間隔裝藥技術降低爆破振動的實踐研究

于世杰 呂 斌 李海洋 曾玉瑩 田 靖

（河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司）

爆破振動波是由炸藥爆炸所釋放的能量轉化而來，爆破引起的地面運動激起結構基礎產生位移，從而造成臨近炮區或周邊建（構）筑物的振動。盡管由爆炸能轉換成的振動能很少，但隨著日常爆破次數的增多和爆破規模的不斷擴大，以及當前整個社會安全環保意識的提高，爆破振動的危害效應將越來越突出。研山鐵礦為了保障礦山生產的有序進行，在廣泛汲取國內外研究成果及工程實踐的基礎上，對間隔裝藥爆破技術進行了實用性試驗研究［1-2］。

1 爆破振動對采場及周邊的破壞作用

1.1 爆破振動對采場的破壞

爆破振動對采場的危害主要體現在以下2個方面：①爆破地震波對鄰近未爆破的炮孔造成地震波動能影響，可能引起鄰近炮孔的內部裂隙擴展延伸，造成炮孔的塌落或扭曲變形；②由于采場部分位置的爆破振動過大，地震波傳播速度過快，從而引起周邊振動檢測裝置的觸發機制預警，這種預警觸發會對采場的生產造成外事影響，給生產的連續性帶來負擔。

1.2 爆破振動對周邊建筑的破壞

爆破振動對周邊建筑物的破壞主要分為以下2個方面。

（1）直接振動破壞。該露天礦山平均每天都進行10次以上的大中型規模爆破，爆破振動對采場東幫的影響尤為嚴重，該區域有密集的村莊老舊建筑，考慮不同建筑物的抗震性能不等，建筑物的直接破壞有大有小，具體的破壞形式有墻皮脫落、墻壁裂縫、地板裂縫等，更嚴重的可能造成部分建筑的倒塌。

（2）間接振動破壞。因礦區東側區域地質水文條件較差，灤河自南向北穿插周邊村落，地質較松軟，爆破振動造成部分建筑地基出現沉降，加速建筑物的老化損傷［3］。

2 研山鐵礦現狀

研山鐵礦隸屬于河鋼礦業公司，位于河北省灤州市響嘡鎮境內，屬于“鞍山式”沉積變質礦床，設計年產鐵礦石1 500萬t，年產優質鐵精粉400余萬t，礦山屬于大型凹陷露天礦，采場設計封閉圈為+30 m水平，目前采場開采至-217 m水平。礦區出露地層以前震旦系、震旦系和第四系為主。采場西幫以第四系土層、強化風石英砂巖、中風化石英砂巖、白云母片巖、微風化黑云變粒巖為主，采場東幫整體屬于西傾巖層，與礦體下盤邊坡開采方向一致。目前采場西南幫-67 m以上及西幫-97 m以上區域，巖性主要為巖土混合區域，且距離周邊振動檢測位置較近，巖石結構多為塊狀，多為中硬度，可爆破性較好。

3 間隔裝藥爆破理論性分析

3.1 采用間隔裝藥爆破的原因

作為高陡露天礦，硬質巖層可采用多種爆破方式進行爆破，而傳統的柱狀連續裝藥方式存在著炸藥單耗大、爆破振動波大、爆轟波初壓高、爆破氣體作用時間短、巖石破碎效果差、易產生大塊和根底等缺點，與之相比，不耦合裝藥爆破技術能夠使爆炸能量得到充分利用。19世紀40年代，前蘇聯專家Melnikov和Marchenkov首先研究提出了空氣間隔裝藥爆破技術，該技術通過在炮孔中添加空氣間隔，從而提高爆破能量利用率［4-5］。到目前為止，大量的工程實踐和數據采集分析表明：用軸向空氣間隔裝藥的方式來代替連續柱狀裝藥，可以有效地克服連續裝藥爆破的諸多弊端。圖1為間隔裝藥器材。

3.2 間隔裝藥爆破技術

間隔裝藥結構由于存在間隔介質的影響，在爆破發生的過程中產生二次和后續沖擊波的作用。其作用原理如下：①空氣間隔降低了作用在炮孔壁上的爆轟沖擊壓力的峰值，避免炮孔周圍圍巖被過度破碎形成粉碎圈，降低消耗大量爆破能量，提升粉碎圈以外的巖石破碎效果；②另一方面由于降低了沖擊壓力的峰值，沖擊波的能量就會減弱甚至沒有沖擊波，這就會相應地增加應力波的能量，從而獲得了更大的爆破沖量，增加應力波的作用時間，最終提高爆破能量的利用率。

根據礦山現有的爆破經驗，分別針對310 mm和250 mm孔徑的牙輪鉆機的爆破炮孔進行間隔裝藥。通過爆破試驗結果反饋，多次調整爆破孔距、排距、間隔高度等參數，并對炸藥量進行控制，以獲得最優的爆破參數組合。圖2為采用連續裝藥和空氣間隔裝藥的結構示意圖。

3.3 間隔裝藥爆破設計方案

對研山鐵礦2種牙輪鉆機型號（4#鉆孔徑250 m，7#鉆孔徑310 mm）進行間隔裝藥爆破試驗，作業區域分別在西南幫-30 m和西幫-67 m采場。

3.3.1 爆破設計

西南幫-30 m區域巖石性質以第四系泥土、黏土和強化風石英砂巖、中風化鵝卵石為主；當巖石炮區前排為清渣時，第一排不采取間隔裝藥，減少頭排裝藥量，其他部分采取正常的間隔裝藥，頭排填塞高度加高1 m，確保安全；當巖石炮堆前排為壓渣時，所有炮孔均采取間隔裝藥。西幫-67 m采場主要為中風化石英砂巖、硬質石灰巖和黑云變粒巖，巖石硬度較硬，需要適當增加裝藥量。

3.3.2 孔網參數

炮區孔網參數選擇主要來源于爆破規程及爆破過程中實際應用經驗，為進一步提高爆破效果，降低爆破振動，炮區在布置時采用“喇叭口”狀布置方式。表1為本次試驗設計孔網參數。

3.3.3 裝藥量計算

該爆破方案的裝藥量采用反推法，依據爆破震動安全允許震速計算：

式中，Q為一次起爆最大藥量，kg；v為控制的震動速度，cm/s；R為裝藥中心至保護目標的距離，m；k為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數；α為衰減指數。

為確保爆區周圍人員和建筑物等的安全，必須將爆破震動效應控制在允許范圍之內，也就是根據爆破的目的要求和周圍環境情況，按允許最大地震效應原則應用公式計算確定一次允許起爆的最大藥量。如：一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物最大，計算中k和α取值是依照《爆破安全規程》（GB 6722—86）中關于巖石介質的取值范圍確定的，而本次依照采場爆破巖石介質k取180，α取1.8，安全允許震速為3 cm/s。位于露天采場西側的振動檢測站到兩處爆破試驗的直線距離R分別為4#鉆412 m、7#鉆532 m，可計算出最大起爆藥量為8~16 t，選取每孔裝藥600~750 kg，填塞高度h=（20~30）D=6~9 m，不同炮孔爆破裝藥量見表2。

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通過表2計算，為合理控制爆破振動，4#和7#鉆在布孔時，孔數分別控制在15個和20個以內。

4 爆破設計應用及效果

目前該爆破設計方案主要集中在采場西南幫和西幫，并已經逐步在全采場應用。圖3為間隔裝藥爆破試驗振動數值圖，從圖3可以看出，自6月份使用間隔裝藥后振動數值有明顯的降低，并逐漸趨于平穩；振動數值由初期最高值3.78 cm/s降低到0.18 cm/s。4#和7#相比較，2種不同孔徑的設備所產生的爆破爆破數值也有區別，證明該數值和炮區裝藥量也存在直接關系；結合在爆破試驗的現場情況看，7月底、9月中旬等炮區前排為清渣時，振動值明顯較低。

5 結語

對空氣間隔裝藥爆破技術進行了簡要的分析，從裝藥結構對爆破效果的影響入手，通過合理設計空氣間隔裝藥爆破參數，爆破振動效應極大降低，充分保障了生產的穩定。為今后技術人員在降低爆破振動方面提供了一定的經驗。