露天爆破合理深孔填塞參數及裝藥結構的研究

喬明旭

摘要：合理深孔填塞參數及裝藥結構，在露天礦深孔爆破中，對生產安全和改善爆破效果有著十分重要的作用，在炸藥爆炸瞬間，填塞材料在孔壁與高壓氣體之間的相互作用中起一種“調節伐”的作用。主要是防止高壓氣體過早外泄，增加高壓氣體膨脹作用時間，同時也改變了巖石中應力作用形式。采用合理的炮孔裝藥結構，是有效控制爆破作用，調節巖石破碎塊度，提高炸藥能量利用率的重要途徑之一。

結論：1. 炮孔中安放一定高度的間隔器是改善炸藥在炮孔內分布的有效手段，可以提高炸藥能量利用率，改善爆破效果。2. 底部空氣墊層裝藥結構與中間空氣間隔裝藥結構相比，前者具有施工簡單，爆破費用低等優點，并使爆破效果得到進一步改善。建議礦山采用這種結構。3. 底部空氣墊層的存在有利于克服根底。4. 就底部空氣墊層裝藥結構爆破條件下擴大孔網參數問題進一步試驗研究（保持炸藥單耗不變），以期取得更大的經濟效益。進一步研究適合于不同礦巖和爆破技術條件的最優底部空氣墊層高度。

關鍵詞: 合理深孔 填塞參數 裝藥結構

前言

在露天礦深孔爆破中，填塞對生產安全和改善爆破效果有著十分重要的作用。因此，近年來，炮孔堵塞作用問題愈來愈引起人們的重視，許多學者對此進行過專門的研究，并提出各自的觀點。一般認為：填塞的作用主要是限制炮孔空腔內爆炸氣體赤早外泄，以維持較長時間的炮孔壓力。但由于填塞對炸藥爆轟和巖石破碎的影響是一個十分復雜的過程，完全解決填塞作用機制問題目前仍十分困難。因此，礦山實際中一般采用的填塞參數都基于生產經驗，而往往不能根據生產不能根據生產條件的變化，改變并確定合理的炮孔填塞參數。

露天臺階按裝填和破碎特點的不同沿高度可劃分為三個區，即非裝藥區，裝藥區和超深區，如圖所示。在現代露天礦，隨著大型鉆機的使用，炮孔直徑增加到300-350mm，同上時采用了漿狀炸藥，乳化炸藥等高密度炸藥，使得孔內藥柱中心下移，上部非裝藥區高度增大。在一些礦山，非裝藥區高度甚至達到臺階高度的60%以上。在這種情況下，非裝藥區內巖石的破碎程度對整個臺階爆破效果的影響就更顯得突出。同樣，在填塞長度變化的情況下，裝藥區所對應的巖石破碎程度也必將產生相應的變化。因此，通過對裝藥區與非裝藥區的破碎程度隨填塞參數變化的規律，定量地確定適合于不同爆破條件的合理填塞參數，在實際上都具有重要意義。

在巖石爆破系統中，炮孔，炸藥和填塞物構成了該系統的“載荷源”。巖石介質內受載荷作用形式取決于炸藥種類、藥量、填塞材料、巖石性質和炮孔的幾何尺寸等。這些因素的綜合作用決定著巖石的最終破碎效果。

在給定巖石種類、炸藥、藥量及爆破方式的條件下，炮孔填塞就成為影響爆破破碎效果的主要因素。適當的炮孔填塞能加強爆炸氣體對周圍巖石的作用，改善爆破效果，填塞材料對加強爆炸氣體對周圍巖石的作用已被大量的生產實踐所證實。為此，我就此分析一下有關方面的因素對爆破效果的影響，請同仁們批評及指正。

一、 填塞材料作用

在炸藥爆炸瞬間，填塞材料在孔壁與高壓氣體之間的相互作用中起一種“調節伐”的作用。主要是防止高壓氣體過早外泄，增加高壓氣體膨脹作用時間，同時也改變了巖石中應力作用形式。因此，適當地選擇材料和填塞方式，可以改變炸藥對巖石的作用形式。巖石中應力作用形式的變化使最終爆破破碎效果得以改善。

填塞材料對爆破破碎過程的影響主要是通過改變巖體應力作用形式來完成的。巖石應力值的大小，應力作用時間（超過一定值的應用作用時間）決定了巖石的破碎程度和破碎范圍。

與不填塞相比填塞材料能增加應力幅值和延長應力的作用時間。炮孔的裝填結構和填塞長度是變化的，不同的裝填結構和填塞長度有不同的爆破效果，在裝填結構和填塞長度趨于合理時，可取得較好的爆破效果和較規則的漏斗形狀，裝填結構不合理和無填塞時，則爆破效果很差，漏斗的形狀也不規則。

柱狀藥包的爆轟過程與球狀藥包不同，爆轟波從柱狀藥包一端傳到另一端需要一定的時間。柱狀藥包在巖體中產生的應力波波前的一端為球面而與傳爆方向一致的另一端卻是錐面，其錐度取決于巖體應力波波速與炸藥爆轟波速度之比。在漏斗形成過程中，應力波（包括入射波和到達自由面的反射波）和爆炸氣體的共同作用形成了爆破破碎漏斗。在集中藥包條件下，填塞條件相同時，漏斗的幾何尺寸只與炸藥量和藥包埋深有關。對于柱狀藥包，除了填塞條件以外，爆破漏斗的幾何尺寸還與藥柱的長度有關。不同的裝填結構和填塞長度有不同的爆破效果。一般情況下，我礦填塞長度是裝藥長度的二分之一時爆破效果最好。

二、裝藥結構

在巖石爆破中，一般認為，對于均質、密度大的堅硬巖石來說，爆破所引起的巖體中應力波是使巖石破壞的主要因素。而在比較松軟或裂隙發育巖石爆破時，引起其破壞的主要因素則是爆炸氣體準靜態壓力的作用。

采用合理的炮孔裝藥結構，是有效控制爆破作用，調節巖石破碎塊度，提高炸藥能量利用率的重要途徑之一。在露天深孔爆破中，最常用的裝藥結構是自炮孔底部由下而上的連續裝藥。很明顯，采用這種裝藥結構時，藥柱重心偏于臺階下部，特別是在炮孔直徑增大時，炸藥更集中于炮底，而臺階上部炮孔非裝藥部分長度加大，結果，沿臺階高度炮孔中炸藥能量的分布是很不均勻的。為了合理分布能量，提出了改變連續裝藥結構為間隔裝藥結構的問題。

裝藥結構是涉及炸藥在炮孔中的分布和炸藥能量利用的問題。尋求新的合理的炮孔裝藥結構，是當今礦山爆破技術進一步發展迫切需要解決的關鍵問題之一，這對于充分利用炸藥能量，改善爆破效果，提高礦山生產能力和經濟效益。具有重要意義。

長期以來，露天深孔爆破沿用的是連續裝藥結構。這種裝藥結構的突出問題，是藥柱重心過度偏于臺階下部尤其是在采用大直徑炮孔和高密度炸藥的礦山，這種狀況更為明顯，超深部分裝藥長度一般可達到1/3-1/2藥柱總長度。本來炮孔保持一定超深是為了克服臺階根底，但是，隨此而導致臺階上部非裝藥區高度增大，這部分巖石與爆破中心距離加大而得不到有效破碎，大塊增加，不僅如此，超深部分的炸藥爆炸還帶來許多不良后果，如加劇爆破地震，使下一臺階的上部巖石受到預破碎，這不僅增加鉆孔困難，降低鉆孔效率，而且也使大塊率增加。

研究結果表明，臺階非裝藥區高度與裝藥區高度之比存在最優值。但就我國金屬礦山露天深孔爆破現狀來說，該比值一般均大于最優值，炸藥能量沿臺階高度的分布十分不合理。為了改變這種狀況，就需要從改善裝藥結構入手，來調整這一比值。例如，用空氣間隔裝藥結構來代替連續裝藥結構，一方面，以此來增大臺階上部裝藥長度，另一方面，空氣間隔的存在可起調節爆炸初始壓力的作用，減小由于巖石過粉碎而產生的能量損失，并可延長爆炸氣體在巖體中的作用時間，增強爆破效應。可見，一定高度的空氣間隔的存在，不僅是在幾何上提高藥柱重心，更重要的是有助于調節爆炸作用。但是盡管如此，由于這種裝藥結構的裝藥工藝是間斷進行的，效率低，不利于實現機械化裝藥，所以，沒有在現代大型礦山生產中得到廣泛應用。為了改變這種情況，有必要進一步改進現有裝藥結構，克服空氣間隔裝藥結構的缺點，確定新的合理裝藥結構。底部空氣墊層裝藥結構正是為解決這一問題而被提出來的。

臺階非裝藥區高度與裝藥區高度之比存在最優值。但就我國金屬礦山露天深孔爆破現狀來說，該比值一般均大于最優值，炸藥能量沿臺階高度的分布十分不合理，為了改變這種狀況，就從改善裝藥結構入手，來調整這一比值，使之趨于最優值。例如用空氣間隔裝藥結構來代替連續裝藥結構，一方面，以此來增大臺階上部裝藥長度，另一方面，空氣間隔的存在可起調節爆炸初始壓力和作用，減小由于巖石過粉碎而產生的能量損失，并可延長爆炸初始壓力在巖體中的作用時間，增強爆破效應，可見一定高度的空氣間隔的存在，不僅是在幾何上提高藥柱重心，更重要的是有助于調節爆炸作用。但是，盡管如此，由于這種裝藥結構的裝藥工藝是間斷進行的，效率低，不利于機械化裝藥，所以，沒有在大型礦山生產中得到廣泛應用。為了改變這種情況，有必要進一步改進現有裝藥結構，克服空氣間隔裝藥結構的缺點，確定新的合理裝藥結構，為此，試著采用底部空氣墊層裝藥。

底部空氣墊層裝藥結構的特點，在于空氣層（柱）不是位于藥柱下端與孔底之間，如附圖所示，即在藥柱下端存在一個氣墊，而空氣墊層上面是一個連續藥柱，而不像在空氣間隔裝藥結構一樣需要分段裝藥。這就簡化了裝藥工藝，便于實現機械化裝藥。空氣墊層在炮孔底部更有利于調節炸藥爆炸初始壓力和延長爆炸氣體作用時間。空氣墊層的存在，使孔底巖石與藥柱隔開，超深部分的周圍巖石不能受到藥柱爆炸的直接作用，雖然如此，根據空氣沖擊波理論，在適合的爆炸參數條件下孔底周圍巖石在強烈空氣沖擊波作用下，同樣將得到充分破碎。

藥柱起爆后，當爆轟波傳播到達藥柱下端與空氣墊層間的界面時，高壓爆炸氣體強烈沖擊壓縮其前方的空氣，從而在氣墊中形成一沖擊波，自藥柱下端向孔底方向傳播。與此同時，爆炸氣體向氣體方面膨脹，其壓力將下降，結果在爆轟產物中產生一膨脹波向孔口方向傳播。考慮到空氣墊層高度較小，且假定在沖擊波傳播過程中孔壁巖石未發生變形，可以認為沖擊波在空氣墊層是定常傳播當沖擊波傳播到達孔底巖石時，則將產生反射波。對于堅硬巖石，在沖擊波波陣面到達受壓縮時，仍可以認為不發生變形。所以從孔底巖石反射的仍是沖擊波，在空氣墊層傳播的沖擊波到達巖石表面，反射沖擊波波陣面壓力急劇增大，達到入射沖擊波壓力的8－13倍這一強大壓力，對巖石產生強烈沖擊壓縮，并使其破碎。

三、 爆破效果

爆堆形狀規整，前后沖距離較小無根底塊度較均勻，大塊率也有明顯下降。大塊率較正常生產時爆破低60-70%左右。爆破直接材料費用底部氣墊裝藥結構在經濟上也是最佳的。

四、結論

1. 炮孔中安放一定高度的間隔器是改善炸藥在炮孔內分布的有效手段，可以提高炸藥能量利用率，改善爆破效果。

2. 底部空氣墊層裝藥結構與中間空氣間隔裝藥結構相比，前者具有施工簡單，爆破費用低等優點，并使爆破效果得到進一步改善。建議礦山采用這種結構。

3. 底部空氣墊層的存在有利于克服根底。

4. 就底部空氣墊層裝藥結構爆破條件下擴大孔網參數問題進一步試驗研究（保持炸藥單耗不變），以期取得更大的經濟效益。進一步研究適合于不同礦巖和爆破技術條件的最優底部空氣墊層高度。

參考文獻：

[1] 林德余.爆炸時控制巖石破碎程度可能性分析.1965年.

[2] 黑色冶金露天礦爆破技術調查報告.1982年.

[3] 關于填塞狀況及作用的研究.1982年.