間隔裝藥技術(shù)降低爆破振動(dòng)的實(shí)踐研究

于世杰 呂 斌 李海洋 曾玉瑩 田 靖

（河北鋼鐵集團(tuán)司家營(yíng)研山鐵礦有限公司）

爆破振動(dòng)波是由炸藥爆炸所釋放的能量轉(zhuǎn)化而來，爆破引起的地面運(yùn)動(dòng)激起結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)產(chǎn)生位移，從而造成臨近炮區(qū)或周邊建（構(gòu)）筑物的振動(dòng)。盡管由爆炸能轉(zhuǎn)換成的振動(dòng)能很少，但隨著日常爆破次數(shù)的增多和爆破規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以及當(dāng)前整個(gè)社會(huì)安全環(huán)保意識(shí)的提高，爆破振動(dòng)的危害效應(yīng)將越來越突出。研山鐵礦為了保障礦山生產(chǎn)的有序進(jìn)行，在廣泛汲取國(guó)內(nèi)外研究成果及工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)間隔裝藥爆破技術(shù)進(jìn)行了實(shí)用性試驗(yàn)研究［1-2］。

1 爆破振動(dòng)對(duì)采場(chǎng)及周邊的破壞作用

1.1 爆破振動(dòng)對(duì)采場(chǎng)的破壞

爆破振動(dòng)對(duì)采場(chǎng)的危害主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：①爆破地震波對(duì)鄰近未爆破的炮孔造成地震波動(dòng)能影響，可能引起鄰近炮孔的內(nèi)部裂隙擴(kuò)展延伸，造成炮孔的塌落或扭曲變形；②由于采場(chǎng)部分位置的爆破振動(dòng)過大，地震波傳播速度過快，從而引起周邊振動(dòng)檢測(cè)裝置的觸發(fā)機(jī)制預(yù)警，這種預(yù)警觸發(fā)會(huì)對(duì)采場(chǎng)的生產(chǎn)造成外事影響，給生產(chǎn)的連續(xù)性帶來負(fù)擔(dān)。

1.2 爆破振動(dòng)對(duì)周邊建筑的破壞

爆破振動(dòng)對(duì)周邊建筑物的破壞主要分為以下2個(gè)方面。

（1）直接振動(dòng)破壞。該露天礦山平均每天都進(jìn)行10次以上的大中型規(guī)模爆破，爆破振動(dòng)對(duì)采場(chǎng)東幫的影響尤為嚴(yán)重，該區(qū)域有密集的村莊老舊建筑，考慮不同建筑物的抗震性能不等，建筑物的直接破壞有大有小，具體的破壞形式有墻皮脫落、墻壁裂縫、地板裂縫等，更嚴(yán)重的可能造成部分建筑的倒塌。

（2）間接振動(dòng)破壞。因礦區(qū)東側(cè)區(qū)域地質(zhì)水文條件較差，灤河自南向北穿插周邊村落，地質(zhì)較松軟，爆破振動(dòng)造成部分建筑地基出現(xiàn)沉降，加速建筑物的老化損傷［3］。

2 研山鐵礦現(xiàn)狀

研山鐵礦隸屬于河鋼礦業(yè)公司，位于河北省灤州市響嘡鎮(zhèn)境內(nèi)，屬于“鞍山式”沉積變質(zhì)礦床，設(shè)計(jì)年產(chǎn)鐵礦石1 500萬t，年產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鐵精粉400余萬t，礦山屬于大型凹陷露天礦，采場(chǎng)設(shè)計(jì)封閉圈為+30 m水平，目前采場(chǎng)開采至-217 m水平。礦區(qū)出露地層以前震旦系、震旦系和第四系為主。采場(chǎng)西幫以第四系土層、強(qiáng)化風(fēng)石英砂巖、中風(fēng)化石英砂巖、白云母片巖、微風(fēng)化黑云變粒巖為主，采場(chǎng)東幫整體屬于西傾巖層，與礦體下盤邊坡開采方向一致。目前采場(chǎng)西南幫-67 m以上及西幫-97 m以上區(qū)域，巖性主要為巖土混合區(qū)域，且距離周邊振動(dòng)檢測(cè)位置較近，巖石結(jié)構(gòu)多為塊狀，多為中硬度，可爆破性較好。

3 間隔裝藥爆破理論性分析

3.1 采用間隔裝藥爆破的原因

作為高陡露天礦，硬質(zhì)巖層可采用多種爆破方式進(jìn)行爆破，而傳統(tǒng)的柱狀連續(xù)裝藥方式存在著炸藥單耗大、爆破振動(dòng)波大、爆轟波初壓高、爆破氣體作用時(shí)間短、巖石破碎效果差、易產(chǎn)生大塊和根底等缺點(diǎn)，與之相比，不耦合裝藥爆破技術(shù)能夠使爆炸能量得到充分利用。19世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)專家Melnikov和Marchenkov首先研究提出了空氣間隔裝藥爆破技術(shù)，該技術(shù)通過在炮孔中添加空氣間隔，從而提高爆破能量利用率［4-5］。到目前為止，大量的工程實(shí)踐和數(shù)據(jù)采集分析表明：用軸向空氣間隔裝藥的方式來代替連續(xù)柱狀裝藥，可以有效地克服連續(xù)裝藥爆破的諸多弊端。圖1為間隔裝藥器材。

3.2 間隔裝藥爆破技術(shù)

間隔裝藥結(jié)構(gòu)由于存在間隔介質(zhì)的影響，在爆破發(fā)生的過程中產(chǎn)生二次和后續(xù)沖擊波的作用。其作用原理如下：①空氣間隔降低了作用在炮孔壁上的爆轟沖擊壓力的峰值，避免炮孔周圍圍巖被過度破碎形成粉碎圈，降低消耗大量爆破能量，提升粉碎圈以外的巖石破碎效果；②另一方面由于降低了沖擊壓力的峰值，沖擊波的能量就會(huì)減弱甚至沒有沖擊波，這就會(huì)相應(yīng)地增加應(yīng)力波的能量，從而獲得了更大的爆破沖量，增加應(yīng)力波的作用時(shí)間，最終提高爆破能量的利用率。

根據(jù)礦山現(xiàn)有的爆破經(jīng)驗(yàn)，分別針對(duì)310 mm和250 mm孔徑的牙輪鉆機(jī)的爆破炮孔進(jìn)行間隔裝藥。通過爆破試驗(yàn)結(jié)果反饋，多次調(diào)整爆破孔距、排距、間隔高度等參數(shù)，并對(duì)炸藥量進(jìn)行控制，以獲得最優(yōu)的爆破參數(shù)組合。圖2為采用連續(xù)裝藥和空氣間隔裝藥的結(jié)構(gòu)示意圖。

3.3 間隔裝藥爆破設(shè)計(jì)方案

對(duì)研山鐵礦2種牙輪鉆機(jī)型號(hào)（4#鉆孔徑250 m，7#鉆孔徑310 mm）進(jìn)行間隔裝藥爆破試驗(yàn)，作業(yè)區(qū)域分別在西南幫-30 m和西幫-67 m采場(chǎng)。

3.3.1 爆破設(shè)計(jì)

西南幫-30 m區(qū)域巖石性質(zhì)以第四系泥土、黏土和強(qiáng)化風(fēng)石英砂巖、中風(fēng)化鵝卵石為主；當(dāng)巖石炮區(qū)前排為清渣時(shí)，第一排不采取間隔裝藥，減少頭排裝藥量，其他部分采取正常的間隔裝藥，頭排填塞高度加高1 m，確保安全；當(dāng)巖石炮堆前排為壓渣時(shí)，所有炮孔均采取間隔裝藥。西幫-67 m采場(chǎng)主要為中風(fēng)化石英砂巖、硬質(zhì)石灰?guī)r和黑云變粒巖，巖石硬度較硬，需要適當(dāng)增加裝藥量。

3.3.2 孔網(wǎng)參數(shù)

炮區(qū)孔網(wǎng)參數(shù)選擇主要來源于爆破規(guī)程及爆破過程中實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步提高爆破效果，降低爆破振動(dòng)，炮區(qū)在布置時(shí)采用“喇叭口”狀布置方式。表1為本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)孔網(wǎng)參數(shù)。

3.3.3 裝藥量計(jì)算

該爆破方案的裝藥量采用反推法，依據(jù)爆破震動(dòng)安全允許震速計(jì)算：

式中，Q為一次起爆最大藥量，kg；v為控制的震動(dòng)速度，cm/s；R為裝藥中心至保護(hù)目標(biāo)的距離，m；k為與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)；α為衰減指數(shù)。

為確保爆區(qū)周圍人員和建筑物等的安全，必須將爆破震動(dòng)效應(yīng)控制在允許范圍之內(nèi)，也就是根據(jù)爆破的目的要求和周圍環(huán)境情況，按允許最大地震效應(yīng)原則應(yīng)用公式計(jì)算確定一次允許起爆的最大藥量。如：一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物最大，計(jì)算中k和α取值是依照《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—86）中關(guān)于巖石介質(zhì)的取值范圍確定的，而本次依照采場(chǎng)爆破巖石介質(zhì)k取180，α取1.8，安全允許震速為3 cm/s。位于露天采場(chǎng)西側(cè)的振動(dòng)檢測(cè)站到兩處爆破試驗(yàn)的直線距離R分別為4#鉆412 m、7#鉆532 m，可計(jì)算出最大起爆藥量為8~16 t，選取每孔裝藥600~750 kg，填塞高度h=（20~30）D=6~9 m，不同炮孔爆破裝藥量見表2。

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通過表2計(jì)算，為合理控制爆破振動(dòng)，4#和7#鉆在布孔時(shí)，孔數(shù)分別控制在15個(gè)和20個(gè)以內(nèi)。

4 爆破設(shè)計(jì)應(yīng)用及效果

目前該爆破設(shè)計(jì)方案主要集中在采場(chǎng)西南幫和西幫，并已經(jīng)逐步在全采場(chǎng)應(yīng)用。圖3為間隔裝藥爆破試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)值圖，從圖3可以看出，自6月份使用間隔裝藥后振動(dòng)數(shù)值有明顯的降低，并逐漸趨于平穩(wěn)；振動(dòng)數(shù)值由初期最高值3.78 cm/s降低到0.18 cm/s。4#和7#相比較，2種不同孔徑的設(shè)備所產(chǎn)生的爆破爆破數(shù)值也有區(qū)別，證明該數(shù)值和炮區(qū)裝藥量也存在直接關(guān)系；結(jié)合在爆破試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)情況看，7月底、9月中旬等炮區(qū)前排為清渣時(shí)，振動(dòng)值明顯較低。

5 結(jié)語

對(duì)空氣間隔裝藥爆破技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，從裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆破效果的影響入手，通過合理設(shè)計(jì)空氣間隔裝藥爆破參數(shù)，爆破振動(dòng)效應(yīng)極大降低，充分保障了生產(chǎn)的穩(wěn)定。為今后技術(shù)人員在降低爆破振動(dòng)方面提供了一定的經(jīng)驗(yàn)。