含水露天礦加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)研究

謝亮波 黃凱和 楊海濤

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000;3.金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心，安徽馬鞍山243000

馬鋼(集團(tuán))控股有限公司南山礦業(yè)公司和尚橋鐵礦處于長江支流采石支河匯水范圍內(nèi)，礦床賦存于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面之下，礦體及圍巖均含水，其富水性弱至中等，局部地段富水性較強(qiáng)，且礦區(qū)地形不利于自然排水，所以爆破時(shí)炮孔基本充滿水。由于水的存在，弱化了填塞作用，如果填塞過長，上部大塊就會(huì)增多，爆破質(zhì)量差;而填塞過小，會(huì)造成沖孔，既不安全，且炸藥爆炸產(chǎn)生的能量也未得到充分利用，增加爆破成本同時(shí)爆破質(zhì)量會(huì)更差。如何因地制宜，利用水介質(zhì)獨(dú)有的特性，在含水炮孔采用有效的技術(shù)手段，改善爆破質(zhì)量，對此進(jìn)行了加強(qiáng)水封塞爆破的研究及現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了良好的效果。

1 加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)

在水系發(fā)達(dá)區(qū)域，尤其是巖石節(jié)理裂隙發(fā)育地帶，炮孔內(nèi)的水是很難被排出的，由于水的存在，弱化了填塞物的封塞作用，容易產(chǎn)生沖孔從而影響爆破質(zhì)量。加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)是采用特殊的裝藥結(jié)構(gòu)，在炸藥與填塞物之間留取一定長度的水柱，利用水作為傳遞能量的工作介質(zhì)，以達(dá)到對臺(tái)階上部充分破碎的一種爆破方法。加強(qiáng)水封塞爆破裝藥結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 加強(qiáng)水封塞爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Charge structure schematic diagram of stiffened water sealing blasting

與傳統(tǒng)的水封爆破或水間隔裝藥爆破放置間隔物不同，加強(qiáng)水封塞爆破在上部填塞物與水的接觸面之間，放置一個(gè)加強(qiáng)封塞藥包，加強(qiáng)封塞藥包超前主藥包一定時(shí)間起爆，起到對填塞物的超前壓縮密實(shí)作用，增加填塞物與孔壁的摩擦力，防止能量過早外泄，使能量充分作用到周圍巖石上，從而改善爆破質(zhì)量。

為了證實(shí)藥包上部水間隔裝藥結(jié)構(gòu)在爆破中的能量分布，根據(jù)炸藥爆轟波參數(shù)與巖石及水中沖擊波參數(shù)的關(guān)系、沖擊波在巖石及水中的傳播規(guī)律［1］，應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬出能量分布如圖2和圖3所示。從圖中可以明顯地看出水力對能量分布的影響，很顯然，在與水接觸的巖體中，其能量分布的數(shù)值是較大的，分布的范圍也更廣泛，這就足以證明加強(qiáng)水封塞爆破能更充分地利用炸藥爆炸能量，并較合理地分布于被爆的巖體之中。

圖2 起爆后1 ms炸藥爆炸在巖體的能量分布(單位:×105J/m3)Fig.2 Rock energy distribution of 1 ms after detonating explosive

根據(jù)模擬及分析，可以得出加強(qiáng)水封塞爆破的技術(shù)特點(diǎn):

圖3 起爆后3 ms炸藥爆炸在巖體的能量分布(單位:×105J/m3)Fig.3 Rock energy distribution of 3 ms after detonating explosive

(1)由于在加強(qiáng)水封塞爆破中能更充分地利用炸藥在水中爆炸的能量，從而使與水接觸的巖體能夠在較長的時(shí)間內(nèi)獲得較大的壓力，使被爆巖體受到較均勻地破壞。因此能夠顯著改善礦巖的破碎質(zhì)量。在露天臺(tái)階爆破中，臺(tái)階上部礦巖破碎質(zhì)量改善更為明顯。

(2)加強(qiáng)水封塞爆破可使臺(tái)階上部巖石得到充分的破壞，不但大塊率明顯地降低了，同時(shí)由于減少了過粉碎帶的范圍，粉礦率也有所減少。

(3)由于爆破中上部形成水幕，可大大降低粉塵，而且減少了裝藥量，可降低爆破振動(dòng)。

2 加強(qiáng)水封塞爆破機(jī)理

2.1 高沖擊作用下水的特性

水是由分子組成的，水的運(yùn)動(dòng)特性與分子的狀態(tài)密切相關(guān)，然而工程上常不考慮個(gè)別分子的微觀狀態(tài)，而是把水看作由無數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)介質(zhì)。

在小沖擊力作用下，通常認(rèn)為這些質(zhì)點(diǎn)間不存在間隙。然而水質(zhì)點(diǎn)間畢竟存在著空隙，受壓縮作用下的水所表現(xiàn)出來的可壓縮性是對這一論點(diǎn)的最好證實(shí)，當(dāng)水受到象爆炸這樣的高沖擊載荷的作用時(shí)，其所表現(xiàn)出來的可壓縮性是不客忽視的［2］。

由于水的可壓縮性，水中沖擊波陣面上壓力的變化將引起波陣面上其他各水動(dòng)力學(xué)量的變化，當(dāng)炸藥在不同的介質(zhì)中進(jìn)行爆炸時(shí)，據(jù)前蘇聯(lián)有關(guān)實(shí)測資料表明:花崗巖沖擊波陣面上的初始?jí)毫?5 GPa;水介質(zhì)中為13.3 GPa;說明水中沖擊波陣面上的初始?jí)毫Φ陀趲r石，但其大小同屬于一個(gè)數(shù)量級(jí)，而與空氣相比則高出3個(gè)數(shù)量級(jí)［3］。因此，炸藥在水中爆炸時(shí)，水中的初始?jí)毫κ禽^高的。我們知道，水是難以壓縮的介質(zhì)，變形能損失較小，傳遞效率高。蘇聯(lián)查依認(rèn)為:“常壓下水中爆炸時(shí)，約97%爆炸能轉(zhuǎn)為水擊波能，故其作用強(qiáng)于巖石中的壓力波”。巴拉諾夫也認(rèn)為:“應(yīng)力波作用在巖體上的時(shí)間延長，并且強(qiáng)度增大”。這些都說明水做為媒介能更有效地傳遞炸藥爆炸的能量［4］。

在高壓下，水的壓縮性比巖石大，因此水又可作為炸藥爆炸產(chǎn)物與巖體之間的緩沖層，緩沖層的存在不但可以延長爆炸沖擊波對巖體的作用時(shí)間，而且可以減少或消除在礦巖中產(chǎn)生的塑性變形帶中的能量損失。炸藥爆炸后產(chǎn)生沖擊波，并將大量的水汽化并膨脹、壓縮，形成多次脈動(dòng)。第一次脈動(dòng)所形成的壓力波(二次壓力波)作用時(shí)間長，沖量大，它可以和沖擊波的能量相比擬。在爆炸氣體做功的同時(shí)，高壓的水?dāng)D入巖體裂隙之中，“水楔”更有利于巖體中裂隙的延伸和擴(kuò)展，在進(jìn)行的砂漿模型試驗(yàn)中也證實(shí)了“水楔”作用的存在［5］。

2.2 加強(qiáng)水封塞爆破水柱作用原理

炸藥被引爆后，猛烈地沖擊上部水柱，由于水在高沖擊載荷下的非彈性行為及水質(zhì)點(diǎn)間的能量損耗。該水柱中將出現(xiàn)一個(gè)衰減的波陣面，根據(jù)哈努卡耶夫進(jìn)行的波陣面衰減大量試驗(yàn)，得出各種波在水中的壓力峰值隨距離的衰減規(guī)律，詳見圖4。

圖4 波陣面壓力P隨距離衰減圖Fig.4 Figure of wavefront pressure P decay with distance

圖4中各種波陣面壓力隨距離的增加逐漸衰減，尤其在剛開始時(shí)，波陣面壓力很大，為峰值壓力，衰減的速率也相對較快。普通爆破時(shí)，這些壓力在炸藥周圍形成粉碎區(qū)，而在采用加強(qiáng)水封塞爆破裝藥結(jié)構(gòu)的炮孔中，主藥包起爆后，沖擊波波陣面沿炮孔軸向傳播的壓力傳到水柱中，水柱受到?jīng)_擊波波陣面壓縮后，吸收了波陣面的峰值壓力，當(dāng)波陣面壓力逐漸衰減后，水柱不再吸收壓力而轉(zhuǎn)為逐漸釋放吸收能量，從而延長了對巖體的作用時(shí)間。同時(shí)水柱吸收了壓縮區(qū)波陣面峰值壓力，減小損失在壓縮區(qū)的能量。而由于上部加強(qiáng)封塞藥包的作用，一方面使上部填塞更密實(shí)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)向下的作用力，使這段水柱更好的壓封在炮孔內(nèi)，由于水柱起到對能量的傳導(dǎo)作用，使得臺(tái)階更上部巖體受到更大的作用力，從而改善臺(tái)階上部巖石的破碎質(zhì)量［1］。

2.3 加強(qiáng)水封塞爆破能量增加率

設(shè)孔壁上壓力衰減無論對于爆炸波還是對水中沖擊波作用都具有相同的形式，這樣就可以近似計(jì)算高度為hw的水體傳入巖體能量與炸藥爆轟波傳入巖體能量的比。

設(shè)L為炮孔斷面周長，f(t)為應(yīng)力波在孔壁處的衰減函數(shù)，p0為炸藥對巖體初壓，hw為水柱高度，pw為水對巖體平均初壓，he為藥柱高度。則炸藥傳入巖體中應(yīng)力波總能量為

0.65為由于炸藥在孔壁處超粉碎區(qū)損失能量約35%能量后透射過去的應(yīng)力波能量比率［4］，由于水體壓力較低，不考慮產(chǎn)生粉碎區(qū)，則水體傳入巖體應(yīng)力波總能量為

則能量增加率

如 he=7 m，hw=3.5 m，巖石密度 ρ0=3 g/cm3，巖石縱波速度 Cp=4 500 m/s，炸藥密度 ρ=1.2 g/cm3，炸藥爆速D=4 500 m/s，水中波速取Cw=3 000 m/s，可計(jì)算得η =22%。

上面只是計(jì)算了水介質(zhì)對巖體傳入應(yīng)力波的能量增加率，實(shí)際上加強(qiáng)水封塞的作用不只是提高了炸藥的能量利用率，還在于該部分能量的增加大部分作用在臺(tái)階上部，而臺(tái)階上部恰恰是最容易出現(xiàn)大塊的區(qū)域。這就說明了加強(qiáng)水封塞爆破有利于臺(tái)階上部大塊的破碎，能有效降低上部大塊的產(chǎn)生率，從而改善爆破質(zhì)量，起到降本增效的作用。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

為了驗(yàn)證加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)的可行性及實(shí)用性，不僅進(jìn)行了大量的水泥砂漿模型試驗(yàn)，還在馬鋼(集團(tuán))控股有限公司南山礦業(yè)公司和尚橋鐵礦進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。爆破孔徑為200 mm，采用170 mm乳化炸藥裝藥，普通導(dǎo)爆管雷管單孔起爆網(wǎng)路，加強(qiáng)封塞藥包采用塑料袋捆扎牢固的半支或1/4支乳化炸藥(10 kg/支)。和尚橋鐵礦加強(qiáng)水封塞爆破與普通爆破相關(guān)數(shù)據(jù)比較及爆破效果見表1。

根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，采用加強(qiáng)水封塞爆破與普通爆破法相比，炸藥量降低10%以上，d50降低8%，d80下降10%，說明了加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)在露天深孔爆破應(yīng)用的可能性。在隨后進(jìn)行的大規(guī)模生產(chǎn)爆破試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)后，大塊率降低約45%，鏟裝效率提高16%，說明在露天深孔爆破中應(yīng)用加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)是成功的。

表1 加強(qiáng)水封塞爆破降藥幅度及效果Table 1 Explosives reducing and effect of stiffened water sealing blasting

4 分析與評價(jià)

(1)以水作為傳遞炸藥能量的工作介質(zhì)是提高爆破有效作用的有利措施。通過在含水露天礦爆破中的初步應(yīng)用，爆破效果顯著，不僅節(jié)約了爆破成本，還能有效降低大塊率，明顯提高了裝載效率，爆后后沖小，無根底。

(2)加強(qiáng)水封塞爆破裝藥結(jié)構(gòu)新穎、工藝簡單易于操作應(yīng)用。該技術(shù)適用范圍廣泛，易于在其他礦山尤其是深凹及含水礦床的礦山推廣應(yīng)用。

(3)使用該項(xiàng)技術(shù)不僅能瞬間將爆破產(chǎn)生的粉塵霧化結(jié)團(tuán)，極大地減少了爆破粉塵的產(chǎn)生，還可有效降低爆破振動(dòng)。

(4)合理的水柱高度及加強(qiáng)封塞藥包的藥量是提高爆破中炮孔炸藥能量利用合理分配的關(guān)鍵，這個(gè)數(shù)值與裝藥高度、填塞長度及填塞料緊密相關(guān)，還要做進(jìn)一步的研究。

(5)今后要進(jìn)一步對加強(qiáng)水封塞爆破各種裝藥結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，有待推廣加強(qiáng)水封塞爆破的全面應(yīng)用。

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