影響露天礦臺階爆破效果的因素分析

方 偉,張新光,2

(1.洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司礦山公司, 河南欒川縣 471542;2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 湖南長沙 410083)

影響露天礦臺階爆破效果的因素分析

方 偉1,張新光1,2

(1.洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司礦山公司, 河南欒川縣 471542;2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 湖南長沙 410083)

爆破作業(yè)是礦山生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié),爆破效果的好壞直接影響礦山的經(jīng)濟(jì)效益,分析了影響露天臺階爆破效果的 4個主要因素:炸藥性能、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式、起爆網(wǎng)絡(luò),并結(jié)合三道莊鉬礦的實際情況,詳細(xì)介紹了影響臺階爆破效果的一些重要因素和數(shù)據(jù),為改善礦山爆破效果提供了一些參考。

臺階爆破;炸藥性能;裝藥結(jié)構(gòu);起爆方式;起爆網(wǎng)絡(luò)

洛鉬集團(tuán)三道莊露天礦是我國大型的有色礦山之一,也是我國主要的鉬原料基地。1969年建礦(當(dāng)時為地下礦),1998年開始籌建露天礦,2002年實現(xiàn)全面露天開采。目前礦山生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)鉬礦石 1100多萬 t,采剝總量 3500多萬 t,邊坡最大高差228 m(即 1294～1522 m水平),一次爆破量一般為15～30萬 t,最大一次為 120萬 t以上。

目前,三道莊露天礦的臺階爆破技術(shù)已趨于成熟,長期工作在生產(chǎn)一線的爆破工程技術(shù)人員先后對影響爆破效果的數(shù)十個因素進(jìn)行了大量的試驗研究,其中包括炸藥參數(shù)、爆破參數(shù)、巖體結(jié)構(gòu)與力學(xué)特征等各種不同類型的因素。然而,由于理論分析和現(xiàn)場試驗的目的不同,以及受各種客觀條件的限制,不可能也不必要將各個影響因素都反映出來。本文作者就炸藥性能、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方法及網(wǎng)路的共性問題結(jié)合三道莊露天礦的工程實例進(jìn)行了分析研究。

1 炸藥性能對爆破效果的影響

炸藥的密度、爆熱、爆速、做功能力和猛度等性能指標(biāo),反映了炸藥爆炸的威力,直接影響爆炸效果。增大炸藥的密度和爆熱,可以提高單位體積炸藥的能量密度,同時提高炸藥的爆速、猛度和爆力。但是品種、型號一定的工業(yè)炸藥其各項性能指標(biāo)均按相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定其性能指標(biāo),作為工業(yè)炸藥的用戶,礦山工程爆破技術(shù)人員一般不能變動這些性能指標(biāo)。即使像銨油炸藥、水膠炸藥或乳化炸藥這些可以在現(xiàn)場混制的炸藥,過分提高其爆熱,也會造成炸藥成本的大幅度提高。另外,工業(yè)炸藥的密度也不能進(jìn)行大幅度的變動,例如當(dāng)銨銻炸藥的密度超過其極限值后,就不能穩(wěn)定爆轟。

爆速是炸藥本身影響其能量有效利用的一個重要性能指標(biāo)。不同爆速的炸藥,在巖體內(nèi)爆炸激起的沖擊波和應(yīng)力波的參數(shù)不同,從而對巖石爆破作業(yè)及其效果有著明顯的影響。炸藥與巖石的匹配問題在以前常規(guī)爆破中常不予重視,但由于炸藥與巖石匹配問題確實對爆破效果產(chǎn)生較大影響,在特殊條件下的爆破,或要求較高的控制爆破中就不得不考慮炸藥與巖石的匹配關(guān)系,如在光面預(yù)裂爆破中為了保護(hù)坡面的完整平直,則需用低爆速炸藥。為提高炸藥能量的有效利用率,炸藥的波阻抗盡可能與所爆巖石的波阻抗相匹配 (比值盡可能接近 1),因此,巖石的波阻抗愈高,所選用炸藥的密度和爆速應(yīng)愈大。

在炸藥爆轟參數(shù)的計算中,爆速和爆壓是最重要的兩個特性參數(shù)。炸藥界對此除了進(jìn)行理論上的全面和準(zhǔn)確的研究預(yù)報外,還總結(jié)、研究了許多計算爆速和爆壓的經(jīng)驗和半經(jīng)驗方法[1]。這些經(jīng)驗計算方法快速有效,精度符合要求,為炸藥合成、設(shè)計提供了得心應(yīng)手的工具。

2 裝藥結(jié)構(gòu)對爆破效果的影響

穿孔爆破中裝藥結(jié)構(gòu)對爆破的影響很大,根據(jù)炮孔內(nèi)藥卷與炮孔、藥卷與藥卷之間的關(guān)系以及起爆位置,三道莊露天礦常見的裝藥結(jié)構(gòu)可以分為以下幾種:

(1)按藥卷與炮孔的徑向關(guān)系分為耦合裝藥和不耦合裝藥。耦合裝藥藥卷與炮孔直徑相等或采取散裝藥方式 (見圖1(a)),不耦合裝藥藥卷與炮孔在徑向有間隙,間隙內(nèi)可以是空氣或其它緩沖材料,水、巖粉等 (見圖1(b))。

(2)按藥卷與藥卷在炮孔中軸向的關(guān)系分為連續(xù)裝藥和間隔裝藥。連續(xù)裝藥各藥卷在炮孔軸向緊密接觸 (見圖1(c)、圖1(d)),間隔裝藥藥卷之間在炮孔軸向上存在一定長度的空隙,空隙內(nèi)可以是空氣、巖粉、木墊或其它材料 (見圖1(e))。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)

2.1 不耦合裝藥對爆破效果的影響

在一定的巖石和炸藥條件下,采用不耦合裝藥或空氣間隔裝藥可以增加炸藥作用于破碎或拋擲巖石能量的比例,提高炸藥能量的有效利用率、改善巖石破碎的均勻度、降低大塊率、提高鏟裝效率,還能降低炸藥消耗量,有效地保護(hù)邊坡免遭破壞。這兩種裝藥結(jié)構(gòu),特別是不耦合裝藥結(jié)構(gòu)在光面爆破和預(yù)裂爆破中得到了廣泛的應(yīng)用。

空氣間隔裝藥還有以下優(yōu)點:

(1)降低了作用在炮孔孔壁上的沖擊壓力峰值。若沖擊壓力過高,在巖體內(nèi)激起沖擊波,產(chǎn)生粉碎區(qū),使炮孔附近巖石過度粉碎,就會消耗大量能量,影響粉碎區(qū)以外巖石的破碎效果。

(2)增加了應(yīng)力波作用時間。在相同試驗條件下,從圖2中可以看出,空氣間隔裝藥激起的應(yīng)力波峰值減小,應(yīng)力波作用時間增長,應(yīng)力變化比較平緩。

(3)增大了應(yīng)力波傳給巖石的沖量,而且使沖量沿炮孔較均勻分布。

2.2 充填的作用

充填的目的是保證炸藥充分反應(yīng),使之產(chǎn)生最大熱量,防止炸藥不完全爆轟;防止高溫高壓的爆轟氣體過早地從炮孔逸出,使爆炸產(chǎn)生的能量更多地轉(zhuǎn)換成破碎巖體的機(jī)械功,提高炸藥能量的利用率。另外合適的充填還可以大大降低出現(xiàn)飛石的比率。

圖2 連續(xù)裝藥和空氣間隔裝藥激起應(yīng)力波波形的比較

從圖3可以看出,有充填的炮孔明顯增大了爆轟氣體在孔壁上的壓力 (后期壓力)和壓力作用時間,從而大大提高了對巖石的破碎和拋擲作用[2]。現(xiàn)在三道莊露天礦使用的充填經(jīng)驗公式如下:

式中:H——充填高度,m;

μ——充填系數(shù) (18～28),堅硬巖石取小值,軟巖取大值;

D——炮孔直徑,m。

圖3 充填對爆破作用的影響

2.3 起爆位置的影響

在炮孔爆破法中,根據(jù)起爆點在裝藥中的位置和數(shù)目,將起爆方式分為正向起爆、反向起爆和多點起爆[3]。

試驗和經(jīng)驗表明,起爆點位置是影響爆破效果的重要因素。在巖石性質(zhì)、炸藥用量和炮眼深度一定的條件下,與正向起爆相比,反向起爆可以提高炮眼的利用率,降低巖石的夾制作用和大塊率。在炮眼較深,起爆間隔時間較長以及炮眼間距較小的情況下,反向起爆可以消除采用正向起爆時容易出現(xiàn)的起爆藥卷被臨近炮眼內(nèi)的裝藥爆破“壓死”或提前炸開的現(xiàn)象。

與正向起爆相比,反向起爆也有不足之處。例如,需要長腳線雷管,裝藥比較麻煩;在有水深孔中起爆藥包容易受潮;裝藥操作的危險性增加,機(jī)械化裝藥時靜電效應(yīng)可能引起早爆等。

國內(nèi)外試驗研究表明,在較長藥包中,不論雷管朝向何方,在起爆點前方和后方一定距離內(nèi)爆破效力最強(qiáng),距離爆源愈遠(yuǎn),爆破效果愈差。因此在較長的條狀藥包爆破時 (即深孔爆破時),為提高爆炸能量利用率,應(yīng)采用多點起爆。

3 起爆方法及網(wǎng)路

電力起爆存在施工復(fù)雜、受環(huán)境影響較大等缺點;導(dǎo)爆索索起爆法的優(yōu)點是操作簡單、安全性好、傳爆速度快等,缺點是成本較高,容易產(chǎn)生噪聲和飛石;導(dǎo)爆管起爆法同時具有電力起爆和導(dǎo)爆索起爆系統(tǒng)的優(yōu)點,能夠適應(yīng)各種不同條件的爆破工程[4]。

采用導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)絡(luò)可以形成孔內(nèi)微差爆破和孔外微差爆破,從而達(dá)到減小爆破震動和爆轟沖擊波、減低大塊率的目的,還可以控制巖石的拋擲方向,從而在礦石和巖石分界的地方實現(xiàn)礦巖分離[5,6]。

圖4為三道莊露天礦日常爆破中的一個典型爆破設(shè)計,該網(wǎng)絡(luò)采用的是孔外微差爆破,孔內(nèi)和孔外使用的都是高精度導(dǎo)爆雷管,起爆點選在自由面最好的左上方,控制排用的是延時 25 ms的孔外管,雁行列用的是延時 42 ms的孔外管,最后一排為了減低爆破反沖使用的是延時 65 ms的孔外管,孔內(nèi)統(tǒng)一使用延時 400 ms的孔內(nèi)管。

圖4 典型爆破設(shè)計

4 結(jié) 語

本文僅就炸藥性能、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方法及網(wǎng)路的共性問題進(jìn)行了簡單的分析,尚未對影響爆破效果的眾多因素進(jìn)行系統(tǒng)深入地研究,因此有待做更深入細(xì)致的數(shù)據(jù)收集和分析工作,以求得此問題的更好解決?？傊?經(jīng)過對以上因素的簡單分析,如果對每個因素都進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,相信對以后的爆破工作能起到一定的指導(dǎo)作用。

[1] 何東民.現(xiàn)代礦山爆破設(shè)計與爆破關(guān)鍵技術(shù)及常用數(shù)據(jù)手冊[M].石家莊:現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)出版社,2006.

[2] 陸 文,張志呈.鉆孔爆破中炮孔堵塞作用機(jī)理研究[J].爆破,2001,18(1):16～18.

[3] 劉殿中.工程爆破實用手冊 [M].北京:冶金工業(yè)出版社,1999.

[4] 張正宇.中國爆破新技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

[5] 曾 鳴,張成良,等.單孔單響微差起爆技術(shù)在路塹開挖中的應(yīng)用[J].爆破,2006,23(2):43～46.

[6] 孫清林,王立宏.淺孔微差爆破技術(shù)在石方開挖中的應(yīng)用[J].工程爆破,2002,8(1):44～46.

2010-03-10)

方 偉 (1971-),男,河南信陽人,助理工程師,主要從事采礦與安全工程技術(shù)研究,Email:zxg-1219@163.com。