尹岳降，夏文俊，盧文波，劉建成，陳 明，于永軍

(1. 中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410004；2. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

為滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，石灰石作為重要的建筑材料之一而被用于大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。巖粉是灰?guī)r礦開采過程中的副產(chǎn)物，通常指顆粒粒徑小于某一尺寸而作為廢料處理的巖塊，巖粉的產(chǎn)生不僅消耗了大量炸藥能量，而且不利于礦石的充分破碎和有效利用[1]。雖然巖粉部分可用作建筑材料，但目前產(chǎn)量遠(yuǎn)大于市場需求，以白鶴灘旱谷地灰?guī)r礦開采為例，巖粉多在10%～17%左右。因此，合理安排開采程序，提高礦石利用效率，對經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)過程至關(guān)重要[2]。

鉆孔爆破是目前廣泛應(yīng)用的石料開采手段。炸藥爆炸后，應(yīng)力波與周圍巖體相互作用驅(qū)使其開裂，從內(nèi)到外依次形成粉碎區(qū)、剪切破壞區(qū)、張拉破壞區(qū)和彈性區(qū)[3]。Djordjevic[4]的研究表明，巖粉主要來自于壓縮和剪切破壞區(qū)；Iravani等[5]運(yùn)用離散元軟件進(jìn)一步證實(shí)了其觀點(diǎn)，并提出拉伸裂紋的合并分支是大塊產(chǎn)生的主要原因，因此爆破中應(yīng)盡量減小壓縮和剪切破壞區(qū)，并使拉伸破壞區(qū)盡可能加大。除爆破破碎外，后續(xù)機(jī)械破碎過程同樣會導(dǎo)致巖粉的產(chǎn)生。Ruszala等[6]運(yùn)用JKSimMet軟件跟蹤了Mountsorrel花崗巖礦的生產(chǎn)過程，爆破后的巖粉含量僅占開采方量的5.9%左右，但最終產(chǎn)品的巖粉含量卻達(dá)到了13.4%，其中粗碎過程是下游加工程序中巖粉形成的主要階段，除此之外，原生巖體中軟弱夾層及裂隙充填物，以及鉆孔巖屑等，也會導(dǎo)致生產(chǎn)成品中巖粉含量過高。

控制巖石爆破碎裂過程是降低巖粉的重要方式。粉碎區(qū)是巖粉的重要來源，戴俊[7]從三向應(yīng)力的角度，理論推導(dǎo)了巖石爆破中粉碎區(qū)和開裂區(qū)的半徑大小；Esen等[8]利用混凝土模型爆破試驗(yàn)，結(jié)合回歸分析提出了粉碎區(qū)預(yù)測公式；冷振東等[9]考慮了爆炸空腔膨脹效應(yīng)和破裂區(qū)的環(huán)向承載力，對爆破破壞分區(qū)現(xiàn)有預(yù)測公式進(jìn)行了修正。此外，爆破塊度級配也會對巖粉含量產(chǎn)生影響，Kuznetsov[10]和Cunningham[11-13]先后發(fā)展了爆破塊度預(yù)測公式，綜合考慮了各種爆破參數(shù)對爆破效果的影響。

控制灰?guī)r礦巖粉產(chǎn)量，提高開采效率，是實(shí)現(xiàn)礦山綠色高效生產(chǎn)的重要目標(biāo)之一。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)了石灰?guī)r生產(chǎn)過程中巖粉成因及其主要來源，針對爆破破碎過程，分析了諸如不耦合裝藥，現(xiàn)場混裝裝藥及爆破參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)對控制巖粉含量的作用，并結(jié)合神山長久灰?guī)r礦現(xiàn)場開采爆破驗(yàn)證了相關(guān)措施的有效性，對類似灰?guī)r礦生產(chǎn)具有一定的參考意義。

1 灰?guī)r粉成因及其主要來源

1.1 石灰?guī)r破碎特性

石灰?guī)r簡稱灰?guī)r，是一種以方解石為主礦物的碳酸巖類，常混入黏土礦物、粉砂等雜質(zhì)，硬度一般不大，屬沉積巖類。由于構(gòu)成石灰?guī)r的碳酸鈣細(xì)屑和方解石顆粒通常在直徑0.05 mm以下，且沉積礦物顆粒之間膠結(jié)較弱，相較于其他巖體，石灰?guī)r更易在外部荷載作用下破碎，產(chǎn)生巖粉。

在沖擊荷載的作用下，巖體積蓄能量，導(dǎo)致原有隱含微裂紋被激活、擴(kuò)展，并匯聚成宏觀裂紋，破碎大塊巖體。因此，形成單位自由表面所需能量大小，是決定巖體是否易于破碎的關(guān)鍵因素之一。邦德分析了許多巖石實(shí)際破碎功與塊度之間的關(guān)系，并用邦德功指數(shù)WB表示很大的巖塊破碎到80%能通過100 um的篩孔時，所耗費(fèi)能量的千瓦小時數(shù)(見圖1)，可以看出，相較于花崗巖等其他常用建筑材料，石灰?guī)r邦德功指數(shù)較小，在外力作用下更易于破碎。

圖1 不同巖石邦德功指數(shù)對比Fig.1 Comparison of Bond index between different rocks

研磨性是研究巖石破碎特性的又一重要指標(biāo)。研磨得到的巖粉粒度和形狀，取決于巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)，巖石結(jié)構(gòu)越致密，破碎后粒度越小。武漢地質(zhì)學(xué)院[14]用粒度為2.5 mm的渾圓金剛石，對大理巖、石灰?guī)r、花崗巖等巖石作了研磨試驗(yàn)。石灰?guī)r比大理巖和花崗巖致密，破碎粒度最小，平均直徑為0.055 mm，而花崗巖的粒度平均直徑為0.21 mm，是前者的3.8倍。在相同的荷載下，石灰?guī)r更易產(chǎn)生巖粉。

1.2 巖粉主要來源

1)爆破破碎。炸藥與巖體的相互作用是一個相當(dāng)復(fù)雜的力學(xué)過程。爆炸形成沖擊波，導(dǎo)致周圍巖體被極度壓縮形成粉碎區(qū)；隨后沖擊波轉(zhuǎn)化為應(yīng)力波繼續(xù)向外傳播，在徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力的共同作用下，形成剪切裂隙；當(dāng)切向應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時，巖石被拉斷，形成徑向裂紋。爆破分區(qū)如圖2所示。

圖2 爆破破碎巖體分區(qū)Fig.2 Damage zone of blasting

現(xiàn)有研究表明，1 mm以下細(xì)料主要產(chǎn)生于炮孔周邊粉碎區(qū)[15]。Iravani等[5]運(yùn)用DEM軟件，深入探討了巖粉的來源，雖然拉伸裂紋的合并分支同樣會導(dǎo)致細(xì)顆粒的產(chǎn)生，但其粒徑一般大于壓縮和剪切破壞產(chǎn)生的顆粒。控制粉碎區(qū)半徑，可以有效降低爆破巖粉含量。

2)機(jī)械破碎。原位巖體在炸藥作用下碎裂成小塊，經(jīng)過施工機(jī)械搬運(yùn)后進(jìn)入砂石骨料加工系統(tǒng)。以旱谷地灰?guī)r礦骨料生產(chǎn)為例，毛料被卡車運(yùn)至粗碎車間，經(jīng)旋回破碎機(jī)破碎后進(jìn)入半成品料料倉；隨后經(jīng)中細(xì)碎車間破碎，一篩、二篩、三篩和四篩車間逐步篩分，及棒磨機(jī)制砂，得到不同粒徑的成品料，廢料部分經(jīng)水處理車間處理后運(yùn)離料場。

Ruszala[6]運(yùn)用JKSimMet軟件，對花崗巖礦的生成過程進(jìn)行了詳細(xì)追蹤，發(fā)現(xiàn)爆破巖粉僅占總方量的5.9%左右，而產(chǎn)成品的巖粉含量卻達(dá)到了總方量的13.4%，其中粗碎是導(dǎo)致巖粉含量增加的重要原因。毛料在破碎機(jī)中的加工過程(見圖3)，大塊巖體在碰撞擠壓作用下碎裂成小塊，并經(jīng)過整形以逐漸消除棱角，導(dǎo)致大量巖粉的產(chǎn)生。

圖3 破碎機(jī)石料加工過程Fig.3 Machining of stone in gyratory crusher

3)鉆孔巖屑。露天礦通常采用風(fēng)動類鉆孔機(jī)械，鉆進(jìn)過程中，鉆頭高速旋轉(zhuǎn)將巖石破碎成巖屑，并由鉆桿注入孔內(nèi)的高壓風(fēng)將巖屑沿鉆桿與孔壁處的環(huán)狀縫隙處噴射而出。風(fēng)壓在孔口處快速降低，大顆粒巖屑就地沉降，細(xì)小的顆粒彌漫在空氣中，隨風(fēng)流擴(kuò)散。鉆孔旁堆積巖屑(見圖4)，成孔以后，類似巖屑往往不單獨(dú)清理，在爆破后一同進(jìn)入毛料中，導(dǎo)致巖粉含量增加。

圖4 炮孔旁鉆孔巖屑堆積Fig.4 Cuttings accumulation beside boreholes

4)裂隙充填物。石灰?guī)r在天然沉積過程中，往往伴隨著泥質(zhì)軟弱夾層的形成(見圖5)，這些夾層的存在會導(dǎo)致完整巖體的力學(xué)性質(zhì)劣化，影響爆破效果。炸藥破碎巖體后，軟弱夾層中的碎屑和泥質(zhì)顆粒也會隨之剝落進(jìn)入爆堆中，增加爆堆巖體的巖粉含量。

圖5 天然石灰?guī)r中的軟弱夾層Fig.5 Weak interlayer in natural limestone

2 爆破巖粉控制技術(shù)

爆破破碎是巖粉產(chǎn)生的主要原因，其主要來自粉碎區(qū)，而粉碎區(qū)的形成主要由炮孔壓力決定，施工過程中一般可以通過采用空氣間隔裝藥降低炮孔壓力，或者現(xiàn)場混裝裝藥技術(shù)，人為調(diào)整炸藥密度和爆速以提高炸藥能量的利用效率，控制粉碎區(qū)大小。同時，通過優(yōu)化孔網(wǎng)參數(shù)，調(diào)整爆破級配曲線，降低巖粉含量。

2.1 空氣間隔裝藥技術(shù)

爆破粉碎區(qū)大小主要與炮孔壓力和巖體力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。Esen等[8]通過92組混凝土塊模型爆破試驗(yàn)，總結(jié)出粉碎區(qū)半徑rc預(yù)測的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式：

rc=0.812(CZI)0.219

(1)

式中：CZI為粉碎區(qū)指數(shù)，用以描述爆炸荷載作用下巖體粉碎的可能性，可以表示為

(2)

式中：pb為炮孔壓力；K為巖體剛度系數(shù)；σc為巖體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。根據(jù)凝聚炸藥爆轟理論，作用在炮孔壁上的爆生氣體峰值壓力可以表示為

(3)

式中：ρe表示炸藥密度；VOD為炸藥爆速；γ為爆生氣體等熵絕熱膨脹系數(shù)，γ=3.0；κ1為徑向不耦合裝藥系數(shù)，κ1=rb/re，其中rb為炮孔半徑，re為裝藥半徑；κ2為軸向不耦合裝藥系數(shù)，κ2=(lb+le)/le，其中l(wèi)e為裝藥長度，lb為空氣間隔長度；α為常數(shù)，一般在2.0～2.6之間。

巖體剛度系數(shù)K主要由巖體力學(xué)性質(zhì)決定：

(4)

式中：Ed為巖體動彈性模量；νd為動泊松比，一般為靜泊松比ν的0.8倍。

以神山長久灰?guī)r礦為例，參考現(xiàn)場地質(zhì)勘探結(jié)果，結(jié)合石灰?guī)r主要物理力學(xué)參數(shù)(見表1)和幾種常見炸藥的主要參數(shù)(見表2)。得出了不同徑向和軸向不耦合裝藥系數(shù)下炮孔周圍的粉碎區(qū)大小(見圖6)，可以看出隨著裝藥不耦合系數(shù)的增大，粉碎區(qū)半徑迅速減小，以乳化炸藥為例，當(dāng)徑向裝藥不耦合系數(shù)κ1=1.74，或軸向裝藥不耦合系數(shù)κ2=3.14時，基本不產(chǎn)生粉碎區(qū)，爆破荷載主要用于驅(qū)動巖體開裂而不是壓碎巖體，有利于降低爆破過程巖粉含量。

表1 石灰?guī)r主要物理力學(xué)參數(shù)

表2 常見炸藥主要參數(shù)

圖6 粉碎區(qū)半徑隨不耦合系數(shù)變化關(guān)系Fig.6 Radius of the crushing zone varies with different uncoupling coefficient

2.2 現(xiàn)場混裝裝藥技術(shù)

炸藥與巖體相互作用時，由于波阻抗不同會在交界面發(fā)生透反射作用，根據(jù)巖石性質(zhì)選擇相匹配的炸藥類型，對粉碎區(qū)的有效控制及炸藥能量的充分利用具有重要影響[16]。現(xiàn)場混裝裝藥技術(shù)能夠根據(jù)巖石性質(zhì)適當(dāng)調(diào)整炸藥的爆速和密度，可以實(shí)現(xiàn)炸藥與巖石的互相匹配，在施工中可以針對巖石類型進(jìn)行調(diào)整，具有很大的靈活性[17]。

由于混裝炸藥在裝入過程中會逐漸變得松軟，實(shí)際裝填密度會有一定程度的降低，一般為原炸藥密度的80%～90%。若采用原設(shè)計(jì)規(guī)定的炸藥密度和爆速，顯然會高估混裝炸藥的威力。大量實(shí)驗(yàn)表明，在一定范圍內(nèi)，爆速與裝藥密度成線性關(guān)系，D表示現(xiàn)場炸藥實(shí)際裝填密度為ρ時的爆速，D0表示生產(chǎn)炸藥密度為ρ0時的設(shè)計(jì)爆速，兩者的關(guān)系可以表示為[18]

D=D0+M(ρ-ρ0)

(5)

式中：M為與炸藥性能有關(guān)的系數(shù)，一般在3 000～4 300 (m·s-1)/ (g·cm-3)之間，主要通過實(shí)驗(yàn)測定，取M=4 000 (m·s-1)/ (g·cm-3)。由式(3)可知，爆生氣體峰值壓力與炸藥密度和爆速密切相關(guān)，減小炸藥密度，可以有效降低炮孔壓力。

由炮孔周圍粉碎區(qū)隨炸藥密度的變化(見圖7)可以看出，粉碎區(qū)半徑隨炸藥密度的減小迅速減小，以乳化炸藥為例，當(dāng)炸藥密度為591 kg/m3時，爆破荷載不足以使炮孔周邊巖體粉碎，爆破作用主要導(dǎo)致徑向裂紋的產(chǎn)生。采用現(xiàn)場混裝裝藥技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件隨時調(diào)整炸藥密度，可以有效控制爆破巖粉含量。

圖7 粉碎區(qū)半徑隨炸藥密度變化關(guān)系Fig.7 Radius of crushing zone varies with different explosive density

2.3 爆破參數(shù)合理優(yōu)化

除了爆破破碎過程，機(jī)械破碎過程也會導(dǎo)致大量巖粉產(chǎn)生。Ruszala等[6]的研究表明，后續(xù)加工產(chǎn)生的巖粉主要來自礦石粗碎，通過加大粗碎用旋回破碎機(jī)篩分口大小，可以有效降低巖粉含量。生產(chǎn)過程應(yīng)通過調(diào)整爆破參數(shù)，得到塊度分布均勻，大塊和細(xì)料含量較低的爆堆。KUZ-RAM模型是常用的爆破塊度預(yù)測公式[19]，其綜合考慮了巖體巖性，爆破參數(shù)等因素對塊度分布的影響：

(6)

式中：x50為爆破塊度中值粒徑；A為巖石堅(jiān)固系數(shù)，中硬巖體，A=7；節(jié)理發(fā)育，A=10；節(jié)理不發(fā)育，A=12；q為炸藥單耗；Q為單孔藥量；θ為炸藥相對威力。

不同尺寸爆后巖塊質(zhì)量分?jǐn)?shù)P(x)可表示為

P(x)=1-exp[-ln2(x/x50)n]

(7)

式中：n為塊度分布不均勻系數(shù)，一般表示為

(8)

式中：W為抵抗線；d為炮孔直徑；e為鉆孔精度標(biāo)準(zhǔn)差，一般取為鉆孔深度的5%；m為炮孔密集系數(shù)(孔距/抵抗線)；L為不計(jì)入超鉆部分的裝藥長度。由式(7)和式(8)可知，適當(dāng)增大炸藥單耗，可以降低爆后巖塊平均尺寸；適當(dāng)加大炮孔密集系數(shù)，采用寬孔距小抵抗線的爆破方式，可以在一定范圍內(nèi)增大不均勻系數(shù)，有利于得到更合理的塊度分布，降低大塊和細(xì)料含量[20]。

3 爆破開采試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場篩分試驗(yàn)

為確定爆破后的礦料粒徑分布規(guī)律，優(yōu)選爆破參數(shù)，降低石粉含量，提升生產(chǎn)效益，在安徽神山長久灰?guī)r礦先后開展了3次6組爆破試驗(yàn)，對比了孔排距和裝藥結(jié)構(gòu)對爆破巖粉的影響。每次爆破試驗(yàn)由兩組不同的爆破參數(shù)合并進(jìn)行一次爆破，現(xiàn)場使用混裝銨油炸藥連續(xù)裝藥，炸藥密度800 kg/m3，爆速2 800 m/s。采用非電毫秒延時起爆網(wǎng)路，MS3段雷管孔間延時，MS5段雷管排間延時，MS11段雷管孔內(nèi)延時，主要爆破參數(shù)如表3所示。其中第3組試驗(yàn)采用空氣間隔裝藥爆破，空氣間隔層位于填塞段材料之下，長度1.0 m。

表3 爆破試驗(yàn)主要參數(shù)

爆破試驗(yàn)完成后，對現(xiàn)場爆后毛料進(jìn)行取樣，人工篩分后得到毛料塊度級配。每組爆破試驗(yàn)均使用挖掘機(jī)分別于炮孔處和炮孔之間部位從上至下依次選取6斗以上樣本，以確保取樣的代表性。取樣后毛料于平整場地利用移動篩分機(jī)進(jìn)行粗略篩分，得到大石(>120 mm)、中石(60～120 mm)和小石(<60 mm)3級石料，并選取部分中石和小石樣本于實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)一步篩分細(xì)化，從而得到毛料整體塊度級配和巖粉含量，毛料篩分試驗(yàn)如圖8所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)條件，選取顆粒粒徑4.75 mm以下碎石顆粒作為巖粉。由于每次爆破試驗(yàn)地質(zhì)條件和取樣條件不盡相同，選取單次爆破同組試驗(yàn)進(jìn)行對比，各次爆破試驗(yàn)巖粉如圖9所示。對比第2次試驗(yàn)的兩組爆破，在炮孔密集系數(shù)保持不變的情況下，試驗(yàn)4的巖粉含量略微高于試驗(yàn)3，約增大10%，這說明炸藥單耗越大，巖粉含量越高。對比第1、3次試驗(yàn)的兩組爆破，雖然試驗(yàn)2和試驗(yàn)6炸藥單耗相較于試驗(yàn)1和試驗(yàn)5均有所增大，但隨著炮孔密集系數(shù)的增大，前者的爆后毛料級配更加均勻，大塊和細(xì)顆粒更少，因此巖粉含量明顯降低。對比試驗(yàn)3和試驗(yàn)5，在相同的孔排距下，空氣間隔裝藥爆破的巖粉含量明顯小于耦合裝藥，降低約40%。從現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果可以看出，工程中通過適當(dāng)降低炸藥單耗，采用寬孔距小排距的爆破方式，同時選擇空氣間隔裝藥等裝藥結(jié)構(gòu)，可以有效控制爆破巖粉含量。

圖9 各次爆破試驗(yàn)巖粉含量Fig.9 Rock powder in each blasting experiment

4 結(jié)論

1)相較于其他巖石，石灰?guī)r更易在外力作用下產(chǎn)生巖粉。礦石開采加工過程中，巖粉主要來自炮孔周邊壓縮和剪切破壞區(qū)、機(jī)械破碎過程中的礦石整形、鉆孔巖屑及原生巖體中的軟弱夾層。

2)可通過優(yōu)化爆破破碎過程，降低巖粉含量。采用空氣間隔不耦合裝藥及現(xiàn)場混裝裝藥技術(shù)，可以降低炮孔內(nèi)峰值壓力，減小粉碎區(qū)半徑；選用合理爆破參數(shù)，可以使爆后塊度分布均勻，降低大塊及細(xì)顆粒巖體比例。

3)神山長久灰?guī)r礦開采爆破試驗(yàn)表明，降低炸藥單耗可以有效減少爆破巖粉，同時寬孔距小排距的爆破方式使爆破塊度級配更均勻，也對控制爆破巖粉有明顯作用。另外，空氣間隔裝藥爆破也是降低爆破巖粉的有效方式。