粒狀銨油炸藥在臺車鑿巖掘進爆破中的應用研究

王紅心

(金誠信礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100070)

贊比亞謙比希銅礦使用大型無軌設備掘進和采礦，主要巷道斷面尺寸大，目前主要礦體開采方法為進路式上向水平分層充填法[1-2]，主要開拓采準巷道斷面達到寬×高為4.5 m×4 m和4.5 m×4.5 m， 采場進路斷面尺寸寬×高達6 m×4.5 m，這些大斷面巷道和采場進路均使用鑿巖臺車鉆孔爆破掘進和采礦，鉆孔直徑46～48 mm。以往掘進和進路式采礦爆破使用卷裝乳化炸藥，均為人工裝藥，裝藥環(huán)節(jié)的手工化與謙比希銅礦正在推行的信息化機械化作業(yè)很不協調。而且隨著開采深度的增加，地應力活動加劇，出現越來越多的破碎炮孔，手工炮棍裝卷裝炸藥困難，裝藥效率很低。而且在贊比亞當地卷裝乳化炸藥價格昂貴，而散裝粒狀銨油炸藥價格低廉。為降低炸藥成本，提高裝藥效率，改善掘進爆破效果，在巷道掘進和進路式采礦爆破中試驗使用粒狀銨油炸藥，部分替代卷裝乳化炸藥，很有必要。在不涌水巷道掘進的掏槽孔和輔助孔裝藥中試用價格低廉的粒狀銨油炸藥，使用當地易于購買的便攜式散狀炸藥風動裝藥器裝藥代替人工炮棍裝填卷裝乳化炸藥，由于使用散狀粒狀銨油炸藥代替卷裝乳化炸藥，炮孔裝藥由原來裝填藥卷時的不耦合裝藥變?yōu)轳詈涎b藥，炸藥爆炸能量對孔壁和巖石的作用發(fā)生了變化，爆破孔網參數也需進行調整優(yōu)化。本文對謙比希銅礦掘進斷面的布孔和裝藥參數進行了探討研究，確定了優(yōu)化的爆破方案，經現場生產試驗進行了驗證。

1 礦區(qū)巖層情況

謙比希銅礦成礦作用為沉積變質作用，礦體為礦化板巖(f=8)，上盤為粗礫巖(f=8～10)，下盤巖層依次為礦體下盤礫巖(f=8～10)、泥質石英巖(f=10～12)、長石石英巖(f=10～12)和基底花崗巖(f=12～14)[3]。主要脈外開拓、采準巷道布置在基底花崗巖、長石石英巖、泥質石英巖和下盤礫巖中，進路式分層充填法采場進路在礦體中掘進。采場開采前已將布置采切工程的礦體和圍巖中的水疏干，即大部分采切巷道的圍巖及礦體已不含水，具備在巷道掘進爆破中使用不防水的散狀粒狀銨油炸藥的條件。

2 布孔裝藥參數優(yōu)化

2.1 炮孔裝藥臨界直徑

銨油炸藥一般用于露天或地下大直徑深孔爆破，炮孔直徑為76～165 mm或更大。而地下掘進爆破炮孔直徑顯著減小，氣動鑿巖機鉆鑿的炮孔直徑一般為35～40 mm，謙比希銅礦巷道掘進和進路式采礦使用鑿巖臺車，采用Φ45 mm鉆頭鉆孔，炮孔直徑為46～48 mm。

炸藥爆炸的臨界直徑理論表明，不同種類炸藥藥柱在不同的約束條件下達到穩(wěn)定爆轟的臨界直徑不同。理論分析和銨油炸藥在接近臨界直徑條件下的爆轟性能和影響因素試驗研究[4]表明：PVC管約束的銨油炸藥臨界直徑為45 mm，鋼管約束的銨油炸藥臨界直徑為25 mm；隨著約束條件的增強其臨界直徑減小。巖巷掘進炮孔的約束條件為巖石，約束強度介于鋼管與PVC管之間，可初步認為巖石炮孔的臨界直徑為25～45 mm。

上述理論研究和試驗結果表明，巷道掘進中使用鑿巖臺車鉆鑿的炮孔直徑大于45 mm，孔內耦合裝藥的粒狀銨油炸藥藥柱直徑大于臨界直徑，孔內銨油炸藥起爆后能夠實現穩(wěn)定的理想爆轟。

2.2 掏槽爆破參數

在巷道掘進爆破中，掏槽方式和掏槽布孔參數的合理選擇非常關鍵，直接影響爆破進尺。合理的掏槽孔爆破參數可以有效提高掏槽爆破效率，如果掏槽孔間距過大，爆破產生的能量無法將巖石破碎并有效拋出；如果掏槽孔間距過小，掏槽爆破容易產生擠死現象。謙比希銅礦臺車掘進采用4個空孔的五星直孔掏槽方式[5]，如圖1所示，裝藥炮孔直徑46 mm，空孔直徑102 mm。

圖1 掏槽孔布置方式Fig.1 Parameters and layout of cutting holes

參考類似爆破條件的分析計算[6]，綜合考慮謙比希銅礦巖石物理力學特性等因素，根據多次現場掏槽試驗和謙比希銅礦井下臺車掘進爆破生產實踐，首爆掏槽孔到空孔的距離控制在Rc=140～180 mm，空孔的距離d=200～250 mm，掏槽孔的距離h=400～500 mm。

2.3 周邊孔間距和光爆層厚度

周邊孔的距離是影響巷道輪廓成型的重要因素。以應力波干擾理論為依據，合理的周邊孔間距以兩孔在連線上疊加的切向應力大于巖石的抗拉強度為基礎進行計算[7]。

光爆效果的好壞，除受周邊孔間距和周邊孔裝藥結構的影響外，也受光爆層厚度(最小抵抗線W)的影響，由公式m=E/W=0.8～1可計算出光爆層厚度。m為臨近系數，表征周邊孔間距E與光爆層厚度W的比值，巖石松軟、破碎、節(jié)理發(fā)育時取0.6～0.8，巷道斷面小或者巖石特別堅固時取1～1.2。

根據上述理論分析，結合謙比希銅礦巖石物理力學特性，為了得到較好的光面爆破效果，巷道頂板孔間距確定為500～600 mm，邊墻孔間距控制在550～650 mm。在周邊孔間距已定的條件下，由于輔助孔為銨油炸藥耦合裝藥，爆破能量利用率高，臨近系數m取小值0.8，頂部光爆層厚度為625～750 mm，邊墻光爆層厚度為680～800 mm。

依據上述分析優(yōu)化，掘進斷面周邊孔布置和掏槽孔孔數與使用卷裝乳化炸藥時相同，掏槽孔孔距在裝粒狀銨油炸藥時根據巖性進行微調。由于輔助孔裝填粒狀銨油炸藥，實現了耦合裝藥，消除了炸藥爆轟時的間隙效應，炸藥爆炸的能量利用率得到提高，所以光爆層厚度及輔助孔間距都較裝填卷裝乳化炸藥時增大，井下掘進爆破優(yōu)化試驗表明，輔助孔數比裝填卷裝乳化炸藥時減少3～4個。圖2為掏槽孔和輔助孔裝填粒狀銨油炸藥時的布孔參數圖。

圖2 掘進巷道斷面炮孔布置圖(單位：mm)Fig.2 Parameters and layout of blast holes

2.4 裝藥

掏槽孔和輔助孔采用粒狀銨油炸藥裝藥，炮孔底部裝一節(jié)Φ32 mm或Φ38 mm乳化藥卷連接導爆管雷管作為起爆藥，底板孔需加大藥量，并且，為防孔內灌入鑿巖用水，使用Φ38 mm乳化藥卷連續(xù)裝藥。

為保證巷道成型規(guī)整，周邊孔采用小藥量不耦合空氣間隔裝藥方式，每孔裝入長3 m的竹片，竹片上用膠帶間隔綁Φ25 mm的乳化藥卷，藥卷用3.7 m導爆索連接，炮孔底部的一節(jié)藥卷插入雷管進行反向起爆。

掏槽孔和輔助孔裝粒狀銨油炸藥所需高壓風的動力源為一臺3 m3空壓機，裝藥設備采用贊比亞當地生產的便攜式塑膠小型裝藥器。裝藥時將銨油炸藥倒入裝藥器，人工持裝藥管插入炮孔內，接通高壓風后，打開閥門，高壓風將裝藥器中的炸藥吹入炮孔內，完成一個炮孔的裝藥。與裝填卷裝炸藥相比，銨油炸藥裝藥時間更短，對于某些礦巖體破碎、容易產生塌孔的工作面，銨油炸藥更容易實現孔內連續(xù)耦合裝藥。

2.5 炮孔堵塞

炮孔裝藥后，為改善爆破效果，使用自制炮泥對炮孔進行堵塞。各炮孔裝藥系數和填塞長度分別為：掏槽孔裝藥系數90%～95%，孔口炮泥堵塞0.1～0.2 m；輔助孔裝藥系數70%～85%，孔口炮泥堵塞0.3～0.35 m；周邊孔裝藥系數45%～60%，孔口炮泥堵塞0.3 m；底孔裝藥系數90%，孔口炮泥堵塞0.3～0.4 m。

3 井下試驗和推廣應用

3.1 井下掘進驗證試驗

按照優(yōu)化后的爆破參數和裝藥結構，在謙比希銅礦西礦體400 m水平采區(qū)400～500 m水平1#盤區(qū)斜坡道掘進工程中進行了試驗，巷道設計斷面4.5 m×4.5 m，共實施了9次掘進爆破試驗，總進尺30.6 m，最高進尺3.8 m，最低進尺3.1 m，平均進尺3.4 m。與同一地段前期使用卷裝乳化炸藥掘進統計相比較，單循環(huán)進尺增加了0.3～0.5 m，每循環(huán)裝藥環(huán)節(jié)節(jié)省裝藥時間15%。

3.2 效益分析

選取井下試驗的謙比希銅礦西礦體400 m水平采區(qū)4.5 m×4.5 m(寬×高)巷道掘進斷面進行經濟效益分析。巷道斷面的裝藥方式分為原卷狀乳化炸藥裝藥和散狀粒狀銨油炸藥裝藥兩種，兩者的頂板孔、邊墻孔和底板孔裝藥方式相同；掏槽孔和輔助孔裝藥方式不同，由于散狀藥裝藥方式可實現炮孔耦合裝藥并消除炸藥爆炸的間隙效應，炸藥爆炸能量更多地用于有效破碎巖石，經優(yōu)化后的散狀藥裝藥斷面輔助孔比卷裝乳化炸藥裝藥方式減少3個。對兩種不同裝藥方式爆破的炸藥成本進行對比。

傳統的卷藥裝藥巷道斷面掏槽孔采用Φ38 mm×0.67 kg藥卷，輔助孔采用直徑Φ32 mm×0.52 kg藥卷，卷裝乳化炸藥總裝藥量157.2 kg；散狀藥裝藥巷道斷面掏槽孔和輔助孔使用一節(jié)Φ32 mm為起爆藥卷，孔內裝入散狀藥，每孔裝藥量3.2 kg，使用粒狀銨油炸藥的掘進面每循環(huán)裝入卷裝藥62.26 kg，粒狀銨油炸藥96 kg。卷裝乳化炸藥單價為1.7 MYM/kg，散狀粒狀銨油炸藥單價為0.82 MYM/kg。計算可得，使用卷裝乳化炸藥裝藥，每循環(huán)炸藥成本為267.24 MYM；掏槽孔和輔助孔使用粒狀銨油炸藥的掘進作業(yè)面，每循環(huán)炸藥成本為184.56 MYM。使用卷裝乳化炸藥的掘進面每循環(huán)平均進尺3.1 m，掏槽孔和輔助孔使用粒狀銨油炸藥的掘進面平均進尺為3.4 m。則使用卷裝乳化炸藥掘進爆破破巖炸藥成本為4.26 MYM/m3，掏槽孔和輔助孔使用粒狀銨油炸藥的掘進作業(yè)面爆破破巖炸藥成本為2.68 MYM/m3，使用粒狀銨油炸藥掘進面比傳統使用卷裝乳化炸藥的掘進面掘進爆破節(jié)省裝藥成本1.58 MYM/m3。

另外，掏槽孔和輔助孔使用粒狀銨油炸藥裝藥掘進斷面減少炮孔數量，使用機械化裝藥節(jié)省裝藥時間，不僅進一步節(jié)省了鉆孔成本和裝藥人工成本，還提高了鉆孔裝藥效率。

3.3 推廣應用

在進行井下試驗取得良好技術經濟指標的基礎上，依據優(yōu)化后的鉆孔爆破方案，補充制定了相應的掘進鉆孔爆破技術規(guī)范，在謙比希銅礦全礦開拓、采切巷道掘進和進路式采礦爆破中推廣應用。到目前為止，主礦體采區(qū)使用率為15%(因涌水量大使用受限)，西礦體推廣應用率為33.5%，東南礦采區(qū)開拓采切工程使用率為62%。粒狀銨油炸藥在謙比希銅礦各礦區(qū)巷道掘進和進路式采礦法爆破中的推廣使用，減少了鉆孔裝藥時間，提高了炮效，降低了爆破成本，增大了循環(huán)進尺，改善了巷道掘進光爆效果，縮短了巷道工程施工工期，增大了進路式采礦法采場出礦能力，取得了顯著的經濟效益。

4 結論

1)現場試驗和井下生產實踐表明，在不涌水的巷道掘進爆破中，掏槽孔和輔助孔裝藥采用銨油炸藥代替卷裝乳化炸藥，在鑿巖臺車鉆孔46 mm及以上直徑的炮孔裝藥能夠實現銨油炸藥的理想爆轟。

2)根據圍巖條件進行理論計算，優(yōu)化了布孔參數；對炮孔裝藥結構進行優(yōu)化，提出了合理的炮孔堵塞措施；采用便捷式裝藥器對散狀藥炮孔進行機械化裝藥，提高了裝藥效率，降低了炸藥成本。

3)按優(yōu)化的爆破方案進行了井下試驗，并推廣應用到巷道掘進和進路式采礦爆破生產中，改善了巷道斷面輪廓和成型質量，提高了爆破進尺，大幅度降低了爆破成本，取得了顯著的經濟效益。