空氣間隔裝藥爆破在德興銅礦的應用試驗研究

吳朝陽

（江西銅業(yè)集團公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

1 引言

爆破技術(shù)在采礦工程和各種土石方工程中應用規(guī)模十分巨大。我國的爆破施工整體水平長期以來一直在不斷進步，不過依然存在著很多不足之處。傳統(tǒng)的連續(xù)裝藥方式往往存在單耗大、爆轟初壓過高、底部巖石過渡粉碎、炸藥能量分布不均等缺點，容易導致露天臺階底板平整度差、臺階頂部大塊多、爆破振動大、爆破成本居高不下等諸多不利因素［1］。如何有效的利用爆炸能量，充分發(fā)揮每一公斤炸藥的破巖效能，改善爆破質(zhì)量，降低爆破成本，減少危害效應成為露天礦山深孔爆破亟待解決的問題?？諝忾g隔裝藥自上世紀50年代提出至今過去半個世紀，在國內(nèi)外露天礦山已經(jīng)廣泛使用。氣體間隔器用于爆破主要有兩方面的作用：一是可以克服炸藥能量過于破碎臺階底部礦巖，保證底板平整，為下一臺階的穿孔作業(yè)創(chuàng)造良好的條件；二是可以使藥柱中心整體上移，適當縮減充填高度，有效降低臺階上部大塊，減少炸藥的單耗，控制爆破危害，降低爆破成本［2］。

德興銅礦是國內(nèi)大型露天銅礦，一方面，近年來隨著采剝?nèi)蝿盏募又兀屏吭絹碓酱?，每年所需炸藥量也隨之增加，如何提高爆破質(zhì)量、控制爆破成本成了當前急需解決的問題；另一方面，隨著開采深度的增加，露天采區(qū)最高出露邊坡已超過400m，采區(qū)臨近最終邊坡爆破的次數(shù)越來越多，爆破振動對邊坡的危害也越發(fā)明顯，為此德興銅礦引進空氣間隔器，利用空氣間隔裝藥的優(yōu)勢克服連續(xù)裝藥爆破帶來的諸多弊端，在保證爆破質(zhì)量的前提下，降低爆破成本，并控制爆破的危害效應。

2 空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)理論分析

在生產(chǎn)爆破中，人們很早就發(fā)現(xiàn)了裝藥結(jié)構(gòu)對爆破效果具有重要影響。經(jīng)過多種實踐，各種裝藥結(jié)構(gòu)應運而生?？諝忾g隔裝藥結(jié)構(gòu)作為一種行之有效的手法也得到了愈來愈多的運用。很多研究也已證明，空氣間隔裝藥技術(shù)在合適的礦巖條件與合理的爆破參數(shù)下可以達到良好的爆破效果。目前，對于空氣間隔裝藥爆破作用原理的闡述，一是可以大幅降低沖擊波峰值壓力，從而減少或避免了炸藥能量對底板的過渡粉碎；二是應力有效作用時間大幅延長，從而獲得了更大的爆破沖量；三是使比沖量分配更加均勻，空氣層的存在改變了沖量分配，炸藥分布的均勻性也得到了明顯改善［3-4］。

圖1 空體間隔器外觀和內(nèi)層袋

空氣間隔裝藥可假設為徑向不耦合裝藥，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［5］為：

式中：ρ為包括空氣柱在內(nèi)的炸藥折算密度；ρ0為炸藥密度；La為空氣柱長度；Lb為裝藥長度。

爆轟壓力［6］按下式計算：

式中：P2為按折算密度求算的爆轟壓力；k為等熵指數(shù)，K=3；D為炸藥爆速。

則爆炸脈沖的初始壓力（按平均爆轟壓力計算）［7］：

由沖量概念［8］得：

式中：t為爆破作用時間；I為爆破沖量。

令La/Lb=N(N為間隔值)，則：

由N的物理意義知，當N=0時，為連續(xù)柱狀裝藥；當N＞0時為空氣間隔裝藥，由（5）、（6）式可得：

所以，當A＞0時，即空氣間隔裝藥時，則有：

由此可見，空氣間隔裝藥可降低炸藥脈沖初始壓力，延長爆破作用時間。通過改變N值可調(diào)整爆炸脈沖初始壓力和爆破作用時間，從而達到改善爆破效果的目的。

3 空氣間隔器的工業(yè)試驗研究

3.1 試驗方案及試驗過程

為了進一步驗證空氣間隔器的作用原理及其對改善爆破效果方面的優(yōu)越性，本次試驗方案主要是通過對比使用空氣間隔器的同時減少單孔裝藥量和不減少單孔裝藥量來進行，從四個方面進行對比試驗，分別為同一面炮區(qū)使用間隔器與不使用間隔器且都不減藥對比試驗、相鄰炮區(qū)使用間隔器與不使用間隔器且都不減藥對比試驗、同一面炮區(qū)正常爆破與使用間隔器且減藥對比試驗、相鄰炮區(qū)正常爆破與使用間隔器且減藥對比試驗。試驗區(qū)域的巖性均為Ⅱ類巖，中等難爆，地質(zhì)條件相當且其他外部條件一致。通過以上四個方面的試驗分別對比爆后的爆破效果以及對爆破成本節(jié)約情況進行統(tǒng)計分析，同時，采用爆破振動測試儀對臨近固定邊坡、固定設施等需要控制的區(qū)域進行振動測試，對采用空氣間隔器與正常裝藥情況下通過數(shù)據(jù)對比，分析空氣間隔器的使用對降低爆破振動的作用，并得出結(jié)論。試驗共進行了9面炮的試驗，以其中一面炮為例進行說明。

以2015-10-13 的試驗為例，本次試驗為同一面炮區(qū)正常爆破與使用間隔器且減藥對比試驗，將同一面炮區(qū)分成兩部分，一部分進行正常裝藥爆破，做為對比區(qū)；另一部分進行空氣間隔并且減藥爆破，做為試驗區(qū)。其他外部條件一致。試驗地點為德興銅礦銅廠9#鉆，巖性屬于Ⅱ類巖，試驗共86個孔，放置氣體間隔器34個，隔離器放置在16m處，孔網(wǎng)參數(shù)7×8m2，設計孔深17.5m，總裝藥量為58t。爆破網(wǎng)路圖及施工數(shù)據(jù)記錄如圖2所示，爆破效果如圖3、圖4所示，爆后電鏟鏟挖效果如圖5所示，爆后底板標高如圖6所示。

圖2 爆破試驗起爆網(wǎng)路圖

圖3 爆破效果圖（對比區(qū)）

圖4 爆破效果圖（試驗區(qū)）

圖5 電鏟鏟挖效果

圖6 底板標高

爆破效果分析：（同一面炮正常爆破與使用間隔器且減藥對比試驗）試驗區(qū)為使用間隔器且減藥爆破，對比區(qū)為正常爆破。整面炮爆堆整體破碎度良好，其中對比區(qū)側(cè)后沖比較嚴重，隆起高度2m左右；試驗區(qū)爆堆隆起高度3m左右，兩邊后裂線整齊，塌落陷明顯，側(cè)后沖較少；挖掘后電鏟鏟挖后底板平整，試驗區(qū)與對比區(qū)相比，對比區(qū)工作面底板略有抬高。

3.2 試驗結(jié)果與分析

工業(yè)對比試驗共九面炮，試驗參數(shù)及結(jié)果如表1所示。

通過9面炮的試驗，爆破效果總結(jié)分析如下：

（1）在同一或相鄰爆區(qū)不減藥對比試驗中，使用空氣間隔器由于充填高度的減少，炸藥重心得到提高，爆堆隆起度比正常的爆堆要高，爆堆更為集中，對克服臺階頂部大塊有一定的幫助，大塊率得到一定程度的改善。

表1 工業(yè)試驗爆破參數(shù)及臺階平整度匯總表

（2）在同一或相鄰爆區(qū)減藥試驗對比中，使用空氣間隔器平均每個孔減少50～100kg炸藥量，合計節(jié)約14.95t炸藥，主要利用空氣間隔器空氣膨脹壓縮作用，使炸藥在孔內(nèi)分布的更均勻，延長爆生氣體作用時間，減藥后不影響其爆破效果。

（3）使用空氣間隔器裝藥時可以隔離孔底巖粉、泥漿，避免炸藥沖擊與之混合，有利于提高炸藥利用率。

（4）空氣間隔器放置在孔內(nèi)設計統(tǒng)一位置，有利于爆破后鏟挖作業(yè)面的平整，試驗數(shù)據(jù)表明，使用空氣間隔器工作面底板平整度控制在±30cm。

3.3 空氣間隔器對爆破振動的影響試驗

本次共開展了11次空氣間隔器實驗，并對試驗區(qū)域進行爆破振動測試，采用三通道并行采集數(shù)據(jù)如圖7所示，采樣頻率為10～50kHz，測量爆區(qū)側(cè)后方爆破振動強度如表2所示（表2為其中一面炮的振動強度值）。并對采用空氣間隔器與正常裝藥爆破下的振動數(shù)據(jù)進行對比，匯總于表3。

圖7 爆破三軸振動曲線圖

表2 爆破振動測試結(jié)果

表3 爆破測振數(shù)據(jù)匯總表

綜合以上的工業(yè)試驗及爆破測震結(jié)果表明，使用空氣間隔器后單孔裝藥量平均可以減少50～100kg，那么使用空氣間隔器后的爆破區(qū)域的百米PPV（爆破振動質(zhì)點速度）與未使用空氣間隔的百米PPV相比，振動降低了10%～30%不等，減震效果非常明顯。因此，建議在不影響生產(chǎn)的情況下，盡量使用空氣間隔器進行臨近邊坡區(qū)域爆破，并盡量減小爆破規(guī)模，清渣或薄壓碴爆破，以實現(xiàn)更好的控制爆破振動的目的。間隔器273個，間隔器成本為120元/個，炸藥成本以5元/kg計算，試驗期間使用間隔器節(jié)省爆破成本41990元，證明了通過使用空氣間隔器可以在不影響爆破質(zhì)量的情況下，降低爆破成本。

（3）空氣間隔器可以有效的降低爆破振動，工業(yè)試驗表明使用空氣間隔器的爆破區(qū)域的百米質(zhì)點振動速度明顯小于沒有使用空氣間隔器的區(qū)域。

4 結(jié)論

（1）通過使用空氣間隔器，可減少充填高度，提高炸藥重心，改善頂部破碎效果，同時，空氣間隔器的使用可以延長爆生氣體的作用時間，使炸藥在孔內(nèi)分布的更均勻，提高了炸藥的利用率。試驗區(qū)平均臺階平整度控制在±40cm以內(nèi)。

（2）空氣間隔器的使用對克服臺階頂部大塊有一定的幫助，改善了整體的破碎效果，同時降低了爆破成本，工業(yè)試驗期間共節(jié)省炸藥14.95t，使用

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