水泥库清库中的爆破技术应用

水泥厂的生料库和水泥库在使用一定时间后，因库内物料被压实和板结会造成下料不畅，严重时将影响正常生产，并直接影响企业的经济效益。因此，必须经常清库。但清库机和人工直接清库都有一定的适用条件，德通钢板仓公司的经验是：当库内料位较高且库壁、库底及分料锥体入料口被压实和板结而堵塞时，采用爆破作业进行先期疏通。这样既可提高劳动效率，减轻工人劳动强度，又可避免清库时可能发生的危险情况。本文结合生产实际，就清库中的爆破技术进行初步探讨。

一、几个基本假设

（１） 爆破的介质（生料粉和水泥）为均质非弹性物料。

（２） 爆破是在半密闭和近似密闭的生料库或水泥库内这一外部环境条件下进行，因此，爆破能量的传播满足质量守恒方程和动量守恒方程。

质量守恒方程： ρ０Ｄ＝ρＨ（Ｄ－ｕＨ）

动量守恒方程： ρ０Ｄ ｕＨ ＝ＰＨ－Ｐ０

上述二式中：

ρ０——初始炸药密度；

ρＨ——反应区物质密度；

ＰＨ——爆轰压力；

Ｐ０——初始压力；

Ｄ——炸药爆速；

ｕＨ——爆炸生成气体气流速度。

 （３） 假设爆破介质的物料颗粒在爆破能传递的瞬间仅获得一定的初速而来不及发生位移，即可把爆炸作用看成是爆炸气体的能量瞬间直接传递给爆破介质。

 （４）库内物料的压实和板结仅发生在库壁、库底及分料锥体入料口附近，而内部物料具有良好的流动性。

２ 爆破作用机理

 爆破清库主要是利用炸药爆破瞬间形成的高温高压气体的膨胀推力和冲击波引起的应力波共同作用于板结或压实的物料上来实现的，其爆破机理如下。

 （１） 因为物料颗粒间的结合力远远小于岩石质点间的结合力，所以爆破能量一部分用于克服压实和板结物料颗粒间的内摩擦力，使颗粒产生位移，促使板结面产生微裂隙并使裂隙“尖劈”进一步发展，从而造成介质膨胀破坏和位移，使原压实和板结的硬壳被破坏而产生楔形裂口，上部流散物料在重力和库底压缩空气的作用下从此口流出；爆轰能量的另一部分则传递给周围介质（可能是物料或空气），用于抛起库侧和库底压实和板结的物料。

 （２） 由于物料颗粒间的结合力不够，其密实程度较低，使颗粒间的间隙较大，因此，爆轰能量对物料的作用基本不用于破坏物料质点间的结合力，反而高温高压的爆轰气体所产生的爆轰波对周围物料再次产生压实作用。当爆破完成后，爆轰波迅速衰竭，高压急剧释放，压实过程中的支撑力迅速消失，造成物料的塌落，使楔形裂口扩展和板结物料片落，进一步加快压实和板结硬壳的破坏，从而达到清除堵塞的目的。

３ 爆破参数

爆破参数的计算与选择是保证爆破安全和爆破效果的关键。清库爆破技术其爆破参数主要有：药包位置、药包间距、药包形状和装药量。

３．１ 药包位置

清库爆破中，药包位置一般有下部位置和上部位置两种，应根据清库工作的进程来选择。通常，在清库的初始阶段药包采用下部位置（也称介质外药包），而在中后期阶段，药包应采用上部位置（也称介质内药包）。

（１） 下部位置药包（介质外药包）。根据前文假设（４）可知，在清库刚开始时间，由于压实和板结作用造成的物料堵塞，多发生在库底分料锥体入料口处。由于库内料位较高，无法直接进入库内作业，因此宜采用从库底出料口直接塞入药包进行爆破的方法来消除堵塞。因为药包从下部塞入，且在物料下部，所以称下部位置药包。此时库底分料锥体内并无物料，放入锥体内的药包处于物料之外，故也称介质外药包。其主要作用是通过爆轰波破坏压实和板结物料的硬壳，产生楔形裂口，为内部流散物料打通下料通道，恢复部分下料作业，降低库内料位高度，为下一步清库创造条件。

 （２）上部位置药包（介质内药包）。清库进入中后期阶段时，库内侧壁及其他部位压实和板结的物料块由于料位降低，支撑力消失而坍塌，并随流散物料流到分料锥体入口再次形成堵塞，若此时仍无法从上部放入药包，应继续采用下部爆破方法。如果此时可以从上部人孔门进入，在确保安全的前提下，可挖一定深度将药包埋于物料中进行爆破。因为药包是从上部埋入，且药包底部有一定厚度物料（一般为１．５ｍ～２ｍ），故称为上部位置药包，又因为其埋于物料中，也称介质内药包。其作用是通过爆轰波在物料内至上而下的传播，破坏压实和板结物料所形成的平衡拱，同时将周围其它物料抛起。

３．２ 药包间距及形状

 （１） 间距。清库爆破中，药包间距的确定以相邻两药包爆破相互作用时，在其应力波交汇处刚好能使压实和板结物料产生裂隙并形成楔形裂口，最大限度地破坏压实和板结物料为原则。实际工作中压实和板结部位并不完全满足理论公式，一般压碎区半径Ｒ的取值范围为２ｍ～４ｍ。

 （２） 形状。因为清库爆破的爆轰波作用方向与爆轰气体产物的作用方向完全一致，都从爆轰中心向四周传播，因此，采用药包长度小于其直径４倍的球状药包特别适合。这样有利于获得足够大的爆炸能量，并可减少一次药包的重量。在清库爆破中，球状药包的集中系数η采用如下公式计算：

η ＝

式中：

ＶＰ——药包的体积，ｍ３；

Ｒｍ——药包中心到表面最远点的距离，ｍ。

３．３ 装药量

 药量计算的基本原则是尽可能大地破坏压实和板结物料，并使上部流散的物料流出，同时要保证库内设备（斜槽、分料锥体、库壁、库底等）安全。

 （１） 爆破漏斗的形状。我们在清库爆破过程中发现，由于爆破介质是粉状物料及其压实体和板结块，介质的这一特性决定了其爆破漏斗不是倒圆锥体而是呈抛物体　，其抛物面ＭＯＮ满足方程ｙ＝ａｘ２。因ａ＝Ｗｒ２，所以有：

ｙ＝Ｗｒ２　ｘ２。

 （２） 装药量公式的建立。根据前文的假设，清库爆破中，爆轰能量Ａ主要用于克服物料颗粒间内摩擦力作功和抛掷物料作功，即：Ａ＝Ｕ＋Ｐ（式中：Ｕ为物料颗粒间的内能；Ｐ为抛掷物料做功）。这样，计算装药量ＱＪ须满足：

ＱＪ＝ＱＵ＋ＱＰ （１）

式中：ＱＵ——克服内能所需装药量，ｋｇ；

ＱＰ为抛掷物料所需装药量，ｋｇ

　　其中ＱＵ和ＱＰ可按下式计算：

ＱＵ＝ｄｋ３φｑ （２）

ＱＰ＝ＫＶ （３）

 （２）式中：φ为单位内能系数；ｄｋ为药包爆破刚好破坏物料压实厚度的临界距离（在清库爆破中，取ｄｋ＝Ｗ０）ｍ；ｑ为爆破时使压实和板结物料的裂隙扩展速度达到极限所需的单耗药量ｑ＝０．１２５δ／４２７Ｑ δ为介质的波阻抗，介质不同其波阻抗不同；Ｑ为炸药的爆热对硝铵炸药，Ｑ＝１２２４．７×４．１８ｋＪｋｇ　。 则（２）式变为：

ＱＵ＝０．１２５ｄｋ３φδ４２７Ｑ＝ ０．１２５Ｗ３φδ４２７Ｑ （４）

 （３）式中： Ｋ为不同介质集中药包单位用药量修正系数， ｋｇｍ３；Ｖ为抛起物料的体积。因爆破漏斗为抛物体，由此可求得Ｖ＝πｒ４２Ｗ；又因为爆破作用指数ｎ＝ｒＷ，即ｒ＝ｎＷ，所以Ｖ＝πｎ４Ｗ３　２。

则（３）式变为：

ＱＰ＝Ｋπｎ４Ｗ３　２ （５）

综合（１）、（４）和（５）式可得：

ＱＪ＝０．１２５φδ４２７Ｑ＋Ｋπｎ４２　Ｗ３ （６）

令Ｋ１＝０．１２５φδ４２７Ｑ＋Ｋπｎ４２

则有：

ＱＪ＝Ｋ１Ｗ３ （７）

 式中，Ｋ１为单位炸药消耗量ｋｇｍ３。影响Ｋ１值的因素很多，如介质的各种强度、容量、摩擦力、重力作用、炸药的性能（单位能量、猛度、爆压、爆速、爆温等）、库的几何形状和尺寸等。我们在实际清库爆破时的Ｋ１取值见表１。

同时，按（７）式所计算的装药量还要满足最大安全装药量Ｑｍ的要求即ＱＪ≤Ｑｍ

Ｑｍ＝ＲαｖＫ２ （８）

 式中，Ｒ为最小安全距离，ｍ；ｖ为地震波安全速度ｍｓ；Ｋ２、α为与爆点外部条件和介质压实和板结的程度有关的系数和衰减指数，取值见表１。

按（７）式计算并满足（８）式的装药量，在实际应用中取得了较好的爆破效果。但由于清库工作的安全要求高、介质变化情况较复杂，因此，在进行药包位置选择和装药量计算时，应视具体情况分别对待。一般单段爆破药量仍需控制在０．７５ｋｇ～１．５ｋｇ范围内，且每次爆破起爆的药包数量宜控制在６个以内；下部位置药包以一个为宜；必要时要进行不同药量条件下的试爆。

4 结束语

 在清库中应用爆破技术可将清库作业效率提高５～６倍，进而获得较明显的经济效益；同时极大地缩短人员进入库内作业的时间，保证了清库人员的人身安全。但清库爆破的介质特性和环境特点还需进行大量的实验和实践探索，以进一步研究爆破机理、建立理论公式、提高清库爆破技术水平。

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