露天爆破合理深孔填塞參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)的研究

喬明旭

摘要：合理深孔填塞參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)，在露天礦深孔爆破中，對(duì)生產(chǎn)安全和改善爆破效果有著十分重要的作用，在炸藥爆炸瞬間，填塞材料在孔壁與高壓氣體之間的相互作用中起一種“調(diào)節(jié)伐”的作用。主要是防止高壓氣體過(guò)早外泄，增加高壓氣體膨脹作用時(shí)間，同時(shí)也改變了巖石中應(yīng)力作用形式。采用合理的炮孔裝藥結(jié)構(gòu)，是有效控制爆破作用，調(diào)節(jié)巖石破碎塊度，提高炸藥能量利用率的重要途徑之一。

結(jié)論：1. 炮孔中安放一定高度的間隔器是改善炸藥在炮孔內(nèi)分布的有效手段，可以提高炸藥能量利用率，改善爆破效果。2. 底部空氣墊層裝藥結(jié)構(gòu)與中間空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)相比，前者具有施工簡(jiǎn)單，爆破費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，并使爆破效果得到進(jìn)一步改善。建議礦山采用這種結(jié)構(gòu)。3. 底部空氣墊層的存在有利于克服根底。4. 就底部空氣墊層裝藥結(jié)構(gòu)爆破條件下擴(kuò)大孔網(wǎng)參數(shù)問(wèn)題進(jìn)一步試驗(yàn)研究（保持炸藥單耗不變），以期取得更大的經(jīng)濟(jì)效益。進(jìn)一步研究適合于不同礦巖和爆破技術(shù)條件的最優(yōu)底部空氣墊層高度。

關(guān)鍵詞: 合理深孔 填塞參數(shù) 裝藥結(jié)構(gòu)

前言

在露天礦深孔爆破中，填塞對(duì)生產(chǎn)安全和改善爆破效果有著十分重要的作用。因此，近年來(lái)，炮孔堵塞作用問(wèn)題愈來(lái)愈引起人們的重視，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過(guò)專門的研究，并提出各自的觀點(diǎn)。一般認(rèn)為：填塞的作用主要是限制炮孔空腔內(nèi)爆炸氣體赤早外泄，以維持較長(zhǎng)時(shí)間的炮孔壓力。但由于填塞對(duì)炸藥爆轟和巖石破碎的影響是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，完全解決填塞作用機(jī)制問(wèn)題目前仍十分困難。因此，礦山實(shí)際中一般采用的填塞參數(shù)都基于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，而往往不能根據(jù)生產(chǎn)不能根據(jù)生產(chǎn)條件的變化，改變并確定合理的炮孔填塞參數(shù)。

露天臺(tái)階按裝填和破碎特點(diǎn)的不同沿高度可劃分為三個(gè)區(qū)，即非裝藥區(qū)，裝藥區(qū)和超深區(qū)，如圖所示。在現(xiàn)代露天礦，隨著大型鉆機(jī)的使用，炮孔直徑增加到300-350mm，同上時(shí)采用了漿狀炸藥，乳化炸藥等高密度炸藥，使得孔內(nèi)藥柱中心下移，上部非裝藥區(qū)高度增大。在一些礦山，非裝藥區(qū)高度甚至達(dá)到臺(tái)階高度的60%以上。在這種情況下，非裝藥區(qū)內(nèi)巖石的破碎程度對(duì)整個(gè)臺(tái)階爆破效果的影響就更顯得突出。同樣，在填塞長(zhǎng)度變化的情況下，裝藥區(qū)所對(duì)應(yīng)的巖石破碎程度也必將產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此，通過(guò)對(duì)裝藥區(qū)與非裝藥區(qū)的破碎程度隨填塞參數(shù)變化的規(guī)律，定量地確定適合于不同爆破條件的合理填塞參數(shù)，在實(shí)際上都具有重要意義。

在巖石爆破系統(tǒng)中，炮孔，炸藥和填塞物構(gòu)成了該系統(tǒng)的“載荷源”。巖石介質(zhì)內(nèi)受載荷作用形式取決于炸藥種類、藥量、填塞材料、巖石性質(zhì)和炮孔的幾何尺寸等。這些因素的綜合作用決定著巖石的最終破碎效果。

在給定巖石種類、炸藥、藥量及爆破方式的條件下，炮孔填塞就成為影響爆破破碎效果的主要因素。適當(dāng)?shù)呐诳滋钊芗訌?qiáng)爆炸氣體對(duì)周圍巖石的作用，改善爆破效果，填塞材料對(duì)加強(qiáng)爆炸氣體對(duì)周圍巖石的作用已被大量的生產(chǎn)實(shí)踐所證實(shí)。為此，我就此分析一下有關(guān)方面的因素對(duì)爆破效果的影響，請(qǐng)同仁們批評(píng)及指正。

一、 填塞材料作用

在炸藥爆炸瞬間，填塞材料在孔壁與高壓氣體之間的相互作用中起一種“調(diào)節(jié)伐”的作用。主要是防止高壓氣體過(guò)早外泄，增加高壓氣體膨脹作用時(shí)間，同時(shí)也改變了巖石中應(yīng)力作用形式。因此，適當(dāng)?shù)剡x擇材料和填塞方式，可以改變炸藥對(duì)巖石的作用形式。巖石中應(yīng)力作用形式的變化使最終爆破破碎效果得以改善。

填塞材料對(duì)爆破破碎過(guò)程的影響主要是通過(guò)改變巖體應(yīng)力作用形式來(lái)完成的。巖石應(yīng)力值的大小，應(yīng)力作用時(shí)間（超過(guò)一定值的應(yīng)用作用時(shí)間）決定了巖石的破碎程度和破碎范圍。

與不填塞相比填塞材料能增加應(yīng)力幅值和延長(zhǎng)應(yīng)力的作用時(shí)間。炮孔的裝填結(jié)構(gòu)和填塞長(zhǎng)度是變化的，不同的裝填結(jié)構(gòu)和填塞長(zhǎng)度有不同的爆破效果，在裝填結(jié)構(gòu)和填塞長(zhǎng)度趨于合理時(shí)，可取得較好的爆破效果和較規(guī)則的漏斗形狀，裝填結(jié)構(gòu)不合理和無(wú)填塞時(shí)，則爆破效果很差，漏斗的形狀也不規(guī)則。

柱狀藥包的爆轟過(guò)程與球狀藥包不同，爆轟波從柱狀藥包一端傳到另一端需要一定的時(shí)間。柱狀藥包在巖體中產(chǎn)生的應(yīng)力波波前的一端為球面而與傳爆方向一致的另一端卻是錐面，其錐度取決于巖體應(yīng)力波波速與炸藥爆轟波速度之比。在漏斗形成過(guò)程中，應(yīng)力波（包括入射波和到達(dá)自由面的反射波）和爆炸氣體的共同作用形成了爆破破碎漏斗。在集中藥包條件下，填塞條件相同時(shí)，漏斗的幾何尺寸只與炸藥量和藥包埋深有關(guān)。對(duì)于柱狀藥包，除了填塞條件以外，爆破漏斗的幾何尺寸還與藥柱的長(zhǎng)度有關(guān)。不同的裝填結(jié)構(gòu)和填塞長(zhǎng)度有不同的爆破效果。一般情況下，我礦填塞長(zhǎng)度是裝藥長(zhǎng)度的二分之一時(shí)爆破效果最好。

二、裝藥結(jié)構(gòu)

在巖石爆破中，一般認(rèn)為，對(duì)于均質(zhì)、密度大的堅(jiān)硬巖石來(lái)說(shuō)，爆破所引起的巖體中應(yīng)力波是使巖石破壞的主要因素。而在比較松軟或裂隙發(fā)育巖石爆破時(shí)，引起其破壞的主要因素則是爆炸氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力的作用。

采用合理的炮孔裝藥結(jié)構(gòu)，是有效控制爆破作用，調(diào)節(jié)巖石破碎塊度，提高炸藥能量利用率的重要途徑之一。在露天深孔爆破中，最常用的裝藥結(jié)構(gòu)是自炮孔底部由下而上的連續(xù)裝藥。很明顯，采用這種裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，藥柱重心偏于臺(tái)階下部，特別是在炮孔直徑增大時(shí)，炸藥更集中于炮底，而臺(tái)階上部炮孔非裝藥部分長(zhǎng)度加大，結(jié)果，沿臺(tái)階高度炮孔中炸藥能量的分布是很不均勻的。為了合理分布能量，提出了改變連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)為間隔裝藥結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。

裝藥結(jié)構(gòu)是涉及炸藥在炮孔中的分布和炸藥能量利用的問(wèn)題。尋求新的合理的炮孔裝藥結(jié)構(gòu)，是當(dāng)今礦山爆破技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，這對(duì)于充分利用炸藥能量，改善爆破效果，提高礦山生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益。具有重要意義。

長(zhǎng)期以來(lái)，露天深孔爆破沿用的是連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。這種裝藥結(jié)構(gòu)的突出問(wèn)題，是藥柱重心過(guò)度偏于臺(tái)階下部尤其是在采用大直徑炮孔和高密度炸藥的礦山，這種狀況更為明顯，超深部分裝藥長(zhǎng)度一般可達(dá)到1/3-1/2藥柱總長(zhǎng)度。本來(lái)炮孔保持一定超深是為了克服臺(tái)階根底，但是，隨此而導(dǎo)致臺(tái)階上部非裝藥區(qū)高度增大，這部分巖石與爆破中心距離加大而得不到有效破碎，大塊增加，不僅如此，超深部分的炸藥爆炸還帶來(lái)許多不良后果，如加劇爆破地震，使下一臺(tái)階的上部巖石受到預(yù)破碎，這不僅增加鉆孔困難，降低鉆孔效率，而且也使大塊率增加。

研究結(jié)果表明，臺(tái)階非裝藥區(qū)高度與裝藥區(qū)高度之比存在最優(yōu)值。但就我國(guó)金屬礦山露天深孔爆破現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，該比值一般均大于最優(yōu)值，炸藥能量沿臺(tái)階高度的分布十分不合理。為了改變這種狀況，就需要從改善裝藥結(jié)構(gòu)入手，來(lái)調(diào)整這一比值。例如，用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)來(lái)代替連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，一方面，以此來(lái)增大臺(tái)階上部裝藥長(zhǎng)度，另一方面，空氣間隔的存在可起調(diào)節(jié)爆炸初始?jí)毫Φ淖饔?，減小由于巖石過(guò)粉碎而產(chǎn)生的能量損失，并可延長(zhǎng)爆炸氣體在巖體中的作用時(shí)間，增強(qiáng)爆破效應(yīng)?？梢?jiàn)，一定高度的空氣間隔的存在，不僅是在幾何上提高藥柱重心，更重要的是有助于調(diào)節(jié)爆炸作用。但是盡管如此，由于這種裝藥結(jié)構(gòu)的裝藥工藝是間斷進(jìn)行的，效率低，不利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化裝藥，所以，沒(méi)有在現(xiàn)代大型礦山生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。為了改變這種情況，有必要進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有裝藥結(jié)構(gòu)，克服空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，確定新的合理裝藥結(jié)構(gòu)。底部空氣墊層裝藥結(jié)構(gòu)正是為解決這一問(wèn)題而被提出來(lái)的。

臺(tái)階非裝藥區(qū)高度與裝藥區(qū)高度之比存在最優(yōu)值。但就我國(guó)金屬礦山露天深孔爆破現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，該比值一般均大于最優(yōu)值，炸藥能量沿臺(tái)階高度的分布十分不合理，為了改變這種狀況，就從改善裝藥結(jié)構(gòu)入手，來(lái)調(diào)整這一比值，使之趨于最優(yōu)值。例如用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)來(lái)代替連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，一方面，以此來(lái)增大臺(tái)階上部裝藥長(zhǎng)度，另一方面，空氣間隔的存在可起調(diào)節(jié)爆炸初始?jí)毫妥饔?，減小由于巖石過(guò)粉碎而產(chǎn)生的能量損失，并可延長(zhǎng)爆炸初始?jí)毫υ趲r體中的作用時(shí)間，增強(qiáng)爆破效應(yīng)，可見(jiàn)一定高度的空氣間隔的存在，不僅是在幾何上提高藥柱重心，更重要的是有助于調(diào)節(jié)爆炸作用。但是，盡管如此，由于這種裝藥結(jié)構(gòu)的裝藥工藝是間斷進(jìn)行的，效率低，不利于機(jī)械化裝藥，所以，沒(méi)有在大型礦山生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。為了改變這種情況，有必要進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有裝藥結(jié)構(gòu)，克服空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，確定新的合理裝藥結(jié)構(gòu)，為此，試著采用底部空氣墊層裝藥。

底部空氣墊層裝藥結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在于空氣層（柱）不是位于藥柱下端與孔底之間，如附圖所示，即在藥柱下端存在一個(gè)氣墊，而空氣墊層上面是一個(gè)連續(xù)藥柱，而不像在空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)一樣需要分段裝藥。這就簡(jiǎn)化了裝藥工藝，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化裝藥?？諝鈮|層在炮孔底部更有利于調(diào)節(jié)炸藥爆炸初始?jí)毫脱娱L(zhǎng)爆炸氣體作用時(shí)間?？諝鈮|層的存在，使孔底巖石與藥柱隔開(kāi)，超深部分的周圍巖石不能受到藥柱爆炸的直接作用，雖然如此，根據(jù)空氣沖擊波理論，在適合的爆炸參數(shù)條件下孔底周圍巖石在強(qiáng)烈空氣沖擊波作用下，同樣將得到充分破碎。

藥柱起爆后，當(dāng)爆轟波傳播到達(dá)藥柱下端與空氣墊層間的界面時(shí)，高壓爆炸氣體強(qiáng)烈沖擊壓縮其前方的空氣，從而在氣墊中形成一沖擊波，自藥柱下端向孔底方向傳播。與此同時(shí)，爆炸氣體向氣體方面膨脹，其壓力將下降，結(jié)果在爆轟產(chǎn)物中產(chǎn)生一膨脹波向孔口方向傳播?？紤]到空氣墊層高度較小，且假定在沖擊波傳播過(guò)程中孔壁巖石未發(fā)生變形，可以認(rèn)為沖擊波在空氣墊層是定常傳播當(dāng)沖擊波傳播到達(dá)孔底巖石時(shí)，則將產(chǎn)生反射波。對(duì)于堅(jiān)硬巖石，在沖擊波波陣面到達(dá)受壓縮時(shí)，仍可以認(rèn)為不發(fā)生變形。所以從孔底巖石反射的仍是沖擊波，在空氣墊層傳播的沖擊波到達(dá)巖石表面，反射沖擊波波陣面壓力急劇增大，達(dá)到入射沖擊波壓力的8－13倍這一強(qiáng)大壓力，對(duì)巖石產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊壓縮，并使其破碎。

三、 爆破效果

爆堆形狀規(guī)整，前后沖距離較小無(wú)根底塊度較均勻，大塊率也有明顯下降。大塊率較正常生產(chǎn)時(shí)爆破低60-70%左右。爆破直接材料費(fèi)用底部氣墊裝藥結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)上也是最佳的。

四、結(jié)論

1. 炮孔中安放一定高度的間隔器是改善炸藥在炮孔內(nèi)分布的有效手段，可以提高炸藥能量利用率，改善爆破效果。

2. 底部空氣墊層裝藥結(jié)構(gòu)與中間空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)相比，前者具有施工簡(jiǎn)單，爆破費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，并使爆破效果得到進(jìn)一步改善。建議礦山采用這種結(jié)構(gòu)。

3. 底部空氣墊層的存在有利于克服根底。

4. 就底部空氣墊層裝藥結(jié)構(gòu)爆破條件下擴(kuò)大孔網(wǎng)參數(shù)問(wèn)題進(jìn)一步試驗(yàn)研究（保持炸藥單耗不變），以期取得更大的經(jīng)濟(jì)效益。進(jìn)一步研究適合于不同礦巖和爆破技術(shù)條件的最優(yōu)底部空氣墊層高度。

參考文獻(xiàn)：

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