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第 31 卷 第 4 期 2014 年 12 月 爆 破 BLASTING Vol. 31 No. 4  Dec. 2014 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2014. 04. 029 基于高速摄影法对孔桩内导爆管准爆的探究* 李 迎 1， 2， 马广举1， 2， 池恩安1， 2， 3， 赵明生3， 洪 欢1， 2， 4 （1. 贵州大学 矿业学院， 贵阳 550003； 2. 贵州非金属矿产资源综合利用重点实验室， 贵阳 550003； 3. 贵州新联爆破工程集团有限公司， 贵阳 550002； 4. 复杂地质矿山开采安全技术工程中心， 贵阳 550003） 摘 要 针对贵阳花果园 V 区孔桩爆破中塑料导爆管多次产生拒爆的实际情况， 为降低盲炮的产生、 提高 准爆率， 特对导爆管传爆性能进行研究。首先， 利用高速摄像机进行完整导爆管的传爆试验， 获得所使用导 爆管的稳定爆速为 1650 m/ s； 然后进行切缝试验， 得出切缝长度在 12 cm 以上导爆管将产生断爆， 断爆爆速 临界值为 525 m/ s； 最后进行注水试验， 当注水长度达 2 mm 必断爆。结果表明 施工误操作破损后的塑料导 爆管使用在含水的孔桩内， 盲炮率较高， 切缝是导致拒爆的诱导因素， 注水是主导因素； 施工过程中应采取有 效措施减少孔内积水及确保导爆管完整无缝隙， 防止积水渗入导爆管导致拒爆， 可有效降低盲炮率。 关键词 孔桩爆破；导爆管；高速摄影仪；拒爆 中图分类号 TD235 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2014） 04 -0129 -05 Exploration of Reliability of Nonel Tube Firing in Hole based on High-speed Photography LI Ying1， 2， MA Guang-ju1， 2， CHI Fn-an1， 2， 3， ZHAO Ming-sheng3， HONG Huan1， 2， 4 （1. Mining College， Guizhou University， Guiyang 550003， China； 2. State Key Laboratory of Guizhou Comprehensive Utilization of Non-metallic Mineral Resources， Guiyang 550003， China； 3. Guizhou Xianlian Blasting Engineering Limited Corp， Guiyang 550002， China； 4. Guizhou Engineering Center for Safe Mining Technology， Guiyang 550003， China） Abstract The Nonel tube misfired many times in the pile blasting at V area Hua Guoyuan in Guiyang city. In order to reduce misfire and to improve the firing reliability， the Nonel tube perance of explosion transference was studied. Firstly， the stable prorogation velocity of None with 1650 m/ s was measured by high-speed photography . Then the cutting seam test of tube was pered， and when the cutting seam length was more than 12 cm， misfire happened in detonating tube. Furthermore， the critical velocity causing misfire was 525 m/ s. Finally， water injection into tube more than 2 mm would induce misfire. When the Nonel tube was damaged by wrong operation in construc- tion in the pile with water， the misfire rate was higher， where the cutting seam was induced factors and water the dom- inant factor. In the process of construction， all the measures such as reducing the water and ensuring the tube integrity could effectively reduce the misfire rate. Key words pile blasting；nonel tube；high-speed camera；misfire 收稿日期 2014 -07 -10 作者简介 李 迎 （1988 - ） ， 女， 湖南岳阳人， 贵州大学硕士研究生， 从事矿业工程安全方向研究，（E-mail） 289641918 qq. com。 通讯作者 池恩安 （1968 - ） ， 男， 贵州贵阳人， 博士、 研究员， 从事爆 破工程方向研究，（E-mail） 305310565 qq. com。 基金项目 贵州省优秀青年科技人才培养计划资助项目 （No. （2013） 30） 塑料导爆管目前在各类工程中得到广泛的应 用 ［1］， 在城市房屋建设中， 当孔桩涌出水量较大、 周 围用电环境较复杂时， 使用塑料导爆管进行孔桩爆 破可有效避免受外来电和水的影响 ［2］， 但施工工艺 不佳及水量较大时也可能出现断爆。为此， 已有多 位学者如钱华等人对塑料导爆管各传爆性能进行了 研究 ［3］。特别是利用高速摄影法研究导爆管各性 能已相对较成熟， 如赵继波介绍了 APX-RS 型高速 相机在拍摄高速运动物体的应用 ［4］， 李显寅也介绍 了此类相机在导爆管爆轰的应用情况 ［5］。胡升 海 ［6］、 张卅卅［7］、 廖小翠用高速摄影仪研究了断药、 打结对导爆管性能的影响以及导爆管起爆与传播过 程的研究 ［8］， 得到各自的结论， 其中张卅卅得出导 爆管的爆速为 1750 m/ s； 胡升海得到了爆轰波至少 需要 18. 5 cm 才能达到稳定的规律 ［9］； 廖小翠指出 最大切缝长度为 9 10 cm 之间 ［10］。大部分学者都 是在试验室内研究导爆管各性能指标， 没有结合工 程实例以及性能之间的关系。 为此， 进行了室内试验， 研究了导致孔桩内破损 （切缝和渗入地下水） 状态下导爆管传爆性能的可 靠性及相互关系， 并结合贵州省贵阳市花果园 V 区 孔桩石方开挖爆破工程实例， 对当前存在的问题进 行了分析并提出了解决措施。 1 室内试验 试验器材包括 FastcamSA1. 1 高速摄像机、 电脑 （XP 系统） 、 同步仪、 起爆针、 起爆器、 塑料导爆管、 小 刀、 数码游标卡尺、 注水器、 胶布、 标准 A4 白纸等。本 次试验的塑料导爆管为贵州久联民爆发展股份有限 公司生产的同一批次的同一型号的产品， 外观黄色， 外径 （3.0 0.1）mm， 内径 （1.5 0.1）mm； 核心器材 为 PHOTRON 公司生产的 FastcamSA1. 1， 它拥有百 万像素和高灵敏度的成像传感器使得 SA1. 1 可及 时捕捉高速运动物体和后期处理影像、 慢动作观测、 运动分析。本次试验拍摄前设置参数 （像素 512 128、 拍摄速率75 000 fps、 保存 JPG 图像格式） 、 黑平 衡处理及低照度模式预览拍摄对象后即可正常录 摄， 拍摄过程中无需强光电源， 试验系统及技术路线 图如图 1 所示。仪器与电脑连通后一切操作均在电 脑上控制， 如图 2 高速摄影仪连接电脑实例图。 图 1 试验系统及技术路线图 Fig. 1 The experimental system and the technology route 图 2 高速摄影仪连接电脑实例图 Fig. 2 High-speed camera diagram connected to computers 事先准备 1 m 导爆管试样若干， 用小刀或注射 器人工模拟导爆管切缝或含水状态， 用胶布将某模 拟状态的塑料导爆管两端固定在高速摄影仪三脚架 盒子上， 中间位置贴有预先用黑笔画满间距 1 cm 的 竖线标准 A4 纸为拍摄背景， 利用起爆针连接起爆 器起爆。在切缝试验中， 完整导爆管重复试验 5 次； 切缝长度初始值设为 10 cm， 以 1 cm 为步长进行试 验直至 14 cm， 各切缝长度重复试验 5 次； 注水试验 中设初始注水长度为 1 mm， 以 1 mm 为步长直至 5 mm， 同样各注水长度重复试验 5 次。 2 试验结果分析 2. 1 完整导爆管试验结果及分析 导爆管受到起爆针击发后， 与管内壁高能混合 炸药化学反应产生爆轰波， 能量以波信号形式经过 一定时间从不稳定状态达到稳定传爆， 完整导爆管 一共试验 5 次， 如图 3 所示完整导爆管某次传爆瞬 时图。 图 3 完整导爆管某次传爆瞬时图 Fig. 3 Detonation instantaneous picture of integrity Nonel 031爆 破 2014 年 12 月 任取两次 （A、 B） 作为计算稳定传爆的数据来 源。设 A 次 201. 347 ms 时刻、 B 次 78. 507 ms 时刻 为起始点， 位移为 0， 计算传爆速度， 时刻间隔 1/75 ms， 拍摄背景为 1 cm 间距的标准刻度 A4 纸， 以传播光信号头部亮区移动距离预估位移， 具体见 表 1， 得出正常传爆平均稳定爆速为 1650 m/ s。由 于试验使用的导爆管不同， 各性能有一定的差异导 致与张卅卅、 胡升海的结论稍有不同。研究导爆管 受损 （切缝和注水） 试验中， 爆轰波抵达特定受损点 前必须达到稳定爆速， 否则将影响试验结果。 表 1 AB 两次完整传爆过程分析表 Table 1 Analysis of two normal detonation process 时刻/ ms A 次正常传爆 位移 Δs/ cm速度 v/ （ms -1） 时刻/ ms B 次正常传爆 位移 Δs/ cm速度 v/ （ms-1） 201. 3470/78. 5070/ 201. 3602. 1157578. 5202. 01500 201. 3732. 1157578. 5332. 11575 201. 3872. 2165078. 5472. 21650 201. 4002. 2165078. 5602. 21650 201. 4132. 2165078. 5732. 21650 201. 4272. 2165078. 5872. 21650 2. 2 切缝试验结果及分析 对五种切缝长度的导爆管各进行 5 次重复试 验， 可通过导爆管变色或图片光信号分析是否成功 传爆， 见表 2。当切缝长度在 11 cm 以内时均传爆 成功； 12 cm 时有三次成功传爆、 两次失败； 达到 13 cm 以上必断爆， 显然， 导爆管切缝产生断爆的临 界值为 12 cm。 表 2 切缝试验结果 Table 2 Cutting test results 切缝长度/ cm1011121314 试验次数55555 成功次数55300 如图 4 所示 12 cm 切缝 5 次试验图， 列举高速 摄影仪五次拍摄图片， 每一排为一次拍摄图， 每幅间 隔0. 04 ms， 一排取7 幅， 共35 幅。第一、 二、 四次均 传爆成功， 第三、 五次传爆失败。产生波动的原因可 能是导爆管储存、 运输过程中碰撞颠倒导致内壁混 合炸药分布不均或人为切割过程中切缝不直导致实 际长度误差所致。 图 4 12 cm 切缝 5 次试验图 Fig. 4 Five test of 12 cm slitting 在12 cm 切缝试验中任选一次成功传爆 （第四 次） 为例， 计算传播过程爆速， 设 70. 147 ms 为起始时 刻， 以1/75 ms 为步长计算位移及速度变化， 具体如 表3 所示。在70. 293 ms 时， 传播速度为525 m/ s， 为 传爆的最低值， 定为断爆爆速临界值。由于高能混 合炸药分布不均及管壁破裂泄露高能爆轰气体， 爆 轰波传至切缝起始端时冲击波的正常传播受到阻 碍， 若管内爆轰波传播最小速度低于断爆爆速临界 值必产生断爆现象， 超过此值可经过一段时间恢复 到稳定爆速， 同理， 起爆针击发导爆管时必须达到或 者超过断爆爆速临界值。 表 3 某次 12 cm 切缝试验传爆过程分析 Table 3 Analysis of a 12 cm slitting explosion process 时刻/ ms 距离 s/ cm 速度 v/ （ms -1） 时刻/ ms 距离 s/ cm 速度 v/ （ms -1） 70. 1470/70. 2671. 0750 70. 1602. 2165070. 2800. 8600 70. 1732. 2165070. 2930. 7525 70. 1872. 0150070. 3071. 0750 70. 2001. 8135070. 3201. 2900 70. 2131. 290070. 3331. 51125 70. 2271. 3975070. 3472. 01500 70. 2401. 290070. 3602. 11575 70. 2531. 182570. 3732. 21650 2. 3 注水试验结果及分析 注射器插入导爆管时， 不能刺穿导爆管壁， 严格 控制注水长度， 如图 5 注水长度控制图。注水长度 的控制是减小试验误差的关键所在。 当注水长度达 1 mm 时， 5 次传爆中有两次成功 传爆、 三次断爆； 2 mm 以上时， 5 次全部断爆， 可判 131第 31 卷 第 4 期 李 迎， 马广举， 池恩安， 等 基于高速摄影法对孔桩内导爆管准爆的探究 断出注水长度达 2 mm 以上必断爆。如图 6 所示 1 mm注水试验成功传爆图， 图 7 所示 2 mm 注水试 验未成功传爆图， 间隔时间均为 0. 04 ms， 各取 八幅。 图 5 注水长度控制图 Fig. 5 Control of water injection length 图 6 1 mm 注水试验成功传爆图 Fig. 6 Successful detonation of 1 mm water injection experiments 图 7 2 mm 注水试验未成功传爆图 Fig. 7 Failed detonation of 2 mm water injection experiments 由图 6 可见， 爆轰波于第三幅图抵达注水点附 近， 但在第四幅图中注水点并未出现明显的光能量 减弱现象， 注水点于第五幅图开始出现明显的弱光 间隔， 随着时间增大间隔越明显。由图 7 可知， 爆轰 波于第三幅图同样抵达注水点附近， 但随后的光能 量减弱较快， 第四幅图开始在导爆管注水点外壁溢 出光能量， 可见注水长度越大时， 损失爆轰能量也越 大， 产生断爆的可能性也越大。 3 拒爆实例分析及对应措施 3. 1 工程实例 贵阳市花果园 V 区孔桩石方开挖爆破工程， 孔 桩 N 500 个， 直径 D 2. 0 3. 0 m， 最大挖深 H 15 20 m， 炮孔直径 d 36 mm， 炮孔孔深 h 0. 5 3 m， 石方量暂定为 5000 m3， 使用 φ 32 乳化炸药。 该工程岩石为中风化层白云岩， 普氏系数 f 8 10。 在施爆区域西、 北范围内有临时用房， 同时在爆区 50 m 范围内人群密集且施工用电复杂， 开挖深度达 8 m 以上绝大部分孔桩将出现不同程度的涌出水。 为确保人员安全和相邻构建物不被破坏， 保证孔桩 护壁支护和基底岩石完整， 松动爆破满足人工除渣 要求， 采用塑料导爆管雷管起爆方式。施工过程中， 多次出现导爆管拒爆现象 （预计高达 40％以上） ， 首 先检查起爆网路完好再接雷管重新起爆， 可是仍然 出现拒爆现象， 然后将炮孔内填塞物掏出， 抽出导爆 管发现塑料导爆管与雷管接口连接良好， 塑料导爆 管传爆终止在约为 2 cm 左右的缝隙破裂 （变黑） 处 且此处有水渗入的迹象。 3. 2 原因分析 这种情况可能由以下几点造成 ①导爆管出厂 自身质量问题导致， 如雷管接口不牢或导爆管管壁 有破损； ②施工工艺欠佳， 如填塞石料选用较坚硬且 块度较大有锋利棱角的石料或填塞过程中导爆管与 孔壁有一定夹角导致炮杆压紧石料时冲击破损导爆 管以及孔壁个别岩石突出尖锐状物损伤导爆管； ③ 贵阳属于亚热带高原季风湿润气候， 雨水与地下水 均较多， 即使数日连续不降雨随着开挖深度加大地 下涌出水量也越大。 以上原因分析中， 第一点发生的概率远小于后 两者， 也可通过施工前认真检查爆破器材质量降低 发生的可能性， 后两点是导爆管断爆、 起爆系统拒爆 的主要原因。第二点原因中， 使用的填塞材料不符 合 爆破安全规程 以及施工工艺不当使导爆管管 壁出现 2 cm 左右的切缝， 根本不会影响导爆管的正 常传爆， 且工程中出现 12 cm 的缝隙概率几乎为零， 所以切缝是起爆系统产生拒爆的诱导因素。试验结 果可知注水长度 2 mm 以上发生断爆， 导爆管内径 仅 （1. 5 0. 1） mm， 孔内积水一旦渗入导爆管形成 的注水长度绝大部分超过 2 mm。第三点原因是本 工程产生拒爆的主导因素。可见， 本工程施工中由 于误操作导致导爆管产生 2 cm 左右的缝隙不是拒 爆的主要原因而是缝隙中渗入的积水， 两个因素有 主次之分且相互作用不可分割。 3. 3 对应措施 因此， 在装药填塞过程中， 需要确保导爆管完整 无缺， 避免因装药填塞过程产生的机械冲击对导爆 管产生破损是减小本工程此类问题的重点。 针对本工程采取的措施如下 ①装药前首先仔 细检查爆破器材质量， 特别是导爆管接口是否牢固 以及管壁有无破损； ②孔桩内布孔时一般采用的是 手持式凿岩机， 钻孔质量与工人操作水平密切相关， 应加强钻孔工人技术水平培训， 尽可能减小孔壁周 围凹凸不均且有锋利突出物出现的现象； ③为了减 231爆 破 2014 年 12 月 小炮孔直径过小对导爆管摩擦损伤， 钻孔钎具直径 由 φ 36 mm 更换为 φ 40 mm， 增大炮孔直径有助于 减小装药过程中对导爆管的损伤； ④提前用水泵将 孔桩内涌出水抽干， 爆破人员装药前先用足够长度 的塑料管尽可能的抽出炮孔内积水， 减小积水渗入 破裂导爆管的几率； ⑤炮孔填塞前先将导爆管固定 到孔壁， 减小导爆管与孔壁的夹角， 有效降低炮杆在 填塞过程中对导爆管的冲击； ⑥装药后马上填塞， 单 个孔桩装药完成后立即覆盖防护物起爆， 以防地下 涌出水渗入导爆管； ⑦爆破人员在装药过程中用炮 杆将装有塑料导爆管的炸药缓慢匀速送达孔底， 填 塞物尽量选择细砂石或泥土， 避免较锋利的大碎石 作填塞物以及填塞过程中避免对导爆管的损伤。 经过这一系列措施整改后， 拒爆率从大约 40％ 以上降至约 5％左右， 大大减小了盲炮事件的发生 率、 提高准爆率， 减小安全隐患和施工难度， 为相类 似工程提供了指导意义。 4 结论 本试验利用高速摄影法研究导爆管破损 （切缝 和渗入地下水） 状态下传爆性能及相互作用关系， 得到如下结论 （1） 导爆管厂家不同， 各性能有一定的差异。 本次试验所导爆管的稳定爆速为 1650 m/ s， 为减小 试验误差， 研究导爆管特定受损状态试验中， 爆轰波 抵达特定受损点前必须达到稳定爆速。 （2） 切缝试验中导爆管出现 12 cm 以上切缝时 将产生断爆， 断爆爆速临界值为 525 m/ s。管内爆 轰波传播最小速度低于断爆爆速临界值时会产生断 爆现象， 即成功传爆需要起爆针击发导爆管以及传 播过程中必须达到或者超过断爆爆速临界值； 导爆 管内注水长度达 2 mm 以上必断爆， 且断爆的可能 性随着注水长度增大而增大。 （3） 塑料导爆管在工程应用中， 切缝是导致断 爆的诱导因素， 注水是主导因素， 两个因素有主次之 分且相互作用不可分割。 参考文献 （References） ［1］ 王玉杰， 梁开水. 爆破工程 ［M］ . 武汉 武汉理工大学 出版社， 2007 83-85. ［2］ 邓 星. 孔桩爆破设计与施工探讨 ［J］ . 企业技术开 发， 2013， 32 （18） 136-137. ［2］ DENG Xing. 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