混裝乳化炸藥配方對炸藥-巖石匹配效果影響研究*

趙明生，黃勝松，周建敏，陶 明

(1.保利新聯爆破工程集團有限公司，貴陽 550002；2.貴州大學，貴陽 550002；3.中南大學，長沙 41000)

現場混裝乳化炸藥具有生產工藝簡單，在生產、運輸、儲存等環節均屬于半成品，無雷管感度，安全可靠等優點，被廣泛應用于各大型露天礦山爆破作業[1]。研究混裝乳化炸藥配方與巖石合理性匹配關系，對改善爆破效果，提高炸藥能量利用率，降低爆破成本顯得尤為重要。炸藥性能與巖石性質匹配主要有：波阻抗匹配、全過程匹配和能量匹配等[2]。波阻抗匹配觀點認為：炸藥波阻抗和巖石彈性波阻抗相等時，炸藥能量利用率最高，郭子如等人認為套用沖擊波正入射波傳統波阻抗理論忽略了后續爆炸氣體的作用，同時應力波的傳遞過程過于簡化[3]；全過程匹配則認為應將巖石、炸藥和爆破設計參數納入一個體系來研究考慮炸藥與巖石相互作用全過程的能量傳遞關系；能量匹配的觀點認為只要破碎巖石需要的能量和炸藥產生的能量相近，就可以通過增減裝藥量以適應巖石的強度[4,5]。趙明生、鄭長青、葉海旺等引入神經網絡方法，綜合考慮巖石性質參數、爆破現場條件和爆破效果要求，提出了不同類型的基于神經網絡的炸藥性能參數和巖石匹配方法[6-8]。在實際工程中，全過程匹配和能量匹配理論匹配方法難以應用，目前廣泛使用的仍然是波阻抗匹配理論[9]。

為研究混裝乳化炸藥不同配方對炸藥-巖石匹配效果的影響，以新疆某露天煤礦現用混裝乳化炸藥配方為基礎，通過理論分析出配方不同組分對炸藥波阻抗的影響，找出影響炸藥波阻抗的因素，并對炸藥能量利用率進行計算。根據巖石地質條件及炸藥能量利用率，設計出不同的炸藥配方，使炸藥-巖石匹配更加合理[10]，從而實現改善炸藥性能、提高炸藥能力利用率、優化提高爆破效果，降低企業生產成本的目的。

1 混裝乳化炸藥配方組分對炸藥波阻抗的影響分析

1.1 混裝乳化炸藥爆炸性能計算

混裝乳化炸藥主要由C、H、O、N元素組成，其爆炸性能參數主要有爆熱、爆溫、爆容、爆速、猛度等，其中爆熱是炸藥做功的能源，爆容是炸藥對外做功的介質，其它爆炸參數如爆溫、爆速、爆壓都與爆熱和爆容有關，因此，在進行配方設計時必須兼顧爆熱和爆容兩個最重要的化學參數。

1.1.1 爆熱的理論計算

計算爆熱前通過采用B-W規則確定炸藥爆轟產物(B-W規則見表1)，建立爆炸反應方程式，采用蓋斯定律計算炸藥的爆熱。

表 1 B-W規則Table 1 B-W Rules

1.1.2 爆容的理論計算

爆容數值越大說明爆炸氣體產物越多，做功效率越高。常用公式(1)計算爆容。

(1)

式中:V為炸藥的爆容；∑nj為氣體爆轟產物總的摩爾數；mi為炸藥i組分的摩爾數；Mei為炸藥i組分的分子量。

1.1.3 爆速的理論計算

工程中常用爆轟流體動力學理論的近似理論方程估算炸藥的爆速公式(2)

(2)

式中：D為爆速，m/s；Qv為理想爆熱，kJ/kg；k為爆轟產物局部等熵指數。

1.2 爆轟參數計算應用例

以新疆某露天煤礦現用炸藥配方為例(見表2)，分別計算爆熱、爆容、爆速。取1 kg炸藥為計算基準，并計算炸藥中各組分物質的量(見表3)。

根據B-W規則，建立爆炸反應方程式

C4.348H62.042O37.458N20.68→31.02H20+2.1CO2

+2.3CO+10.3N2

(3)

根據蓋斯定律計算爆熱時需炸藥各組分的定容生成焓、爆轟產物的定容生成焓，見表4。

表 2 現用混裝乳化炸藥配方Table 2 Formula of mixed emulsion explosive used now

表 3 炸藥中各組分物質的量Table 3 Quantities of each component of explosive

表 4 各物質定容生成焓Table 4 Enthalpy of formation at constant volume of each substance

該配方的爆炸性計算結果見表5。

表 5 爆炸性能計算結果Table 5 Results of explosive performance calculations

1.3 不同組分含量對炸藥性能及波阻抗的影響

根據波阻抗理論，炸藥波阻抗是炸藥密度與爆速的乘積。根據工程實際情況混裝乳化炸藥密度通常控制在1.15～1.25 g/cm3之間。不同配方炸藥的理論爆速通過計算得出。為找出不同配方對炸藥波阻抗的影響，共設計10組不同含量組分的配方(油相材料組分含量保持不變)，并計算出相應的爆轟參數和炸藥波阻抗。見表6。

表 6 不同組分含量的爆炸性能及波阻抗的影響Table 6 Explosive properties of different components and the influence of wave impedance

從表6可以看出，炸藥組分中硝酸銨含量與爆熱、爆速、炸藥波阻抗成正相關。隨著硝酸銨含量增加爆速、爆熱、波阻抗均增加，反之則減少；隨著硝酸銨含量增加爆容減少，反之增加。

2 工程應用

2.1 工程概況

礦田位于科克塞爾克山與紙房盆地的交接處，地形總體趨勢北高南低、東高西低，地貌形態為殘丘狀剝蝕平原，地層主要由第四系松散巖類、侏羅系沉積碎屑巖類組成，沉積碎屑巖的各類巖石，其單層厚度沿走向方向的變化較大，可由數厘米變化到數米，尤其以砂巖最為明顯，沿走向、傾向變化極大。在1228平盤、1180平盤均多次出現大塊的情況。

2.2 實驗數據分析

為研究該平盤巖石性質，分別對1228平盤、1180平盤的巖石取樣進行巖石力學實驗并對巖體進行聲波檢測計算出巖石波阻抗，見表7、表8。

表 7 巖石力學參數表Table 7 Rock mechanics parameters table

表 8 不同平盤巖石波阻抗Table 8 Wave impedance of different flat disk rock

根據文獻[4]可知炸藥巖石波阻抗匹配存在比較好的匹配范圍為0.8～1.7。表8可以計算出1180平盤、1228平盤巖石炸藥匹配系數分別為2.17和2.69。1180和1280平盤上易出現爆破大塊主要原因是炸藥能量與巖石阻抗匹配不合理導致。見圖1。

圖 1 平盤大塊Fig. 1 Flat disk block

2.3 不同配方的選擇

不同巖石阻抗不同，破壞時所需應力波峰值不同。對高阻抗巖石，巖石的破壞主要取決于應力波(包括入射波和反射波)，應選用爆壓和爆速都較高的炸藥；對中阻抗巖石，巖石的破壞主要是入射應力波和爆生氣體共同作用的效果，宜爆壓、爆速適中的炸藥；對于低阻抗巖石，巖石的破壞主要以爆生氣體破壞為主，適合選擇爆熱高的炸藥。不同巖石推薦選用炸藥見表9。

表 9 不同巖石推薦選用的炸藥性能Table 9 Exploite properties recommended for different rocks

從表8、9可以看出，1228平盤適合用爆速為4000 m/s的炸藥；1180平盤適合用爆速為3000 m/s的炸藥。考慮到現用配方實際檢測爆速與理論爆速比值為72.9%，經換算1228平盤所需炸藥理論爆速為5400 m/s；同理1180平盤所需炸藥理論爆速為4100 m/s。根據表5的理論計算在現有配方的基礎上對配方組分進行刷選優化。優化后的配方見表10。

表 10 優化后的混裝乳化炸藥配方Table 10 Optimised formula for mixed and emulsified explosives

2.4 應用效果

爆破后巖石塊度作為爆破效果好壞的評價指標，采用Split-Desktop4.0軟件對礦區爆堆巖石塊度進行統計分析，見表11。

表 11 數據統計分析Table 11 Statistical analysis of data

從表11可以看出，對比原配方的爆破效果，優化后的配方大塊率從18.7%分別降至11.9%，12.2%。同時炸藥單耗還略有下降，表明可通過調整混裝乳化炸藥組分含量的方式調整炸藥與巖石匹配系數，使其匹配更加合理。見圖2。

圖 2 塊度分析Fig. 2 For block degree analysis

3 結論

通過理論計算，分析了混裝乳化炸藥配方中各組分含量對爆炸性能及炸藥波阻抗的影響。結果表明，爆熱、爆速、炸藥波阻抗均隨硝酸銨含量的增加而增大；爆容隨著硝酸銨含量的降低而減少，反之則增大。通過設計硝酸銨含量分別為75%、78%的炸藥配方進行現場爆破，其爆破塊度巖石大塊率降低了6.5%～6.8%。說明通過調整炸藥組分中硝酸銨含量可改變炸藥阻抗及爆轟參數，使炸藥性能可根據不同巖石性質進行調整，實現炸藥匹配的多樣化。