空氣間隔裝藥爆破在石膏礦山的應用

田 鵬

(湖南宏業石膏礦業有限公司， 湖南 常德 415300)

1 前言

爆破法采礦是最重要的采礦方法之一，如何合理的進行爆破并選擇正確參數是決定爆破成果的主要因素。從20世紀50年代開始，我國一般采用深孔爆破空氣間隔裝藥技術對露天礦進行開采，這是一種將空氣作為炸藥間隔，利用軸向不耦合進行裝藥的一種爆破技術。空氣間隔裝藥爆破技術能夠對爆炸產生的能量進行高效利用，還有助于穩定爆堆形態。而在地下礦山爆破中，間隔中的預留空氣可以有效減緩爆炸過程中沖擊波帶來的峰值壓力，有助于爆孔周邊應力場的加強，從而致使原生裂縫能夠繼續擴大，進一步出現新的裂縫；采用空氣間隔的裝藥方式，改善了炸藥的分布結構，減少了單孔和總裝藥量，在降低了孔口大塊率、提高炮孔利用率的同時，由于一次爆破藥量的減少，爆破噪音和爆破震動大幅減少，還節約了爆破成本，爆破礦石也更加均勻，避免了二次爆破，提高了鏟裝效率，尤其適用于建筑物下等需要控制爆破震動的場合。

空氣間隔裝藥技術主要分為空氣層在頂部、空氣層在中部、空氣層在底部三種類型，需要根據實際爆破需求和地下礦山地質環境決定對空氣層位置的安排。試驗和實踐結果都充分表明，對于地下礦山的開采，空氣間隔裝藥爆破技術能有效提升炸藥效率，大幅度減少炸藥損耗和爆破震動，能夠降低整個采礦工程的成本投入，為礦山企業創造額外的經濟收益。

2 空氣間隔裝藥原理及優勢

空氣間隔裝藥是指將空氣作為間隔，再利用軸向不耦合進行裝藥的一種爆破技術。相比較傳統中深孔連續裝藥而言，空氣間隔裝藥技術能夠對爆炸產生的能量進行高效利用，還有助于穩定爆堆形態以及提升巖石破碎效果。這是由于間隔中的預留空氣可以有效減緩爆炸過程中沖擊波帶來的峰值壓力，使炮孔周邊的巖石不會過度粉粹，對爆破地震效應有減弱作用，在相同的裝藥量下，同一點的質點振速比連續裝藥小15%～50%。爆破產生的沖擊波在受到阻礙物或到達孔底后會重新返回空氣間隔中，在經過沖擊波的多次作用下，會逐步增加炮孔周邊的應力場，使應力波持續作用時間變長。在受到沖擊波反復作用的同時，炮孔周邊還會受到靜壓力作用和應力波反射作用，當這兩種壓力產生的綜合壓力超出了巖石最大承受范圍時，巖石的原生裂縫就會繼續擴大，進一步出現新的裂縫。

2.1 空氣間隔裝藥爆破理論分析

1) 空氣間隔裝藥爆破的基本原理

空氣間隔裝藥在進行爆破時，爆破產生的產物會在空氣間隔內迅速膨脹，之后壓力逐漸下降，爆破產生的產物會由于膨脹而出現空氣沖擊波，對于空氣間隔來講，兩端炸藥同時爆炸，相對氣體同時向空氣間隔膨脹開來，產生的空間沖擊波在空氣間隔發生碰撞，巨大的沖擊效果會直接導致巖石無法承受沖擊波強度而破碎。而巖石的破碎會改變空間結構，使空氣隔間形成新的高壓源，經過再次反射后，原有的沖擊波會發生方向變化，迅速向填塞面以及孔底轉移。同時，炮孔內的空氣間隔所處位置也會對巖石的破碎情況造成一定影響。上下部兩個藥包所產生的兩個沖擊波陣面會進行不斷作用產生震蕩。因此，在均勻裝藥的前提下，間隔器位于藥柱中部產生的爆破效果要比間隔器處于藥柱上下部的空氣間隔裝藥爆破技術效果更好。

通過空氣間隔裝藥爆破的作用機理可以明確以下幾點：①應力波峰值壓力可以得到有效降低，能夠降低破壞同等巖石量消耗的炸藥成本；②能夠對爆生氣體的作用時間進行延長；③靜壓力作用和應力波反射作用的綜合效果會使原生裂縫繼續擴大，進一步出現新的裂縫。

Hustrulid對空氣間隔裝藥爆破機理的深入研究表明，在爆炸產物和炮孔底部產生的兩道稀疏波導致炮孔壓力逐漸減小，在增強巖石爆破的破碎效果中起到了關鍵作用，在釋放壓力過程中會在炮孔周邊引起高幅值拉應力，能進一步加劇巖石的破碎。在耦合裝藥前提下，炮孔底部反射的沖擊波壓力能夠達到初始平均爆炸壓力，此壓力直接造成了堵塞段以及空氣段巖石的破碎。

2)空氣間隔裝藥爆破對爆破效果的影響

對爆破效果情況的評定需要根據爆堆的級配、形態以及松散度3個特點進行效果評定，巖石的破碎除了與作用力密切相關，還與爆炸作用力持續的時間有關。進入孔壁的作用力越大，巖石的粉碎率也會相應增高，也增加了礦石的不均勻性。空氣間隔裝藥爆破能夠有效減慢氣體散發到大氣環境中的速度，使裝藥間隔能夠處于持續高壓狀態，對爆破作用的產生積累了巨大能量，提升了氣體做有用功的能力。這樣的處理效果可以使爆炸后的爆堆形式規整，破碎巖塊的均勻度提升，有效減少大塊數量。同時，爆破氣體作用時間的延長，能夠使炸藥內部的化學反應更加充分，有毒氣體也會相應減少。

2.2 空氣間隔裝藥的優勢

眾多的試驗和實踐證明，空氣間隔裝藥能夠有效避免傳統連續裝藥存在的部分問題，在確保爆破效果的前提下，通過降低炸藥損耗大大提升了炸藥的利用率，有效減少了成本投入，同時對爆破產生的震動也能在一定程度上進行遏制，有利于控制因爆破造成的危害。空氣間隔裝藥爆破技術在國外早已開始使用。蘇聯利用此項技術，將炸藥成本降低了10%～30%，并有效改善了巖石爆破后的破碎度和爆堆形態；澳大利亞利用該技術對巖石的破碎情況實現了有效控制，并降低了炸藥的單耗；美國馬里蘭大學采用動光彈的測量方式對聚異丁烯酸樹脂中空氣間隔裝藥的爆破情況進行了觀測，試驗結果表明，空氣間隔裝藥能夠起到延長沖擊波作用到周邊物質時間的作用；2000年，南芬露天鐵礦開始使用此項技術，有效改善了巖石的破碎度和爆堆形態，鏟裝效率也得到了提高，年底增加了145萬的經濟效益。

3 空氣間隔裝藥在地下礦山爆破中的應用

在采礦中，空氣間隔裝藥爆破技術通常使用于以下2種不同類型的爆破：第一類用于梯段爆破，能夠利用周圍裂縫的再次擴展使爆破效果進一步加強；第二類用于預裂爆破，可以對有效控制爆破后炮孔周圍裂縫的繼續擴展，同時通過增加空氣間隔層增強巖石破碎效果從而減少炸藥成本，這種方法已經被普遍使用。

空氣間隔位于炸藥柱中部位置時，間隔高度為1.5～6.0m，上部的裝藥量大約占總裝藥量的33%～38%，下部裝藥量大約占總裝藥量的62%～67%。在處理超高臺階時，需要使用二次空氣間隔三段裝藥的炸藥結構，上部和中部藥量各占總裝藥量的20%，下部裝藥量大約占總裝藥量的60%，與傳統連續裝藥相比，能夠減少大約40%的炸藥損耗，而且爆破效果所差無幾，還能有效規整爆堆、減少飛石。而底部不耦合裝藥能降低大塊率，減少沖擊波造成的震動。這種技術主要適用于底板開挖的保護性工程，比如開挖大壩壩基開挖、核電廠場坪、水工建筑物巖石基礎等，此類工程需要確保底板巖石的完整性和平整性，能夠在爆破后將損失控制在合格范圍之內，并能夠無保護性的進行一次開挖。通過試驗說明，在空氣間隔高度滿足L=18m時，爆破造成的體積最大，震動最小，底部空氣層通常取1～1.5m，能夠減少約40%的震動。使用底部不耦合裝藥可以較大程度的減少對底板基巖的破壞，能有效提升一次性開挖底板的合格率，還可以起到控制爆破成本、提高施工效率的作用。

本文研究的某地下石膏礦山，含礦地層為奧陶系峰峰組，大致可以分為兩層含礦地層，上層含礦層厚度在40～50m的范圍內，礦石類型主要包括普通石膏、白云質石膏以及纖維針狀充填石膏。礦山范圍內未見斷裂構造，褶皺不發育，地質構造屬簡單類型，礦床為產于下第三系古新統沙市組含膏巖段的湖相沉積型礦床，屬次級歇駕山沉積盆地向斜北翼，礦區屬低矮丘陵區，地勢低平，區內地表水系不發育，地表水流經溝谷流出，對礦山開采影響不大。

在對現場進行多次勘查后，發現爆破區開挖巖石的普氏堅固系數約為2，再綜合巖石性質分析，可以進行爆破開挖。為了達到降低大塊率、規整爆堆、避免根底破壞等目的，最終決定使用空氣間隔裝藥爆破技術對該爆破區進行開挖。在此項爆破工程中，空氣間隔位于炸藥柱中間位置，并確保底部裝藥量的長度不小于最小抵抗線W=3m的1.4倍，即4.2m。中間空氣間隔距離為1.5m，上部裝藥長度為2.5m，堵塞距離為3.0m。

在對底部炸藥進行安裝后，用尼龍繩將麻袋捆好，并將麻袋放到孔里，通過竹竿將麻袋放到指定的位置，再將尼龍繩的另一端綁在木棍上，將木棍橫放在孔口處，從而將孔中的麻袋塞進行固定。隨后在上部進行裝藥，同時再裝一個起爆藥柱和堵塞等，具體如圖1所示。

圖1 空氣間隔裝藥

若爆破高度達不到使用中部空氣間隔裝藥爆破技術的條件，在對孔網參數進行適當增加的同時，還可以使用上部不耦合裝藥以及底部耦合裝藥，其中底部耦合裝藥的高度也需要不小于最小抵抗線的1.4倍。裝藥時，在底部要裝多孔粒狀硝酸銨，上部則使用直徑0.7cm的條狀乳化炸藥，具體如圖2所示。

圖2 不耦合裝藥

從爆堆方面來講，使用中間空氣間隔裝藥爆破技術進行爆破后，可以發現比耦合裝藥爆破的爆堆拋擲情況減弱，巖石大塊率有所降低。從經濟方面來講，直徑為0.9cm的炮孔，平均延米裝藥量是5.5kg/m，與連續裝藥相比，每孔可以少裝9kg炸藥，以每千克炸藥8元來算，每孔可以節約成本72元，再把1個7元的非電導爆管雷管價格扣除，則意味著每孔實際節約成本65元。若礦山每天有200個孔發生爆破，使用空氣間隔裝藥爆破技術能夠每天為礦山節約成本13 000元，創造出額外的收益。

4 空氣間隔裝藥技術的注意事項

4.1 空氣間隔位置的選擇

一般來講，空氣間隔裝藥爆破技術分為空氣間隔在上部、空氣間隔在中部、空氣間隔在下部。大量的試驗和實踐證明，在使用同等炸藥量的前提下，對比空氣間隔在中部比空氣間隔在底部的裝藥爆破技術，前者巖石破碎效果更好。可見，空氣間隔的位置對于爆炸效果起著重要作用。但在實際工程的操作中會發現，盡管中部空氣間隔裝藥爆破技術爆破效果更好，但操作起來難度大、安裝程序復雜，不但裝藥結構較為復雜，還需要兩端同時起爆。

對于開采地下礦山應該采用何種空氣間隔爆破技術，國內學術界對此有不同的認識。大部分學者研究認為采用中部空氣間隔裝藥爆破技術進行巖石爆破的爆破效果更好，但也有部分學者研究認為，盡管下部空氣間隔裝藥爆破技術沒有中部的爆破效果好，但是對底部的保護能起到重要作用。所以，在實際工程操作中，對空氣間隔位置的選擇既需要考慮開采礦山的實際地質情況，還需要結合采礦側重點和具體要求等其他因素。

4.2 空氣間隔與炮孔裝藥的比值選擇取向

在使用空氣間隔裝藥爆破技術進行巖石爆破時，不但要對空氣間隔位置進行確定，還需要對空氣間隔與裝藥量的體積比進行確定。對于空氣間隔所占體積比這一問題，學者們也提供了大量研究結果，Melnikov N V及其團隊在基于大量實驗數據的基礎上發現，空氣間隔體積占炮孔體積的11%～35%發生的爆破效果較好。Moxon N T研究認為空氣間隔體積占炮孔體積的15%～35%發生的爆破效果較好，巖石破碎均勻，爆堆規整。國內學者基于實驗數據則認為，空氣間隔體積占炮孔體積的30%～40%發生的爆破效果更好。實際操作中，在以研究理論為基礎的前提下，還需要根據工程場地的實際情況對空氣間隔體積所占比例進行合理調配。

4.3 炮孔周圍巖石動態損傷的演化

在使用空氣間隔裝藥爆破技術進行巖石爆破時，由于存在空氣間隔，在進行爆破時產生的沖擊波會導致周邊巖石產生反復加卸載作用，造成原生裂縫在反復沖擊波作用下繼續破碎，與傳統連續裝藥的爆破機理并不相同。因此，需要對沖擊波作用下反復加卸載作用導致的結果進行更深入的研究。理論和試驗能夠對爆破參數的大致范圍進行計算，但參數的進一步確定還需要結合工程的實際情況，根據實際研究結果對參數進行科學調整，有利于實際工程中爆破工作的順利完成。

4.4 關于爆破振動效應問題

空氣間隔裝藥爆破技術能夠起到良好的減震作用，可以降低10%～15%的震動狀況。在通過對不同位置空氣間隔進行質點振動的垂向、徑向和切向進行時域比較后發現，中部空氣間隔產生的三分量振幅最大，然后是上部空氣間隔，下部空氣間隔為振幅最小值。而對于爆破的近區和遠區來講，爆破振動造成的影響作用機制并不相同，還需要結合具體的工程實例進行深入研究。

5 結論

本文得出的結論主要包括以下幾點：

(1)在采礦中，空氣間隔裝藥爆破技術通常使用于以下兩種類型不同的爆破：第一類用于梯段爆破；第二類用于預裂爆破。

(2)在對該礦區地質特征展開分析之后，使用中間空氣間隔裝藥爆破技術進行爆破后，從爆堆方面來講，比耦合裝藥爆破的爆堆拋擲情況減弱，巖石大塊率有所降低。從經濟方面來講，成本更加節約，能創造出額外的收益。

近年來，盡管對空氣間隔裝藥爆破技術的優勢以及爆破機理等方面進行了大量研究，但是對實際工程中出現的現象依據存在理論盲點。目前，空氣間隔爆破技術的基礎主要基于經驗公式以及現場試驗，還有待進一步加深對相關內容的研究。