吳朝陽

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

1 引言

爆破技術(shù)在采礦工程和各種土石方工程中應(yīng)用規(guī)模十分巨大。我國的爆破施工整體水平長(zhǎng)期以來一直在不斷進(jìn)步，不過依然存在著很多不足之處。傳統(tǒng)的連續(xù)裝藥方式往往存在單耗大、爆轟初壓過高、底部巖石過渡粉碎、炸藥能量分布不均等缺點(diǎn)，容易導(dǎo)致露天臺(tái)階底板平整度差、臺(tái)階頂部大塊多、爆破振動(dòng)大、爆破成本居高不下等諸多不利因素［1］。如何有效的利用爆炸能量，充分發(fā)揮每一公斤炸藥的破巖效能，改善爆破質(zhì)量，降低爆破成本，減少危害效應(yīng)成為露天礦山深孔爆破亟待解決的問題。空氣間隔裝藥自上世紀(jì)50年代提出至今過去半個(gè)世紀(jì)，在國內(nèi)外露天礦山已經(jīng)廣泛使用。氣體間隔器用于爆破主要有兩方面的作用：一是可以克服炸藥能量過于破碎臺(tái)階底部礦巖，保證底板平整，為下一臺(tái)階的穿孔作業(yè)創(chuàng)造良好的條件；二是可以使藥柱中心整體上移，適當(dāng)縮減充填高度，有效降低臺(tái)階上部大塊，減少炸藥的單耗，控制爆破危害，降低爆破成本［2］。

德興銅礦是國內(nèi)大型露天銅礦，一方面，近年來隨著采剝?nèi)蝿?wù)的加重，爆破量越來越大，每年所需炸藥量也隨之增加，如何提高爆破質(zhì)量、控制爆破成本成了當(dāng)前急需解決的問題；另一方面，隨著開采深度的增加，露天采區(qū)最高出露邊坡已超過400m，采區(qū)臨近最終邊坡爆破的次數(shù)越來越多，爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的危害也越發(fā)明顯，為此德興銅礦引進(jìn)空氣間隔器，利用空氣間隔裝藥的優(yōu)勢(shì)克服連續(xù)裝藥爆破帶來的諸多弊端，在保證爆破質(zhì)量的前提下，降低爆破成本，并控制爆破的危害效應(yīng)。

2 空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)理論分析

在生產(chǎn)爆破中，人們很早就發(fā)現(xiàn)了裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆破效果具有重要影響。經(jīng)過多種實(shí)踐，各種裝藥結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)作為一種行之有效的手法也得到了愈來愈多的運(yùn)用。很多研究也已證明，空氣間隔裝藥技術(shù)在合適的礦巖條件與合理的爆破參數(shù)下可以達(dá)到良好的爆破效果。目前，對(duì)于空氣間隔裝藥爆破作用原理的闡述，一是可以大幅降低沖擊波峰值壓力，從而減少或避免了炸藥能量對(duì)底板的過渡粉碎；二是應(yīng)力有效作用時(shí)間大幅延長(zhǎng)，從而獲得了更大的爆破沖量；三是使比沖量分配更加均勻，空氣層的存在改變了沖量分配，炸藥分布的均勻性也得到了明顯改善［3-4］。

圖1 空體間隔器外觀和內(nèi)層袋

空氣間隔裝藥可假設(shè)為徑向不耦合裝藥，且炸藥性質(zhì)不變，密度均勻分布，則空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)的折算密度［5］為：

式中：ρ為包括空氣柱在內(nèi)的炸藥折算密度；ρ0為炸藥密度；La為空氣柱長(zhǎng)度；Lb為裝藥長(zhǎng)度。

爆轟壓力［6］按下式計(jì)算：

式中：P2為按折算密度求算的爆轟壓力；k為等熵指數(shù)，K=3；D為炸藥爆速。

則爆炸脈沖的初始?jí)毫Γò雌骄Z壓力計(jì)算）［7］：

由沖量概念［8］得：

式中：t為爆破作用時(shí)間；I為爆破沖量。

令La/Lb=N(N為間隔值)，則：

由N的物理意義知，當(dāng)N=0時(shí)，為連續(xù)柱狀裝藥；當(dāng)N＞0時(shí)為空氣間隔裝藥，由（5）、（6）式可得：

所以，當(dāng)A＞0時(shí)，即空氣間隔裝藥時(shí)，則有：

由此可見，空氣間隔裝藥可降低炸藥脈沖初始?jí)毫?，延長(zhǎng)爆破作用時(shí)間。通過改變N值可調(diào)整爆炸脈沖初始?jí)毫捅谱饔脮r(shí)間，從而達(dá)到改善爆破效果的目的。

3 空氣間隔器的工業(yè)試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)過程

為了進(jìn)一步驗(yàn)證空氣間隔器的作用原理及其對(duì)改善爆破效果方面的優(yōu)越性，本次試驗(yàn)方案主要是通過對(duì)比使用空氣間隔器的同時(shí)減少單孔裝藥量和不減少單孔裝藥量來進(jìn)行，從四個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分別為同一面炮區(qū)使用間隔器與不使用間隔器且都不減藥對(duì)比試驗(yàn)、相鄰炮區(qū)使用間隔器與不使用間隔器且都不減藥對(duì)比試驗(yàn)、同一面炮區(qū)正常爆破與使用間隔器且減藥對(duì)比試驗(yàn)、相鄰炮區(qū)正常爆破與使用間隔器且減藥對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)域的巖性均為Ⅱ類巖，中等難爆，地質(zhì)條件相當(dāng)且其他外部條件一致。通過以上四個(gè)方面的試驗(yàn)分別對(duì)比爆后的爆破效果以及對(duì)爆破成本節(jié)約情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)，采用爆破振動(dòng)測(cè)試儀對(duì)臨近固定邊坡、固定設(shè)施等需要控制的區(qū)域進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，對(duì)采用空氣間隔器與正常裝藥情況下通過數(shù)據(jù)對(duì)比，分析空氣間隔器的使用對(duì)降低爆破振動(dòng)的作用，并得出結(jié)論。試驗(yàn)共進(jìn)行了9面炮的試驗(yàn)，以其中一面炮為例進(jìn)行說明。

以2015-10-13 的試驗(yàn)為例，本次試驗(yàn)為同一面炮區(qū)正常爆破與使用間隔器且減藥對(duì)比試驗(yàn)，將同一面炮區(qū)分成兩部分，一部分進(jìn)行正常裝藥爆破，做為對(duì)比區(qū)；另一部分進(jìn)行空氣間隔并且減藥爆破，做為試驗(yàn)區(qū)。其他外部條件一致。試驗(yàn)地點(diǎn)為德興銅礦銅廠9#鉆，巖性屬于Ⅱ類巖，試驗(yàn)共86個(gè)孔，放置氣體間隔器34個(gè)，隔離器放置在16m處，孔網(wǎng)參數(shù)7×8m2，設(shè)計(jì)孔深17.5m，總裝藥量為58t。爆破網(wǎng)路圖及施工數(shù)據(jù)記錄如圖2所示，爆破效果如圖3、圖4所示，爆后電鏟鏟挖效果如圖5所示，爆后底板標(biāo)高如圖6所示。

圖2 爆破試驗(yàn)起爆網(wǎng)路圖

圖3 爆破效果圖（對(duì)比區(qū)）

圖4 爆破效果圖（試驗(yàn)區(qū)）

圖5 電鏟鏟挖效果

圖6 底板標(biāo)高

爆破效果分析：（同一面炮正常爆破與使用間隔器且減藥對(duì)比試驗(yàn)）試驗(yàn)區(qū)為使用間隔器且減藥爆破，對(duì)比區(qū)為正常爆破。整面炮爆堆整體破碎度良好，其中對(duì)比區(qū)側(cè)后沖比較嚴(yán)重，隆起高度2m左右；試驗(yàn)區(qū)爆堆隆起高度3m左右，兩邊后裂線整齊，塌落陷明顯，側(cè)后沖較少；挖掘后電鏟鏟挖后底板平整，試驗(yàn)區(qū)與對(duì)比區(qū)相比，對(duì)比區(qū)工作面底板略有抬高。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

工業(yè)對(duì)比試驗(yàn)共九面炮，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表1所示。

通過9面炮的試驗(yàn)，爆破效果總結(jié)分析如下：

（1）在同一或相鄰爆區(qū)不減藥對(duì)比試驗(yàn)中，使用空氣間隔器由于充填高度的減少，炸藥重心得到提高，爆堆隆起度比正常的爆堆要高，爆堆更為集中，對(duì)克服臺(tái)階頂部大塊有一定的幫助，大塊率得到一定程度的改善。

表1 工業(yè)試驗(yàn)爆破參數(shù)及臺(tái)階平整度匯總表

（2）在同一或相鄰爆區(qū)減藥試驗(yàn)對(duì)比中，使用空氣間隔器平均每個(gè)孔減少50～100kg炸藥量，合計(jì)節(jié)約14.95t炸藥，主要利用空氣間隔器空氣膨脹壓縮作用，使炸藥在孔內(nèi)分布的更均勻，延長(zhǎng)爆生氣體作用時(shí)間，減藥后不影響其爆破效果。

（3）使用空氣間隔器裝藥時(shí)可以隔離孔底巖粉、泥漿，避免炸藥沖擊與之混合，有利于提高炸藥利用率。

（4）空氣間隔器放置在孔內(nèi)設(shè)計(jì)統(tǒng)一位置，有利于爆破后鏟挖作業(yè)面的平整，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，使用空氣間隔器工作面底板平整度控制在±30cm。

3.3 空氣間隔器對(duì)爆破振動(dòng)的影響試驗(yàn)

本次共開展了11次空氣間隔器實(shí)驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試，采用三通道并行采集數(shù)據(jù)如圖7所示，采樣頻率為10～50kHz，測(cè)量爆區(qū)側(cè)后方爆破振動(dòng)強(qiáng)度如表2所示（表2為其中一面炮的振動(dòng)強(qiáng)度值）。并對(duì)采用空氣間隔器與正常裝藥爆破下的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，匯總于表3。

圖7 爆破三軸振動(dòng)曲線圖

表2 爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

表3 爆破測(cè)振數(shù)據(jù)匯總表

綜合以上的工業(yè)試驗(yàn)及爆破測(cè)震結(jié)果表明，使用空氣間隔器后單孔裝藥量平均可以減少50～100kg，那么使用空氣間隔器后的爆破區(qū)域的百米PPV（爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度）與未使用空氣間隔的百米PPV相比，振動(dòng)降低了10%～30%不等，減震效果非常明顯。因此，建議在不影響生產(chǎn)的情況下，盡量使用空氣間隔器進(jìn)行臨近邊坡區(qū)域爆破，并盡量減小爆破規(guī)模，清渣或薄壓碴爆破，以實(shí)現(xiàn)更好的控制爆破振動(dòng)的目的。間隔器273個(gè)，間隔器成本為120元/個(gè)，炸藥成本以5元/kg計(jì)算，試驗(yàn)期間使用間隔器節(jié)省爆破成本41990元，證明了通過使用空氣間隔器可以在不影響爆破質(zhì)量的情況下，降低爆破成本。

（3）空氣間隔器可以有效的降低爆破振動(dòng)，工業(yè)試驗(yàn)表明使用空氣間隔器的爆破區(qū)域的百米質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度明顯小于沒有使用空氣間隔器的區(qū)域。

4 結(jié)論

（1）通過使用空氣間隔器，可減少充填高度，提高炸藥重心，改善頂部破碎效果，同時(shí)，空氣間隔器的使用可以延長(zhǎng)爆生氣體的作用時(shí)間，使炸藥在孔內(nèi)分布的更均勻，提高了炸藥的利用率。試驗(yàn)區(qū)平均臺(tái)階平整度控制在±40cm以內(nèi)。

（2）空氣間隔器的使用對(duì)克服臺(tái)階頂部大塊有一定的幫助，改善了整體的破碎效果，同時(shí)降低了爆破成本，工業(yè)試驗(yàn)期間共節(jié)省炸藥14.95t，使用

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