灰巖礦爆破開采巖粉成因及其控制研究

尹岳降，夏文俊，盧文波，劉建成，陳 明，于永軍

(1. 中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410004；2. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

為滿足國民經濟發展需求，石灰石作為重要的建筑材料之一而被用于大量基礎設施建設中。巖粉是灰巖礦開采過程中的副產物，通常指顆粒粒徑小于某一尺寸而作為廢料處理的巖塊，巖粉的產生不僅消耗了大量炸藥能量，而且不利于礦石的充分破碎和有效利用[1]。雖然巖粉部分可用作建筑材料，但目前產量遠大于市場需求，以白鶴灘旱谷地灰巖礦開采為例，巖粉多在10%～17%左右。因此，合理安排開采程序，提高礦石利用效率，對經濟高效的生產過程至關重要[2]。

鉆孔爆破是目前廣泛應用的石料開采手段。炸藥爆炸后，應力波與周圍巖體相互作用驅使其開裂，從內到外依次形成粉碎區、剪切破壞區、張拉破壞區和彈性區[3]。Djordjevic[4]的研究表明，巖粉主要來自于壓縮和剪切破壞區；Iravani等[5]運用離散元軟件進一步證實了其觀點，并提出拉伸裂紋的合并分支是大塊產生的主要原因，因此爆破中應盡量減小壓縮和剪切破壞區，并使拉伸破壞區盡可能加大。除爆破破碎外，后續機械破碎過程同樣會導致巖粉的產生。Ruszala等[6]運用JKSimMet軟件跟蹤了Mountsorrel花崗巖礦的生產過程，爆破后的巖粉含量僅占開采方量的5.9%左右，但最終產品的巖粉含量卻達到了13.4%，其中粗碎過程是下游加工程序中巖粉形成的主要階段，除此之外，原生巖體中軟弱夾層及裂隙充填物，以及鉆孔巖屑等，也會導致生產成品中巖粉含量過高。

控制巖石爆破碎裂過程是降低巖粉的重要方式。粉碎區是巖粉的重要來源，戴俊[7]從三向應力的角度，理論推導了巖石爆破中粉碎區和開裂區的半徑大小；Esen等[8]利用混凝土模型爆破試驗，結合回歸分析提出了粉碎區預測公式；冷振東等[9]考慮了爆炸空腔膨脹效應和破裂區的環向承載力，對爆破破壞分區現有預測公式進行了修正。此外，爆破塊度級配也會對巖粉含量產生影響，Kuznetsov[10]和Cunningham[11-13]先后發展了爆破塊度預測公式，綜合考慮了各種爆破參數對爆破效果的影響。

控制灰巖礦巖粉產量，提高開采效率，是實現礦山綠色高效生產的重要目標之一。本文在前人研究的基礎上，系統總結了石灰巖生產過程中巖粉成因及其主要來源，針對爆破破碎過程，分析了諸如不耦合裝藥，現場混裝裝藥及爆破參數優化等技術對控制巖粉含量的作用，并結合神山長久灰巖礦現場開采爆破驗證了相關措施的有效性，對類似灰巖礦生產具有一定的參考意義。

1 灰巖粉成因及其主要來源

1.1 石灰巖破碎特性

石灰巖簡稱灰巖，是一種以方解石為主礦物的碳酸巖類，常混入黏土礦物、粉砂等雜質，硬度一般不大，屬沉積巖類。由于構成石灰巖的碳酸鈣細屑和方解石顆粒通常在直徑0.05 mm以下，且沉積礦物顆粒之間膠結較弱，相較于其他巖體，石灰巖更易在外部荷載作用下破碎，產生巖粉。

在沖擊荷載的作用下，巖體積蓄能量，導致原有隱含微裂紋被激活、擴展，并匯聚成宏觀裂紋，破碎大塊巖體。因此，形成單位自由表面所需能量大小，是決定巖體是否易于破碎的關鍵因素之一。邦德分析了許多巖石實際破碎功與塊度之間的關系，并用邦德功指數WB表示很大的巖塊破碎到80%能通過100 um的篩孔時，所耗費能量的千瓦小時數(見圖1)，可以看出，相較于花崗巖等其他常用建筑材料，石灰巖邦德功指數較小，在外力作用下更易于破碎。

圖1 不同巖石邦德功指數對比Fig.1 Comparison of Bond index between different rocks

研磨性是研究巖石破碎特性的又一重要指標。研磨得到的巖粉粒度和形狀，取決于巖石的礦物成分和結構，巖石結構越致密，破碎后粒度越小。武漢地質學院[14]用粒度為2.5 mm的渾圓金剛石，對大理巖、石灰巖、花崗巖等巖石作了研磨試驗。石灰巖比大理巖和花崗巖致密，破碎粒度最小，平均直徑為0.055 mm，而花崗巖的粒度平均直徑為0.21 mm，是前者的3.8倍。在相同的荷載下，石灰巖更易產生巖粉。

1.2 巖粉主要來源

1)爆破破碎。炸藥與巖體的相互作用是一個相當復雜的力學過程。爆炸形成沖擊波，導致周圍巖體被極度壓縮形成粉碎區；隨后沖擊波轉化為應力波繼續向外傳播，在徑向應力和切向應力的共同作用下，形成剪切裂隙；當切向應力大于抗拉強度時，巖石被拉斷，形成徑向裂紋。爆破分區如圖2所示。

圖2 爆破破碎巖體分區Fig.2 Damage zone of blasting

現有研究表明，1 mm以下細料主要產生于炮孔周邊粉碎區[15]。Iravani等[5]運用DEM軟件，深入探討了巖粉的來源，雖然拉伸裂紋的合并分支同樣會導致細顆粒的產生，但其粒徑一般大于壓縮和剪切破壞產生的顆粒。控制粉碎區半徑，可以有效降低爆破巖粉含量。

2)機械破碎。原位巖體在炸藥作用下碎裂成小塊，經過施工機械搬運后進入砂石骨料加工系統。以旱谷地灰巖礦骨料生產為例，毛料被卡車運至粗碎車間，經旋回破碎機破碎后進入半成品料料倉；隨后經中細碎車間破碎，一篩、二篩、三篩和四篩車間逐步篩分，及棒磨機制砂，得到不同粒徑的成品料，廢料部分經水處理車間處理后運離料場。

Ruszala[6]運用JKSimMet軟件，對花崗巖礦的生成過程進行了詳細追蹤，發現爆破巖粉僅占總方量的5.9%左右，而產成品的巖粉含量卻達到了總方量的13.4%，其中粗碎是導致巖粉含量增加的重要原因。毛料在破碎機中的加工過程(見圖3)，大塊巖體在碰撞擠壓作用下碎裂成小塊，并經過整形以逐漸消除棱角，導致大量巖粉的產生。

圖3 破碎機石料加工過程Fig.3 Machining of stone in gyratory crusher

3)鉆孔巖屑。露天礦通常采用風動類鉆孔機械，鉆進過程中，鉆頭高速旋轉將巖石破碎成巖屑，并由鉆桿注入孔內的高壓風將巖屑沿鉆桿與孔壁處的環狀縫隙處噴射而出。風壓在孔口處快速降低，大顆粒巖屑就地沉降，細小的顆粒彌漫在空氣中，隨風流擴散。鉆孔旁堆積巖屑(見圖4)，成孔以后，類似巖屑往往不單獨清理，在爆破后一同進入毛料中，導致巖粉含量增加。

圖4 炮孔旁鉆孔巖屑堆積Fig.4 Cuttings accumulation beside boreholes

4)裂隙充填物。石灰巖在天然沉積過程中，往往伴隨著泥質軟弱夾層的形成(見圖5)，這些夾層的存在會導致完整巖體的力學性質劣化，影響爆破效果。炸藥破碎巖體后，軟弱夾層中的碎屑和泥質顆粒也會隨之剝落進入爆堆中，增加爆堆巖體的巖粉含量。

圖5 天然石灰巖中的軟弱夾層Fig.5 Weak interlayer in natural limestone

2 爆破巖粉控制技術

爆破破碎是巖粉產生的主要原因，其主要來自粉碎區，而粉碎區的形成主要由炮孔壓力決定，施工過程中一般可以通過采用空氣間隔裝藥降低炮孔壓力，或者現場混裝裝藥技術，人為調整炸藥密度和爆速以提高炸藥能量的利用效率，控制粉碎區大小。同時，通過優化孔網參數，調整爆破級配曲線，降低巖粉含量。

2.1 空氣間隔裝藥技術

爆破粉碎區大小主要與炮孔壓力和巖體力學性質有關。Esen等[8]通過92組混凝土塊模型爆破試驗，總結出粉碎區半徑rc預測的半理論半經驗公式：

rc=0.812(CZI)0.219

(1)

式中：CZI為粉碎區指數，用以描述爆炸荷載作用下巖體粉碎的可能性，可以表示為

(2)

式中：pb為炮孔壓力；K為巖體剛度系數；σc為巖體無側限抗壓強度。根據凝聚炸藥爆轟理論，作用在炮孔壁上的爆生氣體峰值壓力可以表示為

(3)

式中：ρe表示炸藥密度；VOD為炸藥爆速；γ為爆生氣體等熵絕熱膨脹系數，γ=3.0；κ1為徑向不耦合裝藥系數，κ1=rb/re，其中rb為炮孔半徑，re為裝藥半徑；κ2為軸向不耦合裝藥系數，κ2=(lb+le)/le，其中le為裝藥長度，lb為空氣間隔長度；α為常數，一般在2.0～2.6之間。

巖體剛度系數K主要由巖體力學性質決定：

(4)

式中：Ed為巖體動彈性模量；νd為動泊松比，一般為靜泊松比ν的0.8倍。

以神山長久灰巖礦為例，參考現場地質勘探結果，結合石灰巖主要物理力學參數(見表1)和幾種常見炸藥的主要參數(見表2)。得出了不同徑向和軸向不耦合裝藥系數下炮孔周圍的粉碎區大小(見圖6)，可以看出隨著裝藥不耦合系數的增大，粉碎區半徑迅速減小，以乳化炸藥為例，當徑向裝藥不耦合系數κ1=1.74，或軸向裝藥不耦合系數κ2=3.14時，基本不產生粉碎區，爆破荷載主要用于驅動巖體開裂而不是壓碎巖體，有利于降低爆破過程巖粉含量。

表1 石灰巖主要物理力學參數

表2 常見炸藥主要參數

圖6 粉碎區半徑隨不耦合系數變化關系Fig.6 Radius of the crushing zone varies with different uncoupling coefficient

2.2 現場混裝裝藥技術

炸藥與巖體相互作用時，由于波阻抗不同會在交界面發生透反射作用，根據巖石性質選擇相匹配的炸藥類型，對粉碎區的有效控制及炸藥能量的充分利用具有重要影響[16]。現場混裝裝藥技術能夠根據巖石性質適當調整炸藥的爆速和密度，可以實現炸藥與巖石的互相匹配，在施工中可以針對巖石類型進行調整，具有很大的靈活性[17]。

由于混裝炸藥在裝入過程中會逐漸變得松軟，實際裝填密度會有一定程度的降低，一般為原炸藥密度的80%～90%。若采用原設計規定的炸藥密度和爆速，顯然會高估混裝炸藥的威力。大量實驗表明，在一定范圍內，爆速與裝藥密度成線性關系，D表示現場炸藥實際裝填密度為ρ時的爆速，D0表示生產炸藥密度為ρ0時的設計爆速，兩者的關系可以表示為[18]

D=D0+M(ρ-ρ0)

(5)

式中：M為與炸藥性能有關的系數，一般在3 000～4 300 (m·s-1)/ (g·cm-3)之間，主要通過實驗測定，取M=4 000 (m·s-1)/ (g·cm-3)。由式(3)可知，爆生氣體峰值壓力與炸藥密度和爆速密切相關，減小炸藥密度，可以有效降低炮孔壓力。

由炮孔周圍粉碎區隨炸藥密度的變化(見圖7)可以看出，粉碎區半徑隨炸藥密度的減小迅速減小，以乳化炸藥為例，當炸藥密度為591 kg/m3時，爆破荷載不足以使炮孔周邊巖體粉碎，爆破作用主要導致徑向裂紋的產生。采用現場混裝裝藥技術，根據現場地質條件隨時調整炸藥密度，可以有效控制爆破巖粉含量。

圖7 粉碎區半徑隨炸藥密度變化關系Fig.7 Radius of crushing zone varies with different explosive density

2.3 爆破參數合理優化

除了爆破破碎過程，機械破碎過程也會導致大量巖粉產生。Ruszala等[6]的研究表明，后續加工產生的巖粉主要來自礦石粗碎，通過加大粗碎用旋回破碎機篩分口大小，可以有效降低巖粉含量。生產過程應通過調整爆破參數，得到塊度分布均勻，大塊和細料含量較低的爆堆。KUZ-RAM模型是常用的爆破塊度預測公式[19]，其綜合考慮了巖體巖性，爆破參數等因素對塊度分布的影響：

(6)

式中：x50為爆破塊度中值粒徑；A為巖石堅固系數，中硬巖體，A=7；節理發育，A=10；節理不發育，A=12；q為炸藥單耗；Q為單孔藥量；θ為炸藥相對威力。

不同尺寸爆后巖塊質量分數P(x)可表示為

P(x)=1-exp[-ln2(x/x50)n]

(7)

式中：n為塊度分布不均勻系數，一般表示為

(8)

式中：W為抵抗線；d為炮孔直徑；e為鉆孔精度標準差，一般取為鉆孔深度的5%；m為炮孔密集系數(孔距/抵抗線)；L為不計入超鉆部分的裝藥長度。由式(7)和式(8)可知，適當增大炸藥單耗，可以降低爆后巖塊平均尺寸；適當加大炮孔密集系數，采用寬孔距小抵抗線的爆破方式，可以在一定范圍內增大不均勻系數，有利于得到更合理的塊度分布，降低大塊和細料含量[20]。

3 爆破開采試驗

3.1 現場篩分試驗

為確定爆破后的礦料粒徑分布規律，優選爆破參數，降低石粉含量，提升生產效益，在安徽神山長久灰巖礦先后開展了3次6組爆破試驗，對比了孔排距和裝藥結構對爆破巖粉的影響。每次爆破試驗由兩組不同的爆破參數合并進行一次爆破，現場使用混裝銨油炸藥連續裝藥，炸藥密度800 kg/m3，爆速2 800 m/s。采用非電毫秒延時起爆網路，MS3段雷管孔間延時，MS5段雷管排間延時，MS11段雷管孔內延時，主要爆破參數如表3所示。其中第3組試驗采用空氣間隔裝藥爆破，空氣間隔層位于填塞段材料之下，長度1.0 m。

表3 爆破試驗主要參數

爆破試驗完成后，對現場爆后毛料進行取樣，人工篩分后得到毛料塊度級配。每組爆破試驗均使用挖掘機分別于炮孔處和炮孔之間部位從上至下依次選取6斗以上樣本，以確保取樣的代表性。取樣后毛料于平整場地利用移動篩分機進行粗略篩分，得到大石(>120 mm)、中石(60～120 mm)和小石(<60 mm)3級石料，并選取部分中石和小石樣本于實驗室中進一步篩分細化，從而得到毛料整體塊度級配和巖粉含量，毛料篩分試驗如圖8所示。

3.2 試驗結果分析

根據現場試驗條件，選取顆粒粒徑4.75 mm以下碎石顆粒作為巖粉。由于每次爆破試驗地質條件和取樣條件不盡相同，選取單次爆破同組試驗進行對比，各次爆破試驗巖粉如圖9所示。對比第2次試驗的兩組爆破，在炮孔密集系數保持不變的情況下，試驗4的巖粉含量略微高于試驗3，約增大10%，這說明炸藥單耗越大，巖粉含量越高。對比第1、3次試驗的兩組爆破，雖然試驗2和試驗6炸藥單耗相較于試驗1和試驗5均有所增大，但隨著炮孔密集系數的增大，前者的爆后毛料級配更加均勻，大塊和細顆粒更少，因此巖粉含量明顯降低。對比試驗3和試驗5，在相同的孔排距下，空氣間隔裝藥爆破的巖粉含量明顯小于耦合裝藥，降低約40%。從現場試驗結果可以看出，工程中通過適當降低炸藥單耗，采用寬孔距小排距的爆破方式，同時選擇空氣間隔裝藥等裝藥結構，可以有效控制爆破巖粉含量。

圖9 各次爆破試驗巖粉含量Fig.9 Rock powder in each blasting experiment

4 結論

1)相較于其他巖石，石灰巖更易在外力作用下產生巖粉。礦石開采加工過程中，巖粉主要來自炮孔周邊壓縮和剪切破壞區、機械破碎過程中的礦石整形、鉆孔巖屑及原生巖體中的軟弱夾層。

2)可通過優化爆破破碎過程，降低巖粉含量。采用空氣間隔不耦合裝藥及現場混裝裝藥技術，可以降低炮孔內峰值壓力，減小粉碎區半徑；選用合理爆破參數，可以使爆后塊度分布均勻，降低大塊及細顆粒巖體比例。

3)神山長久灰巖礦開采爆破試驗表明，降低炸藥單耗可以有效減少爆破巖粉，同時寬孔距小排距的爆破方式使爆破塊度級配更均勻，也對控制爆破巖粉有明顯作用。另外，空氣間隔裝藥爆破也是降低爆破巖粉的有效方式。