“雙聚能預裂與光面爆破綜合技術”（橢圓雙極線性聚能藥柱爆破技術）與其巨大的經(jīng)濟社會效益中國水電八局有限公司秦健飛1、一期研究成果及鑒定獲獎情況1.1課題立項背景早在60年代就有人采用孔壁切槽來形成聚能結(jié)構實現(xiàn)聚能預裂爆破，這是聚能預裂爆破的最早鄒形，但是效果都不十分令人滿意，也未能大面積推廣應用。80年代末國內(nèi)有科技工作者曾經(jīng)做過聚能預裂爆破試驗研究,但終因技術及工藝水平的限制無法用于施工實踐，進入90年代國內(nèi)外眾多科技工作者設計了各種形式、各種材質(zhì)的聚能藥管成形聚能藥卷進行聚能預裂爆破試驗研究，還有學者試圖采用金屬聚能結(jié)構打開聚能預裂(光面)爆破技術的瓶頸，終因結(jié)構復雜、造價高昂而難以在工程中推廣應用。本課題研究旨在打破常規(guī)，尋求聚能藥卷較為簡單、價廉的聚能結(jié)構成形技術和設法使聚能爆破與預裂（光面）爆破能夠有機結(jié)合的技術途徑，在不降低國家規(guī)范要求的前提下減少預裂（光面）爆破造孔工作量、降低能耗、提高保留巖體的穩(wěn)定性，達到既可加快施工進度、提高預裂（光面）爆破的爆破質(zhì)量，又能夠降低預裂（光面）爆破施工成本的多重目標。2004年初在中國水電八局科研項目立項評審會議上，“聚能預裂（光面）爆破技術研究”獲得了立項批準。隨后提出了試驗大綱，明確試驗目標和試驗方法,并成立以局副總工程師秦健飛為首的科研課題組，該科研項目正式啟動。2004年11月在成都召開的中國水利水電建設集團公司科技項目立項評審會上得到批準，從此納入了中國水利水電建設集團公司的科研計劃。1.2關鍵技術及創(chuàng)新點經(jīng)過2年努力課題組研發(fā)成功了“雙聚能預裂與光面爆破綜合技術”并實現(xiàn)了生產(chǎn)性應用的突破性發(fā)展和關鍵技術的突破——研發(fā)了雙聚能槽管的成形技術并采用試驗方法確定了雙聚能槽管的最優(yōu)斷面、聚能藥卷對中等成套技術。從而實現(xiàn)了聚能爆破與預裂（光面）爆破的有機結(jié)合！獲得了先進的技術經(jīng)濟指標制定了簡單易行的施工工藝確保大規(guī)模的推廣應用順利進行。1.3科技成果鑒定及獲獎情況該課題2004年9月在貴州構皮灘水電站首次試驗成功，2005年10月在重慶彭水水電站進行驗證試驗同樣取得了圓滿成果，2006年3月開始在溪洛渡水電站、小灣水電站展開了大面積的生產(chǎn)性推廣應用取得了相當好的效果。2007年1月19日通過了由中國水利水電建設集團公司組織我國爆破界權威專家進行的科技鑒定，以馮叔瑜院士為主任委員汪旭光、譚靖夷院士為副主任委員的鑒定委員會一致認為：“該項研究成果具有創(chuàng)新性，總體達到了國際先進水平。建議對雙聚能槽管的聚能效應進行深入研究，為進一步的推廣應用提供理論基礎?！庇捎谠撗芯砍晒煽冹橙?007年獲得了中國電力科學技術二等獎、中國水利水電建設集團公司科技進步一等獎、中國施工企業(yè)管理協(xié)會科技創(chuàng)新一等獎，2008年獲得中國工程爆破協(xié)會科技進步二等獎等諸多獎項。這對于課題組是莫大的鼓舞與鞭策，激勵我們加倍努力！因此我們在一期研究基礎上2007年又聯(lián)合中南大學、國防科大、長江科學院進一步開展了更為深入的理論研究和試驗驗證研工作。一期研究鑒定會議會場2007年獲中國電力科學技術二等獎2007年中國施工企業(yè)管理協(xié)會科技創(chuàng)新一等獎2007年獲中中國水利水電建設集團公司科技進步一等獎2008年獲得中國工程爆破協(xié)會科技進步二等獎2、二期理論研究及其驗證2.1二期研究的提出課題組按照一期鑒定委員會提出的“建議對雙聚能槽管的聚能效應進行深入研究，為進一步的推廣應用提供理論基礎?！苯ㄗh，為了園滿解釋低爆速的普通工業(yè)炸藥以及沒有金屬聚能罩材的聚能結(jié)構能夠產(chǎn)生聚能效應的工程實際狀況我們必須尋求一種全新的理論！為此在2007年新春伊始中國水利水電第八工程局有限公司就聯(lián)合中南大學、國防科大、長江科學院展開了更為廣泛、更為深入的計算機數(shù)值模擬研究。國防科大通過銀河計算機系統(tǒng)完成了雙聚能藥卷的數(shù)值模擬工作并取得了與長江科學院采用不同的國外軟件進行數(shù)值計算得出的基本一致的研究成果。隨后我們又到施工現(xiàn)場對研究成果利用壓力傳感器分別測量正在推廣應用的橢圓雙極線性聚能原形藥柱射流方向和非射流方向的應力波，以及該藥柱聚能效應的原形觀測、爆破波速變化測定、裂縫展開寬度測定等等一系列驗證試驗，從而完成了系統(tǒng)的理論研究，在此基礎上建立了“瞬時爆轟論”等有關橢圓雙極線性聚能藥柱的聚能預裂爆破理論體系并且研發(fā)成功配套的小口徑雙聚能槽管乳化炸藥裝藥設備。2.2理論創(chuàng)新情況2.2.1建立“瞬時爆轟論”在“雙聚能預裂與光面爆破綜合技術”實際施工中橢圓雙極線性聚能藥柱是采用導爆索綁在短半軸邊或者置于雙聚能槽管內(nèi)引爆的，兩種引爆方式對于爆破效果沒有區(qū)別。工業(yè)導爆索的爆速≥6000m/s，藥柱全斷面的爆轟過程非常短促。目前常使用的工業(yè)炸藥的爆速為3200～5500m/s，橢圓雙極線性聚能藥柱短半軸方向?qū)挾?2mm,全斷面爆轟時間只有4.00～6.87×10－6s。因此，可以假定爆轟是瞬間完成,這樣就可以不考慮起爆點在裝藥中位置的影響。這就是瞬時爆轟假說，采用瞬時爆轟的假說，可以使問題的研究簡化。

按照瞬時爆轟假說，1）在爆炸瞬間飛散過程無熱能損失，即爆炸產(chǎn)物和外界來不及進行熱交換爆炸過程即已完成，換句話說炸藥爆炸瞬間爆破孔內(nèi)爆轟產(chǎn)物的壓力就可以達到熱化學壓力。所謂熱化學壓力就是在絕熱狀態(tài)下，爆轟產(chǎn)物還在炸藥裝藥初所占的體積內(nèi)就已獲得熱和化學平衡后所達到的流體準靜壓力。2）爆炸產(chǎn)物的散射可認為是在這種高壓狀態(tài)下向外迅速膨脹的質(zhì)點運動。也就是說，炸藥爆炸所釋放出的能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)楸óa(chǎn)物的內(nèi)能，在真空中散射時，內(nèi)能完全轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽堋?）對于均質(zhì)炸藥，爆轟產(chǎn)物的飛散遵循“等距離面組”規(guī)律，即單位時間內(nèi)都是相等厚度的爆轟產(chǎn)物層沿裝藥原表面的法線方向往外飛散。據(jù)此我們可以建立橢圓雙極線性聚能藥柱爆炸分析模型，用來分析計算橢圓雙極線性聚能藥柱聚能方向的裝藥有效部分及其利用率η，進而對裝藥結(jié)構參數(shù)進行優(yōu)化設計。

建立以橢圓形長軸為X軸，短軸為Y軸的直角坐標系，如下圖所示。在瞬時爆轟假說條件下，爆轟產(chǎn)物沿著其裝藥表面的法線向各個方向散射開來，而形成所謂的散射面，這個面把未運動和已運動的產(chǎn)物分離開來，隨時間的推移它將逐漸向藥柱內(nèi)部推移并一層層向外脫離。這樣沿橢圓面和聚能槽的張角面這兩個方向飛散的爆轟產(chǎn)物在中間相遇會形成一個交界面，該交界面為一條曲線，求解這條曲線便可得出各方向散射的藥量。橢圓雙極線性聚能藥柱爆炸分析模型國防科大利用銀河計算機系統(tǒng)進行數(shù)值模擬分析求解這條曲線及橢圓雙極線性聚能藥柱產(chǎn)生聚能效應的有效利用率η＝S有/S總。以η的最大值做為判斷最優(yōu)參數(shù)的標準，得出了以下結(jié)論：在短半軸與長半軸之比b/a為0.8222時，即：當a＝15、b＝12.3331、c＝9、α＝34.8235時，橢圓雙極線性聚能藥柱在聚能方向的利用率最大，為最優(yōu)裝藥的結(jié)構參數(shù)，這與工地試驗得出的最優(yōu)斷面（a＝15、b＝11、c＝9、α＝35）十分吻合，假說被實踐證實，在此基礎上我們建立起“瞬時爆轟論”。計算還表明在橢圓雙極線性聚能藥柱為上述最優(yōu)斷面時藥柱有工地試驗最優(yōu)結(jié)構圖計算機模擬分析最優(yōu)結(jié)構圖41.2%的藥量產(chǎn)生聚能效應，因此在進行預裂（光面）爆破時橢圓雙極線性聚能藥柱比普通相同斷面的園形藥柱可以將孔距擴大2~3倍。現(xiàn)場試驗和計算機數(shù)值模擬同時證明，橢圓雙極線性聚能藥柱在射流方向和非射流方向?qū)妆诘膲簯Υ嬖诤艽蟮牟町惣丛谏淞鞣较蚱鋺Υ笥趲r石的破壞強度在粒子射流的作用下十分有利于裂縫的形成，而在非射流方向?qū)妆诘膲簯Υ蟠笮∮趲r石的破壞強度對炮孔巖壁起到了很好的保護作用，見下圖：（a）射流方向巖石應力-位置曲線（b）非射流方向巖石應力-位置曲線巖石中射流方向以及非射流方向應力峰值與位置曲線示意圖這一爆破新規(guī)律還可以應用于混凝土的近體拆除爆破！2.2.2確立相關爆破新理論（1）裝藥結(jié)構是影響爆速的因素之一2007年12月25日委托長江科學院在溪洛渡水電站工地采用HandiTrapⅡVOD爆速測試系統(tǒng)對φ32藥柱和雙聚能槽藥柱爆速測試結(jié)果表明由于雙聚能作用,在炮孔內(nèi)的雙聚能槽炸藥爆炸時,爆速比φ32藥柱在自然狀態(tài)下的爆速降低了19.55%。經(jīng)典爆破理論認為影響炸藥爆速的主要因素為炸藥成分、裝藥密度、原材料細度和藥柱直徑等。雙聚能槽藥柱在炮孔內(nèi)爆炸時，雖然藥柱直徑比普通預裂爆破所使用的φ32mm藥柱要小,但是在炮孔內(nèi)爆炸時增強了約束爆速不會這樣大幅度降低，并且炸藥的爆速當炸藥品種和藥柱斷面確定之后這些都是確定不變的因素。因此雙聚能槽藥柱爆炸時爆速降低的原因，除了藥柱直徑變小外應當還有其他原因。為了驗證這種特殊現(xiàn)象我們在云南龍開口水電站工地做了6組園形截面與3組雙聚能槽藥柱在孔內(nèi)外的爆速對比試驗,以求得相同藥經(jīng)不同裝藥結(jié)構的藥柱的爆速。回歸分析表明:１）雙聚能槽藥柱的爆速在孔外露天條件下比等面積的園形藥柱的爆速降低2.11％；２）在炮孔內(nèi)條件下比等面積的園形藥柱的爆速降低2.47％。（2）爆破藥柱有聚能結(jié)構就有聚能效應產(chǎn)生計算機數(shù)值模擬計算表明:藥柱形狀只要有聚能結(jié)構,就會有聚能效應產(chǎn)生。這種新規(guī)律也為試驗所完全證實！用Φ25圓柱形藥柱（裝藥截面4.90cm2）和橢圓雙極線性聚能藥柱（裝藥截面4.73cm2）在四川瀘定水電站碾壓平整密實渣場的爆破試驗也充分證明了這一結(jié)論。Φ25圓柱形藥柱（截面4.90cm2）橢圓雙極線性聚能藥柱（截面4.73cm2）渣面上只留下爆破痕跡，無刻痕渣面上留下6.9mm寬、6.4mm深的刻槽（3）藥柱結(jié)構和罩材密度是影響聚能效應的關鍵因素現(xiàn)場試驗和計算機數(shù)值模擬分析都表明聚能預裂形成孔距的大小與聚能槽的張角戚戚相關是影響聚能效應的關鍵因素之一；雙聚能槽外殼的密度達1.8~2.0，高溫作用下氣化后其粒子射流雖然比金屬粒子射流略差，但是比一般炸藥氣體射流具有更高的作功能力，中南大學給出的有、無殼體的聚能裝藥結(jié)構對混凝土靶板侵徹破壞情況能夠很好地說明PVC外殼的密度和炸藥密度的不同就反應出對混凝土靶板侵徹破壞情況的差異。模擬分析得出橢圓雙極線性聚能藥柱模擬分析得出橢圓雙極線性聚能藥柱有殼體時混凝土侵徹毀成果無殼體時混凝土侵徹毀成果（4）研究并確立了橢圓雙極線性聚能藥柱的最佳不耦合裝藥系數(shù)為3.47采用500×500×31.4mm橡膠板在其中心位置模擬不同口徑炮孔做刻槽試表明：長短軸比為30mm/22mm、外殼厚度為2.0mm的橢圓雙極線性聚能裝藥在84.96mm直徑的炮孔中刻槽最深，也就是說按等效藥徑計算，其最佳裝藥不耦合系數(shù)為84.96÷24.5＝3.47。試驗裝置斷面圖試驗裝置實物圖等效藥徑編號爆炸前橡膠板尺寸(mm)爆炸后橡膠板尺寸(mm)mm中心孔直徑厚度長度寬度中心孔直徑左刻槽深右刻槽深平均槽深24.511140.0631.450050044.566.364.545.4524.5248.6431.450050050.910.28.689.4424.5374.531.450050076.0413.6812.5613.1224.5487.531.450050088.115.3616.2415.824.55101.731.4500500101.719.3615.0817.2224.56112.531.4500500112.513.2612.5812.92橡膠板刻槽試驗成果表我們還做了小橡膠板（255×165×21.3mm）刻槽試驗，得出基本相同的試驗成果，對大小二種橡膠板的平均值進行回歸，可得出槽深L與孔徑Φ的函數(shù)關系:L=-0.0049φ2+0.8326φ-18.135分析上式，可知當孔徑φ為84.96時，刻槽深度有最大值，其最大值16.88。此時，小橡膠板上刻槽深為17.94，大橡膠板上刻槽深度為15.81。橡膠板刻槽試驗分析如下圖橡膠板刻槽試驗分析成果圖（5）研究并確立了橢圓雙極線性聚能藥柱PVC外殼作用研究表明成形橢圓雙極線性聚能藥柱的PVC外殼在緩沖峰值壓力和增加爆生氣體量方面作用明顯，進而可以起到保護孔壁和增大聚能氣刃作用的雙重效果。雙槽聚能管為特殊配方的PVC材料，該外殼除了對裝藥起到固定成型作用外，還極大地影響著裝藥的爆炸作用，該影響主要表現(xiàn)在三個方面:1）外殼的存在一定程度上阻礙了外界稀疏波向炸藥內(nèi)傳播，有利于爆轟的成長，裝藥外殼硬度越大，炸藥爆轟就越理想。當外殼硬度或密度達一定程度時，炸藥的爆轟幾乎不受外界影響時，可以近似看作剛體，就可以認為炸藥的爆轟為理想爆轟。與常規(guī)裸裝藥爆轟相比，由于受PVC外殼的影響，雙聚能槽裝藥較常規(guī)裝藥爆轟要完全得多，炸藥爆炸放出的能量要多。2）是外殼的存在極大地緩沖了爆炸作用，大大削弱了爆轟氣體的峰值壓力。在數(shù)千度的高溫高壓爆轟產(chǎn)物作用下，PVC外殼材料早已汽化，這一點從爆破現(xiàn)場炮孔內(nèi)壁上沒有任何其它物質(zhì)可以得到證實。PVC外殼材料汽化產(chǎn)生的氣體，與高溫高壓爆轟氣體相互作用達到新的平衡，降低了合成氣體的壓力和溫度），起到了緩沖作用（經(jīng)理論分析可得出作用于孔壁上的初始沖擊壓力峰值降低17.59%）。這一點對于邊坡的保護起到了有利作用，可以最大限度的減少殘孔上的次生破壞。3）外殼材料汽化后產(chǎn)生了大量的氣體產(chǎn)物，大大增加了炮孔內(nèi)的氣體總量（計算表明雙聚能槽藥柱爆破時比普通藥柱增加了63.5%的爆生氣體），這些氣體量的增加使得高壓氣體的氣刃作用得到了加強，有利于裂隙的擴張和延伸。因此橢圓雙極線性聚能藥柱的PVC外殼起到了保護孔壁和擴大孔距良好作用，用它作為聚能罩材和成形藥柱是最經(jīng)濟、最實用的。2.3二期研究成果鑒定及獲獎情況2010年3月18日二期研究再次通過了由中國水利水電建設集團公司組織我國爆破界權威專家進行的科技鑒定，以馮叔瑜院士為主任委員汪旭光院士、宗敦峰總工為副主任委員的鑒定委員會一致認為：“本課題在國內(nèi)外首次研究的橢圓雙極線性聚能藥柱設計新穎、結(jié)構簡單，突破了傳統(tǒng)的聚能爆破理論。該項研究成果在小灣、溪洛渡、構皮灘、彭水、魯?shù)桌?、龍開口、鉛廠、南水北調(diào)、武都引水等大中型水利水電工程建設中推廣應用，取得了良好效果。與現(xiàn)行的預裂與光面爆破技術相比，可減少造孔工作量和裝藥量50%，有效降低了爆破影響，提高了爆破質(zhì)量，經(jīng)濟與社會效益顯著。研制的雙聚能槽乳化炸藥裝藥機結(jié)構合理、自動化程度高、性能可靠，為規(guī)?；a(chǎn)應用奠定了基礎。研究成果具有創(chuàng)新性和實用性，鑒定委員會主任、副主任簽署的鑒定意見由于二期研究不僅在理論上做出了創(chuàng)新，圓滿解釋了雙聚能預裂爆破的新規(guī)律，而且進行了全面的試驗驗證，使“雙聚能預裂與光面爆破綜合技術爆破”（橢圓雙極線性聚能藥柱爆破技術）得到了進一步的推廣應用。學術界正在接受這一爆破新理論、工程界正在不斷推廣應用這一新技術。為此住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)出通知將“雙聚能預裂與光面爆破綜合技術爆破”作為2010年建筑業(yè)10大新技術在全國推廣應用，該項爆破新技術已編入我國爆破技術人員使用的大型工具書《爆破手冊》和全國工程爆破技術人員統(tǒng)一培訓教材《爆破技術設計與施工》。因此“橢圓雙極線性聚能藥柱爆破技術”獲得2010年中國水利水電建設集團公司科技進步特等獎、中國工程爆破協(xié)會科技進步特等獎、中國水力發(fā)電協(xié)會科技進步一等獎、國家能源局科學技術一等獎（已公示宣布證書暫未發(fā)下）。國家財政部中央級建筑施工科技研發(fā)二等獎。目前正在由中國工程爆破協(xié)會推薦申報國家技術發(fā)明獎。2010年獲得中國工程爆破協(xié)會科技進步特等獎2010年獲水力發(fā)電科學技術一等獎3、二期研究成果的深遠意義3.1二期研究帶動人才培養(yǎng)活躍學術氣氛由于該課題具有創(chuàng)新性，中南大學把這個課題作為博士生的研究課題，國防科大作為碩士生的研究課題。他們以一期研究成果為研究平臺與中國水利水電第八工程局有限公司的技術干部合作更加深入開展對“橢圓雙極線性聚能藥柱爆破技術”的理論研究。在推廣應用過程中也使不少施工單位的科技人員不僅掌握了這一新技術也讓他們對這一新技術展開了更為深入的研究，這些年輕的技術人員在研究中發(fā)表了不少很有學術價值的學術論文活躍了爆破界的學術氣氛：聚能預裂(光面)綜合技術(工程爆破第13卷第2期）、雙極聚能射流數(shù)值模擬研究（采礦技術第9卷第第5期09.09）、雙槽聚能裝藥結(jié)構的優(yōu)化分析（采礦技術第9卷第5期09.09）、雙聚能槽藥柱的研究及應用（中國水利電力第七屆工程爆破學術論文集）、雙聚能槽藥柱的研究及工程應用（南華大學學報第23卷第1期）、小灣電站水墊塘開挖聚能預裂爆破試驗分析（黃河水利職業(yè)技術學院學報第20卷第4期09.10）、聚能預裂爆破在小灣水墊塘、二道壩工程中的應用（湖南水利水電第44卷第4期）、聚能管在渠道石質(zhì)邊坡爆破開挖中的應用（甘肅水利水電技術第44卷2008第4期）、雙聚能預裂爆破在格里橋大壩壩肩開挖的應用（中國青年科技第9卷2009第5期）、聚能預裂爆破技術在鉛廠水電站的應用（云南水力發(fā)電第25卷2009第2期）、橢圓雙極線性聚能藥柱數(shù)值模擬及應力測試研究（中國工程科技論壇第125場論文集2011.09）等，在此不再一一列舉。3.2官方認可促進科研成果轉(zhuǎn)換為社會生產(chǎn)力由于在生產(chǎn)實踐中我們不斷優(yōu)化并總結(jié)該項新技術的施工工藝，使之形成并完善為“雙聚能預裂與光面爆破綜合技術施工工法”，該工法在大面積推廣應用中發(fā)揮了指導施工、規(guī)范化作業(yè)的良好作用。2008年3月國家住房和城鄉(xiāng)建設部以建質(zhì)［2008］22號文將“雙聚能預裂與光面爆破綜合技術施工工法”審批為國家一級工法并頒發(fā)了國家一級工法證書，工法編號：YJGF078-2006(一級)，雙聚能預裂與光面爆破綜合技術施工工法及其專用裝置獲得兩項國家專利，專利號分別為：ZL200710034494.5和ZL200720062631.1；該項新技術的施工配套設——雙聚能槽管乳化炸藥裝藥機獲四項國家專利，專利號分別為：ZL200910084311.x（公開號CN101576363A）、ZL200920107039.8、ZL200920107036.4、ZL200920107038.3。“雙聚能預裂與光面爆破綜合技術施工工法”證書“雙聚能預裂與光面爆破綜合技術”獲兩項國家專利“雙聚能槽管乳化炸藥裝藥設備”獲獲兩項國家專利膠狀物料輸送機、膠狀物料輸送的加壓裝置專利證書2010年在中國第12屆優(yōu)秀專利評審會上由國資委推薦的“雙聚能預裂與光面爆破綜合技術施工工法及其專用裝置”發(fā)明專利被國家知識產(chǎn)權局評為中國第12屆專利優(yōu)秀獎。中國第12屆專利優(yōu)秀獎發(fā)明人證書中國第12屆專利優(yōu)秀獎專利權人獎牌該項新爆破新技術與現(xiàn)行預裂與光面爆破技術相比，爆破孔距擴大了2-3倍，單位面積造孔量、單位面積能耗、單位面積裝藥量都降低50～65%，單位面積爆破成本降低50～55%（根據(jù)鉆孔設備不同每平方米可以節(jié)省30~40元），并有效地降低了爆破有害影響，提高了爆破質(zhì)量，經(jīng)濟與社會效益顯著，其技術指標如下：技術指標規(guī)范要求橢圓