露天礦深孔孔底水介質(zhì)爆破的理論與實(shí)踐

摘 要:介紹露天礦深孔孔底水介質(zhì)控制爆破的概念、原理、設(shè)計(jì)原則及其近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外部分露天礦山的推廣使用，獲得了良好的爆破效果。

關(guān)鍵詞:露天礦;水介質(zhì);控制爆破

隨著露天礦山進(jìn)入深部開(kāi)采，地下水會(huì)逐漸增大，露天礦臺(tái)階中深孔孔底普遍存在積水，有的礦山水孔比例在90%以上，大量使用乳化炸藥價(jià)格較高，致使爆破費(fèi)用上漲。此外，由于乳化炸藥密度較大，藥柱在孔內(nèi)的重心偏低，臺(tái)階上部得不到充分破碎，大塊率較高。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多露天礦山利用孔底水介質(zhì)作為傳遞爆炸能量的工作介質(zhì)，采用孔底水介質(zhì)控制爆破，它與常用的爆破方法相比，主要優(yōu)點(diǎn)是獲得良好爆破效果的同時(shí)，還可以減少炸藥用量，降低爆破震動(dòng)和噪音。實(shí)踐表明，采用孔底水介質(zhì)爆破后爆破效果明顯改善，大塊率降低20%，炸藥耗量下降15%左右。

一、孔底水介質(zhì)爆破的作用機(jī)理

孔底水介質(zhì)爆破是指在深孔孔底與藥柱下端之間保留一定高度水柱作為介質(zhì)的深孔爆破。藥柱起爆后，爆轟波沿藥柱傳播。根據(jù)沖擊波理論，當(dāng)爆轟波波陣面到達(dá)藥柱下端與水墊層交界面時(shí)，水墊層首先受到強(qiáng)烈沖擊壓縮，由此在水柱中激起的沖擊波可自界面向孔底傳播，沖擊波波陣面到達(dá)孔底巖石表面時(shí)，由于巖石堅(jiān)硬且認(rèn)為被壓縮不變形，沖擊波即反射成反射沖擊波。設(shè)入射沖擊波波陣面壓力為P1，反射沖擊波波陣面壓力P2，對(duì)于強(qiáng)沖擊波，P2與P1之間的關(guān)系可表示為:

P2=P=2P1P1

式中:P1——入射沖擊波波陣面壓力;

P2——反射沖擊波波陣面壓力;

n——常數(shù)，n=3~8。

因此，P2=(5~8)P1。可見(jiàn)，炸藥爆炸在水墊層中激起的沖擊波，在從孔底巖石反射瞬間，可達(dá)更高壓力，相當(dāng)于入射沖擊波壓力的5~8倍。

在水中傳播的沖擊波波陣面壓力P1的大小與爆轟波壓力和爆速有關(guān)。P1值可表示為:

P1=A()-1

式中:ρ0——水的初始密度;

ρ1——沖擊波波陣面水的密度;

A——常數(shù)，A=3940P2;

a——常數(shù)，a=8。

因此，P1=3940P2()-1

由于水被沖擊壓縮，密度增大，ρ1>ρ0。根據(jù)計(jì)算，太安炸藥在水中爆炸時(shí)，ρ1/ρ0值為1.64;梯恩梯在水中爆炸時(shí)，ρ1/ρ0值為1.56。因此，爆炸在水墊層中激起的沖擊波壓力P1相當(dāng)高，而且，當(dāng)其從孔底巖石反射時(shí)，又將大幅提高。這一強(qiáng)大壓力對(duì)孔底周圍巖石產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊壓縮作用，使巖石充分破碎。

此外，爆炸氣體進(jìn)一步膨脹，對(duì)水柱產(chǎn)生壓縮作用，一直達(dá)到平衡狀態(tài)為止。平衡狀態(tài)條件下水所受到的平均壓力 與爆炸氣體初始?jí)毫Φ纫蛩赜嘘P(guān)，其關(guān)系式為: =()

式中:——達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的平均壓力;

n——爆炸氣體初始?jí)毫?

L——藥柱長(zhǎng)度;

X——水柱高度壓縮量;

k——絕熱指數(shù)。

可以認(rèn)為，達(dá)到平衡狀態(tài)瞬間，水柱受到準(zhǔn)靜壓力，并傳遞作用于炮孔周圍巖石，使巖石壓縮和破壞。

二、露天礦深孔孔底水介質(zhì)爆破設(shè)計(jì)原則

(一)裝藥結(jié)構(gòu)

炮孔底部留一定水柱高，水柱與藥柱之間用間隔器分開(kāi)，詳見(jiàn)裝藥結(jié)構(gòu)圖一。

(二)降藥幅度的控制

根據(jù)沖擊波傳播規(guī)律可以算出炸藥傳入巖體中的總能量Ee，充水部分水介質(zhì)獲得爆炸能量后又傳給巖體的總能量Ew。

Ew=f(t)dt

Ee=f(t)dt

以上兩式相比，得

=

式中:L——炮孔斷面周長(zhǎng);

hw——水柱高度;

Pw——水介質(zhì)平均初始?jí)毫?

Po——巖石的初始?jí)毫?

he——炸藥柱高度;

f(t)——應(yīng)力波衰減系數(shù)。

炸藥在巖體中爆炸時(shí)，在藥包周圍產(chǎn)生粉碎區(qū)，沖擊波經(jīng)過(guò)該區(qū)，變形能損失較大，約為0.65E，則水介質(zhì)爆破能量增長(zhǎng)率可由此式大致估算出水介質(zhì)爆破時(shí)，炸藥降低幅度為;

η=

采用乳化炸藥，在中硬巖石中應(yīng)用底部水間隔爆破時(shí)，Po約為2.5×105Pa，Pw約為1.33×105Pa，可將上式簡(jiǎn)化為:

η=

因此，在孔底水介質(zhì)爆破設(shè)計(jì)中，單孔裝藥量可按公式:

Q=Qo(1-η)=Qo(1-)

式中:Q——孔底水介質(zhì)爆破單孔裝量;

Qo——常規(guī)爆破單孔裝量;

η——炸藥降低幅度;

hw——水柱高度;

he——炸藥柱高度。

(三)確定合理的水柱高度

水介質(zhì)中爆破是合理的水柱高度應(yīng)是保證被爆巖體沿最小抵抗線隆起和推移所需的最低能量，同時(shí)還要保證臺(tái)階礦巖破碎質(zhì)量的提高。在底部水介質(zhì)爆破作業(yè)中，水柱高度一般可采用經(jīng)驗(yàn)公式:hw=khe

式中:hw——水柱高度;

he——藥柱高度;

k——比例系數(shù)，一般取0.15~0.25，巖石難爆時(shí)取較小值，巖石易爆時(shí)取較大值。

(四)保證可靠的填塞長(zhǎng)度

一般情況下，底部水柱高度不大，填塞長(zhǎng)度易于保證，但由于底部存在一定高度的水柱，藥柱相對(duì)抬高，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須是在保證足夠的填塞長(zhǎng)度情況下，確定合理的降藥幅度和水柱高度。填塞長(zhǎng)度可按公式:L=(25~35)D

式中:L——填塞長(zhǎng)度;

D——炮孔直徑。

(五)間隔器的選用

間隔器是指放在水柱和藥柱之間的隔離層，間隔器的選用是直接影響深孔水介質(zhì)控制爆破應(yīng)用和推廣成敗的關(guān)鍵，過(guò)去有的礦山曾經(jīng)常采用木頭或塑料制成間隔器，但在爆破施工中，由于孔壁粗糙，間隔器很難放到設(shè)計(jì)要求的位置而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)成都洪森實(shí)業(yè)公司和青島澳瑞凱公司生產(chǎn)的BJQ型系列充氣式間隔器克服了這一缺陷，該公司生產(chǎn)的BJQ-SA250和BJQ-SA200規(guī)格型號(hào)的充氣式間隔器，分別適用于孔徑為250mm和200mm的炮孔。

三、在國(guó)內(nèi)外礦山孔底水介質(zhì)控制爆破試驗(yàn)及推廣實(shí)例

(一)朱家包包鐵礦于2004年12月2日、8日、21日在南山頭，東山頭、獅子山不同巖性的地方選擇爆區(qū)進(jìn)行在孔底水介質(zhì)控制爆破試驗(yàn)，并且在同一爆區(qū)一部分采用孔底水介質(zhì)控制爆破，一部分采用常規(guī)的爆破進(jìn)行試驗(yàn)。其試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)下表:

試驗(yàn)中，根據(jù)不同的巖性和孔深，每孔減少炸藥20~40kg，試驗(yàn)共爆巖量13.8409萬(wàn)噸，節(jié)約炸藥2860kg，炸藥單耗降低12.4%，雖然孔底留有1米高的水柱，但正如理論分析一樣，孔底巖石仍受到了充分破碎，未出現(xiàn)擋墻、根底，大塊率明顯下降。從2005年起，該礦全面推廣孔底水介質(zhì)控制爆破，通過(guò)幾年的實(shí)踐，現(xiàn)已將水柱高度調(diào)整到1~1.5m，炸藥單耗降低15.5%，每年節(jié)省爆破費(fèi)用300多萬(wàn)元。

(二)近年來(lái)，首鋼礦業(yè)公司所屬的各采區(qū)均已進(jìn)人深部露天開(kāi)采，有水炮孔越來(lái)越多，圍繞水孔爆破問(wèn)題，開(kāi)發(fā)應(yīng)用各種抗水炸藥，對(duì)于改善爆破效果起了重要作用。但是，常規(guī)的連續(xù)柱裝藥由于炸藥分配不均，使密度較大的抗水炸藥集中在炮孔下部，既浪費(fèi)了大量的炸藥能量，又造成爆破后的礦石粒度不均，大塊很多，而且容易破壞下水平的平臺(tái)，給第二次鉆孔帶來(lái)困難。

首鋼礦業(yè)公司從本礦的實(shí)際情況出發(fā)，先后在大石河鐵礦的5個(gè)采區(qū)進(jìn)行了12次284個(gè)炮孔的水孔間隔裝藥爆破試驗(yàn)，取得了良好效果。2009年10月以來(lái)，在總結(jié)初試經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)爆破參數(shù)的基礎(chǔ)上，又分別在大石河鐵礦和水廠鐵礦進(jìn)行了300多個(gè)孔位的擴(kuò)大應(yīng)用性試驗(yàn)，同樣收到了理想的結(jié)果。炮孔底部雖未裝炸藥，但未影響炮孔底部的破碎狀況，通過(guò)水介質(zhì)傳播炸藥能量，起到了與藥柱等效的爆破作用。

水介質(zhì)間隔裝藥爆破試驗(yàn)成功，單孔裝藥量可減少15%左右，單孔炸藥費(fèi)節(jié)省近百元。首鋼礦業(yè)公司每年要穿爆3~3.5萬(wàn)個(gè)炮孔，全部采用水介質(zhì)間隔爆破，年效益在300萬(wàn)元以上。

(三)巴基斯坦山達(dá)克銅金礦2009年6月引進(jìn)成都洪森實(shí)業(yè)公司BJQ-SA250間隔器進(jìn)行1000多個(gè)孔底水介質(zhì)爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)孔底水柱高1m，每孔少裝炸藥30kg，爆破未出現(xiàn)擋墻、根底，大塊率明顯改善，獲得了理想的爆破效果。并對(duì)相臨爆區(qū)等距離進(jìn)行爆破震動(dòng)測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果(詳見(jiàn)圖二)表明，采用孔底水間隔爆破震動(dòng)降低1/3。

孔底水介質(zhì)單段4孔爆破振速

圖二 爆破震動(dòng)測(cè)試圖

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論和實(shí)踐結(jié)果表明，孔底水介質(zhì)控制爆破是提高爆破質(zhì)量，降低爆破成本的有效方法。特別是對(duì)地下水豐富，孔底積水普遍的露天礦山采用孔底水介質(zhì)控制爆破有著重要的實(shí)踐意義。

參考文獻(xiàn):

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