徑向環形裝藥技術在露天礦臺階爆破中的應用

閆永富 ，王文才

(1.內蒙古科技大學礦業與煤炭學院，內蒙古 包頭 014010；2.包鋼礦業有限責任公司，內蒙古 包頭 014010)

露天爆破作業就是按照一定的塊度要求把礦巖從整體的巖體上剝落下來，并形成一定的爆堆[1]。爆破環節是露天礦礦石生產的主要經濟成本消耗環節[2]，使用少量的炸藥，對礦巖造成較大的傷害，獲得較高的經濟效益是采礦爆破追求的三個極限。吳亮等[3-4]研究顯示柱狀炸藥的實際碎巖爆破能量利用率基本低于40%，大部分的能量作為產生裂縫和振動波而消耗。研究顯示當炸藥的波阻抗與巖石的波阻抗一致時，碎巖能力最佳[5]，因此可以通過調節炸藥的規格形狀等來改變炸藥的波阻抗，進而改善爆破效果。露天礦爆破常見的利用炸藥裝藥結構連續性來控制炸藥做功能力的裝藥方式有間隔裝藥或連續裝藥。宗琦等[6]研究表明，存在內管道效應的炸藥爆速隨著內徑的增大而降低，但是可以最大限度的利用爆破能量來改善介質的破碎效果。技術人員關于藥柱間隔方式對炸藥利用率的探索從未停止，在炸藥的間隔裝藥方式中，有一種徑向環形的間隔裝藥方式是比較特殊的裝藥結構。徑向環形裝藥條件下的炸藥與炮孔壁是耦合的，且在軸向上也是連續的，但是將藥柱的中軸部分設計為空腔結構，對藥柱進行徑向切片后，藥柱是一個呈厚壁環形的結構。徑向環形裝藥結構與其他間隔裝藥的不同之處在于：藥柱是連續的；從起爆具激發炸藥開始，整個傳爆過程都在炸藥中完成；同等裝藥量條件下藥柱高度要高于連續裝藥結構；徑向環形裝藥創造了內管道效應，改變了柱狀藥柱的爆轟傳播作用機理。查閱文獻，關于徑向環形結構在露天礦臺階爆破中的應用研究和分析并不豐富，且工程實例較少，因此需要對該裝藥結構進行應用效果分析。徑向環形裝藥結構如果在爆破工程實例中驗證是可行的，那么以之為基礎的：富水炮孔裝填多孔粒狀銨油炸藥的排水措施研究；克服高臺階爆破底部炸藥由于壓密導致的拒爆；提升柱狀藥柱的炸藥利用率等科研項目都將會有新的啟發和研究方向。

1 徑向環形裝藥

1.1 徑向環形裝藥結構介紹

徑向環形裝藥結構是指在露天礦臺階爆破時，藥柱的空間形態為軸向空腔的環形柱狀體，藥柱的軸向中心部位的炸藥被其他介質取代(見圖1a)。此時的柱狀藥柱成為了空腔狀的厚壁管狀，藥柱的徑向橫切面為環形裝藥結構(見圖1b)。

圖1 徑向環形裝藥結構Fig.1 Structure of radial ring charge

從間隔裝藥的角度考慮，徑向環形裝藥屬于間隔裝藥，因為在藥柱的徑向上炸藥存在空腔的不連續部分。

1.2 徑向環形藥柱與實心柱狀藥柱的傳爆區別

實心柱狀藥柱在爆炸時可以認為是：起爆具由起爆點開始激發炸藥，爆炸能開始從起爆點向三軸方向傳爆，由于爆炸能進入藥柱以后可視為合并成為一個沿起爆點斜向上的傳爆路徑，所以可以認為實心藥柱的傳爆方向是斜向上進行(見圖2)。徑向環形藥柱在爆炸時可以認為是：起爆具由起爆點開始激發炸藥，爆炸能開始從起爆點向三軸方向傳爆，由于存在空腔部位的傳爆阻擋，側向傳爆需要圍繞空腔部位進行環形傳爆，因此向上的爆炸能量的傳播速度要快于側向傳爆(見圖3)。

圖2 實心藥柱傳爆Fig.2 Detonation of solid charge column

圖3 徑向環形藥柱傳爆Fig.3 Detonation of radial annular charge column

由于炮孔壁存在的裂縫或藥柱高度過高等原因，可能會導致炸藥爆炸時空氣沖擊波先于爆轟波超前作用于炸藥，炸藥受到壓縮密度增大，使得激發爆轟的能量需求劇增，導致傳爆不理想[7-8]。徑向環形藥柱在藥柱內的傳爆存在速度差，向上的傳爆在整個徑向環形藥柱傳爆過程中承擔了先導傳爆的作用，改變了原柱狀藥柱的傳爆路徑。這種先導的傳爆作用可以使柱狀藥柱的傳爆由單一方向變為多維度方向。首先向上的傳爆會為藥柱傳爆提供一個先導的方向，隨后的側向傳爆可以減少沖擊波對前端未爆破炸藥的壓實影響，提高炸藥的爆轟率。

1.3 藥柱空腔的有利作用

管道效應也稱為溝槽效應，是指炸藥與容器之間存在不接觸的空腔，炸藥傳爆過程中，沖擊波超前傳播導致未反應的炸藥發生壓實，密度增加而造成拒爆的現象。但是還有一種稱為內管道效應的爆破現象，即炸藥依附在中空管道的內壁，使得原本不能達到爆轟的炸藥量形成穩定傳爆。根據導爆管的傳爆原理，存在內管道效應的炸藥被激發后，沖擊波會伴隨炸藥的爆炸，維持炸藥爆破傳播的能量需要[9]。徑向環形的耦合裝藥形式會在藥柱的中心形成一個徑向截面為圓弧形的空腔，空腔的外壁是炸藥，內壁是非炸藥介質，當外壁的炸藥發生爆炸時，空腔部分就是一個內管道，就會有內管道效應。另外，圓弧形的內壁會形成一個聚能環境，炸藥的爆生產物會在空腔內形成能量較高的引射流。引射流會增加其有效作用范圍內炸藥的內能，甚至造成炸藥局部的能量迅速提升，形成多點起爆的效果，提高整體藥柱的爆轟效果，進而提高炸藥的能量利用率。

1.4 儲能、減緩爆破峰值作用

柱狀藥柱中心的空腔內介質可以起到調節炸藥波阻抗及改變爆破峰值的作用。不論空腔內是空氣還是水，都會對柱狀藥柱的爆破沖擊波傳播造成影響?？諝鈱儆谌菀讐嚎s的介質，在爆炸時極易被壓縮進行儲能。水的可壓縮性較差，當藥柱中心被水取代時，水起到了緩沖和均勻傳壓的作用[10]。關于徑向環形裝藥結構的爆破，軸向中心的空腔內使用空氣介質或水介質哪個效果好，還需要現場實踐進行檢驗。

2 工程應用實例

露天礦臺階爆破屬于施工相對“粗放式”的爆破作業工程，以內蒙古包鋼白云鄂博礦區為例，日均爆破炸藥消耗在210 t以上，這樣的炸藥使用規模要求爆破工作必須具備：快速、簡便、高效、安全這幾個特點。因此在使用徑向環形裝藥技術時，要充分考慮該技術的安全性、現場可操作性和實用性。

2.1 試驗爆區的選擇

白云鄂博礦區的露天臺階爆破平均單孔裝藥量一般不會低于700 kg，用如此巨大的炸藥量進行現場試驗需要極其嚴謹的試驗方案和安全保障措施。關于試驗場地的主要要求為：試驗失敗后礦山生產采掘能承受如此不良爆破事故造成的生產壓力；為了試驗效果的對比鮮明程度以及萬一試驗失敗后可集中處理，要求試驗炮孔分布要集中；為了探索空腔部位采取水介質與空氣介質的效果區別，要求試驗區域內有富水炮孔和無水炮孔。最終經過長期的準備和等待，終于有了一處含有較大面積無用巖(白云巖)的大型爆區符合上述要求，爆區具體參數如表1所示。

表1 爆區基本參數

根據權衡炮孔的試驗對比效果，最終選取了位于爆區中部偏西處的9個孔作為試驗炮孔，試驗爆區(見圖4)9個炮孔均為巖石炮孔，且其中有4個孔為干孔(無水炮孔)，另外5個孔為富水炮孔，孔內水深為4～9 m。

圖4 試驗爆區
Fig.4 Test explosion area

2.2 徑向環形試驗裝置的制作

由于無法采購到試驗需要的徑向環形裝藥裝置，所以需要進行自行加工?？紤]到現場施工的方便性和可行性，所有的徑向環形裝藥裝置零部件均在室內完成加工，到達現場后進行簡單組裝。在充分考慮了裝置在炮孔內的空間定位要求、空腔介質的對比試驗要求后，設計制作出了徑向環形裝藥裝置[11]。徑向環形裝藥裝置設計分為2種：①在壁上設置有滲水孔，可以使得炮孔內的水進入空腔部分，在藥柱中部形成空腔部水介質間隔的徑向環形裝藥裝置(見圖5)；②種是封閉式的結構，藥柱中部的間隔介質為空氣的徑向環形裝藥裝置(見圖6)。

圖5 水介質徑向環形裝藥裝置Fig.5 Water medium radial annular charging device

圖6 空氣介質徑向環形裝藥裝置Fig.6 Air medium radial annular charging device

2.3 現場探索應用

本次試驗共設置1個對照組，2個試驗大組。A組為正常的臺階爆破設計爆區，是對照組；B組為采用直徑為50 mm中空管的試驗大組，下設2個徑向間隔介質試驗小組，其中B1組為徑向空氣介質間隔試驗小組，B2組為徑向水介質間隔試驗小組；C組為采用直徑為75 mm中空管的試驗大組，下設2個徑向間隔介質試驗小組，其中C1組為徑向空氣介質間隔試驗小組，C2組為徑向水介質間隔試驗小組。由于需要兼顧爆破安全需要、爆破質量風險承擔及試驗的可鑒別性，所以本次試驗組沒有實行等額分配，分配如表2所示。由于考慮礦石爆區禁止鐵件進入選礦破碎系統，防止對選礦系統設備造成損壞，所使用的徑向環形裝藥裝置的主要材料為PVC管。

表2 分組信息

為了不影響正常臺階爆破的施工進度，不干擾正常爆破的現場組織，試驗使用的徑向環形裝藥裝置提前放入到了試驗炮孔內，并對炮孔做了標記。當爆區進行現場混裝藥車裝藥時，不需要對試驗的炮孔進行特殊處理，按照爆破設計的施工方案進行施工即可。爆破完畢后，查驗爆堆發現試驗位置的爆堆隆起正常，爆堆上部的巖石塊度與周圍爆堆沒有區別。跟蹤采掘也沒有發現爆堆內部有異常，采掘完畢后，試驗區域的底板高程與周邊一致，現場施工情況如圖7所示。

圖7 施工現場情況Fig.7 Construction site situation

2.4 現場擴大試驗應用

通過小區域的初步試驗，用工程實例證實了徑向環形裝藥技術在保障爆破安全方面是可行的。

初步試驗過程中，發現炮孔內安置的徑向環形裝置的充填介質主要由炮孔水量所決定，另外考慮到硬質管壁的PVC管可以克服管道效應。所以擴大試驗時，徑向環形裝置的直徑均選擇為75 mm，且沒有再對充填介質進行分類、記錄和分析。由于初步試驗的爆破效果存在一定的干擾，所以引入了大塊率，進行了量化分析。本次評價指標所使用的大塊率是指，大塊的體積之和與爆破方量的體積之比，大塊率是反映爆破質量最為直觀的標準。當爆破后爆破物料的礦石或者巖石塊度在某一方向上超過2.3 m或者整體體積超過6 m3(即外觀尺寸的長、寬、高超過1.8 m)時，判定該塊為大塊，該尺寸類型的大塊不利于采掘設備的作業效率，嚴重時造成生產質量事故。利用卷尺對爆區的大塊進行測量和判定，并統計試驗區域與正常施工區域的大塊數量和體積，最終計算得出各區域的大塊率。大塊測量如圖8所示。

圖8 大塊測量Fig.8 Bulk measurement

經統計，徑向環形裝藥區域的爆破大塊率與正常施工區域的大塊率有所不同，但是差異性不明顯，試驗區域單耗要低于正常施工區域的單耗(見表3)。由此可見，在本文的徑向環形內徑與炮孔直徑配比條件下，徑向環形裝藥技術在降低炸藥使用量時，不會造成爆破質量的惡化。

表3 爆破統計

3 結語

1)通過現場試驗，徑向環形裝藥爆破技術在現場實踐操作方面是可行的，且操作也不是很復雜，一般礦山都可以進行使用。

2)在一定的環形直徑條件下，徑向環形裝藥結構在降低炸藥單耗時不會造成爆破質量的劣化，是一種降低炸藥單耗的間隔裝藥方式。

3)由于徑向環形裝藥是一種三軸傳爆的爆破技術，所以是解決高臺階爆破時，底部炸藥受壓致密導致拒爆技術難題的一種思路。另外由于徑向環形裝藥中部存在空腔，所以該技術可用于解決富水炮孔裝填干藥時的炮孔排水難題。

4)在試驗研究過程中由于受到研究技術裝備和生產環境的限制，沒能對徑向環形裝藥結構下炸藥的爆速等參數進行測試和研究，以后可繼續深入研究。