裝藥結構對臺階爆破粉礦率的影響研究

劉玲平,唐 濤,李萍豐,李戰軍

(1.廣東省安全生產監督管理局, 廣東廣州 510060;2.廣東宏大爆破股份有限公司, 廣東廣州 510623)

裝藥結構對臺階爆破粉礦率的影響研究

劉玲平1,唐 濤2,李萍豐2,李戰軍2

(1.廣東省安全生產監督管理局, 廣東廣州 510060;2.廣東宏大爆破股份有限公司, 廣東廣州 510623)

分析了臺階爆破粉礦產生的原因,認為臺階爆破的粉礦控制應從改變裝藥結構著手。采用數值模擬,對臺階爆破采用不同裝藥結構時的炮孔內的應力等值線、孔壁應力和粉碎圈范圍進行了對比研究,發現與耦合裝藥相比,采用不耦合不均勻裝藥時,炮孔壁巖體應力明顯變小,炮孔壁的應力波的幅值降低,炮孔壓碎圈半徑減少。通過試驗和實踐,確定了不耦合裝藥的相關參數,提出了降低臺階爆破粉礦的建議。

粉礦;裝藥結構;不耦合;臺階爆破

通常,為了便于裝車和控制成本,石方的開采多以控制爆破大塊為主要目標,對粉礦率不作規定。但在某些情況下,低于一定規格的粉礦被認為是無用的廢料,比如某海防防波堤工程規定:石料中小于10 kg的粉礦(或稱細料)不能使用,只能作為廢渣扔掉。近幾年,隨著城市和工業發展速度的加快,廣東省資源與利用的矛盾越來越突出,特別是沿海地區稀有石材的供需更是如此。為了充分利用有限的資源,廣東省安全生產管理局組織有關專家對石料爆破開采的粉礦控制技術進行了系統研究。

1 臺階爆破粉礦產生原因及應對措施

1.1 粉礦產生原因

臺階爆破的粉礦主要來自以下幾個方面[1]。

(1)由于管理、裝載及運輸設備等因素,在平臺留下的碎渣。

(2)自然因素:指礦石在未被開采活動擾動的原始狀態下其固有性質對粉礦產生量的影響因素,包括賦存條件及工程地質,如層理、節理及裂隙和物理力學性質等。

(3)炮孔近區的粉碎區:由于炸藥爆炸能量導致炮孔近區的巖石產生粉碎。粉碎區范圍大小取決于巖石特性(包括巖石的動態抗壓強度、巖石波阻抗等)、炸藥特性(包括炸藥的爆速、密度、波阻抗)、鉆爆參數(包括底盤抵抗線、孔距、炮孔密集系數、超深、堵塞長度等)、裝藥結構(包括不耦合系數、上部裝藥線密度及長度、下部裝藥線密度及長度等)等條件。

1.2 應對措施

根據上述分析,對(1)可以通過加強管理、改進設備來降低粉礦;對(2)靠按塊度級配要求將采場分區來改善;而對(3)點只能通過改善爆破技術加以解決。具體到一個采石場,有些爆破參數已經固定,例如:巖石特性、臺階高度、鉆孔直徑、炸藥特性等,降低粉礦爆破技術的研究主要從改變鉆孔的裝藥結構、起爆方式、孔網參數入手。本文主要論述裝藥結構的改進。

根據對全孔耦合裝藥、全孔不耦合裝藥及全孔不均勻不耦合裝藥的現場工業性對比試驗及計算機模擬對比分析,得出不均勻不耦合裝藥的粉礦控制爆破技術是降低粉礦、充分利用鉆孔,使鉆、爆、運綜合成本最低的爆破技術。其基本設想是:下部炸藥量將底部巖石崩開(從母巖上拋出)、上部藥量則將上部巖石震塌(弱松動爆破),使其靠自重掉下。圖1是一個臺階高為 15 m的臺階爆破裝藥結構圖。

圖1 全孔不均勻不耦合裝藥結構

將 15 m高臺階的巖體分為上、下兩部分進行裝藥設計(全孔不均勻不耦合裝藥技術)。將單一裝藥結構(裝藥段延米裝藥相同)改變成上下兩段裝藥,下段延米裝藥量是上段延米裝藥量的 1.2～2.2倍(上下裝藥直徑不同)。

2 徑向不耦合不均勻裝藥爆破數值模擬

不耦合裝藥爆破主要靠間隔介質來實現能量的轉移,使得原本過度浪費在粉碎區的爆炸沖擊波能量被充分利用,轉化成破碎區“有用”的能量,來達到預期的破巖效果[2],從而達到降低粉礦的目的。

由于炸藥爆破及其破巖過程高速、復雜,現有實驗條件和測試手段有限,在實驗室或現場難以對爆破現象進行詳細的觀測。利用現代計算機技術,再現爆破過程,模擬各種變量之間的關系,已是目前工程爆破和爆破理論研究的熱門課題,并取得了眾多的成果[3,4]。本文采用 LS-DYNA數值模擬軟件。

2.1 應力等值線對比

耦合裝藥動態過程可以分為下面 2個階段:炸藥引爆,爆轟波在炸藥中傳播;爆腔開始膨脹,開始壓縮巖石造成擾動,應力波在巖石中傳播。

不耦合不均勻裝藥動態過程可以分為下面 3個階段:

(1)炸藥引爆,爆轟波在炸藥中傳播,但未對空氣和巖石造成壓縮;

(2)爆轟波壓縮空氣,并經過空氣層進入巖石;

(3)爆腔開始膨脹,開始壓縮巖石造成擾動,應力波在巖石中傳播。

從起爆后不同時刻的 von-mises應力場等值線可以看出,采用不耦合不均勻裝藥時,由于空氣層的存在,巖體應力明顯低于耦合裝藥。圖2為起爆后 3000μs時的耦合裝藥與不耦合不均勻裝藥 von-mises應力場等值線對比。

圖2 起爆后 3000μs時的 von-mises應力場等值線

2.2 耦合裝藥與不耦合裝藥的孔壁應力對比

炸藥爆炸后,若產生的沖擊壓力過高,則會在巖體內激起沖擊波,使炮眼附近巖石過度粉碎,產生壓碎圈,從而消耗大量能量。不耦合裝藥有效地降低炮孔壁的沖擊壓力峰值。由孔壁應力圖可以看出,在不耦合裝藥時,隨著不耦合系數的增大,沖擊波波形拉長,正壓區作用時間加長,孔壁受沖擊壓力作用的時間也延長。

與耦合裝藥相比,不耦合條件下,藥卷和孔壁之間的空隙對爆炸沖擊作用將起到一個很大的緩沖作用,從而使應力波的幅值大大降低。由于不耦合不均勻裝藥炮孔的上部裝藥直徑更小,因此,其上部炮孔孔壁所受的沖擊壓力更低,這對提高炮孔上部巖體的成材率更為有利。圖3為耦合裝藥孔壁應力圖,圖4為不耦合不均勻裝藥下部孔壁應力圖。

圖3 耦合裝藥孔壁壓力(單位:105M Pa)

圖4 不耦合不均勻裝藥下部孔壁壓力(單位:105M Pa)

2.3 粉碎圈范圍的對比

圖5為耦合裝藥和不耦合不均勻裝藥的粉碎圈范圍圖。從圖中可以看出,耦合裝藥的粉碎圈半徑約為 0.31 m,為炮孔半徑的 4.4倍,不耦合不均勻裝藥下部的粉碎圈半徑約為 0.16 m,為炮孔半徑的2.3倍,不耦合不均勻裝藥上部的粉碎圈半徑約為0.12 m,為炮孔半徑的 1.7倍。

圖5 不同裝藥結構的粉碎圈對比

由以上數值模擬分析可知,采用不耦合不均勻裝藥,由于空氣的存在,大大降低了炸藥爆炸后作用在孔壁上的初始沖擊壓力和拉應力,減少了壓碎圈半徑,增加了能量的有效利用率。不耦合裝藥在合適的不耦合系數、一定的礦巖和炸藥條件下,既能有效的降低作用在炮孔壁上的沖擊壓力峰值,又能延長爆破破巖的作用時間,增大應力波和氣體膨脹的破巖沖量,增加用于破碎或拋擲巖石的爆炸能量,而且可以使裝藥重心提高,使比沖量沿炮孔分布更均勻,從而減少粉碎圈直徑,降低粉礦率。

3 不同裝藥結構對比爆破試驗

為了確定合理的裝藥結構,保證粉礦較低,鉆、爆、裝、運綜合成本最低的目標,在不同的爆破塊度區域對耦合裝藥、全孔不耦合裝藥及全孔不均勻不耦合裝藥進行了數次現場工業性對比試驗。從表1可以看出:在相同的孔網參數下,耦合裝藥、全孔不耦合裝藥、全孔不均勻不耦合裝藥的粉礦率依次降低,這與計算機模擬的結果完全一致。

表1 不同裝藥結構爆破試驗數據

4 粉礦控制爆破技術應用

根據數值模擬結論和實驗結果,在某大型采石場的規格石爆破開采生產中使用了該粉礦控制爆破技術[5]。

4.1 爆破參數

某大型采石場采區內巖層為黑云母二長花崗巖,f值為 11～14,飽和抗壓強度為 70～150 MPa。采區內地質條件復雜,節理、裂隙、風化溝、破碎帶均十分發育,整個采區有 6組很有規律的結構面,裂隙水豐富。設計院設計粉礦率為 43%,前期工程由其他施工單位施工,粉礦率曾經達到 61%。

鉆孔設備選用英格索蘭 VHP750潛孔鉆機,臺階高度 H為 15.0 m,垂直孔,孔徑為Φ140 mm。因鉆孔中有水,炸藥選用WR系列乳化炸藥,炸藥密度△為 1.16 g/cm3,采用全孔不均勻不耦合裝藥結構爆破工藝,現場實際裝藥操作是下部直接投入Φ110藥卷,上部用繩子吊裝Φ70,Φ80,Φ90,Φ100藥卷,線密度分別為 4.3,5.1,6.3,9.0,14.4 kg/m。巖石可爆性分為 I,II,III級,穿爆參數見表2。

表2 深孔臺階爆破穿爆參數

4.2 爆破效果

爆破前,根據巖石硬度、巖石種類、爆破漏斗體積、爆破塊度分布指數、裂隙平均間距、炸藥單耗等6項指標將整個采石場巖體劃分為:大塊區(800 kg以上)、中塊區(100～800 kg)及小塊區(100 kg以下)。

經過近兩個月 84次工業性對比爆破試驗,累計鉆孔 34347.7 m,爆破總方量為 734071.67 m3,用炸藥 274040 kg。現場統計,在不同的爆破塊度區域中,不同炸藥單耗、孔網參數的平均粉礦率分別為16.58%,33.73%,98.20%。小塊區的粉礦率高,說明小塊巖本身已經被裂隙切割成小塊,不需要爆破它都非常破碎,爆破的作用只是將其松散開便于裝運而已,要想在小塊區爆破中降低粉礦率非常困難。

5 結 論

(1)采用全孔不均勻不耦合裝藥結構,可以有效降低爆破粉礦,減少資源浪費。

(2)為了確保爆破效果,上下部裝藥的線密度可相差一倍以上,這種裝藥結構不但可以減少炸藥單耗、減少后沖,而且是降低粉礦率的重要技術措施。

(3)生產中發現,通過寬孔距的布孔方式降低粉礦效果并不好;要降低粉礦,炮孔密集系數應在1.0～1.5之間。

(4)微差爆破技術可以改善爆破質量,雖然當前尚沒有一種能準確可靠地確定適于不同要求的微差爆破的間隔時間的權威方法,但生產經驗證實,采用 25 ms的微差時間較 50 ms及其以上的微差時間,可減少粉礦率 3%以上。

(5)在不影響生產的情況下,可以適當增加大塊以保證粉礦率較低,雖增加二次破碎成本,但可以降低總成本。

(6)調整起爆順序可以改變爆破作用的方向,利用這一特點可以減少爆落體互相撞擊的幾率,減少粉礦的產生。

[1] 李萍豐,羅國慶,廖新旭,等.影響深孔臺階爆破粉礦率的因素初步分析[A].中國爆破新技術[M].北京:冶金工業出版社,2004:961～966.

[2] 于亞倫.工程爆破理論與技術 [M].北京:冶金工業出版社,2004,176～211.

[3] 肖紹清,朱文彬,曹桂祥,等.炮孔復合裝藥結構的功能和設計要求[J].工程爆破,2003,(2):12～15.

[4] 題正義,衣東豐.爆堆礦巖塊度分布測試方法概述[J].遼寧工程技術大學學報,2003,(S):1～3.

[5] 李萍豐,宋常燕.大型采石場深孔臺階爆破的實踐總結[A].中國爆破新技術[M].北京:冶金工業出版社,2004:170～174.

2009-06-17)

劉玲平(1969-),男,湖南湘鄉人,高級工程師,碩士,從事礦山生產與安全管理工作,Email:zhanjunmail@163.com。