A。

3)电雷管电阻:电雷管电阻是指桥丝电阻与脚线电阻之和,又称电雷管安全电阻。电雷管在使用前应测定每个电雷管的电阻值,在同一爆破网络中使用的电雷管应为同厂同型号产品。康铜桥丝雷管的电阻值差不得超过0.3Ω;镍鉻桥丝雷管的电阻值差不得超过0.8Ω。电雷管的电阻值是进行电爆网络计算不可缺少的参数。

(4)电爆网络的连接方式。当有多个药包联合起爆时,电爆网络的连接可以采用串联、并联、串并联、并串联等方式(图1.8、图1.9)。

1)串联法。串联法是将电雷管的脚线一个接一个地连在一起,并将两端的两根脚线接至主线,并通向电源。该法线路简单,计算和检查线路较易,导线消耗较小,需准爆电流小,可用放炮器、干电池、蓄电池做起爆电源。但整个起爆电路可靠性差,如一个雷管发生故障,或敏感度有差别时,易发生拒爆现象。适用于爆破数量不多、炮孔分散、电源电流不大的小规模爆破。

2)并连法。并联法是将所有电雷管的两根脚线分别接在两根主线上,或将所有雷管的其中一根脚线集合在一起,然后接在一根主线上,把另一根脚线也集合在一起,接在另一根主线上。其特点是:各个雷管的电流互不干扰,不易发生拒爆现象,当一个电雷管有故障时,不影响整个网络起爆。但导线电流消耗大,需较大截面主线;连接较复杂,检查不便;若分支电阻相差较大,可能产生不同时爆炸或拒爆。适用于炮孔集中、电源容量较大及起爆小量雷管时使用。

3)串并联法。串并联法是将所有雷管分成几组,同一组的电雷管串联在一起,然后组与组之间再并联在一起。这种方法需要的电流容量比并联小,同组中的电流互不干扰;药室中使用成对的电雷管,可增加起爆的可靠性。但线路计算和敷设复杂,导线消耗量大。该法适用于每次爆破的炮孔、药包组很多,且距离较远或全部并联电流不足的场合。

4)并串联法。并串联法是将所有雷管分成几组,同一组的电雷管并联在一起。其特点是:可采用较小的电容量和较低的电压,可靠性比串联强。但线路计算和敷设较复杂,有一个雷管拒爆时,将切断一个分组的线路。该法各分支线路电阻应注意平衡或基本接近。这种方法适用于一次起爆多个药包,且药室距离很长,或每个药室设两个以上的电雷管,而又要求进行迟发起爆的场合。

2.非电力起爆法

(1)火花起爆法(也称火雷管起爆法)。火花起爆法是以导火索燃烧时的火花引爆雷管进而起爆炸药的起爆方法。火花起爆法所用的材料有火雷管、导火索及点燃导火索的点火材料等。

火花起爆法的优点是操作简单,准备工作少,成本较低。缺点是操作人员所处的操作地点不够安全。

火花起爆法适用于多打眼、少装药的控制爆破,减小爆破地震、飞石;禁止在有沼气和矿尘爆炸危险的地方使用,不能用于煤矿井下;不能进行大爆破,安全性差;也不能在水下爆破中使用。

(2)导爆索起爆法。导爆索起爆法是用导爆索爆炸产生的能量直接引爆药包的起爆方法。这种起爆方法所用的起爆器材有雷管、导爆索、继爆管等。

导爆索起爆法的优点是导爆速度高,可同时起爆多个药包,准爆性好;连接形式简单,无复杂的操作技术;在药包中不需要放雷管,故装药、堵塞时都比较安全。缺点是成本高,不能用仪表来检查爆破线路的好坏。

导爆索的搭接方法和接长方法如图1.10所示。

导爆索的网络布置形式有以下两种:

1)开口网络(又称分段并联网络)。开口网络如图1.11所示,由一根主干索、若干根并联的支干索以及各深孔中的引爆索组成,整个网络是开口的,为了安全,只允许在起爆前将雷管或药包绑结在导爆索上。

2)环形网络(又称双向并联)。环形网络如图1.12所示,各个深孔或药室中的引爆索可以接受从两个方向传来的爆轰波,起爆更加可靠,但导爆索消耗增大。主干索、支干索和引爆索常采用图1.13的三角形连接法。

导爆索起爆法适用于深孔爆破、洞室爆破和光面预裂爆破。导爆索起爆法操作技术简单,与用电雷管起爆方法相比,准备工作量少。安全性较高,一般不受外来电的影响,除非雷电直接击中导爆索。导爆索的爆速较高,有利于提高被起爆炸药传爆的稳定性。可以使成组炮孔或药室同时起爆,而且同时起爆的炮孔数不受限制。但导爆索成本较高,用这种起爆方法的费用几乎比其他起爆方法高1倍以上;在起爆以前,不能用仪表检查起爆网络的质量;难以实现多段微差起爆;在露天爆破时,噪声、空气冲击波较大;不宜在城市拆除爆破中使用。

(3)导爆管起爆法。导爆管起爆法是利用塑料导爆管来传递冲击波引爆雷管,然后使药包爆炸的一种新式起爆方法。导爆管起爆网络通常由激发元件、传爆元件、起爆元件和连接元件组成。这种方法导爆速度高,可同时起爆多个药包;作业简单、安全;抗杂散电流,起爆可靠。但导爆管连接系统和网络设计较为复杂。适用于露天、井下、深水、杂散电流大和一次起爆多个药包的微差爆破作业中进行瞬发或秒延期爆破。

导爆管起爆系统由三部分组成:击发元件、传爆元件(或称连接元件)和末端工作元件,如图1.14所示。击发元件的作用是击发导爆管;传爆元件使爆轰波连续传递下去,它由导爆管和连接元件组成;工作元件由引入炮孔或药室中的导爆管和它末端组装的雷管(即发的或延发的)组成,作用是直接引爆炮孔或药室中的工业炸药。

导爆管起爆法布设简便,用很少几个段别的延时起爆非电雷管组成微差起爆网络,实现大区域石方控制爆破。在串联和并联基础上的混合联法,如并并联(图1.15)、并串并联(图1.16)等。

导爆管可用雷管、击发枪和导爆索等起爆。单发雷管理论上可引爆50根以上的导爆管,但为了保证引爆的可靠性,一般不宜超过20根,并且导爆管应均匀分布在雷管周围绑扎紧,雷管的聚能穴方向应与导爆管的传爆方向相反,如图1.17所示。

用导爆索起爆导爆管时,将导爆管收成一束(每束10～20根)紧紧绑扎在导爆索上,绑扎段长度不小于0.1m,相邻两束之间的距离应大于0.5m,并使导爆管与导爆索传爆方向的夹角为25°～80°。