炸藥類型對(duì)富鐵礦爆破效果影響的試驗(yàn)研究*

楊仁樹，李煒煜，楊國(guó)梁，馬鑫民

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2. 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083）

崩落法采礦廣泛應(yīng)用于金屬礦山工程中，在鐵礦山的應(yīng)用更為普遍，地下鐵礦山中采用崩落法采礦的礦石產(chǎn)量已占總產(chǎn)量的約80%[1]。崩落法采礦爆破后礦石的塊度分布直接影響后續(xù)裝運(yùn)效率以及二次破碎工作量，同時(shí)炸藥成本在采礦成本中占據(jù)著不可忽視的一部分。因此，以較少的炸藥獲得較好的爆破效果，對(duì)提高采礦效率、降低采礦成本有重要意義。

通過(guò)理論分析[2-4]、數(shù)值計(jì)算[5-7]、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)[8-9]和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)[10-11]等方法，對(duì)多種工況下如何降低炸藥單耗和提升爆破效果已有大量研究。任鳳玉等[12]對(duì)無(wú)底柱分段崩落法扇形孔爆破機(jī)理進(jìn)行了研究，并通過(guò)改變起爆順序和裝藥結(jié)構(gòu)的方法，有效降低了試驗(yàn)區(qū)大塊率。譚卓英等[13]對(duì)露天深孔爆破爆破參數(shù)和大塊率之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，并對(duì)大塊產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。王新民等[14]以炸藥單耗為綜合輸出因子建立BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，優(yōu)選參數(shù)使得預(yù)測(cè)炸藥單耗得到明顯降低。劉慧等[15]用理論推導(dǎo)了炸藥單耗與爆破塊度分布分形維數(shù)的方程，并將此方程應(yīng)用于爆破塊度分布預(yù)測(cè)上。蔡建德等[16]基于Kuz-Ram 數(shù)學(xué)模型，建立了爆破參數(shù)與爆破塊度的關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)爆破效果的預(yù)測(cè)和爆破參數(shù)的優(yōu)化。

上述研究主要通過(guò)調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)、改變起爆方式或優(yōu)化施工工藝等方法，改善爆破效果和降低炸藥單耗，而對(duì)炸藥類型對(duì)爆破效果的影響研究較少。本文中，選用3 種不同類型的炸藥對(duì)鐵礦石試樣進(jìn)行爆破試驗(yàn)，通過(guò)爆破后鐵礦石試樣表面裂紋分形維數(shù)、試樣碎塊塊度分布曲線和塊度評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)試樣破壞程度和爆破效果進(jìn)行量化，對(duì)比分析炸藥爆熱、波阻抗和裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆破效果的影響。研究結(jié)果可為礦（巖）體爆破工程炸藥選型及新型炸藥研制提供參考。

1 爆破試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所需的試樣均為鞍鋼集團(tuán)弓長(zhǎng)嶺礦采礦工作面崩落的富鐵礦大塊加工。根據(jù)試驗(yàn)要求，選取完整性和均一性較好的富鐵礦大塊進(jìn)行取芯、切割，分別加工成 ?50 mm×100 mm、 ?50 mm×25 mm 的圓柱體試樣，和邊長(zhǎng)200 mm 的正方體試樣。其中，圓柱體試樣用于測(cè)試其靜態(tài)力學(xué)性能，正方體試樣用于鐵礦石爆破試驗(yàn)。使用巖石打磨機(jī)對(duì)加工得到的各試樣的端面和四周進(jìn)行打磨，試樣的端面不平行度和不垂直度均控制在±0.02 mm 以內(nèi)。加工好的鐵礦石試樣如圖1 所示。

圖1 鐵礦石試樣Fig. 1 Iron ore specimens

1.2 基本物理力學(xué)性能

如圖2 所示，采用TAW-3000 型電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行鐵礦石的靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)和巴西圓盤劈裂拉伸試驗(yàn)。單軸壓縮和劈裂拉伸試驗(yàn)都通過(guò)位移控制進(jìn)行加載，加載速率均為0.05 mm/min。富鐵礦石的基本力學(xué)參數(shù)分別為：抗壓強(qiáng)度σc=226.75 MPa，抗拉強(qiáng)度Ts=14.77 MPa，密度ρ=4.25 g/cm3，縱波波速vp=5.685 km/s，波阻抗Zr=24.160 Gg/(m2·s)?？箟簭?qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均為相同加載條件下3 次重復(fù)試驗(yàn)的平均值。如圖3 所示，正方體鐵礦石試樣的縱波波速測(cè)試系統(tǒng)由脈沖收發(fā)器、信號(hào)顯示器和聲波換能探頭3 部分組成。將正方體鐵礦石試樣劃分為9 個(gè)部分，對(duì)試樣每個(gè)部分縱波波速分別進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各試樣各部分縱波波速差別不大，離散性較小，正方體試樣縱波波速取9 個(gè)部分波速的平均值，上述鐵礦石縱波波速為各試樣縱波波速平均值。

圖2 TAW-3000 型巖石試驗(yàn)機(jī)Fig. 2 TAW-3000 rock testing machine

圖3 縱波波速測(cè)試系統(tǒng)Fig. 3 Longitudinal wave velocity test system

1.3 可爆性評(píng)價(jià)

為了確定富鐵礦爆破試驗(yàn)的炸藥類型和用藥量，也便于后續(xù)分析，有必要對(duì)富鐵礦礦體的可爆性進(jìn)行評(píng)價(jià)?；谏鲜龈昏F礦的基本物理力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合礦體的工程地質(zhì)狀況，參照文獻(xiàn)[17]，采用改進(jìn)后的哈氏可爆性分級(jí)方法，選用礦體裂隙程度、鐵礦石單軸抗壓強(qiáng)度、密度和波阻抗4 個(gè)指標(biāo)對(duì)礦體的可爆性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。該方法選用的評(píng)價(jià)指標(biāo)全面合理，且參數(shù)較易得到，能夠簡(jiǎn)單有效地對(duì)礦體的可爆性給出較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。綜合考慮這4 個(gè)可爆性評(píng)價(jià)指標(biāo)，將礦體可爆性分為5 個(gè)等級(jí)：（Ⅰ）易爆，（Ⅱ）中等可爆，（Ⅲ）難爆，（Ⅳ）很難爆，（Ⅴ）特別難爆。礦體可爆性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。參照文獻(xiàn)[17]的計(jì)分方法，結(jié)合富鐵礦的巖石物理力學(xué)參數(shù)和礦體的工程地質(zhì)參數(shù)，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)分別進(jìn)行打分；同時(shí)，考慮各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)礦體可爆性影響的差異性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各指標(biāo)賦予不同的權(quán)重，將各指標(biāo)的重要程度進(jìn)行區(qū)分。將各評(píng)價(jià)指標(biāo)加權(quán)后，得分相加得到總分?jǐn)?shù)18.8，按照可爆性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，本文中富鐵礦礦體屬于可爆性等級(jí)Ⅴ，即特別難爆礦體。評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

表1 巖體可爆性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standards of rock blastability

表2 富鐵礦礦體可爆性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Blastability evaluation results of high-grade iron ore

1.4 試驗(yàn)方案

依據(jù)上述富鐵礦礦石基本物理力學(xué)參數(shù)及礦體可爆性評(píng)價(jià)結(jié)果可知，該鐵礦石堅(jiān)硬致密、單軸抗壓和抗拉強(qiáng)度均較大，且礦體屬于特別難爆級(jí)別。因此，考慮選用二硝基重氮酚（DDNP）、黑索金（RDX）兩種高爆速、高威力的炸藥以及雷管進(jìn)行試驗(yàn)?？刂频V石類型、試件形狀及大小、炮孔直徑及深度、堵塞長(zhǎng)度和裝藥量等條件一致，改變炸藥品種，進(jìn)行爆破試驗(yàn)。按炸藥類型將試驗(yàn)分為A、B、C 組，每組進(jìn)行兩次重復(fù)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)分組情況如圖4 所示。雷管選用普通8 號(hào)工業(yè)電雷管，裝藥如圖5 所示。為了避免雷管底部聚能穴對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)前使用橡皮泥對(duì)雷管底部聚能穴進(jìn)行了封堵處理?？紤]雷管管殼內(nèi)徑為約6 mm，1 發(fā)8 號(hào)電雷管總裝藥量為1 g，選用內(nèi)徑6 mm的鐵管進(jìn)行DDNP 和DDNP+RDX 藥包的制作，且控制總裝藥量均為1 g，裝藥結(jié)構(gòu)如圖4 所示，藥包相關(guān)參數(shù)見表3。

圖4 試驗(yàn)分組Fig. 4 Experimental grouping

圖5 雷管裝藥Fig. 5 Detonator charges

表3 炸藥參數(shù)Table 3 Explosive parameters

需要說(shuō)明的是，DDNP 和RDX 爆熱均為按Brinkley-Wilson 方法計(jì)算的定容爆熱理論值，并未考慮裝藥密度等對(duì)實(shí)際爆熱的影響，計(jì)算的DDNP 和RDX 的爆熱分別為：1 811 和5 176 kJ/kg。對(duì)于DDNP+RDX 藥包和雷管，由于兩種炸藥的裝藥結(jié)構(gòu)均為分層裝藥而并非混合裝藥，因此并未按混合炸藥爆熱計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，而是按照DDNP 和RDX 的裝藥質(zhì)量比例計(jì)算了平均爆熱。

圖6 炮孔布置Fig. 6 Blast hole layout

由于裝藥密度對(duì)炸藥爆速影響較大，因此計(jì)算兩種炸藥爆速時(shí)，采用考慮裝藥密度的Kamlet 爆速經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。計(jì)算得到DDNP 和RDX 爆速D（單位km/s）和裝藥密度ρ（單位g/cm3）的關(guān)系式分別為：D=1.982(1+1.30ρ)，D=2.636(1+1.30ρ)。試驗(yàn)裝藥密度下，DDNP 和RDX 的爆速分別為3 429 和4 881 m/s，計(jì)算得到DDNP+RDX 藥包的平均爆速為3 975 m/s。對(duì)于雷管，結(jié)合圖5，計(jì)算得到其頭遍藥、二遍藥和三遍藥的爆速分別為8 324、7 536 和3 786 m/s，平均爆速為5 173 m/s。

試件打孔、裝藥及堵塞情況，如圖6 所示?？刂泼拷M試驗(yàn)炮孔深度均為120 mm，炮孔直徑均為8 mm，堵塞長(zhǎng)度均為50 mm。為便于收集爆破后的碎塊，爆破試驗(yàn)在500 mm 的立方體木質(zhì)實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行，并在實(shí)驗(yàn)箱底部和四周均粘上海綿和橡膠作為緩沖層，以防爆破碎塊撞擊箱壁產(chǎn)生二次破碎。其中，DDNP 藥包和DDNP+RDX 藥包通過(guò)埋入DDNP 中的探針連接發(fā)爆器進(jìn)行起爆。

2 結(jié)果及分析

爆破后A-2、B-2 和C-2 試樣破壞形態(tài)如圖7所示。圖7 為各試樣爆破碎塊拼湊后從不同面拍攝得到的試樣，未展示炮孔底部對(duì)應(yīng)的面。由圖7 可以看出：C-2 試樣破壞程度最為劇烈，大塊較少，小塊較多；B-2 試樣次之，A-2 試樣破壞程度最小，爆后碎塊塊度均較大。這表明，相同藥量雷管破巖效果最為劇烈，DDNP+RDX 藥包次之，DDNP 藥包破巖效果最弱。

圖7 試樣破壞形態(tài)Fig. 7 Sample failure patterns

為了客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)3 種藥包的爆破效果，有必要對(duì)各組試樣的破壞程度及碎塊大小進(jìn)行定量分析。本文中，將從爆后鐵礦石試樣表面裂紋的分布和碎塊塊度分布兩方面對(duì)爆破效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 表面裂紋分形維數(shù)

謝和平等[18]將分形理論應(yīng)用于巖石力學(xué)領(lǐng)域，并進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：巖石材料在爆炸荷載下的力學(xué)響應(yīng)（如微缺陷的形成、擴(kuò)展、貫通，巖石的斷裂、破碎等）表現(xiàn)出較強(qiáng)的數(shù)學(xué)及統(tǒng)計(jì)意義上的自相似性，爆破后巖石破裂面粗糙度、碎塊塊度及爆生裂紋分布規(guī)律等都具有明顯的分形特征。因此，可以通過(guò)分形方法定量地對(duì)巖石爆破效果做出較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

本文中，嘗試用分形理論對(duì)巖石表面爆生裂紋幾何分布進(jìn)行研究，確定其分形維數(shù)，從而對(duì)不同類型炸藥爆炸作用后巖石的破壞程度進(jìn)行定量的對(duì)比和分析。盒維數(shù)法計(jì)算簡(jiǎn)單方便，且能夠直觀反映目標(biāo)物在研究區(qū)域的占有程度，所以在計(jì)算圖像分形維數(shù)上得到了廣泛的應(yīng)用。由盒維數(shù)理論，在Rn中的任意非空有界目標(biāo)集合X 的盒維數(shù)為：

式中：δk為建立的以方形盒子尺寸為元素的遞減序列，Nδk(X)為用尺寸為δk的方形盒子覆蓋目標(biāo)集合X 時(shí)所需的最小網(wǎng)格數(shù)目。

用相機(jī)對(duì)爆破后試樣各表面進(jìn)行拍攝，并使用ImageJ 軟件對(duì)照片進(jìn)行處理，得到各試樣各表面的裂紋場(chǎng)灰度圖。使用自行編制的Matlab 盒維數(shù)計(jì)算程序?qū)叶葓D像進(jìn)行二值化處理，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分與統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而得到鐵礦石試樣各個(gè)面爆生裂紋的盒維數(shù)。相關(guān)計(jì)算流程及計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[19]。

圖8 A-2 試樣爆破后各面爆生裂紋盒維數(shù)擬合曲線Fig. 8 Fitting curves of box counting dimension for each surface of A-2 sample

A-2 試樣爆破后各個(gè)面爆生裂紋分布的二值化圖和lg Nδk-lg δk關(guān)系如圖8 所示。各擬合直線相關(guān)程度R2均大于0.99，線性相關(guān)度均較高，表明A-2 試樣爆破后各個(gè)面爆生裂紋幾何分布均表現(xiàn)了明顯的分形特征。各個(gè)面分形維數(shù)在1.2～1.5 之間，離散性較大，各個(gè)面裂紋數(shù)量及分布情況差別較大。因此，取5 個(gè)面分形維數(shù)的平均值作為試樣表面爆生裂紋的分形維數(shù)，以表征試樣表面爆生裂紋的整體分布情況，進(jìn)而定量反映試樣的破壞程度。其他試樣各個(gè)面爆生裂紋幾何分布，同樣具有明顯的分形特征。

圖9 分形維數(shù)對(duì)比Fig. 9 Fractal dimensions

計(jì)算結(jié)果表明，同組兩個(gè)試樣分形維數(shù)平均值差別較小。因此，只取A-2、B-2 和C-2 試樣表面爆生裂紋分形維數(shù)，分析不同炸藥作用后鐵礦石試樣表面爆生裂紋幾何分布特征。各組試樣分形維數(shù)散點(diǎn)圖和平均值折線圖，如圖9 所示。由圖9 可以看出：雷管爆炸作用后，鐵礦石各個(gè)面爆生裂紋分形維數(shù)分布區(qū)間較集中，離散性較??；DDNP+RDX 條形藥包爆炸作用后，各個(gè)面爆生裂紋分形維數(shù)分布區(qū)間最寬，離散性最大；DDNP 條形藥包居中。這是由各藥包裝藥結(jié)構(gòu)差異造成的。雷管在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)壓藥處理，裝藥密度大、裝藥集中、炸藥集中在雷管底部，可近似看作球形藥包。因此，鐵礦石受雷管爆炸作用后，爆炸應(yīng)力波和爆生氣體對(duì)距離爆源相同距離處巖體的作用差別較小，在鐵礦石各個(gè)面爆生裂紋幾何分布差異性較小。而DDNP 藥包和DDNP+RDX 藥包在實(shí)驗(yàn)室條件下并未進(jìn)行壓藥處理，裝藥密度較小，裝藥高度遠(yuǎn)大于裝藥直徑。條形藥包可以看成由連續(xù)的小藥柱組成，每個(gè)離散的小藥柱可以看作獨(dú)立的球形藥包爆源，鐵礦石在條形藥包爆炸作用下，每個(gè)球形藥包依次爆炸，各自形成球面波并在鐵礦石中傳播。各球形藥包空間位置不同，且起爆時(shí)間存在一個(gè)極小的時(shí)間差，正是由于這種空間和時(shí)間上的差異，控制著各球面波在鐵礦石中的疊加作用，導(dǎo)致鐵礦石中的爆炸應(yīng)力場(chǎng)分布較集中裝藥更為復(fù)雜，且距離爆源相同距離處巖體的受力特征差異性更大，進(jìn)而在鐵礦石各個(gè)面爆生裂紋幾何分布差異性較大。相對(duì)DDNP 藥包，DDNP+RDX 藥包涉及兩種不同性能炸藥的分層裝藥，DDNP+RDX 藥包在鐵礦石中爆炸后，鐵礦石中的爆炸應(yīng)力場(chǎng)分布更加復(fù)雜且更加不均勻，因而鐵礦石各個(gè)面爆生裂紋的分布差異性更大。

同時(shí)，由圖9 可以看出：鐵礦石表面裂紋分形維數(shù)平均值由高到低順序?yàn)槔坠?、DDNP+RDX 藥包、DDNP 藥包。即在相同裝藥量條件下，雷管爆炸作用后會(huì)在鐵礦石表面形成較多的爆生裂紋，鐵礦石破壞程度最為劇烈，DDNP+RDX 藥包次之，DDNP 藥包爆炸對(duì)鐵礦石破壞程度最小。這由不同類型炸藥爆熱及其與鐵礦石波阻抗匹配程度不同造成。爆熱是炸藥爆炸釋放能量大小及做功能力的一種表征參數(shù)[20]，一定條件下，相同藥量炸藥，炸藥爆熱越大，爆炸釋放的能量越大，做功能力也越強(qiáng)。而且，炸藥爆炸后能量利用率與炸藥鐵礦石波阻抗匹配程度有關(guān)。爆炸后炸藥能量傳遞給鐵礦石表現(xiàn)為兩個(gè)部分：炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波、沖擊波作用于鐵礦石以及爆炸產(chǎn)生的高溫高壓的氣體攜帶的能量傳遞給鐵礦石。這里，僅考慮爆炸產(chǎn)生的爆轟波、沖擊波作用于鐵礦石的能量傳遞效率和炸藥鐵礦石波阻抗匹配程度之間的關(guān)系。由文獻(xiàn)[8]可知，彈性變形條件下，應(yīng)力波垂直于介質(zhì)分界面從介質(zhì)1 向介質(zhì)2 傳播時(shí)，涉及應(yīng)力波的反射和透射，能量反射系數(shù)和透射系數(shù)為：

式中：ρ1和ρ2分別為介質(zhì)1 和介質(zhì)2 的密度，c1和c2分別為介質(zhì)1 和介質(zhì)2 的波速，ηr為能量反射系數(shù)，ηt為能量透射系數(shù)。

由式（2）～（3）可知，介質(zhì)1 和介質(zhì)2 的波阻抗匹配程度越高，能量反射系數(shù)越小，透射系數(shù)越大，能量傳遞效率越高，當(dāng)介質(zhì)1 和介質(zhì)2 的波阻抗相等時(shí)，能量將完全透射，介質(zhì)1 能量全部傳遞至介質(zhì)2。在實(shí)際爆炸過(guò)程中，雖不能完全滿足應(yīng)力波的垂直入射和彈性變形等條件，但能量傳遞效率和波阻抗匹配程度之間的正相關(guān)性是可以滿足的。由表3 可知：按爆熱大小的順序?yàn)槔坠堋DNP+RDX、DDNP；按與鐵礦石波阻抗匹配系數(shù)大小的順序?yàn)槔坠?、DDNP+RDX、DDNP。由上述分析可知，在相同裝藥量條件下，雷管爆炸產(chǎn)生的能量更多，且能量利用率更高。那么，鐵礦石在雷管爆炸作用下破壞程度必然會(huì)更劇烈，鐵礦石表面必然會(huì)產(chǎn)生更多的爆生裂紋，按表面爆生裂紋分形維數(shù)平均值大小的順序?yàn)镃-2 試樣、B-2 試樣、A-2 試樣。

2.2 爆破塊度分布

試樣爆破后，收集爆破箱內(nèi)的碎塊，并進(jìn)行篩分統(tǒng)計(jì)，確定試樣爆破塊度的總體分布情況。篩孔孔徑每間隔10 mm 為1 級(jí)。在塊度篩分基礎(chǔ)上，分別按常用的兩種描述爆破塊度總體分布的羅森-萊姆勒（Rosin-Rammlar）分布函數(shù)（R-R 分布）和蓋茨-高丁-舒曼（Gates-Gaudin-Schuman）分布函數(shù)（G-G-S 分布），對(duì)試件爆破塊度的分布進(jìn)行回歸分析。

R-R 分布和G-G-S 分布的函數(shù)形式分別為：

式中：y 為通過(guò)篩孔尺寸x 的累積質(zhì)量比，x0、n 為分布參數(shù)。

回歸分析結(jié)果表明，試驗(yàn)條件下，爆破塊度的G-G-S 分布函數(shù)的擬合度更高，更能反映爆破塊度的總體分布情況。所以，對(duì)每組爆破試件，均按G-G-S 分布函數(shù)進(jìn)行回歸計(jì)算，并根據(jù)回歸函數(shù)，得到描述爆破效果的相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)。3 組試件爆破塊度總體分布情況及其分布函數(shù)如圖10 所示，見表4。由圖10 和表4 可知，3 組試件爆破后碎塊塊度均較好地服從G-G-S 分布，且各組試件爆破塊度分布表現(xiàn)了良好的可重復(fù)性，相同試驗(yàn)條件下分布函數(shù)基本一致。

圖10 爆破塊度分布Fig. 10 Blasting fragmentation distributions

表4 爆破塊度分布函數(shù)參數(shù)Table 4 Parameters of blasting fragmentation distribution function

分析不同炸藥爆炸作用后鐵礦石試樣的爆破塊度分布曲線，如圖11 所示。將塊度分布曲線中通過(guò)率為0.50 時(shí)對(duì)應(yīng)的尺寸定義為試樣的平均破碎尺寸，可見雷管爆炸作用后鐵礦石試樣平均破碎尺寸(171 mm)最小。DDNP+RDX 藥包和DDNP 藥包爆炸作用后試樣平均破碎尺寸差別較小，均為220 mm左右，明顯大于C 組試樣平均破碎尺寸。3 組試樣塊度分布在通過(guò)率約0.62，表現(xiàn)了兩種不同的分布關(guān)系，因此，以通過(guò)率0.62 為分界線，將塊度分布曲線分為兩個(gè)區(qū)Ⅰ和Ⅱ，通過(guò)率大于0.62 表征較大塊破碎尺寸（區(qū)Ⅱ），通過(guò)率小于0.62 表征中小塊破碎尺寸（區(qū)Ⅰ）。對(duì)比3 組試樣塊度分布曲線，可以看出：在區(qū)Ⅰ（小塊破碎尺寸），按通過(guò)率大小的順序?yàn)镃 組、A 組、B 組；在區(qū)Ⅱ（大塊破碎尺寸），按通過(guò)率大小的順序?yàn)镃 組、B 組、A 組。

為了對(duì)試樣爆破后的塊度分布特征進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)分析，參考相關(guān)文獻(xiàn)[21-22]，提出了5 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別為小塊破碎尺寸（d10）、平均破碎尺寸（d50）、大塊破碎尺寸（d90）、塊體不均勻系數(shù)（d90/d50）和最大塊度（dmax）。各指標(biāo)的含義及獲取方式如下。（1）小塊破碎尺寸（d10）：塊度分布曲線中通過(guò)率為0.10 時(shí)對(duì)應(yīng)的尺寸；該值越小，爆破碎塊的小塊尺寸越小。（2）平均破碎尺寸（d50）：塊度分布曲線中通過(guò)率為0.50 時(shí)對(duì)應(yīng)的尺寸；該值越小，爆破碎塊塊體尺寸的平均值越小。（3）大塊破碎尺寸（d90）：塊度分布曲線中通過(guò)率為0.90 時(shí)對(duì)應(yīng)的尺寸；該值越大，爆破碎塊的大塊尺寸越大。（4）塊體不均勻系數(shù)（d90/d50）：大塊破碎尺寸與平均破碎尺寸的比；該值越大，塊度分布均勻性越差。（5）最大塊度（dmax）：塊度分布曲線中通過(guò)率為1.00 時(shí)對(duì)應(yīng)的尺寸；該值越大，爆破碎塊的大塊尺寸越大。

根據(jù)擬合的爆破塊度分布函數(shù)，分別計(jì)算得到各試樣的爆破塊度分布評(píng)價(jià)指標(biāo)，見表5。根據(jù)表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)的平均值，作爆破塊度分布評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比圖，如圖12 所示。

圖11 爆破塊度分布對(duì)比Fig. 11 Comparisos of blasting fragmentation distributions

圖12 爆破塊度分布評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig. 12 Evaluation indexes of blasting fragmentation distribution

表5 爆破塊度分布評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 5 Evaluation indexes of blasting fragmentation distribution

由表5 和圖12 可知：雷管爆破后試樣小塊、平均塊度和大塊尺寸均最小，但塊度分布均勻性最差；DDNP 藥包爆破后大塊尺寸最大，且塊度分布均勻性居中；DDNP+RDX 藥包爆破后大塊尺寸處于中間水平，小塊和平均塊度尺寸最大，但該組試件爆破塊度分布均勻性最好。

綜合分析塊度分布曲線和塊度分布評(píng)價(jià)指標(biāo)，可知：使用雷管爆破后，試樣大塊較少，小塊較多，塊度分布不均勻；使用DDNP+RDX 藥包爆破后，小塊較少，試樣塊度大多處中間水平，塊度分布均勻性好；使用DDNP 藥包爆破后，試樣大塊較多，大塊率高。

結(jié)合第2.1 節(jié)可知：雷管爆熱和波阻抗均較大，爆炸后釋放更多的能量且能量利用率更高，鐵礦石試樣必然會(huì)破壞得更加劇烈，因此爆破后產(chǎn)生較少的大塊和較多的小塊；而DDNP 藥包爆熱和波阻抗均較小，爆炸后釋放的能量較少且能量傳遞效率低，鐵礦石試樣不能得到充分的破碎，爆破后必然會(huì)產(chǎn)生較多的大塊；相對(duì)而言，DDNP+RDX 藥包爆炸后產(chǎn)生的能量居中，不僅能使鐵礦石試樣得到有效的破碎（大塊較少），并使炸藥能量得到充分有效的利用（小塊較少），爆破后碎塊塊度大多處于中間水平，塊度分布均勻性好，爆破效果較好。

3 討 論

金屬礦崩落法采礦及巷道鉆爆法掘進(jìn)等工程中，爆破效果優(yōu)劣的評(píng)價(jià)必然涉及炸藥單耗和爆破礦（巖）體碎塊塊度分布等問(wèn)題。爆破工程中，降低炸藥單耗及碎塊大塊率（減少二次破碎以及運(yùn)輸?shù)裙ぷ髁浚┠軌蛴行岣呤┕ば?，降低施工成本。因此，較好的爆破效果應(yīng)表現(xiàn)為，炸藥單耗較小且爆破碎塊大塊和小塊均較少，碎塊塊度分布均勻。

在保證爆破質(zhì)量的基礎(chǔ)上，要降低炸藥單耗，必然要求炸藥能量能夠得到合理有效利用。炸藥能量合理有效利用在爆破塊度分布上體現(xiàn)為兩個(gè)方面：（1）炸藥爆炸產(chǎn)生的能量應(yīng)該足夠大，使礦（巖）體得到充分有效破碎，從而產(chǎn)生較少的大塊或者無(wú)大塊；（2）炸藥爆炸產(chǎn)生的能量不應(yīng)過(guò)大，炸藥能量過(guò)大會(huì)產(chǎn)生較多的小塊，造成炸藥能量的浪費(fèi)。同時(shí)，炸藥能量合理有效利用還表現(xiàn)在炸藥波阻抗應(yīng)與礦（巖）體波阻抗有較高的匹配程度，使爆炸應(yīng)力波攜帶的能量在礦（巖）體中有較高傳遞效率，從而提高炸藥能量的利用率。

炸藥爆熱是炸藥爆炸釋放能量的一種表征參數(shù)，而炸藥與被爆礦（巖）體波阻抗匹配程度能反映炸藥能量傳遞效率的高低。因此，在爆破工程炸藥選型時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮炸藥密度、爆熱和爆速3 個(gè)參數(shù)。合理的炸藥選型應(yīng)根據(jù)礦（巖）體的工程地質(zhì)條件、物理力學(xué)參數(shù)及可爆性，選擇與其波阻抗匹配且爆熱合適的炸藥。就鐵礦采礦而言，鐵礦石密度、縱波波速、抗壓和抗拉強(qiáng)度等一般都較大，可爆性較差，必然要選擇高密度、高爆速的炸藥；而炸藥爆熱的選擇，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的實(shí)際爆破塊度分布情況進(jìn)行調(diào)整，在施工條件允許的情況下，在炸藥中加入或減少鋁粉、鎂粉等高熱量金屬元素粉末是一種較為簡(jiǎn)便的調(diào)節(jié)方法。

受條件限制，本文中試驗(yàn)組較少，僅定性研究了炸藥爆熱和波阻抗對(duì)試樣爆破效果的影響。下一步，可進(jìn)行更多組不同爆熱和波阻抗炸藥的對(duì)比試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合數(shù)值計(jì)算，以期對(duì)炸藥爆熱和波阻抗對(duì)爆破效果的影響給出更為準(zhǔn)確的判斷。

4 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)條件下，DDNP+RDX 藥包爆破效果最優(yōu)。

（2）炸藥裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸應(yīng)力場(chǎng)的分布有明顯影響，條形藥包松散裝藥比集中裝藥、多種炸藥分層裝藥比單一炸藥裝藥，更使距爆源相同距離處爆炸應(yīng)力場(chǎng)分布的均勻性變差，使鐵礦石試樣各個(gè)面爆生裂紋分形維數(shù)的離散性變大。

（3）炸藥爆熱和波阻抗分別影響炸藥爆炸能量釋放和能量傳遞效率。高爆熱、高波阻抗匹配的炸藥爆炸后會(huì)釋放更多的能量且能量利用率更高，作用于鐵礦石后，鐵礦石破壞程度更加劇烈：試樣表面裂紋分形維數(shù)平均值更大，爆炸產(chǎn)生的小塊更多、大塊更少。

（4）炸藥爆炸能量合理有效利用應(yīng)保證：在較高的能量傳遞效率的基礎(chǔ)上，炸藥爆炸產(chǎn)生的能量使礦（巖）體破碎產(chǎn)生的大塊和小塊均較少。

（5）爆破工程中，炸藥選型時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮炸藥密度、爆熱和爆速3 個(gè)參數(shù)，根據(jù)礦（巖）體的工程地質(zhì)條件、物理力學(xué)參數(shù)及可爆性選擇與之波阻抗匹配且爆熱合適的炸藥。