大孔徑粗藥卷毫秒微差爆破技術(shù)在盤(pán)區(qū)回采中的應(yīng)用

馬明輝，修國(guó)林，2，孫祥鑫，2

（1.山東黃金礦業(yè) （萊州）有限公司三山島金礦，山東 萊州261442；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院北京100081）

三山島金礦作為國(guó)內(nèi)大型黃金礦山之一，在國(guó)內(nèi)外黃金行業(yè)迅速發(fā)展、國(guó)際黃金價(jià)格保持高位的形勢(shì)下，面對(duì)日益激烈的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，正在全面實(shí)施做大做強(qiáng)的發(fā)展戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)技術(shù)、規(guī)模、效益的跨躍式發(fā)展，以期在 “十二五”期間實(shí)現(xiàn)礦山的遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃。

為突破發(fā)展瓶頸，我礦專(zhuān)門(mén)成立大學(xué)生精英采礦班，使用最先進(jìn)的礦山機(jī)械設(shè)備，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)，在實(shí)踐中不斷進(jìn)行管理創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，尤其是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行研究與改進(jìn)，為提高井下采場(chǎng)的安全性，提高井下采出礦效率，實(shí)現(xiàn)礦山跨越式發(fā)展，提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

在多年的礦山生產(chǎn)中，井下爆破一直采用Φ45 mm炮孔、Φ32 mm藥卷、半秒導(dǎo)爆管進(jìn)行落礦，采用這種爆破方式產(chǎn)生的大塊率一般在20%以上，爆破效果較差，大塊率高；在鏟運(yùn)機(jī)出礦過(guò)程中，諸多大塊的存在嚴(yán)重影響了出礦作業(yè)效率，以及整個(gè)回采作業(yè)循環(huán)速度，大塊在采場(chǎng)中需要進(jìn)行二次破碎，容易造成飛石或爆堆分散，對(duì)回采安全造成了一定影響，也嚴(yán)重影響回采效率；為解決大塊問(wèn)題，礦山投入巨資引進(jìn)了移動(dòng)式液壓破碎機(jī)和固定式破碎機(jī)，設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用極其昂貴，而且占用了較多的人力和物力；因此，低效率的爆破方式嚴(yán)重制約了礦山的發(fā)展，改進(jìn)爆破方式成為亟待解決的難題。

我礦一直采用半秒導(dǎo)爆管進(jìn)行起爆，由于半秒導(dǎo)爆管雷管起爆間隔較長(zhǎng)，導(dǎo)爆管雷管的起爆沖能、發(fā)火電流和發(fā)火時(shí)間的不同，起爆時(shí)，在同一爆破網(wǎng)絡(luò)中敏感度高的雷管會(huì)先起爆，有可能將爆破網(wǎng)路炸斷，這樣會(huì)使還未發(fā)火的雷管產(chǎn)生拒爆、殘爆等情況，這樣既會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的人身安全產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)也制約著井下生產(chǎn)的有序進(jìn)行。

2 爆破改進(jìn)方案研究

2.1 炮孔直徑與藥卷直徑選擇

目前三山島金礦回采工作主要由鑿巖臺(tái)車(chē)Boomer281進(jìn)行，鑿巖臺(tái)車(chē)配套的鉆頭和釬桿有Φ45mm和Φ40mm兩種，引進(jìn)的炸藥有Φ40mm和Φ32mm兩種，因此相對(duì)應(yīng)的爆破配合方式有Φ45mm炮孔裝Φ40mm藥卷，Φ45mm炮孔裝Φ32藥卷mm和Φ40mm炮孔裝Φ32mm藥卷三種（為施工方便光爆孔與落礦孔采用同一孔徑，Φ40mm與Φ40mm不方便裝藥因此不作為試驗(yàn)方案）。

根據(jù)爆破相關(guān)理論和近些時(shí)間的研究試驗(yàn)得知，裝藥直徑小于極限直徑時(shí)，爆速隨裝藥直徑的增大而增加，一般工業(yè)炸藥的極限直徑大于常用藥卷直徑，因此，增大裝藥直徑可使炸藥的猛度和爆速增加。如2號(hào)巖石硝銨炸藥的直徑由32mm增加至40mm時(shí)，爆速由3000m／s增加至3500m／s，猛度由4.0mm增加至9.1mm，殉爆距離由70mm增加至130mm[1]。

而且藥卷直徑的增加有以下優(yōu)點(diǎn)：大大地減少工作面上單位面積所需爆破的眼數(shù)，提高鑿巖效率；減少鉆眼、清除炮眼巖粉和裝藥的時(shí)間；提高炸藥的爆炸速度；縮短藥卷的發(fā)爆時(shí)間；提高炸藥的破碎效力；采用重量大的藥卷；增加爆破威力的半徑，使巖石在工作面上破碎成所要求的塊度。

由此可見(jiàn)，解決爆破積壓的問(wèn)題需要增加落礦孔的直徑和相應(yīng)的藥卷直徑，在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行了配合實(shí)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，落礦孔采用Φ45mm炮孔裝Φ40mm藥卷時(shí)，爆破效果最好，積壓?jiǎn)栴}得到了一定的解決[2]。

2.2 裝藥結(jié)構(gòu)與裝藥密度選擇

裝藥結(jié)構(gòu)與裝藥密度是控制每個(gè)炮孔和炮孔每段爆炸作用力大小、時(shí)間和方向的組合因素和初級(jí)參數(shù)，是決定爆破效果的主要因素，此次試驗(yàn)主要確定光爆孔與落礦孔的裝藥結(jié)構(gòu)，裝藥密度和起爆方向。

近年來(lái)由于各種控制爆破技術(shù)的發(fā)展，接連創(chuàng)造了很多裝藥結(jié)構(gòu)和不相同的裝藥密度，按裝藥爆破方式來(lái)分有反向裝藥法和正向裝藥法；按藥卷間連續(xù)性來(lái)分有連續(xù)裝藥法和間隔裝藥法；按炸藥與孔壁間的環(huán)隙狀況來(lái)分有：耦合裝藥和不耦合裝藥。

根據(jù)研究表明，炮眼直徑應(yīng)和藥卷直徑相符合，炮眼壁和藥卷間正常的容許空隙為2～3mm。這個(gè)空隙能保證藥卷在整個(gè)炮眼內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，不使藥卷受到損壞，而藥卷的爆破是在其接近本身容積的范圍內(nèi)才發(fā)生（即爆破在很高的裝藥系數(shù)的情況下發(fā)生），這能保證爆破發(fā)生最大可能的壓力。而炮眼壁和藥卷間存在有很大的空隙時(shí)，爆破時(shí)會(huì)降低氣體的最初壓力，從而降低爆破工作的效果。爆破氣體的最初壓力與裝藥系數(shù)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 爆破氣體的最初壓力與裝藥系數(shù)關(guān)系圖

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，裝藥系數(shù)越大爆破氣體的最初壓力也越大，那么產(chǎn)生的爆破效果也越好，因此在可能的情況下應(yīng)該盡量提高裝藥系數(shù)，即在炮孔直徑一定的情況下增加藥卷直徑[2]。

在深孔爆破中，掏槽孔和輔助孔主要起深爆作用，由于孔深大，巖石抗爆強(qiáng)度和夾制力高，除應(yīng)采取高威力的炸藥外，還必須同時(shí)采用平均密度較高的裝藥結(jié)構(gòu)，使裝藥段內(nèi)單位炮孔容積的平均裝藥量達(dá)到或接近于炸藥的最佳密度（或藥卷包裝密度），并且提高裝藥系數(shù)才能起到良好的爆破效果。

在回采過(guò)程中，為了保持?jǐn)嗝嫱鈳r體的整體穩(wěn)定性，保證回采的安全和支護(hù)方便，必須對(duì)頂板和兩幫進(jìn)行光面爆破，而在光面爆破中，常用的裝藥結(jié)構(gòu)有徑向不耦合連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)和徑向不耦合、軸向空氣柱間隔裝藥結(jié)構(gòu)兩種。由于第一種裝藥結(jié)構(gòu)通常需用臨界直徑小、爆速低、猛度低而感度高、穩(wěn)定性好的小直徑光爆藥卷，而且多應(yīng)用于小孔徑光爆，因此此次主要研究采用第二種光爆裝藥結(jié)構(gòu)，并確定徑向不耦合系數(shù)、軸向不耦合系數(shù)和炮孔間距。

2.2.1 徑向不耦合系數(shù)

即炮眼直徑與藥卷直徑的比值，可根據(jù)文獻(xiàn)[3]求得

式中：la為空氣柱長(zhǎng)度；lc為裝藥長(zhǎng)度；ρ0為炸藥密度；Dl為爆速；dc為裝藥直徑；db為炮眼直徑；n為氣體與炮眼碰撞時(shí)壓力增大系數(shù)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：徑向不耦合系數(shù)kc一般為2～4。

可見(jiàn)在炮孔直徑確定的情況下應(yīng)該選擇較小的藥卷直徑，因此確定藥卷直徑為Φ32mm。

2.2.2 軸向不耦合系數(shù)

式中：l1為裝藥高度；l2為空氣柱長(zhǎng)度。

由文獻(xiàn)[4]知，為保證孔壁不產(chǎn)生壓縮性破壞

式中：Pk為臨界壓力，通常取2×108Pa；γ＝1.3，k＝3，Rc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；kD為體積應(yīng)力狀態(tài)下巖石抗壓強(qiáng)度增大系數(shù)；P0為爆生氣體初始平均壓力

分析發(fā)現(xiàn)，式（1）～（4）有一定的局限性，它僅適用于小孔徑光面爆破；若炮孔直徑大于一定值時(shí)，kd＜l，這顯然是不可能的。令kd＞l，可推得炮孔直徑db＜65時(shí)此公式才有意義。

為保證炮孔連心線孔壁上得以起裂

式中：Rt為巖石抗拉強(qiáng)度；λ為側(cè)壓力系數(shù)。

式中：ν為巖石泊松比。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般2＜kd＜9。

由此可知，光爆孔的空氣間隔柱長(zhǎng)度應(yīng)大于炸藥的裝藥長(zhǎng)度，在實(shí)際中孔深3m，裝藥長(zhǎng)度在1m左右。

2.2.3 炮孔間距

由文獻(xiàn)[3]可知，使兩炮孔之間的裂紋貫通的條件是兩炮孔間距為

式中：a為應(yīng)力波衰減指數(shù)

b為切向應(yīng)力與徑向應(yīng)力的比值

經(jīng)計(jì)算的光爆孔間距應(yīng)小于600mm[3-4]。

2.3 起爆方向選擇

根據(jù)理論分析，反向裝藥爆破有以下幾個(gè)好處：

1）增強(qiáng)爆炸應(yīng)力場(chǎng)，炸藥從孔底開(kāi)始向外起爆，在爆炸瞬間就迅速在圍巖中產(chǎn)生了沖擊波的動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)和膨脹波的靜應(yīng)力場(chǎng)，未爆的炸藥將起到類(lèi)似炮泥的堵塞作用，這樣不僅使孔底先爆區(qū)已形成的應(yīng)力場(chǎng)不至迅速卸載，而且接近孔口的后爆炸藥產(chǎn)生的沖擊波和膨脹波又連續(xù)加強(qiáng)了已經(jīng)形成的應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)已形成的應(yīng)力場(chǎng)擴(kuò)展又反過(guò)來(lái)加強(qiáng)了新應(yīng)力場(chǎng)，這樣，從孔底到孔口在整個(gè)炮孔全長(zhǎng)的周?chē)鷰r石中都形成了強(qiáng)大的動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)和靜應(yīng)力場(chǎng)，其結(jié)果必然提高了爆破作用。

2）提高爆炸沖擊波的有效作用，當(dāng)炸藥由孔底向孔口以一定的速度Vb傳爆的同時(shí)，在圍巖中由爆炸沖擊作用產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波（縱波與橫波）也以一定速度（Vp為縱波波速，Vs為橫波波速）向外擴(kuò)展，當(dāng)這種壓縮應(yīng)力波傳播到自由面時(shí)即受到反射而變成拉伸應(yīng)力波，只有在這種拉伸應(yīng)力波烈度超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石才被破壞從而形成漏斗式的破碎區(qū)，也只有當(dāng)壓縮應(yīng)力波較強(qiáng)時(shí)，也才能形成較強(qiáng)烈的拉伸應(yīng)力波，反向爆破不論在什么情況下都有利于形成直接指向自由面的高壓應(yīng)力波。但是，用正向爆破時(shí)，得到加強(qiáng)的高壓應(yīng)力波峰的指向卻與反向爆破時(shí)相反，不是指向自由面而是指向了無(wú)限巖體的內(nèi)部，必然為無(wú)限巖體所吸收而形成較強(qiáng)烈的地震波傳向四方。

3）增長(zhǎng)爆生氣體膨脹對(duì)圍巖的靜力作用時(shí)間，爆生氣體膨脹能對(duì)圍巖產(chǎn)生楔劈漲裂作用和剪切拋射作用，反向裝藥爆破不僅增大了爆生氣體的膨脹壓力，而且增長(zhǎng)了其作用時(shí)間，至少等于全部裝藥的爆炸時(shí)間，從而增大了爆炸范圍和拋渣距離。

在實(shí)際中分別選用正向和反向裝藥爆破兩種方式，發(fā)現(xiàn)正向起爆不僅不能提高炮孔利用率，反而降低了爆破效率，因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)落礦孔采用反向裝藥的起爆方式，對(duì)于光爆孔采用正向起爆與反向起爆相結(jié)合的方式，兩相作用抵消一部分爆轟作用，從而減弱對(duì)深部圍巖的破壞作用，起到了良好的光爆效果[5]。

3 爆破技術(shù)優(yōu)化結(jié)論

1）起爆器材選擇：由秒差導(dǎo)爆管改為毫秒導(dǎo)爆管；即間隔由半秒改為25～50ms。

2）孔徑選擇：光爆孔使用直徑Φ45mm的鉆頭和配套釬桿，落礦孔使用Φ45mm釬頭和配套釬桿。

3）孔網(wǎng)參數(shù)：①回采布孔參數(shù)：光爆孔間距≤600mm，非光爆孔孔距1.0～1.2m，排距400～500mm；②切采布孔參數(shù)：光爆孔間距≤600mm，非光爆孔孔距1.0～1.2m，排距400～500mm。

4）裝藥方式：①光爆孔使用Φ32mm的藥卷，不耦合裝藥，不耦合系數(shù)45／32≥1.4，孔內(nèi)敷設(shè)兩個(gè)導(dǎo)爆管，采用間隔裝藥形式，其中孔底布置三卷藥，導(dǎo)爆管敷設(shè)于中間藥卷上，反向起爆；孔口布置三卷藥，導(dǎo)爆管敷設(shè)于中間藥卷上，正向起爆，孔口用藥卷封死。②落礦孔使用Φ40mm的藥卷，并加大藥量，耦合裝藥，孔內(nèi)敷設(shè)一個(gè)導(dǎo)爆管，采用連續(xù)裝藥形式。導(dǎo)爆管敷設(shè)于孔底第三或四個(gè)藥卷上，統(tǒng)一采用反向起爆，同行相鄰孔可以嘗試采用正向、反向交替起爆方式。

5）起爆順序：①回采起爆順序：橫向由回采面中間一排孔同時(shí)向兩側(cè)進(jìn)行起爆，縱向由離爆破空間最近一行孔向頂板方向起爆，光爆孔最后起爆，可以采用平行布孔后三角布孔。②切采起爆順序：由離爆破空間最近一行排孔先起爆，即所謂的“后退式”起爆，采用平行布孔。

4 試驗(yàn)成果及其意義

1）從根源上解決三山島金礦井下采礦‘瓶頸’問(wèn)題，極大地降低了大塊率，提高了爆破效果，節(jié)省了爆破成本，提高了出礦效率，使整個(gè)回采循環(huán)速度加快，減少了固定和移動(dòng)式破碎機(jī)的使用次數(shù)，降低了設(shè)備的引進(jìn)和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。

2）通過(guò)將爆破方式將半秒導(dǎo)爆管雷管起爆改為毫秒導(dǎo)爆管雷管起爆，減少了爆破過(guò)程中出現(xiàn)的拒爆、殘爆等情況，爆破后產(chǎn)生的大塊少，采場(chǎng)頂板光爆效果明顯，孔痕率和半孔率明顯增加，從而大大提高井下生產(chǎn)速度，改善勞動(dòng)條件。

3）使用新的爆破參數(shù)和裝藥方式后，頂板成型好，半孔率明顯增加，爆破震動(dòng)對(duì)頂板的破壞明顯減小，保持巖體穩(wěn)定性，減少了錨桿支護(hù)量，提高作業(yè)循環(huán)速度，加快了采場(chǎng)的回采速度，既保證了安全，又降低了采場(chǎng)不必要的支護(hù)，提高了采場(chǎng)的生產(chǎn)能力。

4）大學(xué)生采礦精英班爆破試驗(yàn)的成功，標(biāo)志著三山島井下爆破技術(shù)取得了階段性進(jìn)展，爆破效果得到極大改善，為未來(lái)全礦爆破技術(shù)改進(jìn)提供一個(gè)明確的方案。隨著采礦班在深入一線，在生產(chǎn)中不斷改進(jìn)現(xiàn)有的管理和技術(shù)弊端，必將會(huì)對(duì)三山島金礦的發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。

[1]胡峰.立井深孔光爆若干基本問(wèn)題的初步研究[D].泰安：山東礦業(yè)學(xué)院，1978.

[2]М.А.МАГОЙЧЕНКОВ，等.李迪勛，劉清榮，等.譯.等大直徑藥卷的爆破[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1956.

[3]李庚秋.標(biāo)準(zhǔn)藥卷光面爆破在隧洞掘進(jìn)中的應(yīng)用[J].爆破，1999（1）：20-22.

[4]林從謀，趙錦橋.工程爆破實(shí)用技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1998.

[5]紐強(qiáng).巖石爆破機(jī)理[M].沈陽(yáng)：東北工學(xué)院出版社，1990.