田林凱 龐 偉 楊志勇

(太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司礦業(yè)分公司東山石灰石礦)

空氣間隔器在東山礦中深孔爆破中的應(yīng)用

田林凱 龐 偉 楊志勇

(太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司礦業(yè)分公司東山石灰石礦)

介紹了空氣間隔爆破原理及在中深孔臺(tái)階爆破中的應(yīng)用，分析了太鋼東山石灰石礦不同地質(zhì)條件下的空氣間隔爆破試驗(yàn)，對(duì)比不同間隔位置的爆破效果，提出了靈活運(yùn)用空氣間隔器的方法。

空氣間隔器 中深孔 地質(zhì)條件

太鋼礦業(yè)公司東山石灰石礦位于太原市杏花嶺區(qū)中澗河鄉(xiāng)，西距市區(qū)12 km。區(qū)域大地構(gòu)造位置屬燕山期呂梁—五臺(tái)山塊隆與喜山期的晉中新裂陷太原斷陷東部邊緣交界處。年均降雨量500 mm，主要集中在7—9月，冬季最大凍土深度1.2 m。

礦區(qū)內(nèi)出露地層自下而上有：奧陶系中統(tǒng)峰峰組第一段(O2f1)，峰峰組第二段(O2f2)；石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)，上統(tǒng)太原組(C3t)；第四系(Q)。地區(qū)地層走向總體NE—NNE向，傾角10°～25°，傾向多為SW。區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造以寬緩小型褶曲為特征，褶曲軸向多為NE向，兩翼巖層傾角為10°～15°，褶皺構(gòu)造受區(qū)域地應(yīng)力的作用呈緩波狀產(chǎn)出。由于斷裂構(gòu)造發(fā)育，牽引褶曲也較發(fā)育，斷層延伸方向多為EW向，以正斷層為主，呈階梯式出現(xiàn)，傾角75°左右。次級(jí)斷層構(gòu)造延伸方向?yàn)镹E和SW向，長(zhǎng)度均小于500 m。礦區(qū)巖層由于受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，呈緩波狀褶皺形態(tài)產(chǎn)出，總體走向NW—SE和NNE—SSE，局部NE向，傾向SW，局部SE，傾角6°～25°。礦層節(jié)理比較發(fā)育，節(jié)理切割巖層間隙0.1～1 cm。硬度系數(shù)f=8，內(nèi)摩擦角80°～32°。裂隙率0．93%～3．5%，一般為2．1%～2．94%。濕度0．04～0．215，平均0．128%。安息角38°～40°，平均39°。松散系數(shù)1．3～1．8，平均1．55。

東山石灰石礦是一座大型山坡露天礦，采用孔徑135 mm的阿特拉斯L6鉆機(jī)，剝巖和下礦臺(tái)階高度分別為12，8 m，孔距和排距為6 m×4 m、5 m×4 m。采用逐孔微差導(dǎo)爆管起爆，主炸藥為銨油炸藥，乳化炸藥為備用，機(jī)械化裝藥，用混裝炸藥車(chē)現(xiàn)場(chǎng)加工裝藥。

破碎工序要求原礦最大粒度為800 mm，石灰石成品礦粒度為10～40 mm，粒度小于10 mm的原礦進(jìn)入破碎機(jī)中被排棄。為降低粉礦率，炸藥單耗不宜過(guò)大。礦層節(jié)理較發(fā)育，但由于巖層和礦層呈不整合接觸，造成同一炮孔縱向炸藥威力作用分布不均勻，使炸藥單耗高達(dá)0.408 kg/m3，但爆破質(zhì)量仍不能滿足鏟裝設(shè)備高效工作的要求：爆破易產(chǎn)生根底；臺(tái)階上部大塊較多，有時(shí)甚至出現(xiàn)巨塊，并且臺(tái)階中部和下部粉礦較多，礦石損失較嚴(yán)重；在礦床裂隙較發(fā)育處容易產(chǎn)生漏藥現(xiàn)象，影響安全和成本，為此，需對(duì)爆破作業(yè)進(jìn)行改進(jìn)。

20世紀(jì)40年代原蘇聯(lián)科學(xué)家首先提出了空氣間隔裝藥爆破技術(shù)，控制炮孔近區(qū)巖體的過(guò)度粉碎，從而提高炸藥能量的利用率[1]。后續(xù)大量的研究及工程實(shí)踐表明，該技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)：爆破后臺(tái)階整體塊度分布均勻；炸藥單耗低。

目前，空氣間隔器在國(guó)內(nèi)外的礦山已經(jīng)得到大量的應(yīng)用，但對(duì)其技術(shù)的研究總體上還停留在試驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)階段。國(guó)外主要集中在生產(chǎn)性試驗(yàn)，尋找裝藥結(jié)構(gòu)合理的空氣層位置與空氣層比例；國(guó)內(nèi)一般進(jìn)行小規(guī)模試驗(yàn)，在取得了較好效果的基礎(chǔ)上應(yīng)用于生產(chǎn)，對(duì)于空氣間隔層位置及空氣層比例有初步的認(rèn)識(shí)[2]。

分析太鋼東山石灰石礦爆破現(xiàn)狀，可利用空氣間隔爆破試驗(yàn)，找到適合自身的空氣層位置和比例，從而降低炸藥單耗，提高鏟裝效率。

1 空氣間隔爆破

1.1 空氣間隔爆破原理

大量研究表明，爆破效果取決于炸藥爆破后給予巖石的沖擊能量和沖擊作用時(shí)間[1-6]。采用空氣間隔器裝藥，炸藥爆炸后，首先將炸藥能量傳遞給空氣，再由空氣傳遞給巖石，降低了爆孔初始峰壓，延長(zhǎng)了爆破作用時(shí)間，減少甚至避免因耦合裝藥而形成的礦巖沖擊粉碎，擴(kuò)大了破裂區(qū)范圍，提高炸藥爆炸能量的有效利用率，降低炸藥單耗和采礦成本。此外，空氣間隔器裝藥能調(diào)節(jié)裝藥高度，使孔內(nèi)爆炸壓力沿炮孔軸向分布更均勻，有效克服根底和降低爆破大塊率，為采裝，運(yùn)輸?shù)群罄m(xù)工序創(chuàng)造了條件。

雖然空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)的作用在炮孔上的平均壓力低于耦合裝藥，但可以通過(guò)后續(xù)系列加載波的作用破碎巖石。后續(xù)系列加載波來(lái)自于爆炸氣體在堵頭或孔底反射引起的沖擊波波陣面，以不同的速度在不同的位置相互作用而產(chǎn)生的沖擊波波陣面。圍巖里初始裂隙網(wǎng)絡(luò)被后續(xù)加載波能量的持續(xù)作用不斷擴(kuò)大，該破壞效果遠(yuǎn)比單一強(qiáng)沖擊波對(duì)圍巖的破壞效果好。

1.2 不同間隔位置的對(duì)比

(1)中間間隔爆破。根據(jù)澳大利亞及美國(guó)學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，中部間隔爆破，無(wú)論上下段爆破是否同時(shí)起爆，由于存在兩個(gè)相對(duì)沖擊波陣面的相互作用和振動(dòng)，相同地質(zhì)條件其破碎效果均要優(yōu)于底部和上部間隔裝藥的破碎效果[7]。但實(shí)際裝藥操作麻煩，每個(gè)炮孔必須縱向布置兩套起爆裝置，增加爆破成本；中部間隔要分兩次裝藥、兩次回填，施工復(fù)雜，影響施工效率和安全可靠度。

(2)頂部間隔爆破。武漢大學(xué)的盧文波、朱紅兵通過(guò)對(duì)不同空氣層處于不同位置時(shí)孔內(nèi)的壓力時(shí)程分布，炮孔周?chē)鷰r體中的動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算表明：空氣層置于頂部的裝藥方式優(yōu)于中部和下部[1]。由于空氣柱在炮孔頂部，臺(tái)階上部的爆破作用時(shí)間加大，雖然峰壓下降造成粉碎區(qū)范圍減小，但卻增加了破裂區(qū)的范圍和時(shí)間。因此，頂部間隔爆破對(duì)減小臺(tái)階上部大塊有明顯的效果。

(3)底部間隔爆破?？椎组g隔裝藥可提高藥柱重心，加強(qiáng)對(duì)臺(tái)階頂部礦巖的破碎[8]，降低沖擊壓力峰值，縮減爆破粉碎區(qū)域，延長(zhǎng)了爆破作用時(shí)間，提高了能量利用率，加大了底部破碎范圍，改善了底部的破碎質(zhì)量，達(dá)到定向卸壓和降低爆破震動(dòng)的目的；但由于空氣柱存在于炮孔底部，最大的爆破壓力減小，造成底部塊度增大，鏟裝過(guò)程中產(chǎn)生根底的幾率也會(huì)隨之增大。關(guān)于炮孔底部空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)爆破機(jī)理，目前還在進(jìn)一步的探討中。

2 空氣間隔器的試驗(yàn)與應(yīng)用

2.1 不同地質(zhì)條件下的爆破孔網(wǎng)參數(shù)和空氣間隔位置及參數(shù)

東山礦區(qū)礦層屬堅(jiān)固型石灰?guī)r，普氏堅(jiān)固性系數(shù)f=8，密度2.5 g/cm3。巖層較礦層稍軟，堅(jiān)固性程度為中等和較堅(jiān)固，密度2.3 g/cm3。爆破孔網(wǎng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同地質(zhì)條件下爆破孔網(wǎng)參數(shù)

表1為未引進(jìn)空氣間隔器前的爆破孔網(wǎng)參數(shù)，根據(jù)采剝總量可計(jì)算出全年平均炸藥單耗為0.408 0 kg/m3。巖層爆破后臺(tái)階上部大塊較多；在礦巖交接部位通常出現(xiàn)根底；在遇到堅(jiān)硬礦層時(shí)調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)，但炸藥單耗過(guò)高，甚至超過(guò)0.500 0 kg/m3，爆破后雖不產(chǎn)生根底，但礦石粉率過(guò)大造成浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益很不理想。

為此，引入空氣間隔器，根據(jù)不同的地質(zhì)條件相應(yīng)地調(diào)整爆破孔網(wǎng)參數(shù)，在改善爆破質(zhì)量的同時(shí)降低炸藥單耗。

在使用空氣間隔器爆破中，合理的空氣層比例是非常重要的。國(guó)外的學(xué)者認(rèn)為合理的空氣層比例取裝藥高度的11%～35%，國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者通過(guò)理論與實(shí)踐研究，認(rèn)為取裝藥高度的30%～42%可取得較好效果[9]。合理空氣層比例和礦區(qū)地質(zhì)、爆破孔網(wǎng)參數(shù)和爆破器材及炸藥類(lèi)型等都有直接的關(guān)系。東山石灰石礦山爆破時(shí)臺(tái)階高度絕大部分為8 m，孔深9 m，孔徑135 mm，在保證回填高度3.5 m后，實(shí)際藥室高度為5.5 m。綜合考慮空氣間隔后節(jié)省的炸藥成本，炸藥的總能量等，確定空氣間隔高度平均為1 m，空氣層比例約為18%。

2.2 空氣間隔器爆破試驗(yàn)及效果

在進(jìn)行空氣間隔爆破試驗(yàn)時(shí)，將一個(gè)爆區(qū)分為兩個(gè)區(qū)域。一個(gè)區(qū)域采用全耦合裝藥爆破，另外一個(gè)區(qū)域采用空氣間隔爆破，通過(guò)挖掘過(guò)程中的跟蹤，對(duì)比兩種爆破方法的質(zhì)量差異。

(1)圍巖爆破。礦體上部頂板地層主要為石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)，主要有石英砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、石灰?guī)r，巖性復(fù)雜，變化大；下部為灰色、紫色硬質(zhì)黏土,還分布有山西式鐵礦。主要在兩處應(yīng)用空氣間隔器:上部頁(yè)巖和下部的硬質(zhì)黏土處，不改變孔網(wǎng)參數(shù)直接加空氣間隔器；上部砂巖、石灰?guī)r和底部鐵礦處，縮小孔網(wǎng)參數(shù)并加空氣間隔器。

礦巖交接處：臺(tái)階上部為硬質(zhì)黏土或鐵礦，下部為白云化灰?guī)r，炮孔縱向地層分布較復(fù)雜，同樣縮小了孔網(wǎng)參數(shù)并加空氣間隔器。

(2)礦體爆破。礦體底層為奧陶系中統(tǒng)峰峰組第二段(O2f2)，主要巖性為灰黑色厚層狀致密灰?guī)r。在礦層兩處應(yīng)用了空氣間隔器:礦層中間節(jié)理不發(fā)育處，通過(guò)縮小孔網(wǎng)參數(shù)加空氣間隔器進(jìn)行爆破；靠近重要構(gòu)筑物處，縮小孔網(wǎng)參數(shù)，采用底部間隔爆破，減小裝藥量降低震動(dòng)。

此外，在雨季遇有水孔，且水柱不高時(shí)采取底部間隔進(jìn)行爆破；在遇有空洞和較大裂隙時(shí)，加入空氣間隔器確保回填高度?？諝忾g隔器的試驗(yàn)和爆破效果見(jiàn)表2。

表2 空氣間隔器爆破試驗(yàn)及效果

注：H為孔深，h為炮孔超深。

2.3 爆破效果

(1)降低大塊率。礦體頂板巖石爆破中，在砂巖、石灰?guī)r和鐵礦處，其硬度較頁(yè)巖和硬質(zhì)黏土偏大，一直采用6m×4m的孔網(wǎng)參數(shù)，炸藥單耗為0.355 1kg/m3，臺(tái)階中部和頂部很容易產(chǎn)生大塊。為此縮小孔網(wǎng)參數(shù)為5m×4m，采用空氣間隔爆破，單孔裝藥量減少15kg，爆破后大塊明顯降低，且中上部塊度均勻，大大提高了剝離鏟裝效率。

礦體為灰黑色厚層狀致密灰?guī)r，在礦層中間最硬處，原采用5m×4m的孔網(wǎng)參數(shù)，臺(tái)階上部大塊較多，有時(shí)出現(xiàn)巨塊。將孔網(wǎng)參數(shù)縮小為4m× 4m，加入空氣間隔器，爆破后大塊率控制在了5塊/萬(wàn)t。

(2)降低炸藥單耗。礦層頂板中，頁(yè)巖和硬質(zhì)黏土的硬度較小，一直采用6m×4m的孔網(wǎng)參數(shù)，爆破效果較好，但炸藥單耗達(dá)到了0.410 3kg/m3，曾試驗(yàn)將孔網(wǎng)參數(shù)放大為6m×5m或7m×4m以減小炸藥單耗，但根底和大塊偏多。通過(guò)空氣間隔裝藥，炸藥單耗降到0.347 3kg/m3，爆破質(zhì)量能滿足鏟裝要求。

在礦巖交接處和厚層致密灰?guī)r最硬處，為了降低大塊率并減小根底，縮小了爆破孔網(wǎng)參數(shù)，但炸藥單耗平均增加了25%。通過(guò)加入空氣間隔器，減少裝藥量，將炸藥單耗降低到原有孔網(wǎng)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，有效改善了爆破質(zhì)量。

(3)降低礦石粉率。在遇有致密灰?guī)r、節(jié)理不發(fā)育、礦石硬度較大處，通過(guò)縮小孔網(wǎng)參數(shù)，采用全耦合裝藥爆破造成礦石粉率增大。采用空氣間隔爆破在降低炸藥單耗的同時(shí)，礦石粒度有所增大且較均勻，粉碎區(qū)的范圍大大減小，礦石損失率下降，資源得到充分利用。

(4)減少根底數(shù)。通過(guò)加入空氣間隔器，縮小了爆破孔網(wǎng)參數(shù)，在礦巖交接處，由于巖層和礦層呈不整合接觸，造成同一炮孔縱向炸藥威力作用分布不均勻，炸藥能量主要作用于臺(tái)階上部較軟處，下部礦石較硬很容易產(chǎn)生根底。采用空氣間隔爆破，4m×4m的孔網(wǎng)參數(shù)，炸藥單耗降為0.426 2kg/m3，爆破后幾乎無(wú)根底。通過(guò)頂部間隔和底部間隔試驗(yàn)對(duì)比，頂部間隔爆堆形態(tài)好于底部間隔，爆破后鏟裝效果優(yōu)于底部間隔。

(5)降低爆破震動(dòng)。礦區(qū)東南部距離附近受保護(hù)構(gòu)筑物較近，原孔網(wǎng)參數(shù)為5m×4m，炸藥單耗0.426 3kg/m3。將孔網(wǎng)參數(shù)縮小為4m×4m，單孔裝藥量減小25kg，炸藥單耗控制在0.355 0kg/m3，單耗降低近20%，達(dá)到了降震的目的。

(6)裂隙、水孔處理。在遇有裂隙、水孔等特殊條件時(shí)，采用空氣間隔爆破，可以避免因少量孔不能爆破而造成整個(gè)爆破質(zhì)量的下降。

3 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

銨油炸藥6 000元/t，空氣間隔器30元/個(gè)。采用空氣間隔器后，單孔裝藥量平均減少15.5kg，經(jīng)計(jì)算，平均萬(wàn)噸爆破成本節(jié)約157 5元；平均炸藥單耗從0.408 0kg/m3降低到0.398 4kg/m3，全年可降低爆破成本20.4萬(wàn)元；爆破質(zhì)量改善后，鏟裝設(shè)備備件消耗和維修費(fèi)明顯降低，取得了較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

太鋼東山石灰石礦對(duì)爆破質(zhì)量不理想的臺(tái)階進(jìn)行了空氣間隔爆破試驗(yàn)，降低了全礦區(qū)平均炸藥單耗，同時(shí)有效控制了臺(tái)階上部大塊和根底，并降低了粉礦率；總結(jié)出一套靈活運(yùn)用空氣間隔器爆破的方法。不但獲得較好的爆破效果，更為重要的是積累了豐富的空氣間隔器應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為以后空氣間隔爆破提供幫助。

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2014-07-29)

田林凱(1968—)，男，副礦長(zhǎng)，總工程師，030003 山西省太原市杏花嶺區(qū)牛駝公路12號(hào)。