露天礦富水裂隙巖體臺階爆破的殉爆機(jī)理和防殉爆研究

摘要： 殉爆現(xiàn)象會影響露天礦臺階爆破作業(yè)安全、邊坡穩(wěn)定性和爆破效果。在炸藥沖擊起爆機(jī)理基礎(chǔ)上，并結(jié)合露天礦實(shí)際富水裂隙巖體臺階爆破振動監(jiān)測結(jié)果，通過對比爆破振動信號波動差異來判別殉爆現(xiàn)象。為研究殉爆產(chǎn)生的機(jī)理和防殉爆方法，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)分析主發(fā)藥量、裂隙寬度及藥包之間的距離等參數(shù)對被發(fā)藥包孔壁壓力的影響。結(jié)果表明：孔壁沖擊壓力隨著裝藥耦合系數(shù)的減小、炮孔間裂隙寬度（0.25～1.00 cm）的增大以及炮孔間距離的減小而提高。在裂隙位置裝藥使用阻波管、充填巖粉或設(shè)置空氣間隔器，能顯著降低通過富水裂隙傳遞到被發(fā)炮孔的沖擊壓力，并使其低于乳化炸藥的起爆壓力臨界值。當(dāng)炮孔內(nèi)只有單條裂隙時，選擇填充巖粉是便捷且有效防殉爆方法；當(dāng)炮孔內(nèi)有多條裂隙時，該試驗(yàn)條件下，炮孔內(nèi)放置厚度為2.6 mm 的阻波管是最佳防殉爆方法，并能保證爆破效果。

關(guān)鍵詞： 殉爆；臺階爆破；富水裂隙巖體；臨界壓力

中圖分類號： O383 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13505 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

影響被發(fā)藥包殉爆的因素主要有爆炸產(chǎn)生的爆轟波、沖擊波、沖擊波的傳播介質(zhì)、溫度、作用時間以及被發(fā)炸藥的感度。炸藥的起爆一方面受到爆炸時釋放熱量的影響，另一方面受到?jīng)_擊波壓力的作用[1-2]。李錚等[3] 通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于不敏感炸藥，爆轟產(chǎn)物的沖擊是導(dǎo)致被發(fā)炸藥產(chǎn)生熱點(diǎn)并引發(fā)爆炸或爆轟的主要原因。爆轟產(chǎn)物是一種混合物，包含固體顆粒（如炭顆粒）和多種氣體（如N2、CO2、CO、H2O 和NOx 等）；而敏感炸藥殉爆主要是由于沖擊波超壓和正壓作用時間引發(fā)的爆轟。炸藥的殉爆過程通常經(jīng)歷燃燒、加速燃燒和爆炸3 個階段。當(dāng)被發(fā)裝藥受到主發(fā)裝藥爆炸產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物作用時，其表面溫度升高，導(dǎo)致局部分解。分解產(chǎn)生的熱量引發(fā)炸藥燃燒，燃燒釋放的熱量進(jìn)一步提高溫度，加速燃燒，并通過孔隙傳遞至炸藥內(nèi)部；同時，沖擊波壓縮孔隙內(nèi)的空氣，形成熱點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)生急劇的化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生加速燃燒直至整個炸藥爆炸[4]?；诒_擊波壓力殉爆理論[5] 可知，當(dāng)主發(fā)藥包爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力大于等于炸藥臨界起爆壓力時，被發(fā)藥包將會被引爆。因此，判定被發(fā)炮孔內(nèi)炸藥是否殉爆需確定炸藥起爆的臨界壓力。

關(guān)于露天巖體爆破殉爆事件的研究很少，爆破中即使出現(xiàn)幾個孔殉爆也沒有引起注意，且值得借鑒研究方法和防止殉爆的技術(shù)也鮮有報道。余德運(yùn)等[6] 為了檢驗(yàn)空氣間隔中，混裝銨油炸藥（ammoniumnitrate fuel oil， ANFO）主發(fā)藥包殉爆被發(fā)藥包的可能性，設(shè)計殉爆試驗(yàn)并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出孔徑為311 mm 的炮孔比孔徑為165 mm 的炮孔殉爆距離更大。Zhang 等[7] 和Yang 等[8] 通過試驗(yàn)研究TNT 炸藥在水下爆破時，采用壓力演化、壓力峰值以及脈沖周期這3 種方式來評估炸藥殉爆，得到炸藥殉爆的臨界距離和安全距離分別為99.55 和128.92 mm。姜穎資等[9] 使用點(diǎn)火增長模型對3 種不同運(yùn)動速度的TNT 和PBX9404 主發(fā)炸藥進(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)主發(fā)炸藥的運(yùn)動速度越快，破壞能力越強(qiáng)，被發(fā)炸藥的臨界殉爆距離越大。Shin 等[10] 從撞擊產(chǎn)生的沖擊波誘發(fā)炸藥爆炸的角度，研究了不同約束材料對沖擊波誘發(fā)炸藥爆炸的影響， 得出增大約束材料的彈性阻抗會降低由于沖擊波產(chǎn)生殉爆的概率。Starkenberg 等[11] 對彈丸撞擊、殉爆和其他危險場景的進(jìn)行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)爆炸部件上的沖擊載荷與用于校準(zhǔn)許多沖擊起爆模型的楔形試驗(yàn)中產(chǎn)生的沖擊載荷有顯著差異。李凱等[12] 通過數(shù)值模擬以及試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)爆炸沖擊波經(jīng)隔板衰減后起爆炸藥的能力隨著隔板中沖擊波傳播速度的提高而提高。李順波等[13] 利用ANSYS/LS-DYNA 軟件研究了爆炸沖擊波在混凝土、水、土中的傳播衰減規(guī)律，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)的波阻抗對沖擊波初始壓力峰值有很大影響，土中沖擊波的持續(xù)時間最長，混凝土中沖擊波衰減最快，水中沖擊波能量損耗最低。趙根等[14] 通過理論推導(dǎo)以及水中炸藥爆炸的沖擊波測試，得到了較符合實(shí)際情況的水中沖擊波傳播規(guī)律?；▽毩岬萚15] 首次將拉氏量計用于研究乳化炸藥的沖擊起爆過程，同時針對乳化炸藥的沖擊起爆特點(diǎn)建立了反應(yīng)速率方程，并且通過試驗(yàn)得到乳化炸藥的臨界起爆壓力為2 GPa。李建軍等[ 1 6 ] 通過開展乳化炸藥的沖擊起爆試驗(yàn)得到乳化炸藥的沖擊起爆臨界能量值在（13～35）×1012 Pa2·s 之間。馬晶晶等[17] 和陳慶凱等[18] 通過殉爆測試，得到了乳化炸藥在不同約束條件下的殉爆距離以及2 種不耦合系數(shù)下的殉爆距離。陳朗等[19] 和張所碩等[20] 開展了殼裝固黑鋁炸藥殉爆試驗(yàn)，通過殘留炸藥、見證板和被發(fā)裝藥殼體破壞情況，判斷裝藥的殉爆反應(yīng)等級，從而確定炸藥的臨界殉爆距離；并通過數(shù)值模擬分析了殼體厚度對裝藥殉爆距離的影響。胡宏偉等[21] 和劉曉文等[22] 開展了殼裝炸藥水下殉爆試驗(yàn)，獲得了水下裝藥的殉爆距離和殉爆安全距離，并基于氣泡能分析了被發(fā)裝藥的反應(yīng)率。Ko 等[23] 研究了水下裝藥結(jié)構(gòu)的殉爆特點(diǎn)和機(jī)理，得到了兩藥包間的臨界距離，解決了水下聚能爆破的殉爆問題。

目前，解決殉爆的研究主要在軍事、炸藥生產(chǎn)、炸藥儲存和運(yùn)輸?shù)确矫妫瑢τ诘V山方面的殉爆問題及其危害處理未見報道，也沒有對露天臺階爆破產(chǎn)生的殉爆現(xiàn)象提出具體科學(xué)、合理、系統(tǒng)的分析和研究方法及用于防止殉爆的具體措施。因此，本文中通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)，探討富水裂隙巖體的爆破殉爆機(jī)理，給出現(xiàn)場易殉爆區(qū)域降低（防止）殉爆的具體技術(shù)和施工措施。

1 基于爆破振動監(jiān)測的現(xiàn)場工況與殉爆因素分析

1.1 工況

元寶山露天礦走向長度為4.68 km；傾向?qū)挾绕骄鶠?.56 km，總面積約為12 km2。地理地形來源于燕山山脈向北部延伸的部分，地貌形態(tài)以低山丘陵為主，整體地勢呈西南高、東北低，西北部有固定和半固定沙丘間隔分布。英金河和老哈河是元寶山礦區(qū)表面上的2 條主干支流，英金河貫穿整個礦區(qū)的中間地帶，地下水系分布豐富，如圖1 所示。

2020 年以來，內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)元寶山露天礦爆破開采時連續(xù)出現(xiàn)多次殉爆情況，殉爆產(chǎn)生導(dǎo)致爆破區(qū)域周圍振動過大。通過比較所收集的殉爆區(qū)域地質(zhì)資料，得知殉爆出現(xiàn)的位置集中在采場作業(yè)區(qū)間2 200 線以西、344～404 平盤，此區(qū)域地質(zhì)條件為細(xì)砂巖、粉砂巖，巖層裂隙較發(fā)育，殉爆位置周圍坡面均有水點(diǎn)出現(xiàn)。

1.2 殉爆因素

元寶山露天礦每次殉爆情況都出現(xiàn)于巖石臺階，此區(qū)域巖石巖性為細(xì)砂巖、粉砂巖，巖層內(nèi)含水量大。巖石臺階中節(jié)理裂隙發(fā)育復(fù)雜，巖層中存在裂縫，裂縫可能貫通相鄰炮孔。

（1） 元寶山露天礦易殉爆區(qū)巖體存在一定寬度的貫通富水裂隙

元寶山露天礦位于老哈河與英金河的交匯處，地層裂隙水豐富。對易殉爆區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)易殉爆區(qū)巖體完整性較差，裂隙發(fā)育程度更高（圖2～3），為沖擊波傳遞至被發(fā)炮孔提供了有利條件。

（2） 小藥量爆破除水

現(xiàn)場使用的炸藥為2#巖石乳化炸藥，其密度為0.95～1.30 g/cm3，與炮孔內(nèi)水的密度接近，導(dǎo)致炸藥不易放置孔底，因此進(jìn)行裝藥工序時需要將炮孔內(nèi)的積水排出?，F(xiàn)場采用爆破除水的方式進(jìn)行排水，由于爆區(qū)巖質(zhì)較軟且裂隙較為發(fā)育，爆破除水時可能進(jìn)一步引起相鄰炮孔裂隙擴(kuò)大甚至貫通，易引起現(xiàn)場爆破作業(yè)時殉爆的發(fā)生。

（3） 寶馬礦采空區(qū)瓦斯爆炸

2016 年12 月3 日，赤峰寶馬礦業(yè)越界開采元寶山露天煤礦資源時發(fā)生特別重大瓦斯爆炸事故。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該礦業(yè)采用房柱式炮采、長壁炮采、掘進(jìn)機(jī)巷采等方式越界盜采煤炭資源，實(shí)際形成的采空區(qū)（見圖4）總面積約為1.49 km2。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)地勘察，發(fā)現(xiàn)元寶山露天礦易殉爆區(qū)在“寶馬礦”采空區(qū)上方區(qū)域，推測瓦斯爆炸進(jìn)一步使采空區(qū)頂板上覆巖體裂隙擴(kuò)張。

1.3 基于爆破振動監(jiān)測的殉爆判別

GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》[24] 規(guī)定爆破質(zhì)點(diǎn)振動速度計算采用Sadovski 公式[25]：

v = K（Q1／3／R）α （1）

式中：v 為臺階質(zhì)點(diǎn)峰值振速；R 為爆破振動安全允許的爆心距；Q 為單段起爆最大藥量；K 和α 分別為與地質(zhì)條件以及高程相關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件，K=150～250，α=1.5～1.8。

在逐孔起爆時，爆破條件、爆破參數(shù)和爆心距R 不變的條件下：如果不發(fā)生殉爆，根據(jù)式（1） 計算得到的藥量僅為單孔藥量Q；如果n 個炮孔發(fā)生殉爆，則會導(dǎo)致一次起爆藥量增大至nQ，質(zhì)點(diǎn)峰值振速為單孔質(zhì)點(diǎn)峰值振速的nα/3 倍，質(zhì)點(diǎn)峰值振速呈指數(shù)增大。因此，通過對監(jiān)測得到的爆破振動波形中的峰值振速與計算得到的峰值振速進(jìn)行比較，如果監(jiān)測得到的質(zhì)點(diǎn)峰值振速顯著增大，可認(rèn)定發(fā)生了殉爆。

基于1.2 節(jié)中的殉爆因素分析，對含裂隙水巖體和無裂隙水巖體區(qū)域分別進(jìn)行爆破試驗(yàn)，具體爆破參數(shù)如表1 所示。

為判別現(xiàn)場爆破作業(yè)時是否發(fā)生殉爆，在距爆心68.00、80.89、121.01 和171.69 m 處均放置TC-4 850測振儀，測得的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度如圖5 所示。

由圖5 可知，第1 組試驗(yàn)測得的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度均大于第2 組相同爆心距處的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度。由于篇幅有限，以距爆心80.89 m的測點(diǎn)為例進(jìn)行分析。將2 組試驗(yàn)中距爆心均為80.89 m 的測點(diǎn)處的Z 方向質(zhì)點(diǎn)振動速度進(jìn)行比較，如圖6 所示。由圖6 可以看出，第1 組試驗(yàn)中距爆心8 0 . 8 9 m 的質(zhì)點(diǎn)峰值振速為12.42 cm/s，第2 組試驗(yàn)中距爆心80.89 m 的質(zhì)點(diǎn)峰值振速為3.25 cm/s。由式（1） 計算得知距爆心80.89 m 處的正常質(zhì)點(diǎn)峰值振速為0.97～3.76 cm/s，遠(yuǎn)小于第1 組試驗(yàn)中該爆心距處的質(zhì)點(diǎn)峰值振速12.42 cm/s，與第2 組試驗(yàn)中該爆心距處的質(zhì)點(diǎn)峰值振速3.25 cm/s 接近?？梢?，第1 組試驗(yàn)區(qū)域發(fā)生了殉爆。從而驗(yàn)證了1.2 節(jié)中所述：當(dāng)巖體存在貫通富水裂隙時，易殉爆區(qū)會產(chǎn)生殉爆現(xiàn)象。

2 富水裂隙巖體爆破殉爆的數(shù)值模擬

2.1 材料參數(shù)

（1）2#乳化炸藥的狀態(tài)方程及材料參數(shù)

在數(shù)值模擬中選用與現(xiàn)場爆破一致的2#乳化炸藥，采用材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 和Jones-Wilkins-Lee （JWL） 狀態(tài)方程[26] 表征2#乳化炸藥。針對2#乳化炸藥，JWL 狀態(tài)方程的具體形式為：

式中： 為炸藥爆轟產(chǎn)物的壓力，V 為爆轟產(chǎn)物的相對比容，A、B、R1、R2 和ω 為待定參數(shù)，Ee0 為炸藥的初始比內(nèi)能。2#乳化炸藥材料及狀態(tài)方程的參數(shù)[26] 如表2 所示， 為炸藥初始密度，D 為炸藥爆速。

（2） 巖石材料模型

選用Riedel-Hiermaier-Thoma （RHT） 模型[27] 表征巖石，巖石材料參數(shù)[26] 如表3 所示。

（3） 水介質(zhì)狀態(tài)方程及材料參數(shù)

選用材料模型*MAT_MULL 和Grüneisen 狀態(tài)方程[28] 表征水介質(zhì)，相關(guān)表達(dá)式為：

式中：c 為粒子速度曲線的截距，Ew 為水的初始體積內(nèi)能，ρw為水的初始密度，γ0為Grüneisen 系數(shù)，a 為γ0的一階修正系數(shù)，μ為壓縮比，S1、S2、S3 為粒子速度曲線的斜率參數(shù)。具體參數(shù)[28] 如表4 所示。

2.2 模擬模型建立

為驗(yàn)證巖體爆破數(shù)值模擬材料模型及參數(shù)的準(zhǔn)確性，利用有限元分析軟件，按照所選的材料本構(gòu)模型及參數(shù)，建立一個尺寸為3 000 cm×1 800 cm×1 cm 的巖樣爆破準(zhǔn)三維數(shù)值模型（見圖7），在巖樣模型中心線兩側(cè)布置2 個孔距為600 cm 的炮孔，炮孔長度均為1 350 cm，炮孔直徑均為20 cm，兩炮孔間富水裂隙寬度為1 cm。裝藥長度和巖粉填塞長度分別為450 和400 cm。有限元模型共劃分單元430 362 個，節(jié)點(diǎn)865 956 個。為了模擬無限介質(zhì)，將模型上邊界定義為自用面，左右兩側(cè)及底部邊界設(shè)置為無反射性邊界。模型采用流固耦合算法，其中炸藥、空氣及水介質(zhì)采用ALE （aribitrary Lagrange-Euler） 算法，巖石與填塞采用Lagrange 算法。

3 殉爆機(jī)理分析與判定

3.1 被發(fā)藥包殉爆位置節(jié)點(diǎn)確定

由殉爆能量閾值[16] 可知，被發(fā)藥包是否發(fā)生殉爆與藥包內(nèi)任意有限元點(diǎn)在單位時間內(nèi)的壓力值相關(guān)。為進(jìn)一步判斷被發(fā)藥包是否達(dá)到殉爆臨界能量值，選擇貫穿裂隙單元與被發(fā)藥包接觸面的壓力時程曲線進(jìn)行分析。根據(jù)被發(fā)裝藥受沖擊方向，提取被發(fā)藥包內(nèi)部不同位置單元的壓力曲線。被發(fā)藥包壓力提取點(diǎn)分布如圖8 中A～I(xiàn) 所示。

圖9 為無防護(hù)措施時貫穿富水裂隙條件下巖體爆破的應(yīng)力云圖。主發(fā)炮孔起爆后，在t=0.4 ms 時炸藥起爆后產(chǎn)生的沖擊波迅速向外擴(kuò)散，其形狀呈“橢圓形”，這說明爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波在巖體中的衰減與傳播是均勻的。在0.8 和1.0 ms 時，炮孔間裂隙處壓力值在沖擊波在傳播過程中明顯高于周圍巖體壓力值。當(dāng)炸藥起爆后，由于水介質(zhì)的不可壓縮性，爆炸沖擊波用于壓縮水介質(zhì)所消耗的能量占比小，導(dǎo)致沖擊波傳播至相鄰炮孔被發(fā)藥能量大，進(jìn)而使鄰近炮孔內(nèi)炸藥發(fā)生殉爆現(xiàn)象。

根據(jù)圖8 中監(jiān)測點(diǎn)位置，提取被發(fā)藥包內(nèi)部單元的壓力時程曲線，如圖10 所示：在0～2 ms 時，各壓力曲線緩慢上升，2～3 ms 時，壓力曲線發(fā)生突躍變化，3 ms 以后迅速衰減，并在4 ms 后趨于平緩。其中在裂隙處最易殉爆單元F 壓力峰值最大，達(dá)到2.3 GPa，大于乳化炸藥的臨界起爆壓力[15]。即在貫穿裂隙處被發(fā)炸藥表面最有可能首先引起殉爆，進(jìn)而導(dǎo)致整體殉爆。

3.2 不同參數(shù)對殉爆的影響

根據(jù)3.1 節(jié)對殉爆過程的數(shù)值模擬分析，可以確定導(dǎo)致被發(fā)炮孔炸藥發(fā)生殉爆的關(guān)鍵因素是沖擊波對被發(fā)藥包施加的壓力超過了其臨界起爆壓力，或者沖擊波向炸藥傳遞的能量超過了被發(fā)炸藥的臨界起爆能量。在爆破過程中，被發(fā)炮孔中沖擊波壓力與主發(fā)炮孔中炸藥質(zhì)量、炮孔間的距離以及裂隙寬度有關(guān)。因此，進(jìn)行不同參數(shù)條件下被發(fā)藥包沖擊起爆的研究，具體的數(shù)值模擬方案如表5 所示，模擬結(jié)果如圖11～16 所示。

方案Ⅰ：圖11 為炮孔間不同炮孔間距條件下巖體爆破的應(yīng)力云圖，繪制被發(fā)藥包內(nèi)部F 單元的峰值壓力隨炮孔間距變化的曲線，如圖12 所示。由圖11～12 可知，隨著炮孔間距的增大，被發(fā)藥包所受到的沖擊壓力降低。當(dāng)炮孔間距為6 m 時，被發(fā)藥包所受的沖擊壓力為2.27 GPa，大于乳化炸藥的臨界起爆壓力；因此，當(dāng)孔距小于6 m 時，被發(fā)藥包所受的沖擊壓力達(dá)到炸藥沖擊起爆條件，從而導(dǎo)致殉爆。

方案Ⅱ：圖13 為2 ms 時炮孔間不同裂隙寬度條件下巖體爆破的應(yīng)力云圖，繪制被發(fā)藥包內(nèi)部F 單元的峰值壓力隨炮孔間裂隙寬度變化的曲線，如圖14 所示。由圖13～14 可知：當(dāng)裂縫寬度在0.25～1.00 cm 之間時，被發(fā)藥包的峰值壓力曲線呈現(xiàn)線性增長，并在裂縫寬度為1.00 cm時達(dá)到最大值，峰值為2.17 GPa；當(dāng)裂縫寬度為1.00～2.00 cm 之間時，隨著裂縫寬度的增大，被發(fā)藥包的峰值壓力曲線的下降趨勢逐漸變緩。在上述模擬條件下，炮孔之間裂隙寬度為1.00 cm時，被發(fā)藥包所受的沖擊壓力達(dá)到被發(fā)藥包的沖擊起爆條件。

方案Ⅲ：圖15 為2 ms 時不同主發(fā)藥量條件下巖體爆破的應(yīng)力云圖，繪制被發(fā)藥包內(nèi)部F 單元的峰值壓力隨主發(fā)炮孔內(nèi)藥量變化的曲線，如圖16 所示。由圖15～16 可知，被發(fā)裝藥所受的沖擊壓力隨著主發(fā)藥量的增加而不斷升高，呈現(xiàn)一個先急速上升后增速變緩的趨勢。主發(fā)炮孔的藥量從20 kg 增加到120 kg，被發(fā)藥包所受到的峰值壓力增大了約1.3 倍。在上述模擬條件下，主發(fā)炮孔的藥量大于72 kg 時，被發(fā)藥包所受的沖擊壓力達(dá)到被發(fā)藥包的沖擊起爆條件。

3.3 阻波管和巖粉防殉爆設(shè)計

從安全性防護(hù)設(shè)計的角度出發(fā)，難以控制現(xiàn)場爆破試驗(yàn)過程中主發(fā)炮孔炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力沿著富水裂隙傳播至被發(fā)炮孔的大小，但可通過在主發(fā)藥包外放置約束材料對被發(fā)藥包進(jìn)行防護(hù)。此外，由Shin 等[10] 的研究可知：不同約束材料對沖擊波誘發(fā)炸藥爆炸的影響，隨著約束材料的彈性阻抗增大，會減少由于沖擊波產(chǎn)生殉爆的機(jī)會。

考慮到實(shí)際裝藥過程中，要求約束材料需具備質(zhì)量輕、成本低、材料來源廣泛及乳化炸藥取放方便等特點(diǎn)，本文中主發(fā)炮孔內(nèi)的約束材料選擇2.0、2.6 和3.2 mm 等3 種不同厚度的阻波管。主發(fā)炮孔防殉爆設(shè)計如圖17～18 所示。

針對元寶山露天礦臺階爆破出現(xiàn)的殉爆現(xiàn)象，提出了2 類防止殉爆的方案，即主發(fā)藥包內(nèi)放置阻波管和裂隙處填塞巖粉/空氣間隔器方案。前者針對主發(fā)炮孔內(nèi)多條裂隙情況下殉爆災(zāi)害的控制，而后者是針對主發(fā)炮孔內(nèi)單條裂隙情況下殉爆災(zāi)害的控制。上述2 種方案分別為：

（1） 主發(fā)藥包內(nèi)放置阻波管防殉爆模擬方案：根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，模擬貫穿裂隙2 條，寬度均為1 cm，炮孔間距為6 m，底部裝藥量為96 kg，炸藥裝填長度為4.5 m，巖石碎屑填充長度為4 m。

（2） 主發(fā)藥包內(nèi)裂隙處填巖粉防殉爆模擬方案：根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，模擬貫穿裂隙寬度為1 cm，炮孔間距為6 m，底部裝藥量為96 kg，炸藥裝填長度為4.5 m，巖石碎屑填充長度為4 m。

3.3.1 不同厚度阻波管防殉爆結(jié)果分析

為了分析不同厚度阻波管的防殉爆效果，在原模型基礎(chǔ)上（圖7）主發(fā)炮孔裂隙處添加2.0、2.6 和3.2 mm 等3 種不同厚度的阻波管（圖19），進(jìn)行數(shù)值計算，計算結(jié)果如圖20～21 所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[17-18] 可知，阻波管對炸藥爆炸沖擊波的傳播有約束作用，可以改變炸藥爆炸沖擊波的傳遞方向。由圖20 可知，隨著阻波管厚度的增大，其約束作用也越來越顯著，炮孔間沖擊波在傳播過程中相同時刻裂隙處的壓力值逐漸降低。這表明，阻波管厚度的增大，在一定程度上降低了爆破能量的傳遞，降低殉爆發(fā)生的概率。

由圖21 可知，隨著阻波管厚度的增大，被發(fā)藥包內(nèi)部的壓力峰值不斷降低。當(dāng)阻波管厚度為3.2 mm 時，峰值壓力為835 MPa，與未加阻波管條件相比，被發(fā)藥包內(nèi)部的峰值壓力降低了73.71%。

3.3.2 巖粉防殉爆結(jié)果分析

為了分析在主發(fā)炮孔內(nèi)裂隙處填塞巖粉的防殉爆效果，在原模型基礎(chǔ)上（圖7）將主發(fā)炮孔裂隙處主發(fā)藥包替換為巖粉（圖22），進(jìn)行數(shù)值計算，結(jié)果如圖23～24 所示。

在空氣間隔和填塞巖粉兩種不同填充條件下，炸藥起爆開始階段壓力值區(qū)別不明顯。由圖23（a） 可以發(fā)現(xiàn)，t=1.4 ms 時，空氣間隔條件下炮孔間裂隙處出現(xiàn)了壓力集中現(xiàn)象。這是因?yàn)?，被空氣間隔的上、下兩部分炸藥爆炸后，沖擊波向中間運(yùn)動，當(dāng)兩者相遇時形成高壓區(qū)，即表現(xiàn)為壓力集中現(xiàn)象。比較圖23（a） 和（b） 可以發(fā)現(xiàn)，t=2.0 ms 時，在空氣間隔條件下裂隙處的壓力比巖粉填充條件下高。這表明空氣間隔中儲存的能量釋放使得裂隙處壓力升高。

由圖24 可以看出，填塞巖粉模型的壓力時程曲線呈現(xiàn)一個波峰，而空氣間隔模型的壓力時程曲線出現(xiàn)2 個波峰。這是因?yàn)?，炸藥爆炸后，空氣因其可壓縮性暫時儲存能量，炸藥爆炸沖擊波傳播結(jié)束后，壓縮空氣儲存的能量釋放，釋放的能量通過裂隙水傳遞作用于被發(fā)藥包。在填塞巖粉的情況下，最易殉爆單元的峰值壓力為224 MPa，使用空氣間隔器時為276 MPa，均未達(dá)到乳化炸藥的起爆壓力2 GPa。

綜合被發(fā)裝藥內(nèi)部壓力和應(yīng)力云圖判斷，在有防護(hù)措施的條件下，被發(fā)裝藥未發(fā)生殉爆。這表明，針對主發(fā)炮孔的防殉爆設(shè)計可有效降低殉爆發(fā)生的概率。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 殉爆檢測方法

現(xiàn)場主發(fā)炮孔和被發(fā)炮孔深度均為13.5 m，主發(fā)炮孔裝藥量為96 kg，被發(fā)炮孔裝藥量為24 kg。以主發(fā)炮孔為中心，設(shè)置1 號被發(fā)炮孔與其距離為2 m，2～6 號被發(fā)炮孔與主發(fā)炮孔的距離依次遞增1 m，并且隨著距離的增大被發(fā)炮孔與主發(fā)炮孔的連線逆時針旋轉(zhuǎn)依次增大60°，如圖25 所示。為了避免試驗(yàn)結(jié)果的偶然性，在距離主發(fā)炮孔30、35 和40 m 處分別設(shè)置1 臺測振儀，對炸藥爆炸產(chǎn)生的振動進(jìn)行監(jiān)測。設(shè)置孔間起爆延遲時間為1 s，中心炮孔為瞬發(fā)，按照逆時針對被發(fā)藥包依次起爆，當(dāng)被發(fā)炮孔內(nèi)炸藥未按照既定時間爆炸時，則判定該孔內(nèi)的炸藥發(fā)生了殉爆。

4.2 主發(fā)藥包內(nèi)放置阻波管防殉爆試驗(yàn)

根據(jù)殉爆檢測現(xiàn)場布置，分別在主發(fā)炮孔內(nèi)放置厚度為2.0、2.6、3.2 mm 的阻波管，并進(jìn)行現(xiàn)場殉爆試驗(yàn)和爆破振動監(jiān)測。提取監(jiān)測點(diǎn)①的振動數(shù)據(jù)，繪制不同厚度阻波管的防殉爆試驗(yàn)振速時程曲線，如圖26 所示。由圖26（a） 可以看出，在3 s 時振動波形缺失。這表明，3 號被發(fā)炮孔內(nèi)發(fā)生了殉爆?？梢姡褂煤穸?.0 mm 的阻波管仍存在殉爆風(fēng)險。而由圖26（b） 和（c） 可以看出，1～6 s 均發(fā)生了振動。這表明，6 個被發(fā)炮孔內(nèi)均未發(fā)生殉爆。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

4.3 主發(fā)炮孔裂隙處填塞巖粉/空氣間隔器防殉爆試驗(yàn)

根據(jù)殉爆檢測現(xiàn)場布置，分別在主發(fā)炮孔內(nèi)裂隙處填塞巖粉或者使用空氣間隔器，并進(jìn)行現(xiàn)場殉爆試驗(yàn)和爆破振動監(jiān)測。提取監(jiān)測點(diǎn)①的振動數(shù)據(jù)，繪制填塞巖粉和使用空氣間隔的防殉爆試驗(yàn)振速時程曲線圖如圖27 所示。由圖27 可以看出，1～6 s 時間點(diǎn)均發(fā)生了振動。這表明，當(dāng)主發(fā)炮孔內(nèi)部裂隙處填塞巖粉或者使用空氣間隔器后，即使被發(fā)藥包處于裂隙位置也未發(fā)生殉爆現(xiàn)象。可見，在炮孔內(nèi)的裂隙區(qū)域填塞巖粉或者使用空氣間隔器，避免了主發(fā)藥包產(chǎn)生的沖擊波直接作用于富水裂隙，降低了被發(fā)藥包受到的沖擊壓力，有效地避免了被發(fā)藥包殉爆的發(fā)生。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在主發(fā)炮孔裂隙處添加阻波管和巖粉/空氣間隔器可防止殉爆。

5 結(jié) 論

以元寶山露天礦殉爆問題為研究背景，開展了數(shù)值模擬和現(xiàn)場殉爆試驗(yàn)，主要工作及結(jié)論如下。

（1） 該露天礦臺階爆破殉爆產(chǎn)生的原因是炮孔間存在一定寬度的貫通富水裂隙，炸藥爆破產(chǎn)生的水沖擊波傳播至相鄰炮孔時，最大壓力值超過了乳化炸藥的臨界起爆壓力，引發(fā)殉爆現(xiàn)象。通過研究不同參數(shù)（炸藥質(zhì)量、炮孔間的距離以及裂隙寬度）對被發(fā)藥包沖擊起爆條件的影響，發(fā)現(xiàn)了孔壁沖擊壓力隨裝藥耦合系數(shù)的減小、裂隙寬度（0.25～1.00 cm）的增大以及炮孔間距的減小而提高。

（2） 通過對3 種防止殉爆措施進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)被發(fā)藥包在3 種防止殉爆措施下被施加的壓力均低于臨界起爆壓力。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，當(dāng)炮孔內(nèi)炸藥放置處存在單條裂隙時，采用填塞巖粉的方法來防止殉爆的發(fā)生；當(dāng)存在多條裂隙時，炮孔內(nèi)放置厚度為2.6 mm 阻波管的方法防止殉爆的發(fā)生。

（3） 基于數(shù)值模擬和現(xiàn)場殉爆試驗(yàn)，提出了現(xiàn)場判定殉爆的檢測方法；在易殉爆區(qū)主發(fā)炮孔裝藥使用阻波管和巖粉，可降低被發(fā)藥包所受的沖擊壓力，防止殉爆的發(fā)生。

在調(diào)研露天礦臺階爆破殉爆現(xiàn)象和開展現(xiàn)場殉爆試驗(yàn)過程中，得到了內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司元寶山露天煤礦的大力支持。礦方工程技術(shù)人員王晨光、王勇、張秋園、劉競超、敖然松和武浩不僅多次參與了線上、線下的討論會，還在試驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行了精心的組織協(xié)調(diào)。他們的參與確保了整個研究過程的順利進(jìn)行，在此謹(jǐn)表謝意。

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（責(zé)任編輯 張凌云）

基金項(xiàng)目： 遼寧省教育廳基本科研項(xiàng)目（青年項(xiàng)目）基金（JYTQN2023206）