混裝炸藥參數與巖石爆破阻抗匹配的試驗研究

摘 要：現場混裝炸藥被越來越多的應用于礦山爆破工程中。首先對混裝乳化炸藥性能與巖石爆破阻抗匹配理論進行分析，應用波阻抗理論進行現場試驗，得出堅硬巖石的波阻抗最佳匹配系數為2.51。應用該系數調整現有混裝炸藥敏化劑含量，得出當敏化劑含量為1.15%時，達到最佳破巖效果。解決了礦山堅硬巖石爆破大塊率高和留有根底的情況。研究結果表明，根據巖石性質的不同，通過最佳波阻抗系數調整炸藥配比是非常有效的，所得炸藥配比為同類巖石爆破提供參考。

關鍵詞：混裝炸藥；阻抗匹配；炸藥參數；塊度分析

目前，我們對爆破過程的認識還處于唯象學階段，雖然國內外許多學者都進行過相關的研究，但難以在數值上給出炸藥性能與巖石爆破效果間的定量關系。現有的炸藥與巖石性質匹配理論有阻抗匹配、全過程匹配和能量匹配[1-4]。汪旭光院士等研究了通過炸藥能量密度與巖體強度匹配來改善爆破效果；李夕兵等[5]利用阻抗匹配理論提出當炸藥與巖體阻抗很不匹配時，若使用具有合適的阻抗和厚度的中間層，可達到提高炸藥能量利用率的目的。理論和實踐證明，對于高阻抗的堅硬巖石，因其強度高，為使裂隙擴展寬，宜采用爆速高的炸藥增加應力波峰值；對于中阻抗的巖石，從成本的角度考慮，宜采用中爆速的炸藥；對于低阻抗的松軟巖石，主要靠氣體靜壓形成破壞，則宜采用爆力較高、爆容極大的炸藥。

1 工程概況

某礦山含礦巖石主要包括花崗巖和千枚巖，呈塊狀構造，礦物顆粒較細。按礦巖可爆性分為三級：Ⅰ級，普氏系數f=10-12，致密、堅硬，難于爆破；Ⅱ級，黃鐵礦含量較高及蝕變較弱的千枚巖，f=6-8，硬而脆，中等爆破；Ⅲ級，蝕變或蝕變較弱的千枚巖，節理發育，較易爆破。計算統計礦巖波阻抗在110-130MPa/s，現有的炸藥波阻抗在45-49MPa/s，由于炸藥巖石阻抗不匹配，對Ⅰ級巖石爆破時，炸藥能量利用率低，大塊率較高，爆破效果不理想。

2 阻抗匹配試驗

阻抗匹配理論是以波阻抗為基礎，要求炸藥的波阻抗等于或接近巖石的波阻抗，即：

？籽mcm=？籽ece （1）

式中：？籽m-巖石密度；？籽e-炸藥密度；cm-巖石縱波速度；ce-炸藥縱波速度。

根據式（1），要提高炸藥波阻抗，可從提高炸藥的能量密度和爆速兩方面著手，但這兩項均有極限值，不能一味地提高。因此，在工程爆破中，要使炸藥和巖石的阻抗相等很難辦到，只能通過相關的試驗求得最佳的配比系數，以滿足經濟和爆破效果的最大化。

為了降低Ⅰ級巖石爆破時的大塊率，依據阻抗匹配原理，首先對該類礦巖密度和縱波波速進行統計，而后采用體積法統計大塊率。在統計時間域內，礦山大塊率由式（2）計算：

式中：D-大塊率；Ni-第i次臺階爆破后所需二次爆破的大塊數量，塊；Vi-第i次臺階爆破中，大塊礦巖的平均體積，m3；Qi-第i次臺階爆破下的礦巖總體積，m3；n-統計時間域內臺階爆破的總次數。

根據爆破巖塊統計的自相似性，爆后巖塊群體的塊度分布直徑K50、K80分別由式（3）、式（4）求解[6]：

（3）

（4）

式中：xm-爆后巖塊的最大直徑；D-巖塊群體的維數。

在上述理論的基礎上，根據礦山現場混裝炸藥的情況進行六組巖石與炸藥性能波阻抗匹配試驗，試驗結果如表1所示。

圖1 匹配系數與大塊率和K80的關系曲線

從表1中可以看出，第二組試驗當匹配系數達到2.51時，破碎效果最好，爆后大塊率為0，并且巖石最大塊度僅為115.86mm，擬合曲線相關系數達到0.96，說明巖石塊度分布較均勻。從圖1所繪制的關系曲線知，爆破后的大塊率隨匹配系數的增加先降低后增大，說明巖石大塊率并不與匹配系數存在簡單的線性關系。K80與匹配系數的關系基本上與大塊率相似，說明數值分析和試驗結果較吻合。因此，對于堅硬巖石，并不能一味地追求炸藥與巖石的波阻抗相等或近似，而是要根據巖石與炸藥特性，通過相關試驗求得最佳匹配系數。

3 炸藥配比與阻抗試驗

現場混裝乳化炸藥的原料組成一般包括有：氧化劑水溶液（硝酸銨、硝酸鈉、水）、還原劑（柴油等油相材料）、乳化劑、敏化劑（亞硝酸鈉水溶液）、添加劑（鋁粉、鎂粉等）等。宋錦泉[7]等得出乳化炸藥的爆速隨著密度增加到最大值后降低。胡朝海[8]等通過試驗得知，當加入亞硝酸鈉作為敏化劑時，其乳化炸藥爆速要比玻璃微球和膨脹珍珠巖大。張虎[9]等含鋁乳化炸藥的爆速隨鋁粉含量的增加而減小。

根據相關文獻及礦山現有混裝炸藥的實際情況，決定通過調整敏化劑（亞硝酸鈉水溶液）的含量來使炸藥達到合適的波阻抗，試驗采用在盡量不改變原配比的情況下，通過等差遞增改變敏化劑的含量，共進行八組試驗，試驗記錄如表2所示。

表2 敏化劑調整試驗記錄

從表2可知，當敏化劑含量小于1%時，炸藥處于拒爆或半爆狀態；大于1%時都能正常起爆，取正常起爆的六組數據繪制敏化劑含量與炸藥密度和波阻抗曲線如圖2所示，從圖2中可知，炸藥密度隨敏化劑含量的增加成非線性關系，波阻抗值與密度基本上成相同趨勢，有阻抗匹配試驗知，當炸藥波阻抗為47.80時，巖石破碎效果達到最佳，從圖2中的關系曲線可知，其敏化劑含量應該在1.15%。根據該配比進行多次爆破試驗，爆后巖石塊度較均勻，大塊率在5%以下。極大地降低了二次破碎和鏟運成本。

圖2 敏化劑含量與密度和爆速的關系曲線

4 結束語

在波阻抗匹配理論的基礎上，設計巖石與炸藥阻抗匹配試驗，根據試驗結果進行現場混裝炸藥參數調整，得出堅硬巖石的最優炸藥匹配參數及如下結論：（1）應用波阻抗匹配理論進行炸藥參數與巖石匹配試驗，參數易于獲得，可簡化問題模型，能夠在數值上給予直觀的反映。（2）合理的配比系數是使巖石達到最佳爆破效果的基礎，通過阻抗匹配試驗反推炸藥的波阻抗，可使炸藥參數在實驗室內調整至合理范圍后，再進行工業試驗，減小試驗次數和由試驗產生的二次破碎費用。（3）敏化劑的含量與炸藥的密度和阻抗有著非線性的關系，只有通過相關實驗，才能得出最佳的取值范圍。

參考文獻

[1]賴應得.論炸藥和巖石的能力匹配[J].工程爆破，1995，1（2）：22-26.

[2]鈕強，熊代余.炸藥巖石阻抗匹配的試驗研究[J].有色金屬，1988，40（4）：13-17.

[3]郭子庭，吳從師.炸藥與巖石的全過程匹配[J].礦冶工程，1993（3）：12-15

[4]王永青，汪旭光.乳化炸藥能量密度與爆破效果的研究[J].有色金屬，2003，55（1）：102-104.

[5]李夕兵，古德生，賴海輝，等.巖石與炸藥波阻抗匹配的能量研究[J].中南礦冶學院學報，1992（23）：18-23.

[6]張繼春.巖體爆破的塊度理論及其應用[M].西南交通大學出版社，2001：52-55.

[7]宋錦泉，汪旭光，劉濤，等.敏化方式對乳化炸藥爆速的影響[J].有色金屬，2000，52（4）：4-8.

[8]胡朝海，吳紅波.敏化方式對乳化炸藥爆速的影響[J].中國科技信息，2014，3（4）：74-76.

[9]張虎，謝興華，郭子如，等.鋁粉含量對乳化炸藥性能影響[J].含能材料，2008，16（6）：738-740.