基于粒狀銨油炸藥的巷道光面爆破技術(shù)及應(yīng)用

王明

摘要：某銅礦礦（巖）體層理裂隙發(fā)育，巷道掘進爆破施工過程中，卷裝乳化炸藥裝藥有時比較困難，爆破效果較差。在總結(jié)巷道掘進施工問題的基礎(chǔ)上，提出采用光面爆破技術(shù)，進行巷道掘進爆破，巷道成型較好，但裝藥效率低、成本偏高等。將散裝粒狀銨油炸藥應(yīng)用于掘進爆破中，通過理論分析，結(jié)合試驗驗證后，進行全面推廣。應(yīng)用結(jié)果表明：將粒狀銨油炸藥應(yīng)用于巷道光面爆破中，能有效提高裝藥效率，爆破效果更趨于穩(wěn)定，同時達到了降本增效的效果，取得了很好的經(jīng)濟和社會效益，也為在國內(nèi)巷道掘進中的推廣應(yīng)用提供了一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：巷道掘進;粒狀銨油炸藥;光面爆破;裝藥效率;爆破效果

引 言

光面爆破技術(shù)作為控制爆破技術(shù)之一，于20世紀(jì)50年代在瑞典興起，60年代中期引入中國后，被廣泛應(yīng)用于井巷、隧道及邊坡工程等領(lǐng)域[1]。聞全等[2]對光面爆破的主要參數(shù)計算原則進行介紹，并指導(dǎo)現(xiàn)場應(yīng)用。彭剛健[3]針對軟弱破碎巖體，提出損傷因素影響下光面爆破參數(shù)計算方法，并進行了現(xiàn)場試驗驗證。自20世紀(jì)50年代以來，以銨油炸藥和乳化炸藥為主的散裝炸藥得到了廣泛應(yīng)用[4]。目前，散裝乳化炸藥廣泛應(yīng)用于巷道掘進爆破中，國內(nèi)粒狀銨油炸藥在巷道掘進中應(yīng)用的相關(guān)報道較少。趙永平等[5]研究了粒狀銨油炸藥的爆轟性能，得到了粒狀銨油炸藥臨界直徑與約束條件等的關(guān)系。謝龍水[6]論述了粒狀銨油炸藥的應(yīng)用現(xiàn)狀等，并評述了粒狀銨油炸藥的適用性，指出散裝粒狀銨油炸藥的使用有助于提高裝藥效率、降低爆破成本。宋占輝[7]介紹了粒狀銨油炸藥在某高速公路隧道掘進中的現(xiàn)場應(yīng)用情況及效果。

某銅礦是一座大型地下開采銅礦山，年采選礦石量150×104 t，礦體為急傾斜層狀沉積泥巖，上下盤圍巖較破碎。在礦山日常掘進中，采用Boomer281鑿巖臺車鉆孔，人工裝卷裝乳化炸藥，爆破后，巷道成型差，且卷裝乳化銨油炸藥的成本偏高。

本文在分析該銅礦爆破原始條件和巷道掘進中存在問題的基礎(chǔ)上，通過計算，得到光面爆破的裝藥和布孔參數(shù)，參考國內(nèi)外粒狀銨油炸藥在巷道掘進中的使用情況，進行粒狀銨油炸藥在該銅礦的現(xiàn)場應(yīng)用試驗研究與推廣，實現(xiàn)了降本增效的目的，取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益，也為國內(nèi)礦山粒狀銨油炸藥的使用起到了一定的指導(dǎo)作用。

1 光面爆破技術(shù)

1.1 爆破初始條件

該銅礦巷道圍巖以礫巖、長石石英巖、礦化板巖為主，層理裂隙較為發(fā)育，整體穩(wěn)定性較差。主礦體巷道斷面規(guī)格為3.80 m×3.55 m的三心拱斷面，面積為12.74 m2，使用阿特拉斯公司生產(chǎn)的Boomer281鑿巖臺車進行巷道鑿巖掘進，孔徑45～48 mm，鉆桿長度3.7 m，鉆孔最大深度3.5 m。

常規(guī)的連續(xù)不耦合裝藥爆破技術(shù)和卷裝乳化炸藥，對于此類巖石的爆破作業(yè)存在一定的不足，如個別炮孔裝藥不充分，不能很好地控制巷道成型，裝藥效率低，成本偏高等。因此，需要采用新的技術(shù)措施，以改善爆破效果。

1.2 周邊孔間距及最小抵抗線

周邊孔間距決定著巷道的輪廓成型，合理的周邊孔間距，在應(yīng)力波的相互作用下，在兩孔連線上疊加的切向應(yīng)力大于巖石的抗拉強度，形成巷道輪廓。

周邊孔間距（a）與最小抵抗線（W）的比值為鄰近系數(shù)（m），即炮孔密集系數(shù)[8]。

鄰近系數(shù)在0.6～1.2取值，巖石堅硬時取大值，相反則取小值，實踐經(jīng)驗表明：m一般取0.8～1.0時效果較好。m值過大，可能造成巷道欠挖;m值過小，則造成超挖。

根據(jù)該銅礦的巖石物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合上述理論分析，為了取得較好的光面爆破效果，巷道頂孔和幫孔間距為550～650 mm。在周邊孔間距確定的情況下，需控制巷道超挖，鄰近系數(shù)m取1.0，則根據(jù)式（1）可計算出，最小抵抗線W為550～650 mm。

1.3 炮孔數(shù)及單孔裝藥量

光面爆破設(shè)計計算時，掘進斷面的炮孔從中心到四周依次是：掏槽孔、擴槽孔、輔助孔、周邊孔（頂孔、幫孔及底孔）。爆破采用2個大孔直孔掏槽方式，掏槽大孔采用擴孔鉆頭對掏槽孔擴孔形成，直徑102 mm，不裝藥。

經(jīng)式（2）計算，巷道斷面需要布置41個炮孔，加上2個掏槽空孔，共布置炮孔43個。其中，包含掏槽孔8個（包含2個空孔），擴槽孔4個，輔助孔10個，頂孔和幫孔15個，底孔6個。每種類型炮孔的裝藥系數(shù)、鑿巖孔深、所用卷裝藥的單卷質(zhì)量和長度，以及根據(jù)式（3）計算的爆破參數(shù)見表1。掘進斷面炮孔布置見圖1。

1.4 裝藥結(jié)構(gòu)及炮孔堵塞

掏槽孔、擴槽孔、輔助孔及底孔采用連續(xù)不耦合裝藥;頂孔和幫孔的光爆孔采用空氣柱間隔不耦合裝藥，捆綁在竹坯子上，導(dǎo)爆索連接爆破，裝藥結(jié)構(gòu)見圖2。 所有炮孔均用炮泥機專門制作的炮泥堵塞，堵塞長度不小于0.4 m。

1.5 現(xiàn)場應(yīng)用

光面爆破技術(shù)在該銅礦成功進行推廣應(yīng)用，能很好地控制巷道成型，超欠挖（±20 mm）現(xiàn)象從15 %降低至6 %，平均每炮進尺由2.7 m增至3.0 m，提高了11.1 %。同時也降低了撬毛、清底等輔助作業(yè)時間，更有利于施工安全。

2 粒狀銨油炸藥的應(yīng)用

2.1 掘進裝藥過程中的問題

光面爆破現(xiàn)場應(yīng)用后，巷道的成型有明顯改善，光爆孔的孔痕率達到70 %以上，但由于礦巖體的層理裂隙較為發(fā)育，巷道掘進施工過程中仍存在以下問題：

1）鑿巖臺車鉆孔過程中，由于節(jié)理裂隙發(fā)育，炮孔內(nèi)會有碎屑積留，使得工人使用炮棍裝藥困難。

2）鑿巖臺車在完成整個作業(yè)面后，裝藥時仍需要洗孔，鑿巖臺車需要原地等待，或者人工清理炮孔里的殘渣，影響鑿巖臺車作業(yè)效率，工人的作業(yè)效率也受到影響。

3）實際的平均炮孔利用率為90 %，炸藥單耗為2.70 kg/m3，若要降低爆破成本，需要找到卷裝乳化炸藥替代品。

總之，降本增效是巷道掘進過程下一步的主要工作，需要找到技術(shù)上切實可行的解決辦法。

2.2 粒狀銨油炸藥替代卷裝乳化炸藥的可行性分析

根據(jù)文獻[5]中2種粒狀銨油炸藥臨界直徑與約束條件的關(guān)系：粒狀銨油炸藥的臨界直徑均隨著約束條件的增強而減小，PVC管約束的炸藥臨界直徑為45 mm;而鋼管約束時，粒狀銨油炸藥ANFO的臨界直徑為25 mm。

由現(xiàn)場實際情況可知，巖石對于炸藥的約束強度在鋼管和PVC管之間，因此在巖石中，粒狀銨油炸藥臨界直徑（dL）的取值為25 mm ≤dL≤45 mm。由爆破初始條件可知，該銅礦掘進面的炮孔直徑為45～48 mm，則粒狀銨油炸藥能夠?qū)崿F(xiàn)理想爆轟，可用于巖石巷道掘進面，替代卷裝乳化炸藥。同時，該銅礦現(xiàn)場采用壓氣裝藥，也能夠明顯改善粒狀銨油炸藥的爆轟性能[5]。

2.3 應(yīng)用及效果

由文獻[6]和文獻[7]可知，粒狀銨油炸藥在國外礦山的巷道掘進中應(yīng)用較多，此種炸藥采用風(fēng)動裝藥器裝藥，在裝藥的同時，更便于洗孔，而且單價相對較低，有助于實現(xiàn)降本增效。考慮到光面爆破技術(shù)的應(yīng)用，將爆破設(shè)計中的5#～8#掏槽孔、9#～12#擴槽孔和13#～22#輔助孔采用粒狀銨油炸藥替代卷裝乳化炸藥，只在孔底裝1卷卷裝乳化炸藥插入雷管作為起爆藥包。粒狀銨油炸藥采用AEL公司（非洲爆破有限公司，African Explosives Limited）生產(chǎn)的便攜式小型風(fēng)動裝藥器裝藥（見圖3），線裝藥密度為1.0 g/cm3，裝藥系數(shù)仍按照表1中的數(shù)據(jù)執(zhí)行。

根據(jù)制定的應(yīng)用方案，在某礦體進行現(xiàn)場工業(yè)試驗，由試驗結(jié)果可知：裝藥過程中可以用高壓風(fēng)先清洗炮孔，不需要臺車洗孔，間接提高了臺車的作業(yè)效率，同時更有利于實現(xiàn)孔內(nèi)連續(xù)裝藥，進而達到更好的爆破效果;41個裝藥孔中的18個采用粒狀銨油炸藥替代卷裝乳化炸藥，實現(xiàn)風(fēng)動快速裝藥，使得單作業(yè)面裝藥時間節(jié)省15 %左右;最重要的是，粒狀銨油炸藥的使用能有效降低炸藥的使用成本，降本增效的效果顯著。

散裝粒狀銨油炸藥單價為0.82美元/kg，卷裝乳化炸藥單價為1.70美元/kg，單作業(yè)面采用粒狀銨油炸藥爆破后，使用的炸藥總量為45.0 kg的粒狀銨油炸藥和62.3 kg的卷裝乳化炸藥，共計142.81美元，而都使用卷裝乳化炸藥的直接炸藥成本則是173.06美元，單作業(yè)面直接炸藥成本降低30.25美元（17.5 %）。據(jù)統(tǒng)計，2019年2—8月的6個月，散裝粒狀銨油炸藥的使用率已經(jīng)達到30 %以上，使用量為135 t，直接節(jié)省成本達到11.88萬美元。

3 結(jié) 論

1）光面爆破技術(shù)的應(yīng)用，使巷道的成型得到明顯改善，超欠挖（±20 mm）現(xiàn)象從15 %降低至6 %，平均每炮進尺由2.7 m增至3.0 m，提高了11.1 %，光爆孔的孔痕率達到70 %以上，更有利于施工安全，但卷裝乳化炸藥用于巷道掘進仍存在勞動強度大、成本偏高等不足。

2）經(jīng)理論分析，結(jié)合現(xiàn)場試驗結(jié)果可知，粒狀銨油炸藥能夠用于巷道掘進爆破施工，單作業(yè)面節(jié)省裝藥時間15 %以上，直接炸藥成本降低30.25美元。

3）粒狀銨油炸藥在該銅礦巷道掘進中的推廣應(yīng)用表明，粒狀銨油炸藥的使用能夠提高工人和臺車設(shè)備的作業(yè)效率，降低炸藥成本，達到較好的降本增效的目的，其成功經(jīng)驗值得其他礦山借鑒。

[參 考 文 獻]

[1] 周志強，易建政，王波，等.控制爆破技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2010，30（3）：103-108.

[2] 聞全，楊立云，矯偉剛，等.光面爆破在快速掘進中的應(yīng)用[J].中國礦業(yè)，2008，17（2）：59-61.

[3] 彭剛健.巖體巷道光面爆破參數(shù)的分析與應(yīng)用[J].中國礦業(yè)，2009，18（10）：103-106.

[4] 吳統(tǒng)順.散裝炸藥在地下金屬礦山的應(yīng)用[J].長沙礦山研究院季刊，1983，3（3）：12-20.

[5] 趙永平，秦虎.粒狀炸藥爆轟性能影響因素研究[J].有色金屬（礦山部分），2007，59（6）：32-34.

[6] 謝龍水.粒狀銨油炸藥在礦山巷道爆破掘進中的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展前景[J].有色礦山，2003，32（5）：15-18.

[7] 宋占輝.淺析ANFO銨油炸藥在隧道工程中的應(yīng)用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015（3）：186-187.

[8] 高爾新，楊仁樹.爆破工程[M].徐州：中國礦業(yè)出版社，2005.