非金屬露天礦深孔水壓爆破技術(shù)實踐

邢利偉, 張鉅盛

(1.河北省建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司, 河北 石家莊 050051; 2.冀東海天水泥聞喜有限責任公司, 山西 運城 043800)

1 前言

早在40年代末期，挪威、瑞典等國就在城市進行過水壓爆破拆除建筑物的嘗試，并取得了成功。進入50年代，水壓爆破技術(shù)迅速在世界各國得以推廣，成為城市建筑物拆除爆破中一種較安全且先進的爆破技術(shù)[1]。到70年代末,日本的橋本博和高木薰首先將此技術(shù)應(yīng)用于隧道掘進和石材切割中,發(fā)明了所謂的ABS法。我國應(yīng)用水壓爆破技術(shù)始于50年代，大量應(yīng)用則是70年代末80年代初。80年代初,山東萊蕪鐵礦將水壓爆破技術(shù)應(yīng)用于大塊的二次破碎[2]。80年代中期,山東洪山鋁土礦為解決爆破后粉礦率過高和資源利用率低的問題,首次在井下房柱法采場中,在直徑60 mm和深度小于8 m的中深孔中進行了水壓爆破試驗,并取得了成功[3]。

近些年，隨著國家對綠色礦山建設(shè)的大力推廣，環(huán)保在整個綠色礦山建設(shè)中具有非常重的分量，目前礦山的鏟裝、運輸、破碎環(huán)節(jié)通過機械收塵系統(tǒng)和噴淋抑塵系統(tǒng)使揚塵得到了較好的抑制，但爆破粉塵一直未取得明顯效果，逐漸成了礦山生存、建設(shè)、發(fā)展的瓶頸。目前，國家明確要求：露天爆破施工作業(yè)必須有抑塵措施。但現(xiàn)有的爆破抑塵技術(shù)主要是在爆破前和爆破后對爆破區(qū)域進行噴淋灑水或噴灑化學抑塵劑[4-5]，對于降低爆破揚塵效果一般，而且成本很高，用水量大，部分化學抑塵劑還帶來新的環(huán)境影響[6]。

基于上述原因，結(jié)合礦山生產(chǎn)工藝，在水封爆破的基本技術(shù)基礎(chǔ)上，通過不斷實踐優(yōu)化爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)，充分利用水在爆破瞬間受高溫高壓作用霧化，來捕捉爆破產(chǎn)生的粉塵，達到降低粉塵濃度的目的；同時由于水的不可壓縮性，作為介質(zhì)傳替能量，形成高壓水楔，促進裂隙發(fā)育延長作用時間，從而節(jié)省炸藥、降低大塊率。該方案不僅符合國家環(huán)保政策，而且節(jié)能降耗，易操作，具有很大的社會經(jīng)濟效益和推廣價值。

2 工程概況

礦區(qū)位于中條山北東段北西緣的焦山及其南側(cè)山坡上。地貌形態(tài)屬低山丘陵，礦區(qū)內(nèi)基巖裸露，大面積黃土覆蓋；該區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫12 ℃～13 ℃，雨季多集中于7、8、9三個月，年平均降雨量400～500 mm，年平均蒸發(fā)量1 240 mm。

礦山采用自上而下臺階式開采。礦山爆破采用深孔多排孔延時爆破，使用巖石膨化炸藥為主爆藥，不耦合裝藥系數(shù)為1.27，采用非電塑料導爆管起爆方法。爆破采取三角形方式布孔。每周爆破1～2次，每次2～3排，每次爆破20～30孔。爆破大塊率5%左右，底根較少，爆破揚塵比較明顯。生產(chǎn)選用的爆破參數(shù)見爆破參數(shù)表，具體參數(shù)見表1。

表1 爆破參數(shù)表

3 水壓爆破技術(shù)

3.1 基本原理

水壓爆破技術(shù)的基本原理[7]如下：

(1)水介質(zhì)具有不可壓縮性質(zhì)，能量傳播損失小，同時易迅速變形。炸藥爆炸瞬間，水傳播沖擊波到空腔壁使其產(chǎn)生位移，并產(chǎn)生反射作用形成二次應(yīng)力作用，使空腔壁均勻破碎[8]。

(2)水在爆炸氣體膨脹作用下產(chǎn)生的“水楔”效應(yīng)，壓迫巖石進一步破碎，同時延長了作用時間[9-10]。

(3)水在應(yīng)力和爆轟氣體作用下，瞬間霧化，可以起到霧化降塵作用，降低粉塵對環(huán)境的污染[11]。

3.2 試驗方案

1)水袋參數(shù)和水袋放置方式的選擇

試驗結(jié)合礦山以往生產(chǎn)爆破方案，此次實驗，臺階高度12 m，孔徑調(diào)整為115 mm，傾角76°，先期使用巖石膨化炸藥，微差爆破。在此基礎(chǔ)上將整段水封袋直接放在孔口塞填下部和分段分別放在孔底和塞填段和炸藥之間，觀察爆破效果，進行綜合分析改進。炮孔裝藥方案及其效果見表2。

表2 炮空裝藥結(jié)構(gòu)方案及效果

水袋的制作，使用PSJ- 1型自動灌水、自動封口機。水袋放置方式，前期是直接塞進鉆孔，靠自身重力下滑到指定位置，出現(xiàn)多次水袋破損事故，造成水外滲增加了炸藥用量，同時炸藥浸濕，影響爆破效果，而且沒有形成捕捉粉塵的水霧，起不到抑塵作用。所以，后期在爆破前，先用炮錘清理鉆孔的毛面，然后使用繩索下放，后續(xù)沒出現(xiàn)水袋因孔壁的剮蹭破損現(xiàn)象。

堵塞時，利用按黏土∶沙∶水=75∶10∶15比例配置好的炮泥進行堵塞，不再采用直接用鉆孔巖粉回填的封堵方法。

2)炸藥品種的選擇

經(jīng)過多次的爆破實驗發(fā)現(xiàn)，使用巖石膨化炸藥做水壓爆破時，由于出現(xiàn)水袋破損現(xiàn)象，易造成炸藥浸濕和受潮，影響爆破效果；同時膨化炸藥的爆速小，裝填炸藥雖然只減少了3%左右，但效果很差，大塊增多，爆堆松散度差。后來試驗改用直徑85 mm的乳化炸藥做水壓爆破實驗，效果好，不僅大塊少，而且爆堆松散。雖然乳化炸藥噸價位比巖石膨化炸藥高500元，但用量減少了9%左右，綜合計算，成本降低8.2%。所以考慮水對炸藥的影響上，選擇乳化炸藥作為水壓爆破的火工器材更具有優(yōu)勢。

3)壓渣厚度的選擇

前期試驗的水壓爆破，臨空面沒壓渣，造成爆破時前排礦石沖擊工作面揚塵大，后期采用壓渣進行水壓爆破實驗，因沒考慮壓渣的厚度，一次壓渣厚度10 m時，臨空面出現(xiàn)巖墻和竄孔。后來以臺階高度中心的一半為基準測算最小抵抗線，效果較好，竄孔和前排礦石落地沖擊采面的揚塵等問題得到了解決。

3.3 技術(shù)方案的確定

爆破前通過開展水壓爆破工藝流程培訓，從施工流程和工藝，實行專人專職，各負其責，專門安排專人驗孔、放置鉆孔底部和上部的水袋，專人安放起爆藥包，專人鋪設(shè)連接網(wǎng)絡(luò)和起爆，專人警戒，現(xiàn)場秩序井然，效率較無水袋爆破差別不明顯。經(jīng)過多次試驗后最終形成的爆破方案如下：

1)爆破參數(shù)

最終爆破方案的參數(shù)見表3。炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 最終方案炮孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

表3 最終方案爆破參數(shù)

2)驗孔

在爆破作業(yè)前24 h，進行鉆孔數(shù)量、深度、孔壁的檢查，數(shù)量核實后，深度不夠或超深的進行穿孔和填充處理，孔壁不光整的用炮錘處理；爆破前，專職放置水袋，員工再逐孔驗孔，保證孔壁的光整，不能損傷水袋。

3)放置水袋

專職放置水袋人員，先用繩索放置鉆孔底部水袋，前排是0.5 m，后排是0.3 m，然后再裝藥和安放起爆藥包，炸藥裝完后，前排實測炸藥距離孔口4 m，然后用繩索放置1.8 m水袋；后幾排實測炸藥距離孔口3.5 m，然后用繩索放置1.7 m水袋。實測主要是保證炸藥的充分接合。

4 爆破效果

4.1 抑塵效果明顯

陸續(xù)采取多次實驗，不斷實踐逐步調(diào)整到前排最小抵抗線是最佳值,達到了爆破區(qū)域上部和前排不再有明顯粉塵的目的。從水壓爆破后的現(xiàn)場爆堆采裝情況看，鉆孔底部水袋超過0.3 m的，存在底根；壓渣厚度大于最小抵抗線的爆破，前排出現(xiàn)巖墻。常規(guī)爆破和水壓爆破的現(xiàn)場粉塵狀況如圖2所示。

圖2 爆破現(xiàn)場粉塵狀況

4.2 大塊率降低

水壓爆破由于水的不可壓縮性，爆破時，產(chǎn)生的張力通過水直接釋放到所處區(qū)域的巖石上，使巖石產(chǎn)生破裂，減少了鉆孔堵塞區(qū)域的大塊率；水壓爆破時前排的壓渣又起到阻擋前排爆破能力的損失，使前后排的礦石在爆破中產(chǎn)生相互碰撞和擠壓，進一步起到破碎大塊的作用；水壓爆破采用排、孔相互間隔更短的毫秒導爆管，使爆破瞬間前后左右的爆破礦石達到相互碰撞，明顯減少了大塊。

4.3 成本節(jié)省

按標準臺階12 m計算，水壓爆破研發(fā)前用的是巖石膨化炸藥，單價5 500元/t，單孔裝藥長度是10.41 m，堵塞長度3.5 m，藥卷直徑120 mm，單孔裝藥量135.32 kg，；采用水壓爆破時，用的是乳化炸藥，單價6 000元/t，單孔裝藥長度是10.1 m，藥卷直徑85 mm，單孔裝藥量62.92 kg，炮泥堵塞長度1.8 m，總水袋長度2 m。爆破炸藥成本分析[12]

1)炸藥成本分析

2)大塊率二次破碎成本分析

二次破碎成本分析主要采用生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計比較，結(jié)合2019年、2020年主要生產(chǎn)數(shù)據(jù)，大塊率降低30.4%，每噸礦石二次破碎成本費用降低52.17%。2019年、2020年二次破碎大塊統(tǒng)計見表3。

表3 2019年、2020年二次破碎大塊統(tǒng)計表

5 結(jié)論

經(jīng)過多次現(xiàn)場實驗，并對實驗過程和結(jié)果進行匯總、分析、改進最終得出以下結(jié)論：

(1)該礦采用乳化炸藥為主爆藥，深孔微差延時爆破，上、下分兩段設(shè)置水袋，爆破效果好。前排炮孔的水袋長度為2.5 m，其中底部水袋長度0.5 m，炮泥和炸藥之間的水袋長度為2 m；后排炮孔水袋長度為2 m，其中底部水袋長度0.3 m，炮泥和炸藥之間的水袋長度1.7 m；塞填用黏土、沙、水按75∶10∶15的比例混合塞填。

(2)臨空面壓渣，不僅增加了前排孔礦石碰撞的效率，降低了前排的大塊率，而且抑制了爆破礦石沖擊工作面的揚塵。壓渣厚度(以臺階高度中心的一半為基準測算)的最佳值是最小抵抗線。

(3)水在爆破中，不僅有霧化捕塵作用，還有介質(zhì)用途，代替底部炸藥和上部堵塞巖粉，發(fā)揮水的不可壓縮性，爆破時傳遞能量、釋放張力，對礦石起到延時破碎作用，大塊度平均達到3%左右。

(4)相比常規(guī)爆破，水壓爆破也存在鉆孔質(zhì)量要求高和施工作業(yè)時間長等問題。

(5)通過此次研究，水壓爆破技術(shù)方案改進后，抑塵和塊度控制效果較好，適宜露天建材礦山應(yīng)用；而且工人能熟練掌握技術(shù)要點，具有較大的推廣前景。