混裝乳化炸藥配方對炸藥-巖石匹配效果影響研究*

趙明生，黃勝松，周建敏，陶 明

(1.保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴陽 550002；2.貴州大學(xué)，貴陽 550002；3.中南大學(xué)，長沙 41000)

現(xiàn)場混裝乳化炸藥具有生產(chǎn)工藝簡單，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存等環(huán)節(jié)均屬于半成品，無雷管感度，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各大型露天礦山爆破作業(yè)[1]。研究混裝乳化炸藥配方與巖石合理性匹配關(guān)系，對改善爆破效果，提高炸藥能量利用率，降低爆破成本顯得尤為重要。炸藥性能與巖石性質(zhì)匹配主要有：波阻抗匹配、全過程匹配和能量匹配等[2]。波阻抗匹配觀點(diǎn)認(rèn)為：炸藥波阻抗和巖石彈性波阻抗相等時(shí)，炸藥能量利用率最高，郭子如等人認(rèn)為套用沖擊波正入射波傳統(tǒng)波阻抗理論忽略了后續(xù)爆炸氣體的作用，同時(shí)應(yīng)力波的傳遞過程過于簡化[3]；全過程匹配則認(rèn)為應(yīng)將巖石、炸藥和爆破設(shè)計(jì)參數(shù)納入一個(gè)體系來研究考慮炸藥與巖石相互作用全過程的能量傳遞關(guān)系；能量匹配的觀點(diǎn)認(rèn)為只要破碎巖石需要的能量和炸藥產(chǎn)生的能量相近，就可以通過增減裝藥量以適應(yīng)巖石的強(qiáng)度[4,5]。趙明生、鄭長青、葉海旺等引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，綜合考慮巖石性質(zhì)參數(shù)、爆破現(xiàn)場條件和爆破效果要求，提出了不同類型的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的炸藥性能參數(shù)和巖石匹配方法[6-8]。在實(shí)際工程中，全過程匹配和能量匹配理論匹配方法難以應(yīng)用，目前廣泛使用的仍然是波阻抗匹配理論[9]。

為研究混裝乳化炸藥不同配方對炸藥-巖石匹配效果的影響，以新疆某露天煤礦現(xiàn)用混裝乳化炸藥配方為基礎(chǔ)，通過理論分析出配方不同組分對炸藥波阻抗的影響，找出影響炸藥波阻抗的因素，并對炸藥能量利用率進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)巖石地質(zhì)條件及炸藥能量利用率，設(shè)計(jì)出不同的炸藥配方，使炸藥-巖石匹配更加合理[10]，從而實(shí)現(xiàn)改善炸藥性能、提高炸藥能力利用率、優(yōu)化提高爆破效果，降低企業(yè)生產(chǎn)成本的目的。

1 混裝乳化炸藥配方組分對炸藥波阻抗的影響分析

1.1 混裝乳化炸藥爆炸性能計(jì)算

混裝乳化炸藥主要由C、H、O、N元素組成，其爆炸性能參數(shù)主要有爆熱、爆溫、爆容、爆速、猛度等，其中爆熱是炸藥做功的能源，爆容是炸藥對外做功的介質(zhì)，其它爆炸參數(shù)如爆溫、爆速、爆壓都與爆熱和爆容有關(guān)，因此，在進(jìn)行配方設(shè)計(jì)時(shí)必須兼顧爆熱和爆容兩個(gè)最重要的化學(xué)參數(shù)。

1.1.1 爆熱的理論計(jì)算

計(jì)算爆熱前通過采用B-W規(guī)則確定炸藥爆轟產(chǎn)物(B-W規(guī)則見表1)，建立爆炸反應(yīng)方程式，采用蓋斯定律計(jì)算炸藥的爆熱。

表 1 B-W規(guī)則Table 1 B-W Rules

1.1.2 爆容的理論計(jì)算

爆容數(shù)值越大說明爆炸氣體產(chǎn)物越多，做功效率越高。常用公式(1)計(jì)算爆容。

(1)

式中:V為炸藥的爆容；∑nj為氣體爆轟產(chǎn)物總的摩爾數(shù)；mi為炸藥i組分的摩爾數(shù)；Mei為炸藥i組分的分子量。

1.1.3 爆速的理論計(jì)算

工程中常用爆轟流體動力學(xué)理論的近似理論方程估算炸藥的爆速公式(2)

(2)

式中：D為爆速，m/s；Qv為理想爆熱，kJ/kg；k為爆轟產(chǎn)物局部等熵指數(shù)。

1.2 爆轟參數(shù)計(jì)算應(yīng)用例

以新疆某露天煤礦現(xiàn)用炸藥配方為例(見表2)，分別計(jì)算爆熱、爆容、爆速。取1 kg炸藥為計(jì)算基準(zhǔn)，并計(jì)算炸藥中各組分物質(zhì)的量(見表3)。

根據(jù)B-W規(guī)則，建立爆炸反應(yīng)方程式

C4.348H62.042O37.458N20.68→31.02H20+2.1CO2

+2.3CO+10.3N2

(3)

根據(jù)蓋斯定律計(jì)算爆熱時(shí)需炸藥各組分的定容生成焓、爆轟產(chǎn)物的定容生成焓，見表4。

表 2 現(xiàn)用混裝乳化炸藥配方Table 2 Formula of mixed emulsion explosive used now

表 3 炸藥中各組分物質(zhì)的量Table 3 Quantities of each component of explosive

表 4 各物質(zhì)定容生成焓Table 4 Enthalpy of formation at constant volume of each substance

該配方的爆炸性計(jì)算結(jié)果見表5。

表 5 爆炸性能計(jì)算結(jié)果Table 5 Results of explosive performance calculations

1.3 不同組分含量對炸藥性能及波阻抗的影響

根據(jù)波阻抗理論，炸藥波阻抗是炸藥密度與爆速的乘積。根據(jù)工程實(shí)際情況混裝乳化炸藥密度通常控制在1.15～1.25 g/cm3之間。不同配方炸藥的理論爆速通過計(jì)算得出。為找出不同配方對炸藥波阻抗的影響，共設(shè)計(jì)10組不同含量組分的配方(油相材料組分含量保持不變)，并計(jì)算出相應(yīng)的爆轟參數(shù)和炸藥波阻抗。見表6。

表 6 不同組分含量的爆炸性能及波阻抗的影響Table 6 Explosive properties of different components and the influence of wave impedance

從表6可以看出，炸藥組分中硝酸銨含量與爆熱、爆速、炸藥波阻抗成正相關(guān)。隨著硝酸銨含量增加爆速、爆熱、波阻抗均增加，反之則減少；隨著硝酸銨含量增加爆容減少，反之增加。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

礦田位于科克塞爾克山與紙房盆地的交接處，地形總體趨勢北高南低、東高西低，地貌形態(tài)為殘丘狀剝蝕平原，地層主要由第四系松散巖類、侏羅系沉積碎屑巖類組成，沉積碎屑巖的各類巖石，其單層厚度沿走向方向的變化較大，可由數(shù)厘米變化到數(shù)米，尤其以砂巖最為明顯，沿走向、傾向變化極大。在1228平盤、1180平盤均多次出現(xiàn)大塊的情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為研究該平盤巖石性質(zhì)，分別對1228平盤、1180平盤的巖石取樣進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)并對巖體進(jìn)行聲波檢測計(jì)算出巖石波阻抗，見表7、表8。

表 7 巖石力學(xué)參數(shù)表Table 7 Rock mechanics parameters table

表 8 不同平盤巖石波阻抗Table 8 Wave impedance of different flat disk rock

根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知炸藥巖石波阻抗匹配存在比較好的匹配范圍為0.8～1.7。表8可以計(jì)算出1180平盤、1228平盤巖石炸藥匹配系數(shù)分別為2.17和2.69。1180和1280平盤上易出現(xiàn)爆破大塊主要原因是炸藥能量與巖石阻抗匹配不合理導(dǎo)致。見圖1。

圖 1 平盤大塊Fig. 1 Flat disk block

2.3 不同配方的選擇

不同巖石阻抗不同，破壞時(shí)所需應(yīng)力波峰值不同。對高阻抗巖石，巖石的破壞主要取決于應(yīng)力波(包括入射波和反射波)，應(yīng)選用爆壓和爆速都較高的炸藥；對中阻抗巖石，巖石的破壞主要是入射應(yīng)力波和爆生氣體共同作用的效果，宜爆壓、爆速適中的炸藥；對于低阻抗巖石，巖石的破壞主要以爆生氣體破壞為主，適合選擇爆熱高的炸藥。不同巖石推薦選用炸藥見表9。

表 9 不同巖石推薦選用的炸藥性能Table 9 Exploite properties recommended for different rocks

從表8、9可以看出，1228平盤適合用爆速為4000 m/s的炸藥；1180平盤適合用爆速為3000 m/s的炸藥?？紤]到現(xiàn)用配方實(shí)際檢測爆速與理論爆速比值為72.9%，經(jīng)換算1228平盤所需炸藥理論爆速為5400 m/s；同理1180平盤所需炸藥理論爆速為4100 m/s。根據(jù)表5的理論計(jì)算在現(xiàn)有配方的基礎(chǔ)上對配方組分進(jìn)行刷選優(yōu)化。優(yōu)化后的配方見表10。

表 10 優(yōu)化后的混裝乳化炸藥配方Table 10 Optimised formula for mixed and emulsified explosives

2.4 應(yīng)用效果

爆破后巖石塊度作為爆破效果好壞的評價(jià)指標(biāo)，采用Split-Desktop4.0軟件對礦區(qū)爆堆巖石塊度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見表11。

表 11 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析Table 11 Statistical analysis of data

從表11可以看出，對比原配方的爆破效果，優(yōu)化后的配方大塊率從18.7%分別降至11.9%，12.2%。同時(shí)炸藥單耗還略有下降，表明可通過調(diào)整混裝乳化炸藥組分含量的方式調(diào)整炸藥與巖石匹配系數(shù)，使其匹配更加合理。見圖2。

圖 2 塊度分析Fig. 2 For block degree analysis

3 結(jié)論

通過理論計(jì)算，分析了混裝乳化炸藥配方中各組分含量對爆炸性能及炸藥波阻抗的影響。結(jié)果表明，爆熱、爆速、炸藥波阻抗均隨硝酸銨含量的增加而增大；爆容隨著硝酸銨含量的降低而減少，反之則增大。通過設(shè)計(jì)硝酸銨含量分別為75%、78%的炸藥配方進(jìn)行現(xiàn)場爆破，其爆破塊度巖石大塊率降低了6.5%～6.8%。說明通過調(diào)整炸藥組分中硝酸銨含量可改變炸藥阻抗及爆轟參數(shù)，使炸藥性能可根據(jù)不同巖石性質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)炸藥匹配的多樣化。