空氣間隔裝藥技術(shù)在露天礦山的應(yīng)用

張 亮

（保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001）

我國(guó)炸藥的起源時(shí)間雖然很久，但是在唐朝才得到了進(jìn)一步的發(fā)展，發(fā)明了火藥，即所謂的黑色炸藥，這也是世界上最早的炸藥。炸藥雖然很危險(xiǎn)，但是卻在很大意義上造福了人類。在人類的發(fā)展史上，很多行業(yè)的開展都離不開爆破工程，離不開炸藥的使用，如礦山開采﹑隧道挖掘﹑鐵路修筑﹑房屋拆除等，因?yàn)檎ㄋ幍氖褂?，不但?jié)約了大量的人力和財(cái)力成本，還大大提高了工程的進(jìn)度[1]。隨著爆破技術(shù)的不斷研究和發(fā)展，爆破應(yīng)用的行業(yè)和場(chǎng)景也越來(lái)越多。雖然國(guó)內(nèi)外針對(duì)爆破已經(jīng)做過(guò)大量的研究和試驗(yàn)，并且發(fā)展了很多關(guān)于爆破的理論，但是對(duì)于爆破的技術(shù)研究還只是停留在理論和公式上，還沒有與實(shí)踐擁有較好的結(jié)合，所以目前在實(shí)際運(yùn)用中也無(wú)法做到特別精準(zhǔn)﹑合理的設(shè)計(jì)爆破方案。

在露天礦山作業(yè)中，露天開采環(huán)節(jié)主要有穿孔﹑爆破﹑裝載﹑剝離等，爆破是其中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，并且爆破費(fèi)用也占到露天采礦總費(fèi)用的15%-20%。而且爆破質(zhì)量的好壞，會(huì)直接影響到后期采裝﹑運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的工作效率，也會(huì)對(duì)總成本造成很大的影響，所以如何提高爆破效率，有效的利用炸藥，保證爆破質(zhì)量，對(duì)于現(xiàn)階段的理論和實(shí)踐研究都尤為重要。

影響爆破的效果主要有兩大類因素：第一類是外界地質(zhì)條件﹑地形﹑地貌的影響，其中包括巖體性質(zhì)﹑巖體類型﹑巖體結(jié)構(gòu)面等。第二類是炸藥性能和使用不同施工方法的影響，其中炸藥性能包括炸藥的密度﹑爆熱﹑爆速﹑威力﹑猛度以及所含雜質(zhì)等，施工方式主要包括裝藥結(jié)構(gòu)﹑爆孔堵塞﹑爆孔孔距與排距﹑爆破網(wǎng)絡(luò)形式等。

其中，裝藥結(jié)構(gòu)的選擇是影響爆破效果的重要因素之一。最常見的裝藥結(jié)構(gòu)分為：耦合裝藥和不耦合裝藥。目前，在我國(guó)的實(shí)際爆破中經(jīng)常會(huì)選擇傳統(tǒng)的連續(xù)耦合裝藥方式，因?yàn)檫@種裝藥方式往往比較簡(jiǎn)單，對(duì)裝藥技術(shù)的要求也不是很高，且容易操作[2]。但是，這種爆破方式對(duì)炸藥的使用量會(huì)增大，在爆炸后產(chǎn)生的大塊礦石較多，碎石也較多，而不耦合裝藥方式就會(huì)大大提高炸藥的利用率，并且可以讓巖石更充分的均勻碎裂，方便后續(xù)的各項(xiàng)工作。

1 常見的裝藥結(jié)構(gòu)類型

爆破中的裝藥結(jié)構(gòu)是指炸藥在爆孔中所處的位置，因?yàn)槲恢貌煌蜁?huì)產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生不同的影響，從而帶來(lái)不同的爆破結(jié)果。根據(jù)藥柱（炸藥）與爆孔孔壁的關(guān)系一般可以分為耦合裝藥和不耦合裝藥這兩種形式，這兩種結(jié)構(gòu)最大的區(qū)別就是爆孔中不留空氣和爆孔中留有空氣，因?yàn)椴煌男阅堠p不同的爆炸結(jié)果，使得這兩種結(jié)構(gòu)往往被用于不同的爆破需求。

下面將介紹幾種在爆破中常用的裝藥結(jié)構(gòu)：

（1）連續(xù)耦合裝藥方式：是指往爆孔中放置炸藥，并且藥柱直徑和爆孔直徑相同，藥柱緊貼爆孔孔壁，不留間隙的放置。

（2）空氣間隔徑向不耦合裝藥方式：是指往爆孔中放置炸藥，藥柱直徑要小于爆孔直徑，藥柱與爆孔孔壁之間以空氣作為間隔物。

（3）空氣間隔軸向不耦合裝藥方式：是指用空氣當(dāng)做媒介，將藥柱進(jìn)行縱向分段，爆孔內(nèi)沒有安裝炸藥的部分都放置著空氣，一般會(huì)借助塑料管或是空氣間隔器進(jìn)行分隔。

2 用不同裝藥方式進(jìn)行爆破時(shí)礦石破裂的原理

2.1 連續(xù)耦合裝藥方式巖石破裂原理

連續(xù)耦合裝藥方式下，炸藥爆炸后，會(huì)在炸藥傳播時(shí)形成巨大的爆轟波，之后爆轟波向周圍膨脹﹑擴(kuò)散時(shí)會(huì)與緊貼著的爆孔孔壁形成爆炸沖擊波，爆炸沖擊波在礦巖中很快就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力波。爆炸沖擊波所帶來(lái)的高壓推動(dòng)會(huì)將周圍的巖壁壓碎，后生成的應(yīng)力波會(huì)在破碎礦石外讓其他礦巖繼續(xù)產(chǎn)生新的裂紋。另外，爆炸時(shí)產(chǎn)生的爆炸能量還包括爆生氣體，爆生氣體也會(huì)迅速膨脹，穿過(guò)碎石，進(jìn)入裂縫中，輔助應(yīng)力波產(chǎn)生的巖石裂縫繼續(xù)向前延伸。采用這種爆破方式進(jìn)行爆破后，因?yàn)榇蟛糠帜芰孔饔糜诳妆谏?，所以能量被緊貼著的礦巖大量吸收，緊挨炸藥的爆孔壁附近的巖石碎裂程度會(huì)比較大，而其他部分由于爆炸時(shí)受力不均勻，導(dǎo)致大塊巖石會(huì)比較多，爆破后的巖石比較完整。耦合裝藥結(jié)構(gòu)炸藥與爆孔壁緊貼，爆孔壁附近巖石受到的爆炸力最大，巖石又大量吸收爆炸產(chǎn)生的能量，就會(huì)加快沖擊波和應(yīng)力波的衰退，導(dǎo)致爆炸作用時(shí)間變短，所以這種方式帶來(lái)的爆炸范圍小，形成爆炸能量的大量浪費(fèi)。連續(xù)耦合裝藥由于沖擊波衰減快，減小了對(duì)巷道周圍巖石的振動(dòng)，且振速較低，所以更適合用于煤礦巷道的挖掘。

2.2 空氣間隔徑向不耦合裝藥方式巖石破裂原理

使用空氣間隔徑向不耦合裝藥方式主要是利用壓縮空氣，減小炸藥爆破時(shí)直接作用在爆孔孔壁上的壓力，因?yàn)檎ㄋ幣c爆孔孔壁之間有空氣的存在，所以空氣阻力就會(huì)降低爆炸對(duì)爆孔孔壁的初始?jí)毫Γ⑶宜幹x爆孔孔壁的距離越大，這種初始?jí)毫蜁?huì)越小[3]。但是使用這種爆破方法，應(yīng)力波消退的速度慢，在巖石上作用的時(shí)間就會(huì)增長(zhǎng)，爆破的范圍就會(huì)增大，并且在爆破時(shí)能量的分布比較均勻，所以碎石程度也比較均勻。另外這種裝藥方式更利于節(jié)約炸藥，節(jié)約爆破成本。

2.3 空氣間隔軸向不耦合裝藥方式巖石破裂原理

使用這種方式進(jìn)行爆破時(shí)，由于爆孔中有空氣柱可以起到緩沖的作用，就大大降低了爆破帶給爆孔孔壁的壓力，在緩沖過(guò)程中爆炸的能量也得以均勻分布。另外，爆生氣體在巖石中的作用時(shí)間變長(zhǎng)，從而擴(kuò)大了爆炸范圍，提高了炸藥的利用率。因?yàn)槟芰糠植驾^為均勻，爆破后的石塊也會(huì)比較均勻，大塊石頭的概率往往也比較小。

空氣間隔軸向不耦合裝藥方式，一般分為兩種。

2.3.1 爆孔底部留空氣方式

空氣間隔區(qū)位于爆孔底部，可以使用氣體間隔器或塑料管作為間隔工具，空氣上方放置連續(xù)的藥柱。在爆炸過(guò)程中，由于底部空氣的存在，爆炸所產(chǎn)生的壓力會(huì)迅速減小，作用在爆孔孔壁的壓力也會(huì)減小，從而使炸藥爆炸產(chǎn)生的爆孔壁碎裂區(qū)會(huì)減小，碎石不嚴(yán)重。爆孔底部由于受空氣保護(hù)，也會(huì)緩沖爆炸帶來(lái)的壓力，不容易發(fā)生爆孔底部碎裂的情況。但用這種方法裝藥時(shí)需要計(jì)算好底部預(yù)留空氣段的長(zhǎng)度。

2.3.2 爆孔中部留空氣方式

空氣間隔區(qū)位于爆孔中部，使用氣體間隔器或塑料管作為間隔工具，空氣段位于炸藥之間，上方和下方均為藥柱。這種方式是為了減小炮孔孔口位置的炸藥長(zhǎng)度，讓炸藥的分布更加均勻，這樣孔口的爆破程度就不會(huì)太大。采用這種爆破方式時(shí)，要充分考慮巖層的結(jié)構(gòu)，空氣段要位于相對(duì)軟的巖石層，炸藥段位于相對(duì)硬的巖石層。

3 空氣間隔裝藥技術(shù)存在的問題

通過(guò)上文對(duì)不同裝藥方式爆破原理和結(jié)果的分析表明，在爆孔中設(shè)置空氣間隔，爆破的效果會(huì)更好。但是空氣的位置不同﹑長(zhǎng)度不同都會(huì)給爆破帶來(lái)不同的效果和結(jié)果。雖然國(guó)內(nèi)外的專家已經(jīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，分析空氣間隔裝藥技術(shù)的優(yōu)化，但這是一項(xiàng)復(fù)雜﹑特殊的試驗(yàn)，所以試驗(yàn)結(jié)果的最優(yōu)參數(shù)還有待確定。我國(guó)的空氣間隔裝藥技術(shù)研究還處于探索的階段，并沒有形成系統(tǒng)化的理論用來(lái)有效指導(dǎo)實(shí)際爆破工作[4]。

4 空氣間隔裝藥爆破技術(shù)在實(shí)際案例中的運(yùn)用

4.1 試驗(yàn)項(xiàng)目情況介紹

某露天石灰石礦山臺(tái)階爆破作業(yè)，根據(jù)該礦所處的實(shí)際地質(zhì)條件﹑巖石性能，將使用120mm直徑的垂直鉆孔，炸藥選用普通的巖石乳化炸藥。根據(jù)巖石性質(zhì)等因素，將采用三角形的布孔方式，因?yàn)檫@樣有利于克服根底情況的發(fā)生，并且連線網(wǎng)路會(huì)較為簡(jiǎn)單?？拙酁?m，排距為4m，會(huì)使炸藥在巖石中分布更均勻，引爆后巖石后會(huì)爆炸的更均勻，防止存在大量大塊巖石。以臺(tái)階高度9m為例，邊排距2.5m。底部裝藥長(zhǎng)度為4m，中間間隔空氣1m，上部裝藥長(zhǎng)度為2m，最大單孔裝藥量為57kg，總炸藥量為1800kg。雷管選擇參數(shù)分別為：非電雷管4m，3段，30發(fā)；12m，8段，20發(fā)；12m，9段，20發(fā)；12m，10段，20發(fā)，起爆導(dǎo)管為保證有足夠的安全距離，將選擇650m的長(zhǎng)度。

4.2 裝藥結(jié)構(gòu)的選擇

本次試驗(yàn)的裝藥結(jié)構(gòu)選擇空氣軸向不耦合裝藥方式，中間利用1m的空氣間隔裝置將藥柱分開，底部為4m的普通乳化炸藥藥柱，藥柱上方為1m的空氣間隔，空氣間隔上方為2m的普通乳化炸藥藥柱，藥柱上為3m的巖渣填充物，這個(gè)為本次裝藥采用的結(jié)構(gòu)。

4.3 爆破網(wǎng)絡(luò)形式的選擇

在大量的理論和實(shí)踐研究基礎(chǔ)上，選擇多排爆孔，然后采用逐孔爆破的方式，會(huì)使爆炸效果更好。當(dāng)之前的爆孔發(fā)生爆炸后，會(huì)將附近的巖體壓碎并產(chǎn)生移動(dòng)，再形成新的裂縫，這樣就為之后爆孔中炸藥的起爆創(chuàng)造了更多的自由面，自由面越多爆炸的效果就越好，后排爆孔附近的礦巖已經(jīng)形成碎裂，爆炸后的應(yīng)力波就可以進(jìn)行充分反射﹑傳遞，采用這樣炸藥疊加爆破的方法，可以充分利用炸藥的能量，起到相輔相成的作用，最后達(dá)到均勻碎石的目的。另外，用這樣爆炸的方式，同時(shí)起爆的炸藥量小，也會(huì)降低爆破帶來(lái)的震動(dòng)[5]。

4.4 爆破效果

觀察爆炸后的爆破效果，主要從兩方面進(jìn)行研究，一是爆炸后巖石塊度的情況，二是爆堆的形狀。爆炸后巖石塊度的情況是分析爆炸結(jié)果的主要指標(biāo)，因?yàn)楸ê髱r石塊度情況對(duì)后期鏟裝﹑運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的工作效率都有很大的影響，從而也會(huì)影響采礦的總成本。在爆破后，如果礦石的大塊率高，鏟裝效率和裝載效率就會(huì)變低，這樣運(yùn)輸成本就會(huì)變高，如果在爆破后，礦石碎裂程度較大，即粉石率高，就說(shuō)明在爆破中炸藥造成了浪費(fèi)，這樣無(wú)形之中也增大了爆破的成本。在這次試驗(yàn)中，由于使用了孔口巖渣填充的技術(shù)，從而有效減少了孔口礦石大塊率的發(fā)生，為之后的挖掘﹑采裝﹑運(yùn)輸帶來(lái)了很大的便利，可以有效提高后期的工作效率。另外，采用的這種逐孔爆破的方法，爆破的震動(dòng)得到了有效的控制，并且也減少了炸藥的單耗，有效節(jié)約了爆破的成本。

4.5 試驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）在裝藥前要再次檢查爆孔的深度，確保爆孔的通暢，沒有卡孔情況的出現(xiàn)。

（2）在裝藥時(shí)可以使用長(zhǎng)塑料管進(jìn)行輔助裝藥，將藥柱逐個(gè)放入爆孔中，這樣可以有效減少直接裝藥時(shí)，藥柱與爆孔孔壁之間產(chǎn)生的擠壓和摩擦，降低裝藥的危險(xiǎn)性。裝藥時(shí)要嚴(yán)格按照規(guī)定的品種﹑數(shù)量﹑位置進(jìn)行擺放，禁止投擲藥柱。

（3）在裝藥時(shí)，由于爆孔的孔徑大，爆孔深度也大，所以要格外小心，防止有石塊從孔口掉入孔內(nèi)，砸斷雷管腳線，發(fā)生拒爆的情況。

（4）在有些時(shí)候，炸藥車計(jì)量可能會(huì)產(chǎn)生很大誤差，所以在裝藥時(shí)要隨時(shí)對(duì)回填深度進(jìn)行測(cè)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)藥柱不足或過(guò)多的情況[6]。

（5）要嚴(yán)格關(guān)注爆孔的質(zhì)量問題，注意穿孔的質(zhì)量，確保較高的成孔率，當(dāng)發(fā)現(xiàn)廢孔或堵孔現(xiàn)象時(shí)，要及時(shí)透孔或者是進(jìn)行補(bǔ)孔，可在廢孔的左右兩側(cè)選擇補(bǔ)孔，這樣才能保證裝藥情況嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，保證裝藥的準(zhǔn)確性和標(biāo)準(zhǔn)性。

4.6 施工難點(diǎn)及可能出現(xiàn)的問題

（1）在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝藥操作時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)條件﹑設(shè)備有限，所以并不能準(zhǔn)確按照設(shè)計(jì)的藥量進(jìn)行裝藥，藥量無(wú)法得到很好的控制。

（2）鉆孔深度過(guò)大時(shí)，需要在裝藥前進(jìn)行爆孔的回填，以避免造成炸藥的大量浪費(fèi)，但回填的深度往往不好把控，需要隨時(shí)進(jìn)行認(rèn)真的測(cè)量，以把握標(biāo)準(zhǔn)的回填深度。

（3）間隔裝藥方法在操作上是比較麻煩的，需要很多人一起配合完成工作，如果之前沒有間隔裝藥的經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際施工中就很可能造成問題。所以在施工裝藥時(shí)，要加強(qiáng)管理，做到施工效果與設(shè)計(jì)相吻合，防止因?yàn)槭┕ひ蜻^(guò)大誤差而帶來(lái)不必要麻煩。

4.7 試驗(yàn)結(jié)論

在本次試驗(yàn)中，利用了空氣間隔裝藥技術(shù)，采用空氣軸向不耦合裝藥方式，對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果將做出以下總結(jié)。

（1）使用連續(xù)耦合裝藥的方式進(jìn)行爆破，初始爆炸時(shí)產(chǎn)生的壓力峰值大，使爆孔孔壁周圍的巖石粉石率高，這樣會(huì)導(dǎo)致爆炸產(chǎn)生的能量浪費(fèi)大，炸藥的利用率降低，爆炸的成本增高。另外由于大部分地形中，爆孔基本都很深，采用連續(xù)耦合裝藥方法爆破，產(chǎn)生的大塊石頭多，很不利于后期的挖運(yùn)[7]。

（2）空氣徑向不耦合裝藥，初始爆炸時(shí)產(chǎn)生的壓力峰值較小，爆炸作用時(shí)間長(zhǎng)，應(yīng)力衰退的速度慢，炸藥的利用率高，從而有效節(jié)約了炸藥的使用。

（3）空氣軸向不耦合裝藥，由于有空氣間隔層在爆炸時(shí)可以進(jìn)行壓縮，初始爆炸時(shí)產(chǎn)生的壓力峰值較小，如果使用底部留空氣間隔的方法，由于底部的空氣在爆炸時(shí)可以起到很好的緩沖效果，所以可以有效克服根底現(xiàn)象的發(fā)生。在實(shí)際使用中，間隔空氣可以使用塑料管進(jìn)行間隔，這樣可以有效降低使用空氣間隔器的成本，并且使用效果沒有明顯差異。另外在孔口使用巖渣填充的方式，可以有效改善孔口礦石大塊的情況，這種爆破方式爆破后，巖石碎裂均勻，大塊巖石少，孔口大塊率和根底問題都得到了有效的解決。在炸藥使用方面，不耦合裝藥對(duì)炸藥的使用量低于耦合裝藥，炸藥單耗低，爆破總成本也降低，炸藥使用率變高。

（4）空氣軸向不耦合裝藥爆破效果好，碎石均勻，大塊率和粉石率都低，在之后鏟裝時(shí)，有利于挖掘機(jī)或電鏟進(jìn)行鏟石，也有利于卡車進(jìn)行裝載運(yùn)輸，運(yùn)輸?shù)拇螖?shù)減少，從而使鏟裝效率提高，鏟裝的總成本也得到了有效的控制。

5 結(jié)語(yǔ)

由于我國(guó)大部分地區(qū)的露天礦區(qū)都很深，爆破爆孔比常規(guī)情況下都會(huì)挖深很多，如果采用連續(xù)耦合裝藥方法，不但會(huì)產(chǎn)生過(guò)多大塊礦石，帶來(lái)后續(xù)挖掘﹑鏟裝﹑運(yùn)輸工作效率低的問題，還會(huì)因炸藥使用過(guò)多，造成炸藥浪費(fèi)，成本增加。通過(guò)空氣間隔裝藥方式的引入，會(huì)更有效的解決這兩個(gè)在露天采礦中的難題，不但解決了大塊礦石率高的問題，也通過(guò)使用更少的炸藥完成更大面積的爆破，成功節(jié)省了炸藥，控制了爆破的成本，從而減少了礦山作業(yè)的總成本?？諝忾g隔裝藥方式，對(duì)我國(guó)的礦企來(lái)說(shuō)是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，如何能提高裝藥技術(shù)，對(duì)爆破參數(shù)﹑爆破網(wǎng)路進(jìn)行合理優(yōu)化，再將成功的理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐當(dāng)中，并不斷對(duì)其進(jìn)行改善和進(jìn)步，在實(shí)際爆破工作中合理解決施工難點(diǎn)，嚴(yán)格把控施工重點(diǎn)，這些對(duì)于礦企來(lái)說(shuō)都是任重而道遠(yuǎn)的工作。