ANFO在炮孔中的殉爆起爆試驗(yàn)研究?

余德運(yùn) 謝 烽 王旭耀

北方爆破科技有限公司(北京，100097)

引言

空氣間隔爆破技術(shù)已在世界采礦業(yè)中得到了大量的應(yīng)用。早在19世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)學(xué)者M(jìn)elnioko和Marchenkov[1-2]提出空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)的特點(diǎn):一是降低初始爆壓，控制過度粉碎區(qū)；二是增大爆破作用時(shí)間，使爆炸沖量增大；三是應(yīng)力波反射作用，增強(qiáng)應(yīng)力場(chǎng)。其效果上可節(jié)省裝藥量，降低炸藥單耗，并且可以改善塊度分布[3-6]。根據(jù)空氣層和裝藥段在炮孔中的位置，可分為上部間隔、中部間隔和底部間隔。露天礦山開采臺(tái)階爆破中采用空氣中部間隔裝藥時(shí)，為了確保鉆孔的利用率、避免空氣間隔段產(chǎn)生大塊，空氣間隔長度一般不超過3.0 m。

針對(duì)臺(tái)階爆破時(shí)空氣中部間隔裝藥結(jié)構(gòu)中的間隔長度一般不超過3.0 m、約束條件下炸藥的殉爆距離將顯著增大[7-8]這一特性，僅在炮孔底部裝藥段設(shè)起爆體，上部裝藥段不設(shè)起爆體，嘗試直接利用底部裝藥段殉爆上部裝藥段的可行性和可靠性。

1 被發(fā)藥包殉爆試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

現(xiàn)場(chǎng)混裝銨油炸藥(ANFO)孔內(nèi)殉爆試驗(yàn)時(shí)炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用空氣袋實(shí)現(xiàn)中部間隔裝藥，為防止空氣袋因上部荷載(上部裝藥段＋填塞料)而下滑，從而導(dǎo)致間隔長度的變化，中部間隔部分采用空氣袋疊加的方式實(shí)現(xiàn)；僅在底部裝藥段(主發(fā)藥包)設(shè)起爆體，上部裝藥段(被發(fā)藥包)無起爆體；上部裝藥段內(nèi)埋設(shè)1根導(dǎo)爆索并引至地表，并在導(dǎo)爆索末端再連接1發(fā)瞬發(fā)非電導(dǎo)爆管雷管(地表雷管)，其作用在于避免導(dǎo)爆索發(fā)生爆燃引起的誤判。起爆后，地表雷管擊發(fā)，表明被發(fā)藥包殉爆；否則，即殉爆失敗。

1.2 試驗(yàn)器材

ANFO中硝酸銨與柴油的質(zhì)量比為95︰5，密度0.83 g/cm3，孔內(nèi)爆速3 800～4 200 m/s，粒度為2.5～3.0 mm(>95%)；炮孔孔徑311 mm時(shí)，主、被發(fā)藥包藥量分別為360、240 kg；對(duì)于孔徑165 mm的炮孔，主、被發(fā)藥包藥量都為100 kg；起爆體為400 g起爆彈＋1發(fā)500 ms非導(dǎo)爆管雷管；地表非電雷管采用瞬發(fā)非電導(dǎo)爆管雷管；空氣間隔袋規(guī)格為?34 cm×40 cm和?17 cm×40 cm。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

在某礦山開采爆破生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，共開展5次殉爆試驗(yàn)。第1～3次試驗(yàn)區(qū)域巖石為鈣質(zhì)硅酸鹽(密度2.85 g/cm3，巖石硬度系數(shù)12)，炮孔孔徑為311 mm，每次試驗(yàn)6個(gè)炮孔；第4次試驗(yàn)區(qū)域?yàn)楦采w砂層(密度2.16 g/cm3，巖石硬度系數(shù)5)，炮孔孔徑為311 mm，試驗(yàn)8個(gè)炮孔；第5次試驗(yàn)區(qū)域?yàn)楦采w砂層，炮孔孔徑為165 mm，試驗(yàn)10個(gè)炮孔。試驗(yàn)結(jié)果見表1。表1中，?為放置爆速測(cè)試線的裝藥孔。

從表1試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于孔徑311 mm的炮孔，不論是較堅(jiān)硬的鈣質(zhì)硅酸鹽，還是較軟的覆蓋砂層，當(dāng)空氣間隔長度不大于320 cm時(shí)，被發(fā)藥包都能完全殉爆；但空氣間隔長度為360 mm時(shí)，被發(fā)藥包不能完全殉爆。對(duì)于孔徑165 mm的炮孔，當(dāng)空氣間隔長度不大于200 cm時(shí)，被發(fā)藥包都能完全殉爆；當(dāng)空氣間隔長度大于200 cm時(shí)，被發(fā)藥包就已經(jīng)不能完全殉爆了。由此可以得出，炮孔孔徑大，殉爆距離也大，殉爆能力越強(qiáng)。

另外，第4次試驗(yàn)過程中，G1孔在裝入第6個(gè)空氣間隔袋后發(fā)生塌孔，巖屑隔離了主、被發(fā)藥包，導(dǎo)致該孔殉爆失敗。因此，當(dāng)孔口附近的鉆屑和破碎圍巖穩(wěn)定性不好時(shí)，要避免空氣間隔層混入鉆屑、巖石碎塊等雜質(zhì)而影響主發(fā)藥包的殉爆能力。

2 孔內(nèi)ANFO爆速測(cè)試

2.1 測(cè)試原理

炸藥爆速測(cè)定的方法有很多，如電測(cè)法、導(dǎo)爆索法(又稱道特里士法)、高速攝影成像法、連續(xù)示波器法、探針法等。由于各種使用條件的限制，孔內(nèi)炸藥爆速一般采用探針法進(jìn)行測(cè)定[9-10]。當(dāng)前，孔內(nèi)爆速測(cè)量一般選用基于探針法原理的Micro-Trap孔內(nèi)爆速數(shù)據(jù)記錄儀。

Micro-Trap孔內(nèi)爆速測(cè)試系統(tǒng)見圖2。將爆速測(cè)試線一端兩極連接后埋于裝藥孔內(nèi)，進(jìn)行正常裝藥操作。爆破前，將爆速測(cè)試線另一端與爆速測(cè)試儀相連，初始爆速測(cè)試線長度為L1＋L2，對(duì)應(yīng)電阻為R1＋R2；起爆體爆炸瞬間，爆速測(cè)試線長度變?yōu)長1＋L3，對(duì)應(yīng)電阻為R1＋R3(起爆彈爆炸瞬間，高溫高壓氣體作用下，爆速測(cè)試線端部兩極之間熔接，仍可保持導(dǎo)通)；起爆體爆炸后△t時(shí)刻，爆速測(cè)試線因爆轟波的向上傳播而逐漸熔斷變短，長度變?yōu)長1＋Lt，對(duì)應(yīng)電阻為R1＋Rt。△t時(shí)刻內(nèi)，爆速測(cè)試線長度減少△L＝L3-Lt，測(cè)試回路電阻減小，導(dǎo)致電壓降低△V(該值可通過△t前、后實(shí)時(shí)電壓相減得到)，則炸藥爆炸后形成的爆轟波向前傳播的速度，即爆速D＝△L∕△t。

利用Micro-Trap爆速數(shù)據(jù)記錄儀可以方便采集到電壓和時(shí)間的變化相關(guān)曲線(△V-△t曲線)，利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，將△V-△t變化曲線轉(zhuǎn)化為爆速測(cè)試線變化的長度隨時(shí)間變化的曲線，即△L-△t曲線，從坐標(biāo)軸L-t曲線的斜率變化可以直觀地看出測(cè)試炸藥爆速連續(xù)變化趨勢(shì)。

2.2 爆速分析

圖3為測(cè)試孔(孔號(hào)為L13)裝藥結(jié)構(gòu)，圖4為Micro-Trap爆速測(cè)試儀輸出的測(cè)試線長度-時(shí)間曲線，其斜率變化即為炸藥爆速。從圖4可以看到，起爆彈起爆瞬間(A點(diǎn))測(cè)試線炸斷，測(cè)試線長度瞬間變短，此時(shí)主發(fā)藥包被起爆彈引爆，爆轟開始；從A到B，即爆轟從起爆彈位置至主發(fā)藥包頂，測(cè)試線長度縮短3.0 m，斜率是主發(fā)藥包的爆速(3 968 m/s)；從B到C段為空氣間隔段，測(cè)試線長度縮短1.5 m，該段斜率即主發(fā)裝藥段起爆后產(chǎn)生的高溫高壓爆生氣體產(chǎn)物向上推進(jìn)的速度；從C到D為被發(fā)藥包裝藥位置殉爆至爆轟結(jié)束，測(cè)試線長度縮短4.0 m，其斜率是被發(fā)藥包爆速(3 621 m/s)。

表1 殉爆試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果Tab.1 Parameters and results of sympathetic detonation test

圖5為不同空氣間隔長度的孔內(nèi)爆速，空氣間隔長度分別為0、160、200、240、280、320 cm和360 cm。圖6為實(shí)測(cè)到的孔內(nèi)主發(fā)藥包的爆速。可以看出，主發(fā)藥包爆速不完全相同(3 725～4 012 m/s)，被發(fā)藥包爆速隨空氣間隔長度增大而降低。另外，當(dāng)空氣間隔長度在160～280 cm時(shí)，被發(fā)藥包爆速隨空氣間隔長度的變化不大；但是當(dāng)空氣間隔長度大于280 cm后，被發(fā)藥包爆速下降速率顯著增大，這與陳慶凱等[7]研究得到的乳化炸藥在PVC管和金屬管內(nèi)被發(fā)藥卷爆速變化規(guī)律一致。

炸藥的理論爆速應(yīng)為一穩(wěn)定值。但是，3次爆速測(cè)試(共6孔)實(shí)測(cè)到的主發(fā)藥包爆速并不完全相同(3 725～4 012 m/s)。這是因?yàn)?，在工程試?yàn)中，每個(gè)孔的孔壁條件、圍巖條件和填塞條件也不嚴(yán)格相同；因此，相同條件的主發(fā)藥包、相同規(guī)格的起爆體，得到的爆速不完全相同，但誤差在10%以內(nèi)。被發(fā)藥包是被主發(fā)藥包爆炸后產(chǎn)生的能量(爆轟波和高溫高壓產(chǎn)物)殉爆，空氣間隔長度越大，主發(fā)藥包爆炸后能量衰減越多，擊發(fā)被發(fā)藥包的能量就越小，直至無法殉爆被發(fā)藥包。在特定條件和范圍下，擊發(fā)被發(fā)藥包的能量大，其爆速也會(huì)高，這與“雷管＋起爆彈起爆”比“雷管直接起爆”可獲得較高的孔內(nèi)爆速原理相同。

3 工程應(yīng)用

3.1 爆破設(shè)計(jì)

爆破區(qū)塊形狀呈梯形，18排，每排15～25個(gè)炮孔，共385個(gè)炮孔，試驗(yàn)區(qū)塊圍巖類型為白崗巖(密度2.67 g/cm3，巖石硬度系度15.6)，爆破參數(shù)如表2所示。

所有炮孔都采用空氣中間間隔裝藥結(jié)構(gòu)，以中間起爆點(diǎn)和控制排為界，一側(cè)采用常規(guī)孔內(nèi)分段起爆，各裝藥段分別設(shè)起爆體；另一側(cè)采用殉爆起爆，僅主發(fā)裝藥段設(shè)起爆體，被發(fā)裝藥段不設(shè)起爆體，如圖7所示。

起爆網(wǎng)路采用魚骨型網(wǎng)路，如圖8所示?？變?nèi)起爆雷管延期時(shí)間為500 ms，地表延期雷管組合為:排間延期時(shí)間為75 ms，孔間延期時(shí)間為42 ms。

3.2 爆破效果

經(jīng)爆后測(cè)量和分析，分段起爆的前沖更嚴(yán)重，其最大前沖距離約52 m，殉爆起爆的最大前沖距離為31 m，位于起爆點(diǎn)附近；分段起爆的后拉也更嚴(yán)重，其后拉范圍為1.6～4.2 m，殉爆起爆的后拉范圍為1.7～3.6 m；利用塊度分析軟件Split-Desktop 3.0分別對(duì)分段起爆和殉爆起爆區(qū)域的塊度進(jìn)行對(duì)比(圖9)，爆破效果分析見表3。

表2 臺(tái)階爆破試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Bench blasting test parameters

從本次爆破試驗(yàn)結(jié)果來看，相比殉爆起爆方式，分段起爆前沖距離更大，但分段起爆試驗(yàn)區(qū)域炮孔排數(shù)也多，殉爆起爆是否有利于控制前沖，還需進(jìn)行更多試驗(yàn)；另外，對(duì)于塊度分布和后拉控制，兩種起爆方式的結(jié)果差別不明顯。

3.3 裝藥效率

空氣間隔裝藥的工序見圖10。分段起爆后每孔裝藥總歷時(shí)4 min；而采用空氣間隔殉爆起爆方式后，省去了設(shè)置上分段起爆體這一工序，每孔裝藥只需3 min，這意味著效率提高了25%；另外，還節(jié)省1發(fā)起爆彈和1發(fā)孔內(nèi)管，起爆體成本降低50%。

4 結(jié)論

1)沙漠地區(qū)某露天礦干燥鈣質(zhì)硅酸鹽和覆蓋砂層中，臺(tái)階爆破時(shí)空氣中部間隔裝藥，上部裝藥段可以不設(shè)起爆體，直接利用底部裝藥段殉爆起爆，且炮孔孔徑越大，殉爆能力越強(qiáng)；對(duì)于311 mm孔徑炮孔，空氣間隔長度不超320 cm，上部裝藥段都能殉爆；對(duì)于165 mm孔徑炮孔，空氣間隔長度不超200 cm，上部裝藥段都能殉爆；311 mm孔徑的炮孔相比165 mm孔徑的炮孔殉爆距離更大，殉爆能力更強(qiáng)。

表3 爆破效果分析Tab.3 Analysis of blasting outcome

2)被發(fā)藥包的爆速比主發(fā)藥包低，且隨空氣間隔長度的增大而降低，但并不存在線性關(guān)系；在空氣間隔長度的某個(gè)范圍內(nèi)，被爆藥包爆速變化不大，但是當(dāng)空氣間隔長度續(xù)約增加時(shí)，爆速下降速率增大。

3)空氣間隔裝藥采用殉爆起爆方式，更有利于控制前沖和保護(hù)后側(cè)圍巖；與常規(guī)分段起爆相比，其裝藥效率高(可提高25%)，且能節(jié)省50%的起爆器材。