氣體間隔器在司家營鐵礦的應用

黃漢波+張樹東

摘 要：司家營鐵礦露天礦自投產以來，臺階深孔爆破一直沿用連續裝藥結構，這種裝藥結構藥柱重心偏于臺階下部，炸藥能量沿炮孔軸向很不均勻，在難爆區炮孔孔口部位往往產生較多大塊，在易爆區域常有過度粉碎現象，同時爆破震動一直影響著附近居民的生活。為減少爆破產生的大塊率和降低爆破震動，司家營鐵礦露天礦臺階深孔爆破中使用氣體間隔器，采用空氣間隔裝藥技術以達到控制爆破礦巖塊度，降低炸藥單耗，減輕爆破震動的目的。

關鍵詞：氣體間隔器；爆破震動；大塊率；露天礦；間隔裝藥

中圖分類號：TD23 文獻標識碼：A

0.引言

司家營鐵礦區為我國鐵礦資源重要基地之一，司家營鐵礦隸屬于河北鋼鐵集團礦業公司，整個礦區分為露天開采和地下開采，其中露天開采部分為年產2100萬噸鐵礦，鐵精粉737.95萬噸的采選聯合大型礦山。司家營鐵礦露天礦自投產以來，臺階深孔爆破一直沿用連續裝藥結構，這種裝藥結構藥柱重心偏于臺階下部，炸藥能量沿炮孔軸向很不均勻，在難爆區炮孔孔口部位往往產生較多大塊，在易爆區域常有過度粉碎現象，炸藥單耗高，采礦成本居高不下，鏟裝及破碎工藝的生產效率也受到嚴重影響。同時由于采場距周圍村莊較近，爆破震動一直影響著附近居民的生活。因此研究高效節能的爆破與降震技術是現階段礦山發展亟待解決的問題。

1.礦區概況

司家營鐵礦北區露天開采范圍內，地勢北高南低，地形標高最高為125.60m，一般為20m～40m，礦體僅在局部出露，出露標高最高為96.30m，最低為19.40m，其他均被第四系表土覆蓋，厚度為20m～30m，最厚60m。巖石在地表疏松破碎，深部致密堅硬，節理、裂隙不發育。

礦石主要賦存于黑云變粒巖中，產狀與圍巖一致。區內礦體多呈層狀似層狀，部分呈透鏡狀或扁豆狀，層位穩定。礦體由東向西劃分為I～Ⅳ號4個礦體，呈平行帶狀排列，各礦體走向近南北，傾向西，傾角40°～50°。受構造和古地形影響，礦體沿走向和傾向厚度變化較大，形態變化較復雜。區內礦石的礦物成份較簡單，礦石礦物以磁鐵礦、假象赤鐵礦為主，次為赤鐵礦；脈石礦物以石英為主。

司家營鐵礦屬鞍山式沉積變質礦床，礦體圍巖裂隙較多，節理發育，礦石致密堅硬，屬于較難爆礦巖類型，礦巖性質見表1。

2.空氣間隔裝藥技術

根據巖石爆破破壞的應力波反射拉伸破壞假說可知，巖石的破壞形式是拉應力大于巖石的抗拉強度而產生的，巖石是被拉斷的。巖石破碎機理研究表明，巖石的極限破碎強度是隨著爆轟壓力的加載速度的增加而增加即加載的速度越快，巖石的破碎越難，因為爆破的初始脈沖壓力越大，消耗在壓碎區的能量就越大，而作用在破碎區的能量就越小，如果適當地減少爆破的初始脈沖壓力，則可減小消耗在壓碎區的能量；另一方面，根據沖量原理，當爆破脈沖壓力一定時，作用時間越長，爆破脈沖沖量越大，對巖石破碎越有利。

空氣間隔裝藥結構，就是在孔中進行分段間隔裝藥，各段之間形成空氣間隔，由于空氣可以改善爆破能量傳遞過程的匹配關系降低爆轟產物對孔壁的初始壓力，調節爆破的脈沖系數，即降低爆破的脈沖初始峰值延長爆破脈沖持續時間，提高能量的利用率。

另一方面，當裝藥爆炸后，首先在空氣柱內激起相向傳播的空氣沖擊波，并在空氣柱中心發生碰撞，使壓力增高，同時產生反射沖擊波于相反方向傳播，其后又發生反射和碰撞，炮眼內空氣沖擊波往返傳播，發生多次碰撞，增加了沖擊壓力及其激起的應力波作用時間，從而提高了應力波在爆破中的破碎作用，提高了炸藥能量的有效利用率，降低了炸藥消耗量。

近年來，氣體間隔爆破技術在國內一些大、中型露天礦山中得到廣泛應用，都獲得了較好的爆破效果和技術、經濟效益，其優勢主要表現在以下幾個方面：

（a）爆堆隆起、集中，能控制爆堆移動方向，降低損失和貧化；

（b）爆堆松散度好，爆破塊度好，大塊率低，二次爆破量少，便于挖掘、裝運和排土，提高鏟裝效率，降低設備故障率，提高礦山企業的經濟效益；

（c）爆破根底少或無根底，底板平整，便于電鏟抄平底板挖掘作業，減少了重復爆破量；

（d）爆破后沖和側沖小，爆破后形成新的坡頂線比較整齊，清渣工作完成后，新形成的臺階自由面整齊，為后繼爆破施工創造了有利條件；

（e）擴大爆破規模，減少爆破次數，減少設備移動次數；

（f）降低爆破成本和工人勞動強度；

（g）降低爆破震動，安全性更好。

3.現場應用情況

司家營鐵礦露天礦臺階深孔爆破中采用氣體間隔器，使用空氣間隔裝藥之后，根據歷次爆破試驗積累爆破相關數據，建立了司家營鐵礦氣體間隔裝藥爆破數據庫。主要內容有使用炸藥類型、礦巖特性、孔網參數、布孔方式、超深量、爆破類型、爆破量、總藥量、間隔高度、間隔位置、前排孔藥量、炸藥單耗、延米爆量、填塞高度、密集系數、延遲時段、水孔/干孔、大塊率、前沖距離、爆堆形狀等，針對不同藥種、不同礦巖特性下間隔位置選擇進行了試驗分析，不斷對爆破參數進行優化。

3.1 降低爆破成本

氣體間隔器主要用于底部間隔和頂部間隔，底部空氣柱爆破機理是采用空氣間隔器對炮孔底部進行間隔，形成孔底空氣柱，使孔內炸藥爆炸時，降低孔內產生的爆破壓力，減緩炸藥爆炸能量作用時間，擴大爆破裂區的范圍，提高了炸藥爆破能量的有效利用率。同時，提高了裝藥中心位置，使炸藥在炮孔內沿孔軸線分布更加合理，有效地克服根底與上部的過度粉碎，令爆后炮堆形狀均勻、松動，便于鏟裝作業，提高鏟裝效率。頂部間隔，既可以延長爆破作用氣體在炮孔中的作用時間，又能減小余高，降低工人勞動強度。在巖石硬度不大，炮孔水深≤1m的炮區主要進行間隔器底部間隔，間隔高度為1m～2m，在風化巖層和巖土混合的炮區主要進行間隔器頂部間隔。底部間隔和頂部間隔均能減少單孔裝藥量，降低炸藥單耗。表2列舉了部分炮區應用空氣間隔器爆破情況，從表中可以看出無論間隔位置有何變化，都能減少裝藥量降低爆破成本，但不影響爆破效果。

3.2 減輕爆破震動

對相同爆破區域的不同間隔類型進行爆破震動的測量，測量結果見表3。

表3中可知采用空氣間隔技術裝藥時的爆破震動明顯小于不采用空氣間隔裝藥技術爆破時的爆破震動速度。其結果對比如圖1所示。

通過圖1可知在其他條件相差不大的情況下，使用空氣間隔裝藥技術能夠明顯降低爆破震動，由于采用空氣間隔裝藥，單孔裝藥量相對減少，一次爆破炸藥量降低，因此，爆破產生的振動也會降低；采用空氣間隔裝藥，爆破后炮孔內爆炸氣體相對增大，使爆炸能量更能充分作用于巖體的破碎，炸藥有效利用率提高，產生震動的能量相對降低；孔內采用空氣間隔裝藥后，炸藥在孔內位置相對抬高，減弱了對底板的作用力。

通過氣體間隔裝藥技術，減輕了爆破震動對附近居民的影響，緩解了企業與周邊村民的矛盾，增大了爆破規模，從一定程度上保證了生產爆破工作的順利進行。

3.3 使用效果分析

空氣間隔裝藥技術的應用，使得在單孔爆破量不變的情況下降低了單孔裝藥量，從而降低了炸藥單耗，平均單孔裝藥量減少140kg～200kg，全年節省炸藥量600t～800t，折合人民幣235.2萬元；由于藥柱高度的提升，令炮孔內的爆炸壓力沿炮孔軸向分度更加均勻，有效地杜絕了根底和巖墻的出現，前沖適中，大塊率降低，為后續的鏟裝和運輸創造了良好的條件；同時，由于空氣間隔裝藥技術能有效地降低爆破震動，緩解了礦山和周圍居民的矛盾，其社會效益更加可觀。

結論

在露天礦開采深孔爆破中使用氣體間隔器，可降低孔內爆炸壓力，減少甚至避免因耦合裝藥而形成的礦巖沖擊粉碎，擴大破裂范圍，提高炸藥爆破能量的有效利用率，為礦山開采爆破節約炸藥，降低采礦成本，降低炸藥單耗，能有效地克服根底和降低爆破大塊率，為鏟裝、運輸等后續工序的高效生產創造有利條件，可在類似礦山爆破中推廣應用。

參考文獻

[1]耿貴剛，池恩安，劉鳳錢.中深孔爆破大塊產生的原因分析及降低大塊率的技術措施[J].礦業研究與開發，2011（4）：104-106+117.

[2]潘井瀾.爆破破巖機理的探討[J].爆破，1994（4）：1-2.

[3]孫波勇，段衛東，鄭峰，等.爆破作用下巖石破碎理論模型的研究及發展趨勢[J].金屬礦山，2006（9）：5-7.

[4]王家來，劉積銘.巖石爆破破巖機理的損傷力學分析[J].巖石力學與工程學報，1996（S1）：515-517.

[5]趙桂香，王正昌，孫敬文.間隔技術在露天臺階深孔爆破中的應用[J].礦業快報，2004（9）：31-32.

[6]黃斌，汪竹平，宋志偉.空氣間隔裝藥的工程應用[J].煤礦爆破，2009（2）：26-28.