田 鵬

(湖南宏業(yè)石膏礦業(yè)有限公司， 湖南 常德 415300)

1 前言

爆破法采礦是最重要的采礦方法之一，如何合理的進(jìn)行爆破并選擇正確參數(shù)是決定爆破成果的主要因素。從20世紀(jì)50年代開始，我國一般采用深孔爆破空氣間隔裝藥技術(shù)對露天礦進(jìn)行開采，這是一種將空氣作為炸藥間隔，利用軸向不耦合進(jìn)行裝藥的一種爆破技術(shù)?？諝忾g隔裝藥爆破技術(shù)能夠?qū)Ρóa(chǎn)生的能量進(jìn)行高效利用，還有助于穩(wěn)定爆堆形態(tài)。而在地下礦山爆破中，間隔中的預(yù)留空氣可以有效減緩爆炸過程中沖擊波帶來的峰值壓力，有助于爆孔周邊應(yīng)力場的加強(qiáng)，從而致使原生裂縫能夠繼續(xù)擴(kuò)大，進(jìn)一步出現(xiàn)新的裂縫；采用空氣間隔的裝藥方式，改善了炸藥的分布結(jié)構(gòu)，減少了單孔和總裝藥量，在降低了孔口大塊率、提高炮孔利用率的同時(shí)，由于一次爆破藥量的減少，爆破噪音和爆破震動大幅減少，還節(jié)約了爆破成本，爆破礦石也更加均勻，避免了二次爆破，提高了鏟裝效率，尤其適用于建筑物下等需要控制爆破震動的場合。

空氣間隔裝藥技術(shù)主要分為空氣層在頂部、空氣層在中部、空氣層在底部三種類型，需要根據(jù)實(shí)際爆破需求和地下礦山地質(zhì)環(huán)境決定對空氣層位置的安排。試驗(yàn)和實(shí)踐結(jié)果都充分表明，對于地下礦山的開采，空氣間隔裝藥爆破技術(shù)能有效提升炸藥效率，大幅度減少炸藥損耗和爆破震動，能夠降低整個(gè)采礦工程的成本投入，為礦山企業(yè)創(chuàng)造額外的經(jīng)濟(jì)收益。

2 空氣間隔裝藥原理及優(yōu)勢

空氣間隔裝藥是指將空氣作為間隔，再利用軸向不耦合進(jìn)行裝藥的一種爆破技術(shù)。相比較傳統(tǒng)中深孔連續(xù)裝藥而言，空氣間隔裝藥技術(shù)能夠?qū)Ρóa(chǎn)生的能量進(jìn)行高效利用，還有助于穩(wěn)定爆堆形態(tài)以及提升巖石破碎效果。這是由于間隔中的預(yù)留空氣可以有效減緩爆炸過程中沖擊波帶來的峰值壓力，使炮孔周邊的巖石不會過度粉粹，對爆破地震效應(yīng)有減弱作用，在相同的裝藥量下，同一點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振速比連續(xù)裝藥小15%～50%。爆破產(chǎn)生的沖擊波在受到阻礙物或到達(dá)孔底后會重新返回空氣間隔中，在經(jīng)過沖擊波的多次作用下，會逐步增加炮孔周邊的應(yīng)力場，使應(yīng)力波持續(xù)作用時(shí)間變長。在受到?jīng)_擊波反復(fù)作用的同時(shí)，炮孔周邊還會受到靜壓力作用和應(yīng)力波反射作用，當(dāng)這兩種壓力產(chǎn)生的綜合壓力超出了巖石最大承受范圍時(shí)，巖石的原生裂縫就會繼續(xù)擴(kuò)大，進(jìn)一步出現(xiàn)新的裂縫。

2.1 空氣間隔裝藥爆破理論分析

1) 空氣間隔裝藥爆破的基本原理

空氣間隔裝藥在進(jìn)行爆破時(shí)，爆破產(chǎn)生的產(chǎn)物會在空氣間隔內(nèi)迅速膨脹，之后壓力逐漸下降，爆破產(chǎn)生的產(chǎn)物會由于膨脹而出現(xiàn)空氣沖擊波，對于空氣間隔來講，兩端炸藥同時(shí)爆炸，相對氣體同時(shí)向空氣間隔膨脹開來，產(chǎn)生的空間沖擊波在空氣間隔發(fā)生碰撞，巨大的沖擊效果會直接導(dǎo)致巖石無法承受沖擊波強(qiáng)度而破碎。而巖石的破碎會改變空間結(jié)構(gòu)，使空氣隔間形成新的高壓源，經(jīng)過再次反射后，原有的沖擊波會發(fā)生方向變化，迅速向填塞面以及孔底轉(zhuǎn)移。同時(shí)，炮孔內(nèi)的空氣間隔所處位置也會對巖石的破碎情況造成一定影響。上下部兩個(gè)藥包所產(chǎn)生的兩個(gè)沖擊波陣面會進(jìn)行不斷作用產(chǎn)生震蕩。因此，在均勻裝藥的前提下，間隔器位于藥柱中部產(chǎn)生的爆破效果要比間隔器處于藥柱上下部的空氣間隔裝藥爆破技術(shù)效果更好。

通過空氣間隔裝藥爆破的作用機(jī)理可以明確以下幾點(diǎn)：①應(yīng)力波峰值壓力可以得到有效降低，能夠降低破壞同等巖石量消耗的炸藥成本；②能夠?qū)Ρ鷼怏w的作用時(shí)間進(jìn)行延長；③靜壓力作用和應(yīng)力波反射作用的綜合效果會使原生裂縫繼續(xù)擴(kuò)大，進(jìn)一步出現(xiàn)新的裂縫。

Hustrulid對空氣間隔裝藥爆破機(jī)理的深入研究表明，在爆炸產(chǎn)物和炮孔底部產(chǎn)生的兩道稀疏波導(dǎo)致炮孔壓力逐漸減小，在增強(qiáng)巖石爆破的破碎效果中起到了關(guān)鍵作用，在釋放壓力過程中會在炮孔周邊引起高幅值拉應(yīng)力，能進(jìn)一步加劇巖石的破碎。在耦合裝藥前提下，炮孔底部反射的沖擊波壓力能夠達(dá)到初始平均爆炸壓力，此壓力直接造成了堵塞段以及空氣段巖石的破碎。

2)空氣間隔裝藥爆破對爆破效果的影響

對爆破效果情況的評定需要根據(jù)爆堆的級配、形態(tài)以及松散度3個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行效果評定，巖石的破碎除了與作用力密切相關(guān)，還與爆炸作用力持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。進(jìn)入孔壁的作用力越大，巖石的粉碎率也會相應(yīng)增高，也增加了礦石的不均勻性?？諝忾g隔裝藥爆破能夠有效減慢氣體散發(fā)到大氣環(huán)境中的速度，使裝藥間隔能夠處于持續(xù)高壓狀態(tài)，對爆破作用的產(chǎn)生積累了巨大能量，提升了氣體做有用功的能力。這樣的處理效果可以使爆炸后的爆堆形式規(guī)整，破碎巖塊的均勻度提升，有效減少大塊數(shù)量。同時(shí)，爆破氣體作用時(shí)間的延長，能夠使炸藥內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)更加充分，有毒氣體也會相應(yīng)減少。

2.2 空氣間隔裝藥的優(yōu)勢

眾多的試驗(yàn)和實(shí)踐證明，空氣間隔裝藥能夠有效避免傳統(tǒng)連續(xù)裝藥存在的部分問題，在確保爆破效果的前提下，通過降低炸藥損耗大大提升了炸藥的利用率，有效減少了成本投入，同時(shí)對爆破產(chǎn)生的震動也能在一定程度上進(jìn)行遏制，有利于控制因爆破造成的危害。空氣間隔裝藥爆破技術(shù)在國外早已開始使用。蘇聯(lián)利用此項(xiàng)技術(shù)，將炸藥成本降低了10%～30%，并有效改善了巖石爆破后的破碎度和爆堆形態(tài)；澳大利亞利用該技術(shù)對巖石的破碎情況實(shí)現(xiàn)了有效控制，并降低了炸藥的單耗；美國馬里蘭大學(xué)采用動光彈的測量方式對聚異丁烯酸樹脂中空氣間隔裝藥的爆破情況進(jìn)行了觀測，試驗(yàn)結(jié)果表明，空氣間隔裝藥能夠起到延長沖擊波作用到周邊物質(zhì)時(shí)間的作用；2000年，南芬露天鐵礦開始使用此項(xiàng)技術(shù)，有效改善了巖石的破碎度和爆堆形態(tài)，鏟裝效率也得到了提高，年底增加了145萬的經(jīng)濟(jì)效益。

3 空氣間隔裝藥在地下礦山爆破中的應(yīng)用

在采礦中，空氣間隔裝藥爆破技術(shù)通常使用于以下2種不同類型的爆破：第一類用于梯段爆破，能夠利用周圍裂縫的再次擴(kuò)展使爆破效果進(jìn)一步加強(qiáng)；第二類用于預(yù)裂爆破，可以對有效控制爆破后炮孔周圍裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展，同時(shí)通過增加空氣間隔層增強(qiáng)巖石破碎效果從而減少炸藥成本，這種方法已經(jīng)被普遍使用。

空氣間隔位于炸藥柱中部位置時(shí)，間隔高度為1.5～6.0m，上部的裝藥量大約占總裝藥量的33%～38%，下部裝藥量大約占總裝藥量的62%～67%。在處理超高臺階時(shí)，需要使用二次空氣間隔三段裝藥的炸藥結(jié)構(gòu)，上部和中部藥量各占總裝藥量的20%，下部裝藥量大約占總裝藥量的60%，與傳統(tǒng)連續(xù)裝藥相比，能夠減少大約40%的炸藥損耗，而且爆破效果所差無幾，還能有效規(guī)整爆堆、減少飛石。而底部不耦合裝藥能降低大塊率，減少沖擊波造成的震動。這種技術(shù)主要適用于底板開挖的保護(hù)性工程，比如開挖大壩壩基開挖、核電廠場坪、水工建筑物巖石基礎(chǔ)等，此類工程需要確保底板巖石的完整性和平整性，能夠在爆破后將損失控制在合格范圍之內(nèi)，并能夠無保護(hù)性的進(jìn)行一次開挖。通過試驗(yàn)說明，在空氣間隔高度滿足L=18m時(shí)，爆破造成的體積最大，震動最小，底部空氣層通常取1～1.5m，能夠減少約40%的震動。使用底部不耦合裝藥可以較大程度的減少對底板基巖的破壞，能有效提升一次性開挖底板的合格率，還可以起到控制爆破成本、提高施工效率的作用。

本文研究的某地下石膏礦山，含礦地層為奧陶系峰峰組，大致可以分為兩層含礦地層，上層含礦層厚度在40～50m的范圍內(nèi)，礦石類型主要包括普通石膏、白云質(zhì)石膏以及纖維針狀充填石膏。礦山范圍內(nèi)未見斷裂構(gòu)造，褶皺不發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造屬簡單類型，礦床為產(chǎn)于下第三系古新統(tǒng)沙市組含膏巖段的湖相沉積型礦床，屬次級歇駕山沉積盆地向斜北翼，礦區(qū)屬低矮丘陵區(qū)，地勢低平，區(qū)內(nèi)地表水系不發(fā)育，地表水流經(jīng)溝谷流出，對礦山開采影響不大。

在對現(xiàn)場進(jìn)行多次勘查后，發(fā)現(xiàn)爆破區(qū)開挖巖石的普氏堅(jiān)固系數(shù)約為2，再綜合巖石性質(zhì)分析，可以進(jìn)行爆破開挖。為了達(dá)到降低大塊率、規(guī)整爆堆、避免根底破壞等目的，最終決定使用空氣間隔裝藥爆破技術(shù)對該爆破區(qū)進(jìn)行開挖。在此項(xiàng)爆破工程中，空氣間隔位于炸藥柱中間位置，并確保底部裝藥量的長度不小于最小抵抗線W=3m的1.4倍，即4.2m。中間空氣間隔距離為1.5m，上部裝藥長度為2.5m，堵塞距離為3.0m。

在對底部炸藥進(jìn)行安裝后，用尼龍繩將麻袋捆好，并將麻袋放到孔里，通過竹竿將麻袋放到指定的位置，再將尼龍繩的另一端綁在木棍上，將木棍橫放在孔口處，從而將孔中的麻袋塞進(jìn)行固定。隨后在上部進(jìn)行裝藥，同時(shí)再裝一個(gè)起爆藥柱和堵塞等，具體如圖1所示。

圖1 空氣間隔裝藥

若爆破高度達(dá)不到使用中部空氣間隔裝藥爆破技術(shù)的條件，在對孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)增加的同時(shí)，還可以使用上部不耦合裝藥以及底部耦合裝藥，其中底部耦合裝藥的高度也需要不小于最小抵抗線的1.4倍。裝藥時(shí)，在底部要裝多孔粒狀硝酸銨，上部則使用直徑0.7cm的條狀乳化炸藥，具體如圖2所示。

圖2 不耦合裝藥

從爆堆方面來講，使用中間空氣間隔裝藥爆破技術(shù)進(jìn)行爆破后，可以發(fā)現(xiàn)比耦合裝藥爆破的爆堆拋擲情況減弱，巖石大塊率有所降低。從經(jīng)濟(jì)方面來講，直徑為0.9cm的炮孔，平均延米裝藥量是5.5kg/m，與連續(xù)裝藥相比，每孔可以少裝9kg炸藥，以每千克炸藥8元來算，每孔可以節(jié)約成本72元，再把1個(gè)7元的非電導(dǎo)爆管雷管價(jià)格扣除，則意味著每孔實(shí)際節(jié)約成本65元。若礦山每天有200個(gè)孔發(fā)生爆破，使用空氣間隔裝藥爆破技術(shù)能夠每天為礦山節(jié)約成本13 000元，創(chuàng)造出額外的收益。

4 空氣間隔裝藥技術(shù)的注意事項(xiàng)

4.1 空氣間隔位置的選擇

一般來講，空氣間隔裝藥爆破技術(shù)分為空氣間隔在上部、空氣間隔在中部、空氣間隔在下部。大量的試驗(yàn)和實(shí)踐證明，在使用同等炸藥量的前提下，對比空氣間隔在中部比空氣間隔在底部的裝藥爆破技術(shù)，前者巖石破碎效果更好?？梢?，空氣間隔的位置對于爆炸效果起著重要作用。但在實(shí)際工程的操作中會發(fā)現(xiàn)，盡管中部空氣間隔裝藥爆破技術(shù)爆破效果更好，但操作起來難度大、安裝程序復(fù)雜，不但裝藥結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，還需要兩端同時(shí)起爆。

對于開采地下礦山應(yīng)該采用何種空氣間隔爆破技術(shù)，國內(nèi)學(xué)術(shù)界對此有不同的認(rèn)識。大部分學(xué)者研究認(rèn)為采用中部空氣間隔裝藥爆破技術(shù)進(jìn)行巖石爆破的爆破效果更好，但也有部分學(xué)者研究認(rèn)為，盡管下部空氣間隔裝藥爆破技術(shù)沒有中部的爆破效果好，但是對底部的保護(hù)能起到重要作用。所以，在實(shí)際工程操作中，對空氣間隔位置的選擇既需要考慮開采礦山的實(shí)際地質(zhì)情況，還需要結(jié)合采礦側(cè)重點(diǎn)和具體要求等其他因素。

4.2 空氣間隔與炮孔裝藥的比值選擇取向

在使用空氣間隔裝藥爆破技術(shù)進(jìn)行巖石爆破時(shí)，不但要對空氣間隔位置進(jìn)行確定，還需要對空氣間隔與裝藥量的體積比進(jìn)行確定。對于空氣間隔所占體積比這一問題，學(xué)者們也提供了大量研究結(jié)果，Melnikov N V及其團(tuán)隊(duì)在基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，空氣間隔體積占炮孔體積的11%～35%發(fā)生的爆破效果較好。Moxon N T研究認(rèn)為空氣間隔體積占炮孔體積的15%～35%發(fā)生的爆破效果較好，巖石破碎均勻，爆堆規(guī)整。國內(nèi)學(xué)者基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)則認(rèn)為，空氣間隔體積占炮孔體積的30%～40%發(fā)生的爆破效果更好。實(shí)際操作中，在以研究理論為基礎(chǔ)的前提下，還需要根據(jù)工程場地的實(shí)際情況對空氣間隔體積所占比例進(jìn)行合理調(diào)配。

4.3 炮孔周圍巖石動態(tài)損傷的演化

在使用空氣間隔裝藥爆破技術(shù)進(jìn)行巖石爆破時(shí)，由于存在空氣間隔，在進(jìn)行爆破時(shí)產(chǎn)生的沖擊波會導(dǎo)致周邊巖石產(chǎn)生反復(fù)加卸載作用，造成原生裂縫在反復(fù)沖擊波作用下繼續(xù)破碎，與傳統(tǒng)連續(xù)裝藥的爆破機(jī)理并不相同。因此，需要對沖擊波作用下反復(fù)加卸載作用導(dǎo)致的結(jié)果進(jìn)行更深入的研究。理論和試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)Ρ茀?shù)的大致范圍進(jìn)行計(jì)算，但參數(shù)的進(jìn)一步確定還需要結(jié)合工程的實(shí)際情況，根據(jù)實(shí)際研究結(jié)果對參數(shù)進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，有利于實(shí)際工程中爆破工作的順利完成。

4.4 關(guān)于爆破振動效應(yīng)問題

空氣間隔裝藥爆破技術(shù)能夠起到良好的減震作用，可以降低10%～15%的震動狀況。在通過對不同位置空氣間隔進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)振動的垂向、徑向和切向進(jìn)行時(shí)域比較后發(fā)現(xiàn)，中部空氣間隔產(chǎn)生的三分量振幅最大，然后是上部空氣間隔，下部空氣間隔為振幅最小值。而對于爆破的近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)來講，爆破振動造成的影響作用機(jī)制并不相同，還需要結(jié)合具體的工程實(shí)例進(jìn)行深入研究。

5 結(jié)論

本文得出的結(jié)論主要包括以下幾點(diǎn)：

(1)在采礦中，空氣間隔裝藥爆破技術(shù)通常使用于以下兩種類型不同的爆破：第一類用于梯段爆破；第二類用于預(yù)裂爆破。

(2)在對該礦區(qū)地質(zhì)特征展開分析之后，使用中間空氣間隔裝藥爆破技術(shù)進(jìn)行爆破后，從爆堆方面來講，比耦合裝藥爆破的爆堆拋擲情況減弱，巖石大塊率有所降低。從經(jīng)濟(jì)方面來講，成本更加節(jié)約，能創(chuàng)造出額外的收益。

近年來，盡管對空氣間隔裝藥爆破技術(shù)的優(yōu)勢以及爆破機(jī)理等方面進(jìn)行了大量研究，但是對實(shí)際工程中出現(xiàn)的現(xiàn)象依據(jù)存在理論盲點(diǎn)。目前，空氣間隔爆破技術(shù)的基礎(chǔ)主要基于經(jīng)驗(yàn)公式以及現(xiàn)場試驗(yàn)，還有待進(jìn)一步加深對相關(guān)內(nèi)容的研究。