大孔徑粗藥卷毫秒微差爆破技術在盤區回采中的應用

馬明輝，修國林，2，孫祥鑫，2

（1.山東黃金礦業 （萊州）有限公司三山島金礦，山東 萊州261442；2.北京科技大學土木與環境工程學院北京100081）

三山島金礦作為國內大型黃金礦山之一，在國內外黃金行業迅速發展、國際黃金價格保持高位的形勢下，面對日益激烈的行業競爭，正在全面實施做大做強的發展戰略，實現技術、規模、效益的跨躍式發展，以期在 “十二五”期間實現礦山的遠景發展規劃。

為突破發展瓶頸，我礦專門成立大學生精英采礦班，使用最先進的礦山機械設備，運用專業理論知識，在實踐中不斷進行管理創新和技術創新，尤其是對現場生產技術進行研究與改進，為提高井下采場的安全性，提高井下采出礦效率，實現礦山跨越式發展，提供強有力的技術支持。

1 生產現狀

在多年的礦山生產中，井下爆破一直采用Φ45 mm炮孔、Φ32 mm藥卷、半秒導爆管進行落礦，采用這種爆破方式產生的大塊率一般在20%以上，爆破效果較差，大塊率高；在鏟運機出礦過程中，諸多大塊的存在嚴重影響了出礦作業效率，以及整個回采作業循環速度，大塊在采場中需要進行二次破碎，容易造成飛石或爆堆分散，對回采安全造成了一定影響，也嚴重影響回采效率；為解決大塊問題，礦山投入巨資引進了移動式液壓破碎機和固定式破碎機，設備的維護保養費用極其昂貴，而且占用了較多的人力和物力；因此，低效率的爆破方式嚴重制約了礦山的發展，改進爆破方式成為亟待解決的難題。

我礦一直采用半秒導爆管進行起爆，由于半秒導爆管雷管起爆間隔較長，導爆管雷管的起爆沖能、發火電流和發火時間的不同，起爆時，在同一爆破網絡中敏感度高的雷管會先起爆，有可能將爆破網路炸斷，這樣會使還未發火的雷管產生拒爆、殘爆等情況，這樣既會對現場作業人員的人身安全產生一定的影響，同時也制約著井下生產的有序進行。

2 爆破改進方案研究

2.1 炮孔直徑與藥卷直徑選擇

目前三山島金礦回采工作主要由鑿巖臺車Boomer281進行，鑿巖臺車配套的鉆頭和釬桿有Φ45mm和Φ40mm兩種，引進的炸藥有Φ40mm和Φ32mm兩種，因此相對應的爆破配合方式有Φ45mm炮孔裝Φ40mm藥卷，Φ45mm炮孔裝Φ32藥卷mm和Φ40mm炮孔裝Φ32mm藥卷三種（為施工方便光爆孔與落礦孔采用同一孔徑，Φ40mm與Φ40mm不方便裝藥因此不作為試驗方案）。

根據爆破相關理論和近些時間的研究試驗得知，裝藥直徑小于極限直徑時，爆速隨裝藥直徑的增大而增加，一般工業炸藥的極限直徑大于常用藥卷直徑，因此，增大裝藥直徑可使炸藥的猛度和爆速增加。如2號巖石硝銨炸藥的直徑由32mm增加至40mm時，爆速由3000m／s增加至3500m／s，猛度由4.0mm增加至9.1mm，殉爆距離由70mm增加至130mm[1]。

而且藥卷直徑的增加有以下優點：大大地減少工作面上單位面積所需爆破的眼數，提高鑿巖效率；減少鉆眼、清除炮眼巖粉和裝藥的時間；提高炸藥的爆炸速度；縮短藥卷的發爆時間；提高炸藥的破碎效力；采用重量大的藥卷；增加爆破威力的半徑，使巖石在工作面上破碎成所要求的塊度。

由此可見，解決爆破積壓的問題需要增加落礦孔的直徑和相應的藥卷直徑，在實際生產中進行了配合實驗，結合現場試驗數據發現，落礦孔采用Φ45mm炮孔裝Φ40mm藥卷時，爆破效果最好，積壓問題得到了一定的解決[2]。

2.2 裝藥結構與裝藥密度選擇

裝藥結構與裝藥密度是控制每個炮孔和炮孔每段爆炸作用力大小、時間和方向的組合因素和初級參數，是決定爆破效果的主要因素，此次試驗主要確定光爆孔與落礦孔的裝藥結構，裝藥密度和起爆方向。

近年來由于各種控制爆破技術的發展，接連創造了很多裝藥結構和不相同的裝藥密度，按裝藥爆破方式來分有反向裝藥法和正向裝藥法；按藥卷間連續性來分有連續裝藥法和間隔裝藥法；按炸藥與孔壁間的環隙狀況來分有：耦合裝藥和不耦合裝藥。

根據研究表明，炮眼直徑應和藥卷直徑相符合，炮眼壁和藥卷間正常的容許空隙為2～3mm。這個空隙能保證藥卷在整個炮眼內自由轉動，不使藥卷受到損壞，而藥卷的爆破是在其接近本身容積的范圍內才發生（即爆破在很高的裝藥系數的情況下發生），這能保證爆破發生最大可能的壓力。而炮眼壁和藥卷間存在有很大的空隙時，爆破時會降低氣體的最初壓力，從而降低爆破工作的效果。爆破氣體的最初壓力與裝藥系數的關系如圖1所示。

圖1 爆破氣體的最初壓力與裝藥系數關系圖

由圖1可以發現，裝藥系數越大爆破氣體的最初壓力也越大，那么產生的爆破效果也越好，因此在可能的情況下應該盡量提高裝藥系數，即在炮孔直徑一定的情況下增加藥卷直徑[2]。

在深孔爆破中，掏槽孔和輔助孔主要起深爆作用，由于孔深大，巖石抗爆強度和夾制力高，除應采取高威力的炸藥外，還必須同時采用平均密度較高的裝藥結構，使裝藥段內單位炮孔容積的平均裝藥量達到或接近于炸藥的最佳密度（或藥卷包裝密度），并且提高裝藥系數才能起到良好的爆破效果。

在回采過程中，為了保持斷面外巖體的整體穩定性，保證回采的安全和支護方便，必須對頂板和兩幫進行光面爆破，而在光面爆破中，常用的裝藥結構有徑向不耦合連續裝藥結構和徑向不耦合、軸向空氣柱間隔裝藥結構兩種。由于第一種裝藥結構通常需用臨界直徑小、爆速低、猛度低而感度高、穩定性好的小直徑光爆藥卷，而且多應用于小孔徑光爆，因此此次主要研究采用第二種光爆裝藥結構，并確定徑向不耦合系數、軸向不耦合系數和炮孔間距。

2.2.1 徑向不耦合系數

即炮眼直徑與藥卷直徑的比值，可根據文獻[3]求得

式中：la為空氣柱長度；lc為裝藥長度；ρ0為炸藥密度；Dl為爆速；dc為裝藥直徑；db為炮眼直徑；n為氣體與炮眼碰撞時壓力增大系數。

根據經驗：徑向不耦合系數kc一般為2～4。

可見在炮孔直徑確定的情況下應該選擇較小的藥卷直徑，因此確定藥卷直徑為Φ32mm。

2.2.2 軸向不耦合系數

式中：l1為裝藥高度；l2為空氣柱長度。

由文獻[4]知，為保證孔壁不產生壓縮性破壞

式中：Pk為臨界壓力，通常取2×108Pa；γ＝1.3，k＝3，Rc為巖石單軸抗壓強度；kD為體積應力狀態下巖石抗壓強度增大系數；P0為爆生氣體初始平均壓力

分析發現，式（1）～（4）有一定的局限性，它僅適用于小孔徑光面爆破；若炮孔直徑大于一定值時，kd＜l，這顯然是不可能的。令kd＞l，可推得炮孔直徑db＜65時此公式才有意義。

為保證炮孔連心線孔壁上得以起裂

式中：Rt為巖石抗拉強度；λ為側壓力系數。

式中：ν為巖石泊松比。

根據經驗，一般2＜kd＜9。

由此可知，光爆孔的空氣間隔柱長度應大于炸藥的裝藥長度，在實際中孔深3m，裝藥長度在1m左右。

2.2.3 炮孔間距

由文獻[3]可知，使兩炮孔之間的裂紋貫通的條件是兩炮孔間距為

式中：a為應力波衰減指數

b為切向應力與徑向應力的比值

經計算的光爆孔間距應小于600mm[3-4]。

2.3 起爆方向選擇

根據理論分析，反向裝藥爆破有以下幾個好處：

1）增強爆炸應力場，炸藥從孔底開始向外起爆，在爆炸瞬間就迅速在圍巖中產生了沖擊波的動應力場和膨脹波的靜應力場，未爆的炸藥將起到類似炮泥的堵塞作用，這樣不僅使孔底先爆區已形成的應力場不至迅速卸載，而且接近孔口的后爆炸藥產生的沖擊波和膨脹波又連續加強了已經形成的應力場，同時已形成的應力場擴展又反過來加強了新應力場，這樣，從孔底到孔口在整個炮孔全長的周圍巖石中都形成了強大的動應力場和靜應力場，其結果必然提高了爆破作用。

2）提高爆炸沖擊波的有效作用，當炸藥由孔底向孔口以一定的速度Vb傳爆的同時，在圍巖中由爆炸沖擊作用產生的壓縮應力波（縱波與橫波）也以一定速度（Vp為縱波波速，Vs為橫波波速）向外擴展，當這種壓縮應力波傳播到自由面時即受到反射而變成拉伸應力波，只有在這種拉伸應力波烈度超過巖石的抗拉強度時，巖石才被破壞從而形成漏斗式的破碎區，也只有當壓縮應力波較強時，也才能形成較強烈的拉伸應力波，反向爆破不論在什么情況下都有利于形成直接指向自由面的高壓應力波。但是，用正向爆破時，得到加強的高壓應力波峰的指向卻與反向爆破時相反，不是指向自由面而是指向了無限巖體的內部，必然為無限巖體所吸收而形成較強烈的地震波傳向四方。

3）增長爆生氣體膨脹對圍巖的靜力作用時間，爆生氣體膨脹能對圍巖產生楔劈漲裂作用和剪切拋射作用，反向裝藥爆破不僅增大了爆生氣體的膨脹壓力，而且增長了其作用時間，至少等于全部裝藥的爆炸時間，從而增大了爆炸范圍和拋渣距離。

在實際中分別選用正向和反向裝藥爆破兩種方式，發現正向起爆不僅不能提高炮孔利用率，反而降低了爆破效率，因此在實際生產過程中，對落礦孔采用反向裝藥的起爆方式，對于光爆孔采用正向起爆與反向起爆相結合的方式，兩相作用抵消一部分爆轟作用，從而減弱對深部圍巖的破壞作用，起到了良好的光爆效果[5]。

3 爆破技術優化結論

1）起爆器材選擇：由秒差導爆管改為毫秒導爆管；即間隔由半秒改為25～50ms。

2）孔徑選擇：光爆孔使用直徑Φ45mm的鉆頭和配套釬桿，落礦孔使用Φ45mm釬頭和配套釬桿。

3）孔網參數：①回采布孔參數：光爆孔間距≤600mm，非光爆孔孔距1.0～1.2m，排距400～500mm；②切采布孔參數：光爆孔間距≤600mm，非光爆孔孔距1.0～1.2m，排距400～500mm。

4）裝藥方式：①光爆孔使用Φ32mm的藥卷，不耦合裝藥，不耦合系數45／32≥1.4，孔內敷設兩個導爆管，采用間隔裝藥形式，其中孔底布置三卷藥，導爆管敷設于中間藥卷上，反向起爆；孔口布置三卷藥，導爆管敷設于中間藥卷上，正向起爆，孔口用藥卷封死。②落礦孔使用Φ40mm的藥卷，并加大藥量，耦合裝藥，孔內敷設一個導爆管，采用連續裝藥形式。導爆管敷設于孔底第三或四個藥卷上，統一采用反向起爆，同行相鄰孔可以嘗試采用正向、反向交替起爆方式。

5）起爆順序：①回采起爆順序：橫向由回采面中間一排孔同時向兩側進行起爆，縱向由離爆破空間最近一行孔向頂板方向起爆，光爆孔最后起爆，可以采用平行布孔后三角布孔。②切采起爆順序：由離爆破空間最近一行排孔先起爆，即所謂的“后退式”起爆，采用平行布孔。

4 試驗成果及其意義

1）從根源上解決三山島金礦井下采礦‘瓶頸’問題，極大地降低了大塊率，提高了爆破效果，節省了爆破成本，提高了出礦效率，使整個回采循環速度加快，減少了固定和移動式破碎機的使用次數，降低了設備的引進和維護保養費用。

2）通過將爆破方式將半秒導爆管雷管起爆改為毫秒導爆管雷管起爆，減少了爆破過程中出現的拒爆、殘爆等情況，爆破后產生的大塊少，采場頂板光爆效果明顯，孔痕率和半孔率明顯增加，從而大大提高井下生產速度，改善勞動條件。

3）使用新的爆破參數和裝藥方式后，頂板成型好，半孔率明顯增加，爆破震動對頂板的破壞明顯減小，保持巖體穩定性，減少了錨桿支護量，提高作業循環速度，加快了采場的回采速度，既保證了安全，又降低了采場不必要的支護，提高了采場的生產能力。

4）大學生采礦精英班爆破試驗的成功，標志著三山島井下爆破技術取得了階段性進展，爆破效果得到極大改善，為未來全礦爆破技術改進提供一個明確的方案。隨著采礦班在深入一線，在生產中不斷改進現有的管理和技術弊端，必將會對三山島金礦的發展產生巨大的推動作用。

[1]胡峰.立井深孔光爆若干基本問題的初步研究[D].泰安：山東礦業學院，1978.

[2]М.А.МАГОЙЧЕНКОВ，等.李迪勛，劉清榮，等.譯.等大直徑藥卷的爆破[M].北京：煤炭工業出版社，1956.

[3]李庚秋.標準藥卷光面爆破在隧洞掘進中的應用[J].爆破，1999（1）：20-22.

[4]林從謀，趙錦橋.工程爆破實用技術[M].北京：煤炭工業出版社，1998.

[5]紐強.巖石爆破機理[M].沈陽：東北工學院出版社，1990.