趙明生，黃勝松，周建敏，陶 明

(1.保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴陽 550002；2.貴州大學(xué)，貴陽 550002；3.中南大學(xué)，長(zhǎng)沙 41000)

現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)均屬于半成品，無雷管感度，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各大型露天礦山爆破作業(yè)[1]。研究混裝乳化炸藥配方與巖石合理性匹配關(guān)系，對(duì)改善爆破效果，提高炸藥能量利用率，降低爆破成本顯得尤為重要。炸藥性能與巖石性質(zhì)匹配主要有：波阻抗匹配、全過程匹配和能量匹配等[2]。波阻抗匹配觀點(diǎn)認(rèn)為：炸藥波阻抗和巖石彈性波阻抗相等時(shí)，炸藥能量利用率最高，郭子如等人認(rèn)為套用沖擊波正入射波傳統(tǒng)波阻抗理論忽略了后續(xù)爆炸氣體的作用，同時(shí)應(yīng)力波的傳遞過程過于簡(jiǎn)化[3]；全過程匹配則認(rèn)為應(yīng)將巖石、炸藥和爆破設(shè)計(jì)參數(shù)納入一個(gè)體系來研究考慮炸藥與巖石相互作用全過程的能量傳遞關(guān)系；能量匹配的觀點(diǎn)認(rèn)為只要破碎巖石需要的能量和炸藥產(chǎn)生的能量相近，就可以通過增減裝藥量以適應(yīng)巖石的強(qiáng)度[4,5]。趙明生、鄭長(zhǎng)青、葉海旺等引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，綜合考慮巖石性質(zhì)參數(shù)、爆破現(xiàn)場(chǎng)條件和爆破效果要求，提出了不同類型的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的炸藥性能參數(shù)和巖石匹配方法[6-8]。在實(shí)際工程中，全過程匹配和能量匹配理論匹配方法難以應(yīng)用，目前廣泛使用的仍然是波阻抗匹配理論[9]。

為研究混裝乳化炸藥不同配方對(duì)炸藥-巖石匹配效果的影響，以新疆某露天煤礦現(xiàn)用混裝乳化炸藥配方為基礎(chǔ)，通過理論分析出配方不同組分對(duì)炸藥波阻抗的影響，找出影響炸藥波阻抗的因素，并對(duì)炸藥能量利用率進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)巖石地質(zhì)條件及炸藥能量利用率，設(shè)計(jì)出不同的炸藥配方，使炸藥-巖石匹配更加合理[10]，從而實(shí)現(xiàn)改善炸藥性能、提高炸藥能力利用率、優(yōu)化提高爆破效果，降低企業(yè)生產(chǎn)成本的目的。

1 混裝乳化炸藥配方組分對(duì)炸藥波阻抗的影響分析

1.1 混裝乳化炸藥爆炸性能計(jì)算

混裝乳化炸藥主要由C、H、O、N元素組成，其爆炸性能參數(shù)主要有爆熱、爆溫、爆容、爆速、猛度等，其中爆熱是炸藥做功的能源，爆容是炸藥對(duì)外做功的介質(zhì)，其它爆炸參數(shù)如爆溫、爆速、爆壓都與爆熱和爆容有關(guān)，因此，在進(jìn)行配方設(shè)計(jì)時(shí)必須兼顧爆熱和爆容兩個(gè)最重要的化學(xué)參數(shù)。

1.1.1 爆熱的理論計(jì)算

計(jì)算爆熱前通過采用B-W規(guī)則確定炸藥爆轟產(chǎn)物(B-W規(guī)則見表1)，建立爆炸反應(yīng)方程式，采用蓋斯定律計(jì)算炸藥的爆熱。

表 1 B-W規(guī)則Table 1 B-W Rules

1.1.2 爆容的理論計(jì)算

爆容數(shù)值越大說明爆炸氣體產(chǎn)物越多，做功效率越高。常用公式(1)計(jì)算爆容。

(1)

式中:V為炸藥的爆容；∑nj為氣體爆轟產(chǎn)物總的摩爾數(shù)；mi為炸藥i組分的摩爾數(shù)；Mei為炸藥i組分的分子量。

1.1.3 爆速的理論計(jì)算

工程中常用爆轟流體動(dòng)力學(xué)理論的近似理論方程估算炸藥的爆速公式(2)

(2)

式中：D為爆速，m/s；Qv為理想爆熱，kJ/kg；k為爆轟產(chǎn)物局部等熵指數(shù)。

1.2 爆轟參數(shù)計(jì)算應(yīng)用例

以新疆某露天煤礦現(xiàn)用炸藥配方為例(見表2)，分別計(jì)算爆熱、爆容、爆速。取1 kg炸藥為計(jì)算基準(zhǔn)，并計(jì)算炸藥中各組分物質(zhì)的量(見表3)。

根據(jù)B-W規(guī)則，建立爆炸反應(yīng)方程式

C4.348H62.042O37.458N20.68→31.02H20+2.1CO2

+2.3CO+10.3N2

(3)

根據(jù)蓋斯定律計(jì)算爆熱時(shí)需炸藥各組分的定容生成焓、爆轟產(chǎn)物的定容生成焓，見表4。

表 2 現(xiàn)用混裝乳化炸藥配方Table 2 Formula of mixed emulsion explosive used now

表 3 炸藥中各組分物質(zhì)的量Table 3 Quantities of each component of explosive

表 4 各物質(zhì)定容生成焓Table 4 Enthalpy of formation at constant volume of each substance

該配方的爆炸性計(jì)算結(jié)果見表5。

表 5 爆炸性能計(jì)算結(jié)果Table 5 Results of explosive performance calculations

1.3 不同組分含量對(duì)炸藥性能及波阻抗的影響

根據(jù)波阻抗理論，炸藥波阻抗是炸藥密度與爆速的乘積。根據(jù)工程實(shí)際情況混裝乳化炸藥密度通?？刂圃?.15～1.25 g/cm3之間。不同配方炸藥的理論爆速通過計(jì)算得出。為找出不同配方對(duì)炸藥波阻抗的影響，共設(shè)計(jì)10組不同含量組分的配方(油相材料組分含量保持不變)，并計(jì)算出相應(yīng)的爆轟參數(shù)和炸藥波阻抗。見表6。

表 6 不同組分含量的爆炸性能及波阻抗的影響Table 6 Explosive properties of different components and the influence of wave impedance

從表6可以看出，炸藥組分中硝酸銨含量與爆熱、爆速、炸藥波阻抗成正相關(guān)。隨著硝酸銨含量增加爆速、爆熱、波阻抗均增加，反之則減少；隨著硝酸銨含量增加爆容減少，反之增加。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

礦田位于科克塞爾克山與紙房盆地的交接處，地形總體趨勢(shì)北高南低、東高西低，地貌形態(tài)為殘丘狀剝蝕平原，地層主要由第四系松散巖類、侏羅系沉積碎屑巖類組成，沉積碎屑巖的各類巖石，其單層厚度沿走向方向的變化較大，可由數(shù)厘米變化到數(shù)米，尤其以砂巖最為明顯，沿走向、傾向變化極大。在1228平盤、1180平盤均多次出現(xiàn)大塊的情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為研究該平盤巖石性質(zhì)，分別對(duì)1228平盤、1180平盤的巖石取樣進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)并對(duì)巖體進(jìn)行聲波檢測(cè)計(jì)算出巖石波阻抗，見表7、表8。

表 7 巖石力學(xué)參數(shù)表Table 7 Rock mechanics parameters table

表 8 不同平盤巖石波阻抗Table 8 Wave impedance of different flat disk rock

根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知炸藥巖石波阻抗匹配存在比較好的匹配范圍為0.8～1.7。表8可以計(jì)算出1180平盤、1228平盤巖石炸藥匹配系數(shù)分別為2.17和2.69。1180和1280平盤上易出現(xiàn)爆破大塊主要原因是炸藥能量與巖石阻抗匹配不合理導(dǎo)致。見圖1。

圖 1 平盤大塊Fig. 1 Flat disk block

2.3 不同配方的選擇

不同巖石阻抗不同，破壞時(shí)所需應(yīng)力波峰值不同。對(duì)高阻抗巖石，巖石的破壞主要取決于應(yīng)力波(包括入射波和反射波)，應(yīng)選用爆壓和爆速都較高的炸藥；對(duì)中阻抗巖石，巖石的破壞主要是入射應(yīng)力波和爆生氣體共同作用的效果，宜爆壓、爆速適中的炸藥；對(duì)于低阻抗巖石，巖石的破壞主要以爆生氣體破壞為主，適合選擇爆熱高的炸藥。不同巖石推薦選用炸藥見表9。

表 9 不同巖石推薦選用的炸藥性能Table 9 Exploite properties recommended for different rocks

從表8、9可以看出，1228平盤適合用爆速為4000 m/s的炸藥；1180平盤適合用爆速為3000 m/s的炸藥?？紤]到現(xiàn)用配方實(shí)際檢測(cè)爆速與理論爆速比值為72.9%，經(jīng)換算1228平盤所需炸藥理論爆速為5400 m/s；同理1180平盤所需炸藥理論爆速為4100 m/s。根據(jù)表5的理論計(jì)算在現(xiàn)有配方的基礎(chǔ)上對(duì)配方組分進(jìn)行刷選優(yōu)化。優(yōu)化后的配方見表10。

表 10 優(yōu)化后的混裝乳化炸藥配方Table 10 Optimised formula for mixed and emulsified explosives

2.4 應(yīng)用效果

爆破后巖石塊度作為爆破效果好壞的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用Split-Desktop4.0軟件對(duì)礦區(qū)爆堆巖石塊度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見表11。

表 11 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析Table 11 Statistical analysis of data

從表11可以看出，對(duì)比原配方的爆破效果，優(yōu)化后的配方大塊率從18.7%分別降至11.9%，12.2%。同時(shí)炸藥單耗還略有下降，表明可通過調(diào)整混裝乳化炸藥組分含量的方式調(diào)整炸藥與巖石匹配系數(shù)，使其匹配更加合理。見圖2。

圖 2 塊度分析Fig. 2 For block degree analysis

3 結(jié)論

通過理論計(jì)算，分析了混裝乳化炸藥配方中各組分含量對(duì)爆炸性能及炸藥波阻抗的影響。結(jié)果表明，爆熱、爆速、炸藥波阻抗均隨硝酸銨含量的增加而增大；爆容隨著硝酸銨含量的降低而減少，反之則增大。通過設(shè)計(jì)硝酸銨含量分別為75%、78%的炸藥配方進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破，其爆破塊度巖石大塊率降低了6.5%～6.8%。說明通過調(diào)整炸藥組分中硝酸銨含量可改變炸藥阻抗及爆轟參數(shù)，使炸藥性能可根據(jù)不同巖石性質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)炸藥匹配的多樣化。