淺談寬孔距小抵抗線微差爆破

劉德強(qiáng)

（中鐵資源集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 寬孔距小抵抗線爆破技術(shù)簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)原理

寬孔距小抵抗線微差爆破，其出發(fā)點(diǎn)是立足現(xiàn)有的施工設(shè)備、施工條件和技術(shù)條件，通過(guò)改變孔網(wǎng)參數(shù)、起爆方式和裝藥結(jié)構(gòu)等技術(shù)措施，來(lái)提高炸藥能量的利用率，從而達(dá)到降低爆破后的大塊率、減少二次爆破數(shù)量、提高爆破塊度的均勻度指標(biāo)以及降低爆破器材的消耗量和降低爆破成本的目的。寬孔距小抵抗線微差擠壓爆破技術(shù)使爆破質(zhì)量得到改善的主要原因在于：

（1）增大了單孔臨空界面，充分利用界面反射波的作用，減小了應(yīng)力波在傳播中的能量損失，可以充分利用反射波。

（2）能有效地利用前排孔爆破時(shí)新產(chǎn)生的裂隙來(lái)破碎巖石。因裂隙多所爆巖石的塊度小而均勻。

（3）加大孔距，減小排距，改變孔網(wǎng)參數(shù)，實(shí)際上是排孔爆破變?yōu)榻朴诙嘧杂擅娴膯慰妆啤?/p>

（4）大孔距小抵抗線爆破技術(shù)利用等阻爆破原理，充分利用炸藥的能量，提高了炸藥的利用率。

2 寬孔距小抵抗線爆破方案選擇及主要參數(shù)設(shè)計(jì)研究

2.1 抵抗線W的計(jì)算與選擇

根據(jù)瑞典人U.蘭格費(fèi)爾斯提出的寬孔距小抵抗線爆破中抵抗線的計(jì)算公式：

式中：W：抵抗線，m；

d：底部裝藥直徑，mm；

ρ：裝藥密度，kg/m3；

c：巖石常數(shù)；

f：炮孔傾斜系數(shù);

m：炮孔的密集系數(shù)。

為適應(yīng)我國(guó)工程習(xí)慣及火工材料狀況，將此式的基本條件修正為：2#巖石硝胺炸藥，巖石常數(shù)為0.5。相應(yīng)的基本參數(shù)為=0.55，S=0.93，f=0.99。同時(shí)考慮到鉆孔偏差及其他主客觀因素，將計(jì)算得的單孔控制面積降到90%，則把上述公式簡(jiǎn)化為：

W=1.188×10-3FRcd姨 ρT/m 姨1/2

式中：T：對(duì)2#巖石炸藥的相對(duì)重量威力，常取0.87；

F：炮孔傾斜系數(shù)，取值如下：

坡比1∶k 垂直1∶0.11∶0.21∶0.251∶0.31∶0.41∶0.51∶1

傾斜系數(shù)F 1.0211.0511.0050.9920.9870.9800.949

Rc：是巖石常數(shù)修正系數(shù)，其取值如下：

巖石常數(shù)c 0.30.40.50.60.70.8

修正系數(shù)Rc0.9500.9901.0000.9200.8560.804

通過(guò)小范圍內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以獲得在一定條件下的最佳密集系數(shù)，然后再計(jì)算個(gè)排距和孔距。

2.2 炮孔布孔方式的選擇

布孔方式主要有矩形和三角形，無(wú)論從爆破能量的均勻性還是從實(shí)際的爆破效果來(lái)看，三角形布孔要優(yōu)于矩形布孔，所以一般在寬孔距小抵抗線爆破中都采用的是三角形布孔。

2.3 超深、底盤抵抗線等參數(shù)的選擇

為了克服臺(tái)階底部巖石的夾制作用，減小爆破后殘留根底的存在，以利提高挖掘機(jī)的鏟裝效率，炮孔要有適當(dāng)?shù)某?，超深按公式h=（8-12）d確定（d是炮孔的直徑）。底盤抵抗線是影響臺(tái)階爆破效果好壞的一個(gè)重要參數(shù)。抵抗線過(guò)大會(huì)造成根底多，大塊率高，后沖作用大；過(guò)小則不僅浪費(fèi)炸藥，增加鉆孔工作量，而且爆堆分散，不便鏟裝，還易產(chǎn)生飛石。根據(jù)炸藥性質(zhì)、礦石風(fēng)化程度、地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)、臺(tái)階坡面角、炮孔布置方式等因素來(lái)綜合確定抵抗線大小。按公式W底=（25-30）d（d是炮孔的直徑）確定。

2.4 堵塞長(zhǎng)度L的計(jì)算

合理的堵塞長(zhǎng)度能有效地提高爆轟氣體對(duì)巖石的破碎做功時(shí)間，提高炸藥能量的利用率，防止“沖天炮”和飛石的產(chǎn)生。根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)公式選取充填高度為h填=（30-40）d，堵塞材料用鉆孔時(shí)排出的巖粉。

2.5 起爆方法的選擇

大量的事實(shí)和爆破現(xiàn)象都說(shuō)明孔底起爆能夠改善爆破效果，關(guān)于它的作用機(jī)理國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度進(jìn)行了分析和探討。還有在進(jìn)行孔底起爆的試驗(yàn)過(guò)程中，將孔內(nèi)加導(dǎo)爆索與不加導(dǎo)爆索的爆破結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)后者的爆破效果更佳，這說(shuō)明延長(zhǎng)爆炸產(chǎn)物在孔內(nèi)的作用時(shí)間有利于改善爆破效果。

當(dāng)孔口起爆時(shí)，爆轟波向孔底傳播，由于爆炸產(chǎn)物向相反方向飛散，在爆轟波之后緊跟著一膨脹波，使孔內(nèi)壓力迅速下降;當(dāng)爆轟波到達(dá)炮孔底部時(shí)產(chǎn)生反射，反射的沖擊波與后續(xù)膨脹波相遇，使沖擊波迅速衰減，同時(shí)膨脹波到達(dá)孔底后也產(chǎn)生反射膨脹波，最終使得炮孔內(nèi)的壓力迅速下降，造成能量的損失。

當(dāng)孔底起爆時(shí)，爆轟波向孔口方向傳播，由于孔壁和前方裝藥的約束，無(wú)爆轟產(chǎn)物的飛散作用，因此存在一個(gè)高靜壓區(qū)，直到爆轟波到達(dá)自由面(孔口)時(shí)，反射膨脹波才向孔內(nèi)傳播與爆轟產(chǎn)物相互作用，同時(shí)膨脹波傳到孔底，又反射回一膨脹波，在孔內(nèi)形成一個(gè)復(fù)合波。

圖1表示爆轟波傳播到不同位置時(shí)沿炮孔長(zhǎng)度方向各部位的孔壁壓力，其中a為孔口起爆情況，b為孔底起爆的情況，0點(diǎn)為起爆點(diǎn)位置。由圖中可見，孔底起爆與孔口起爆相比，最大的特點(diǎn)是在距孔底相當(dāng)長(zhǎng)距離內(nèi)有較長(zhǎng)時(shí)間的一段壓力平臺(tái)，而孔口起爆的孔內(nèi)壓力在稀疏波的作用下迅速下降，至孔底時(shí)由于剛性反射，瞬間壓力上升一倍以上，但下降也快。

圖1 炮孔中不同位置壓力

孔底起爆具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是孔壁壓力維持時(shí)間長(zhǎng)，沖量增大，靜壓作用強(qiáng)，緩減了加載速率，有利于巖石的破碎；二是反向起爆中疊加的高強(qiáng)度應(yīng)力波傳向自由面，有利于巖石的破碎，同時(shí)在反向起爆時(shí)，入射波與反射波疊加后，巖石的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度高于正向起爆，而且質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和裂紋的擴(kuò)展方向有利于巖石的破碎，爆炸波產(chǎn)生的裂紋的方向有利于爆轟產(chǎn)物的氣楔作用。所以，采用寬孔距小抵抗線爆破技術(shù)時(shí)應(yīng)采用這種孔底起爆方式。

2.6 起爆網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)連接

通常在露天深孔臺(tái)階爆破中，使用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是導(dǎo)爆索連接一排然后用雷管進(jìn)行分段進(jìn)行連接的方式，用這種連接方式如果一次爆破的排數(shù)多了往往會(huì)造成最后幾排拒爆，在此分析其原因如下：第一，由于排數(shù)多微差時(shí)間長(zhǎng)，前幾排的爆破后產(chǎn)生的沖擊波比較大，把后幾排的連接導(dǎo)爆管拉斷，所以導(dǎo)致了最后幾排的拒爆。第二，排數(shù)多，微差時(shí)間長(zhǎng)，由于雷管外殼一般是金屬的，前幾排的雷管外殼金屬碎片飛到后幾排的分段雷管的導(dǎo)爆管上，把雷管掐斷，導(dǎo)致了拒爆。第三，由于普通導(dǎo)爆索只能實(shí)現(xiàn)單向傳爆，一旦導(dǎo)爆索打死結(jié)或者是在連接過(guò)程中不小心把導(dǎo)爆索彎成銳角，傳爆就此結(jié)束，也可能造成拒爆。

針對(duì)以上3點(diǎn)的分析，利用導(dǎo)爆索連接一排然后用非電導(dǎo)爆管進(jìn)行分段，雖然其操作比較簡(jiǎn)單，但網(wǎng)絡(luò)的可靠性比較差，再者，導(dǎo)爆索的成本高，它的成本要比導(dǎo)爆管高10倍左右，所以采用導(dǎo)爆索進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接是不經(jīng)濟(jì)的。針對(duì)這些情況，經(jīng)過(guò)分析提出了孔內(nèi)分段，孔外瞬時(shí)的起爆網(wǎng)絡(luò)，外部的導(dǎo)爆管利用反射四通進(jìn)行連接。為了每孔都能起爆，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，應(yīng)該在每孔中都放置兩個(gè)雷管。

導(dǎo)爆管反射四通多閉合起爆網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由導(dǎo)爆管、塑料反射四通套管連接元件和導(dǎo)爆管共同構(gòu)成的閉合式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。反射四通接頭的特性使傳爆導(dǎo)爆管(形成的通道)的連接具有任意性，即在數(shù)量上的任意性和連接部位的任意性。因此，可以用增加通道的數(shù)量和采用復(fù)式來(lái)增加起爆系統(tǒng)安全準(zhǔn)爆的可靠性程度。利用導(dǎo)爆管反射四通接頭和導(dǎo)爆管，按一定設(shè)計(jì)規(guī)則，通過(guò)連接技巧，可將整個(gè)導(dǎo)爆管網(wǎng)絡(luò)接成多種形式的多閉合網(wǎng)絡(luò)。其主要的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）閉合式網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無(wú)雷管連接，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連接過(guò)程中，可以采用電燈照明，不會(huì)因通信電網(wǎng)、高壓電網(wǎng)等雜電干擾引起早爆、誤爆事故。

（2）由于每個(gè)組合雷管至少有兩個(gè)方向來(lái)的爆轟波能使其引爆，即一個(gè)組合雷管起到了復(fù)式網(wǎng)路中兩個(gè)組合雷管的作用。

（3）整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)格狀多通道的，傳爆方向四通八達(dá)，個(gè)別組合雷管或局部導(dǎo)爆管的缺陷不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)爆性，不會(huì)出現(xiàn)成片藥包拒爆的情況。

（4）在網(wǎng)絡(luò)連接過(guò)程中，通過(guò)連接技巧可以把封閉的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)無(wú)限擴(kuò)展，因而起爆的藥包數(shù)量不受限制。

（5）在網(wǎng)絡(luò)上選任意點(diǎn)擊發(fā)起爆，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的藥包就會(huì)全部引爆，通?？梢杂秒娎坠芏帱c(diǎn)擊發(fā)，提高網(wǎng)絡(luò)擊發(fā)的可靠性。

（6）網(wǎng)絡(luò)連接操作簡(jiǎn)單，檢查方便，網(wǎng)絡(luò)無(wú)需進(jìn)行計(jì)算，只需掌握基本要領(lǐng)，任何工程爆破人員可以直接進(jìn)行操作。網(wǎng)絡(luò)的連接可以分區(qū)片同時(shí)進(jìn)行，檢查時(shí)一目了然，能大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的連接時(shí)間。

2.7 合理的微差時(shí)間的選擇

合理的間隔時(shí)間是微差爆破技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題。如何確定合理的微差間隔時(shí)間，國(guó)內(nèi)外爆破工作者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，并提出了許多確定原則和計(jì)算方法。在實(shí)際爆破工作中，大都認(rèn)為合理的微差時(shí)間間隔應(yīng)能得到良好的爆破破碎效果和最大極度的降震效果。所以大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，在選擇微差間隔時(shí)間時(shí)一般考慮以下幾個(gè)方面:①新自由面的形成，前排爆落的碎石向前移動(dòng)一定距離以后，以一段爆破孔才能起爆，這符合爆破作用空間補(bǔ)償原理；②充分考慮利用應(yīng)力波之間作用，加強(qiáng)炮孔之間的破碎；③選擇微差間隔時(shí)間要考慮到震波和空氣沖擊波對(duì)周圍環(huán)境影響；④保證前排孔爆破以后不破壞后排的起爆網(wǎng)絡(luò)，即要求微差間隔時(shí)間的選取要滿足整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳爆的要求。

根據(jù)不同的假說(shuō)，選擇微差爆破合理間隔的依據(jù)和結(jié)果也不同。

按照自由面假說(shuō)，單排間孔微差爆破合理間隔時(shí)間為：T=T1+T2+T3

式中：T1：初步應(yīng)力場(chǎng)發(fā)展到自由面的時(shí)間；

T2：從巖石內(nèi)形成裂隙到開始發(fā)生位移的時(shí)間；

T3：從位移開始到形成自由面的時(shí)間；

式中：W：最小抵抗線，m；

CP：應(yīng)力波傳播速度，m/s；

Vc：裂隙擴(kuò)展速度，其極限速度等于瑞利波波速，m/s；

式中：ηc：巖體裂隙性系數(shù)（平均每米長(zhǎng)度內(nèi)含有裂隙數(shù)）；ηc<1;

β：爆破漏斗張開角；

K：試驗(yàn)時(shí)間系數(shù)，K=80×10-6-100×10-6；

γ：巖石容重，kg/m3；

db：炮孔直徑，mm。

此外，國(guó)外很多學(xué)者對(duì)合理微差間隔時(shí)間的選擇也作了大量的分析研究工作。他們從不同的角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出了各種計(jì)算公式，例如：

T=（30-40）a1/3f-1/3T=KPW（24-f）

式中：T：合理微差間隔時(shí)間，ms；

f：巖石普氏硬度系數(shù)；

W：底盤抵抗線，m；

KP：巖石裂隙系數(shù)；

a：孔間距，m。

顯然這些公式在一定條件下是合理的。但是由于條件的限制以及巖石自身復(fù)雜性，上述公式并不是在任何條件下都適用的；同時(shí)，實(shí)際工程應(yīng)用中上述公式可以作為一種有益的參考，因?yàn)樵趯?shí)際工程中所應(yīng)用的雷管的段別都是一定的，所以在選擇雷管時(shí)，只能在一定的范圍內(nèi)選擇。

2.8 裝藥結(jié)構(gòu)分析

在設(shè)計(jì)中特別強(qiáng)調(diào)了裝藥結(jié)構(gòu)，因?yàn)檠b藥結(jié)構(gòu)是調(diào)整炸藥能量分布和改善爆破效果的非常有效途徑。在露天深孔臺(tái)階爆破中一般使用的是連續(xù)裝藥，這種裝藥方法的優(yōu)點(diǎn)是操作比較簡(jiǎn)單，但是從爆炸后的能量利用和爆破效果來(lái)看，這種的裝藥結(jié)構(gòu)是不合理的。由于臺(tái)階上部充填部分的高度為臺(tái)階高度的1/2左右，而約有1/3的炸藥量集中在炮孔的超深部分，炸藥能量沿炮孔高度的分布很不均勻，深孔裝藥藥柱重心過(guò)分偏于臺(tái)階下部，尤其采用大直徑炮孔和高密度炸藥時(shí)，這一缺點(diǎn)就更為突出。由此帶來(lái)的問(wèn)題是：一方面臺(tái)階上部巖石得不到充分破碎，而使臺(tái)階上部大塊數(shù)量增多；另一方面超深部分的炸藥爆炸使下一臺(tái)階上部巖石造成過(guò)度粉碎和破壞，增加鉆孔工作難度，增大了爆破振動(dòng)強(qiáng)度，既降低爆破能量的利用率，又給生產(chǎn)帶來(lái)不良的影響。

底部間隔裝藥結(jié)構(gòu)是在藥柱下端與孔底之間有一間隔高度不裝藥，而在其上則是一連續(xù)藥柱的裝藥結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 試驗(yàn)時(shí)底部間隔裝藥結(jié)構(gòu)小意圖

在工程爆破中，爆破能量的有效作用是影響爆破效果的關(guān)鍵。爆破能量是以動(dòng)載或超動(dòng)載形式加載的，而巖石強(qiáng)度是與加載速度有關(guān)的，因?yàn)閹r石的極限破碎強(qiáng)度是隨著加載的速度（應(yīng)力速率或應(yīng)變速率）的增加而增加，也就是加載速度越快，巖石越難以破碎。為此，就必須付出額外的能量以抵抗巖石破碎強(qiáng)度提高所需的破碎能力。另外，載荷性質(zhì)和大小也是影響爆破作用的重要因素，通常巖石的抗拉強(qiáng)度僅僅是其抗壓強(qiáng)度的十幾分之一，從爆破機(jī)理可知，爆破初始脈沖壓力越大，作用時(shí)間越短，消耗在粉碎區(qū)的能量就越大，破碎區(qū)的能量就越小。

如果適當(dāng)?shù)販p小爆破初始脈沖壓力，同時(shí)延長(zhǎng)爆破作用時(shí)間，便可減小爆破粉碎區(qū)的能量損失，加強(qiáng)破碎區(qū)的破壞，減弱爆破振動(dòng)強(qiáng)度。底孔間隔裝藥結(jié)構(gòu)也是一種空氣間隔裝藥，它可假設(shè)為只采用徑向不偶合裝藥，且炸藥性質(zhì)不變，密度均勻分布，則空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)的折算密度為：

ρ=ρ0L2/（L2+L3）

式中：ρ：包括空氣柱在內(nèi)的炸藥折算密度，kg/m3；

ρ0：炸藥密度，kg/m3；

L3：空氣柱長(zhǎng)度，m；

L2：裝藥長(zhǎng)度，m；

爆轟壓力按下式計(jì)算：

P2=（K+1）-1（L2+L3）-1L2ρ0D2

式中：P2：按折算密度求算的爆轟壓力；

K：爆轟產(chǎn)物等熵系數(shù)，K=3；

D：炸藥爆速，m/s。

爆炸脈沖的初始?jí)毫m按平均爆轟壓力計(jì)算：

Pm=0.5P2=0.5（K+1）-1（L2+L3）-1L2ρ0D2

由沖量概念得：

t=I/Pm=2（K+1）（1+L3/L2）L2/（ρ0D2）

式中：t：爆破作用時(shí)間；

I：爆破沖量。

令 L3/L2＝α（α 為間隔系數(shù)）：

由α的物理意義可知，當(dāng)α=0，為連續(xù)柱狀裝藥;當(dāng)α=A（A>0）時(shí)為空氣間隔裝藥，由上面兩式可得：

所以，當(dāng)A>0，即空氣間隔裝藥時(shí)，

Pm（α=A）＜Pm（α=0）

t（α=A）＞t（α=0）

由此可見，空氣間隔裝藥可降低炸藥脈沖初始?jí)毫Γ娱L(zhǎng)了爆破作用時(shí)間，并通過(guò)改變?chǔ)林祦?lái)調(diào)整爆炸脈沖初始?jí)毫捅谱饔脮r(shí)間，采用底部間隔裝藥結(jié)構(gòu)可達(dá)到調(diào)節(jié)炸藥能量分布，控制爆破作用時(shí)間及其作用的大小的目的。

3 寬孔距小抵抗線爆破技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題

（1）采用寬孔距小抵抗線爆破技術(shù)，三角形布孔比較適宜，可以充分利用爆破能量，降低爆破成本，也可獲取合適的塊石粒徑。

（2）在施工中，應(yīng)重視第一排的布置及裝藥。第一排孔抵抗線過(guò)小，易產(chǎn)生大量的飛石；若抵抗線過(guò)大，則不易爆起，而且會(huì)導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，使后排底部爆不起來(lái)。所以第一排的抵抗線是非常重要的，一般可根據(jù)礦上現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。再有最后一排的處理上也應(yīng)該注意，為了下一次的爆破打眼，應(yīng)該盡量減小爆破振動(dòng)，為保持下次工作面的平整，所以可以多打幾個(gè)眼。

（3）一次起爆的排數(shù)應(yīng)該大于3排，但也不宜超過(guò)8排，否則孔底部的爆破質(zhì)量將不易保證。

（4）在微差間隔時(shí)間上，根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有雷管狀況，可在25～50ms。

4 寬孔距小抵抗線微差爆破技術(shù)效果分析

4.1 優(yōu)點(diǎn)

該技術(shù)和傳統(tǒng)的密集系數(shù)爆破技術(shù)相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用寬孔距小抵抗爆破技術(shù)能使爆破塊度分布得到明顯的改善。在露天礦試驗(yàn)中取得的數(shù)據(jù)就反映出這一點(diǎn):采用傳統(tǒng)的爆破方法，統(tǒng)計(jì)的大塊率在15%左右，采用寬孔距小抵抗爆破技術(shù)，大塊率在7%左右。

（2）爆破后的爆堆塊度分布比較均勻，塊度分布均勻的爆堆有利于提高電鏟車的工作效率，降低后序加工的成本和提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

4.2 缺點(diǎn)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了一些成功的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)寬孔距小抵抗線爆破方法也存在著一些缺點(diǎn)：

（1）試驗(yàn)初期，由于對(duì)節(jié)理裂隙存在情況沒(méi)有進(jìn)行深入的調(diào)查，爆破后出現(xiàn)了很多的餅狀大塊，分析認(rèn)為是由于部分巖石本身存在很多的近水平節(jié)理裂隙，因此炸藥爆炸時(shí)爆炸氣體首先沿節(jié)理層面擊穿巖石，從而導(dǎo)致了餅狀大塊的產(chǎn)生，所以在巖石節(jié)理發(fā)育比較厲害的巖石中使用這種爆破方法可能達(dá)不到預(yù)期的效果。

（2）應(yīng)用寬孔距小抵抗線爆破技術(shù)對(duì)炮孔的孔位要求比較高，所以在鉆眼時(shí)要特別注意炮眼的位置，一般應(yīng)采用垂直打眼的方式。