含水露天礦加強水封塞爆破技術研究

謝亮波 黃凱和 楊海濤

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山243000;3.金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心，安徽馬鞍山243000

馬鋼(集團)控股有限公司南山礦業公司和尚橋鐵礦處于長江支流采石支河匯水范圍內，礦床賦存于當地侵蝕基準面之下，礦體及圍巖均含水，其富水性弱至中等，局部地段富水性較強，且礦區地形不利于自然排水，所以爆破時炮孔基本充滿水。由于水的存在，弱化了填塞作用，如果填塞過長，上部大塊就會增多，爆破質量差;而填塞過小，會造成沖孔，既不安全，且炸藥爆炸產生的能量也未得到充分利用，增加爆破成本同時爆破質量會更差。如何因地制宜，利用水介質獨有的特性，在含水炮孔采用有效的技術手段，改善爆破質量，對此進行了加強水封塞爆破的研究及現場試驗，取得了良好的效果。

1 加強水封塞爆破技術

在水系發達區域，尤其是巖石節理裂隙發育地帶，炮孔內的水是很難被排出的，由于水的存在，弱化了填塞物的封塞作用，容易產生沖孔從而影響爆破質量。加強水封塞爆破技術是采用特殊的裝藥結構，在炸藥與填塞物之間留取一定長度的水柱，利用水作為傳遞能量的工作介質，以達到對臺階上部充分破碎的一種爆破方法。加強水封塞爆破裝藥結構見圖1。

圖1 加強水封塞爆破裝藥結構示意Fig.1 Charge structure schematic diagram of stiffened water sealing blasting

與傳統的水封爆破或水間隔裝藥爆破放置間隔物不同，加強水封塞爆破在上部填塞物與水的接觸面之間，放置一個加強封塞藥包，加強封塞藥包超前主藥包一定時間起爆，起到對填塞物的超前壓縮密實作用，增加填塞物與孔壁的摩擦力，防止能量過早外泄，使能量充分作用到周圍巖石上，從而改善爆破質量。

為了證實藥包上部水間隔裝藥結構在爆破中的能量分布，根據炸藥爆轟波參數與巖石及水中沖擊波參數的關系、沖擊波在巖石及水中的傳播規律［1］，應用計算機數值模擬出能量分布如圖2和圖3所示。從圖中可以明顯地看出水力對能量分布的影響，很顯然，在與水接觸的巖體中，其能量分布的數值是較大的，分布的范圍也更廣泛，這就足以證明加強水封塞爆破能更充分地利用炸藥爆炸能量，并較合理地分布于被爆的巖體之中。

圖2 起爆后1 ms炸藥爆炸在巖體的能量分布(單位:×105J/m3)Fig.2 Rock energy distribution of 1 ms after detonating explosive

根據模擬及分析，可以得出加強水封塞爆破的技術特點:

圖3 起爆后3 ms炸藥爆炸在巖體的能量分布(單位:×105J/m3)Fig.3 Rock energy distribution of 3 ms after detonating explosive

(1)由于在加強水封塞爆破中能更充分地利用炸藥在水中爆炸的能量，從而使與水接觸的巖體能夠在較長的時間內獲得較大的壓力，使被爆巖體受到較均勻地破壞。因此能夠顯著改善礦巖的破碎質量。在露天臺階爆破中，臺階上部礦巖破碎質量改善更為明顯。

(2)加強水封塞爆破可使臺階上部巖石得到充分的破壞，不但大塊率明顯地降低了，同時由于減少了過粉碎帶的范圍，粉礦率也有所減少。

(3)由于爆破中上部形成水幕，可大大降低粉塵，而且減少了裝藥量，可降低爆破振動。

2 加強水封塞爆破機理

2.1 高沖擊作用下水的特性

水是由分子組成的，水的運動特性與分子的狀態密切相關，然而工程上常不考慮個別分子的微觀狀態，而是把水看作由無數質點組成的連續介質。

在小沖擊力作用下，通常認為這些質點間不存在間隙。然而水質點間畢竟存在著空隙，受壓縮作用下的水所表現出來的可壓縮性是對這一論點的最好證實，當水受到象爆炸這樣的高沖擊載荷的作用時，其所表現出來的可壓縮性是不客忽視的［2］。

由于水的可壓縮性，水中沖擊波陣面上壓力的變化將引起波陣面上其他各水動力學量的變化，當炸藥在不同的介質中進行爆炸時，據前蘇聯有關實測資料表明:花崗巖沖擊波陣面上的初始壓力為25 GPa;水介質中為13.3 GPa;說明水中沖擊波陣面上的初始壓力低于巖石，但其大小同屬于一個數量級，而與空氣相比則高出3個數量級［3］。因此，炸藥在水中爆炸時，水中的初始壓力是較高的。我們知道，水是難以壓縮的介質，變形能損失較小，傳遞效率高。蘇聯查依認為:“常壓下水中爆炸時，約97%爆炸能轉為水擊波能，故其作用強于巖石中的壓力波”。巴拉諾夫也認為:“應力波作用在巖體上的時間延長，并且強度增大”。這些都說明水做為媒介能更有效地傳遞炸藥爆炸的能量［4］。

在高壓下，水的壓縮性比巖石大，因此水又可作為炸藥爆炸產物與巖體之間的緩沖層，緩沖層的存在不但可以延長爆炸沖擊波對巖體的作用時間，而且可以減少或消除在礦巖中產生的塑性變形帶中的能量損失。炸藥爆炸后產生沖擊波，并將大量的水汽化并膨脹、壓縮，形成多次脈動。第一次脈動所形成的壓力波(二次壓力波)作用時間長，沖量大，它可以和沖擊波的能量相比擬。在爆炸氣體做功的同時，高壓的水擠入巖體裂隙之中，“水楔”更有利于巖體中裂隙的延伸和擴展，在進行的砂漿模型試驗中也證實了“水楔”作用的存在［5］。

2.2 加強水封塞爆破水柱作用原理

炸藥被引爆后，猛烈地沖擊上部水柱，由于水在高沖擊載荷下的非彈性行為及水質點間的能量損耗。該水柱中將出現一個衰減的波陣面，根據哈努卡耶夫進行的波陣面衰減大量試驗，得出各種波在水中的壓力峰值隨距離的衰減規律，詳見圖4。

圖4 波陣面壓力P隨距離衰減圖Fig.4 Figure of wavefront pressure P decay with distance

圖4中各種波陣面壓力隨距離的增加逐漸衰減，尤其在剛開始時，波陣面壓力很大，為峰值壓力，衰減的速率也相對較快。普通爆破時，這些壓力在炸藥周圍形成粉碎區，而在采用加強水封塞爆破裝藥結構的炮孔中，主藥包起爆后，沖擊波波陣面沿炮孔軸向傳播的壓力傳到水柱中，水柱受到沖擊波波陣面壓縮后，吸收了波陣面的峰值壓力，當波陣面壓力逐漸衰減后，水柱不再吸收壓力而轉為逐漸釋放吸收能量，從而延長了對巖體的作用時間。同時水柱吸收了壓縮區波陣面峰值壓力，減小損失在壓縮區的能量。而由于上部加強封塞藥包的作用，一方面使上部填塞更密實，同時產生一個向下的作用力，使這段水柱更好的壓封在炮孔內，由于水柱起到對能量的傳導作用，使得臺階更上部巖體受到更大的作用力，從而改善臺階上部巖石的破碎質量［1］。

2.3 加強水封塞爆破能量增加率

設孔壁上壓力衰減無論對于爆炸波還是對水中沖擊波作用都具有相同的形式，這樣就可以近似計算高度為hw的水體傳入巖體能量與炸藥爆轟波傳入巖體能量的比。

設L為炮孔斷面周長，f(t)為應力波在孔壁處的衰減函數，p0為炸藥對巖體初壓，hw為水柱高度，pw為水對巖體平均初壓，he為藥柱高度。則炸藥傳入巖體中應力波總能量為

0.65為由于炸藥在孔壁處超粉碎區損失能量約35%能量后透射過去的應力波能量比率［4］，由于水體壓力較低，不考慮產生粉碎區，則水體傳入巖體應力波總能量為

則能量增加率

如 he=7 m，hw=3.5 m，巖石密度 ρ0=3 g/cm3，巖石縱波速度 Cp=4 500 m/s，炸藥密度 ρ=1.2 g/cm3，炸藥爆速D=4 500 m/s，水中波速取Cw=3 000 m/s，可計算得η =22%。

上面只是計算了水介質對巖體傳入應力波的能量增加率，實際上加強水封塞的作用不只是提高了炸藥的能量利用率，還在于該部分能量的增加大部分作用在臺階上部，而臺階上部恰恰是最容易出現大塊的區域。這就說明了加強水封塞爆破有利于臺階上部大塊的破碎，能有效降低上部大塊的產生率，從而改善爆破質量，起到降本增效的作用。

3 工程應用實例

為了驗證加強水封塞爆破技術的可行性及實用性，不僅進行了大量的水泥砂漿模型試驗，還在馬鋼(集團)控股有限公司南山礦業公司和尚橋鐵礦進行了現場應用。爆破孔徑為200 mm，采用170 mm乳化炸藥裝藥，普通導爆管雷管單孔起爆網路，加強封塞藥包采用塑料袋捆扎牢固的半支或1/4支乳化炸藥(10 kg/支)。和尚橋鐵礦加強水封塞爆破與普通爆破相關數據比較及爆破效果見表1。

根據現場統計，采用加強水封塞爆破與普通爆破法相比，炸藥量降低10%以上，d50降低8%，d80下降10%，說明了加強水封塞爆破技術在露天深孔爆破應用的可能性。在隨后進行的大規模生產爆破試驗結果表明，應用加強水封塞爆破技術后，大塊率降低約45%，鏟裝效率提高16%，說明在露天深孔爆破中應用加強水封塞爆破技術是成功的。

表1 加強水封塞爆破降藥幅度及效果Table 1 Explosives reducing and effect of stiffened water sealing blasting

4 分析與評價

(1)以水作為傳遞炸藥能量的工作介質是提高爆破有效作用的有利措施。通過在含水露天礦爆破中的初步應用，爆破效果顯著，不僅節約了爆破成本，還能有效降低大塊率，明顯提高了裝載效率，爆后后沖小，無根底。

(2)加強水封塞爆破裝藥結構新穎、工藝簡單易于操作應用。該技術適用范圍廣泛，易于在其他礦山尤其是深凹及含水礦床的礦山推廣應用。

(3)使用該項技術不僅能瞬間將爆破產生的粉塵霧化結團，極大地減少了爆破粉塵的產生，還可有效降低爆破振動。

(4)合理的水柱高度及加強封塞藥包的藥量是提高爆破中炮孔炸藥能量利用合理分配的關鍵，這個數值與裝藥高度、填塞長度及填塞料緊密相關，還要做進一步的研究。

(5)今后要進一步對加強水封塞爆破各種裝藥結構的試驗研究，有待推廣加強水封塞爆破的全面應用。

［1］ 劉為洲.臺階爆破的能流分布及塊度組成的三維數學模型［J］.金屬礦山，1987(6):25-28.Liu Weizhou.Three-dimensional mathematical model of energy distribution and blocks composition in bench blasting［J］.Metal Mine，1987(6):25-28.

［2］ 張松林.水壓爆破破碎特征研究［M］.北京:北京鋼鐵學院，1986.Zhan Songlin.Study on Rock Broken Characteristics of Hydraulic Blasting［M］.Beijing:Beijing University of Iron and Steel Technology，1986.

［3］ Gao Shicai，Ma Bailing，Liu Weizhou，et al.A method to measure muckpile quality comprehensively［C］∥The Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics:Proceedings of The International Conference on Engineering Blasting Technique.Beijing:Beijing University Press，1991:574-580.

［4］ 亨利齊 J.爆炸動力學及其應用［M］.北京:科學出版社，1987.Henryqi J.Explosion Dynamics and Its Applications［M］.Beijing:Science Press，1987.

［5］ 陳士海.深孔水壓爆破裝藥結構與應用研究［J］.煤炭學報，2000，25(S1):112-116.Chen Shihai.Study on charging structure and its use of deep-hole water pressure blasting［J］.Journal of China Coal Society.2000，25(S1):112-116.