混裝炸藥參數(shù)與巖石爆破阻抗匹配的試驗研究

摘 要：現(xiàn)場混裝炸藥被越來越多的應(yīng)用于礦山爆破工程中。首先對混裝乳化炸藥性能與巖石爆破阻抗匹配理論進(jìn)行分析，應(yīng)用波阻抗理論進(jìn)行現(xiàn)場試驗，得出堅硬巖石的波阻抗最佳匹配系數(shù)為2.51。應(yīng)用該系數(shù)調(diào)整現(xiàn)有混裝炸藥敏化劑含量，得出當(dāng)敏化劑含量為1.15%時，達(dá)到最佳破巖效果。解決了礦山堅硬巖石爆破大塊率高和留有根底的情況。研究結(jié)果表明，根據(jù)巖石性質(zhì)的不同，通過最佳波阻抗系數(shù)調(diào)整炸藥配比是非常有效的，所得炸藥配比為同類巖石爆破提供參考。

關(guān)鍵詞：混裝炸藥；阻抗匹配；炸藥參數(shù)；塊度分析

目前，我們對爆破過程的認(rèn)識還處于唯象學(xué)階段，雖然國內(nèi)外許多學(xué)者都進(jìn)行過相關(guān)的研究，但難以在數(shù)值上給出炸藥性能與巖石爆破效果間的定量關(guān)系。現(xiàn)有的炸藥與巖石性質(zhì)匹配理論有阻抗匹配、全過程匹配和能量匹配[1-4]。汪旭光院士等研究了通過炸藥能量密度與巖體強(qiáng)度匹配來改善爆破效果；李夕兵等[5]利用阻抗匹配理論提出當(dāng)炸藥與巖體阻抗很不匹配時，若使用具有合適的阻抗和厚度的中間層，可達(dá)到提高炸藥能量利用率的目的。理論和實(shí)踐證明，對于高阻抗的堅硬巖石，因其強(qiáng)度高，為使裂隙擴(kuò)展寬，宜采用爆速高的炸藥增加應(yīng)力波峰值；對于中阻抗的巖石，從成本的角度考慮，宜采用中爆速的炸藥；對于低阻抗的松軟巖石，主要靠氣體靜壓形成破壞，則宜采用爆力較高、爆容極大的炸藥。

1 工程概況

某礦山含礦巖石主要包括花崗巖和千枚巖，呈塊狀構(gòu)造，礦物顆粒較細(xì)。按礦巖可爆性分為三級：Ⅰ級，普氏系數(shù)f=10-12，致密、堅硬，難于爆破；Ⅱ級，黃鐵礦含量較高及蝕變較弱的千枚巖，f=6-8，硬而脆，中等爆破；Ⅲ級，蝕變或蝕變較弱的千枚巖，節(jié)理發(fā)育，較易爆破。計算統(tǒng)計礦巖波阻抗在110-130MPa/s，現(xiàn)有的炸藥波阻抗在45-49MPa/s，由于炸藥巖石阻抗不匹配，對Ⅰ級巖石爆破時，炸藥能量利用率低，大塊率較高，爆破效果不理想。

2 阻抗匹配試驗

阻抗匹配理論是以波阻抗為基礎(chǔ)，要求炸藥的波阻抗等于或接近巖石的波阻抗，即：

？籽mcm=？籽ece （1）

式中：？籽m-巖石密度；？籽e-炸藥密度；cm-巖石縱波速度；ce-炸藥縱波速度。

根據(jù)式（1），要提高炸藥波阻抗，可從提高炸藥的能量密度和爆速兩方面著手，但這兩項均有極限值，不能一味地提高。因此，在工程爆破中，要使炸藥和巖石的阻抗相等很難辦到，只能通過相關(guān)的試驗求得最佳的配比系數(shù)，以滿足經(jīng)濟(jì)和爆破效果的最大化。

為了降低Ⅰ級巖石爆破時的大塊率，依據(jù)阻抗匹配原理，首先對該類礦巖密度和縱波波速進(jìn)行統(tǒng)計，而后采用體積法統(tǒng)計大塊率。在統(tǒng)計時間域內(nèi)，礦山大塊率由式（2）計算：

式中：D-大塊率；Ni-第i次臺階爆破后所需二次爆破的大塊數(shù)量，塊；Vi-第i次臺階爆破中，大塊礦巖的平均體積，m3；Qi-第i次臺階爆破下的礦巖總體積，m3；n-統(tǒng)計時間域內(nèi)臺階爆破的總次數(shù)。

根據(jù)爆破巖塊統(tǒng)計的自相似性，爆后巖塊群體的塊度分布直徑K50、K80分別由式（3）、式（4）求解[6]：

（3）

（4）

式中：xm-爆后巖塊的最大直徑；D-巖塊群體的維數(shù)。

在上述理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦山現(xiàn)場混裝炸藥的情況進(jìn)行六組巖石與炸藥性能波阻抗匹配試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

圖1 匹配系數(shù)與大塊率和K80的關(guān)系曲線

從表1中可以看出，第二組試驗當(dāng)匹配系數(shù)達(dá)到2.51時，破碎效果最好，爆后大塊率為0，并且?guī)r石最大塊度僅為115.86mm，擬合曲線相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96，說明巖石塊度分布較均勻。從圖1所繪制的關(guān)系曲線知，爆破后的大塊率隨匹配系數(shù)的增加先降低后增大，說明巖石大塊率并不與匹配系數(shù)存在簡單的線性關(guān)系。K80與匹配系數(shù)的關(guān)系基本上與大塊率相似，說明數(shù)值分析和試驗結(jié)果較吻合。因此，對于堅硬巖石，并不能一味地追求炸藥與巖石的波阻抗相等或近似，而是要根據(jù)巖石與炸藥特性，通過相關(guān)試驗求得最佳匹配系數(shù)。

3 炸藥配比與阻抗試驗

現(xiàn)場混裝乳化炸藥的原料組成一般包括有：氧化劑水溶液（硝酸銨、硝酸鈉、水）、還原劑（柴油等油相材料）、乳化劑、敏化劑（亞硝酸鈉水溶液）、添加劑（鋁粉、鎂粉等）等。宋錦泉[7]等得出乳化炸藥的爆速隨著密度增加到最大值后降低。胡朝海[8]等通過試驗得知，當(dāng)加入亞硝酸鈉作為敏化劑時，其乳化炸藥爆速要比玻璃微球和膨脹珍珠巖大。張虎[9]等含鋁乳化炸藥的爆速隨鋁粉含量的增加而減小。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及礦山現(xiàn)有混裝炸藥的實(shí)際情況，決定通過調(diào)整敏化劑（亞硝酸鈉水溶液）的含量來使炸藥達(dá)到合適的波阻抗，試驗采用在盡量不改變原配比的情況下，通過等差遞增改變敏化劑的含量，共進(jìn)行八組試驗，試驗記錄如表2所示。

表2 敏化劑調(diào)整試驗記錄

從表2可知，當(dāng)敏化劑含量小于1%時，炸藥處于拒爆或半爆狀態(tài)；大于1%時都能正常起爆，取正常起爆的六組數(shù)據(jù)繪制敏化劑含量與炸藥密度和波阻抗曲線如圖2所示，從圖2中可知，炸藥密度隨敏化劑含量的增加成非線性關(guān)系，波阻抗值與密度基本上成相同趨勢，有阻抗匹配試驗知，當(dāng)炸藥波阻抗為47.80時，巖石破碎效果達(dá)到最佳，從圖2中的關(guān)系曲線可知，其敏化劑含量應(yīng)該在1.15%。根據(jù)該配比進(jìn)行多次爆破試驗，爆后巖石塊度較均勻，大塊率在5%以下。極大地降低了二次破碎和鏟運(yùn)成本。

圖2 敏化劑含量與密度和爆速的關(guān)系曲線

4 結(jié)束語

在波阻抗匹配理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計巖石與炸藥阻抗匹配試驗，根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場混裝炸藥參數(shù)調(diào)整，得出堅硬巖石的最優(yōu)炸藥匹配參數(shù)及如下結(jié)論：（1）應(yīng)用波阻抗匹配理論進(jìn)行炸藥參數(shù)與巖石匹配試驗，參數(shù)易于獲得，可簡化問題模型，能夠在數(shù)值上給予直觀的反映。（2）合理的配比系數(shù)是使巖石達(dá)到最佳爆破效果的基礎(chǔ)，通過阻抗匹配試驗反推炸藥的波阻抗，可使炸藥參數(shù)在實(shí)驗室內(nèi)調(diào)整至合理范圍后，再進(jìn)行工業(yè)試驗，減小試驗次數(shù)和由試驗產(chǎn)生的二次破碎費(fèi)用。（3）敏化劑的含量與炸藥的密度和阻抗有著非線性的關(guān)系，只有通過相關(guān)實(shí)驗，才能得出最佳的取值范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]賴應(yīng)得.論炸藥和巖石的能力匹配[J].工程爆破，1995，1（2）：22-26.

[2]鈕強(qiáng)，熊代余.炸藥巖石阻抗匹配的試驗研究[J].有色金屬，1988，40（4）：13-17.

[3]郭子庭，吳從師.炸藥與巖石的全過程匹配[J].礦冶工程，1993（3）：12-15

[4]王永青，汪旭光.乳化炸藥能量密度與爆破效果的研究[J].有色金屬，2003，55（1）：102-104.

[5]李夕兵，古德生，賴海輝，等.巖石與炸藥波阻抗匹配的能量研究[J].中南礦冶學(xué)院學(xué)報，1992（23）：18-23.

[6]張繼春.巖體爆破的塊度理論及其應(yīng)用[M].西南交通大學(xué)出版社，2001：52-55.

[7]宋錦泉，汪旭光，劉濤，等.敏化方式對乳化炸藥爆速的影響[J].有色金屬，2000，52（4）：4-8.

[8]胡朝海，吳紅波.敏化方式對乳化炸藥爆速的影響[J].中國科技信息，2014，3（4）：74-76.

[9]張虎，謝興華，郭子如，等.鋁粉含量對乳化炸藥性能影響[J].含能材料，2008，16（6）：738-740.