影响露天矿台阶爆破效果的因素分析

2010-11-15张新光

采矿技术 2010年5期

关键词：药卷露天矿炮孔

方伟,张新光,2

(1.洛阳栾川钼业集团股份有限公司矿山公司, 河南栾川县 471542;2.中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)

影响露天矿台阶爆破效果的因素分析

方伟1,张新光1,2

(1.洛阳栾川钼业集团股份有限公司矿山公司, 河南栾川县 471542;2.中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)

爆破作业是矿山生产的一个重要环节,爆破效果的好坏直接影响矿山的经济效益,分析了影响露天台阶爆破效果的 4个主要因素:炸药性能、装药结构、起爆方式、起爆网络,并结合三道庄钼矿的实际情况,详细介绍了影响台阶爆破效果的一些重要因素和数据,为改善矿山爆破效果提供了一些参考。

台阶爆破;炸药性能;装药结构;起爆方式;起爆网络

洛钼集团三道庄露天矿是我国大型的有色矿山之一,也是我国主要的钼原料基地。1969年建矿(当时为地下矿),1998年开始筹建露天矿,2002年实现全面露天开采。目前矿山生产规模为年产钼矿石 1100多万 t,采剥总量 3500多万 t,边坡最大高差228 m(即 1294～1522 m水平),一次爆破量一般为15～30万 t,最大一次为 120万 t以上。

目前,三道庄露天矿的台阶爆破技术已趋于成熟,长期工作在生产一线的爆破工程技术人员先后对影响爆破效果的数十个因素进行了大量的试验研究,其中包括炸药参数、爆破参数、岩体结构与力学特征等各种不同类型的因素。然而,由于理论分析和现场试验的目的不同,以及受各种客观条件的限制,不可能也不必要将各个影响因素都反映出来。本文作者就炸药性能、装药结构、起爆方法及网路的共性问题结合三道庄露天矿的工程实例进行了分析研究。

1 炸药性能对爆破效果的影响

炸药的密度、爆热、爆速、做功能力和猛度等性能指标,反映了炸药爆炸的威力,直接影响爆炸效果。增大炸药的密度和爆热,可以提高单位体积炸药的能量密度,同时提高炸药的爆速、猛度和爆力。但是品种、型号一定的工业炸药其各项性能指标均按相应的国家标准或行业标准确定其性能指标,作为工业炸药的用户,矿山工程爆破技术人员一般不能变动这些性能指标。即使像铵油炸药、水胶炸药或乳化炸药这些可以在现场混制的炸药,过分提高其爆热,也会造成炸药成本的大幅度提高。另外,工业炸药的密度也不能进行大幅度的变动,例如当铵锑炸药的密度超过其极限值后,就不能稳定爆轰。

爆速是炸药本身影响其能量有效利用的一个重要性能指标。不同爆速的炸药,在岩体内爆炸激起的冲击波和应力波的参数不同,从而对岩石爆破作业及其效果有着明显的影响。炸药与岩石的匹配问题在以前常规爆破中常不予重视,但由于炸药与岩石匹配问题确实对爆破效果产生较大影响,在特殊条件下的爆破,或要求较高的控制爆破中就不得不考虑炸药与岩石的匹配关系,如在光面预裂爆破中为了保护坡面的完整平直,则需用低爆速炸药。为提高炸药能量的有效利用率,炸药的波阻抗尽可能与所爆岩石的波阻抗相匹配 (比值尽可能接近 1),因此,岩石的波阻抗愈高,所选用炸药的密度和爆速应愈大。

在炸药爆轰参数的计算中,爆速和爆压是最重要的两个特性参数。炸药界对此除了进行理论上的全面和准确的研究预报外,还总结、研究了许多计算爆速和爆压的经验和半经验方法[1]。这些经验计算方法快速有效,精度符合要求,为炸药合成、设计提供了得心应手的工具。

2 装药结构对爆破效果的影响

穿孔爆破中装药结构对爆破的影响很大,根据炮孔内药卷与炮孔、药卷与药卷之间的关系以及起爆位置,三道庄露天矿常见的装药结构可以分为以下几种:

(1)按药卷与炮孔的径向关系分为耦合装药和不耦合装药。耦合装药药卷与炮孔直径相等或采取散装药方式 (见图1(a)),不耦合装药药卷与炮孔在径向有间隙,间隙内可以是空气或其它缓冲材料,水、岩粉等 (见图1(b))。

(2)按药卷与药卷在炮孔中轴向的关系分为连续装药和间隔装药。连续装药各药卷在炮孔轴向紧密接触 (见图1(c)、图1(d)),间隔装药药卷之间在炮孔轴向上存在一定长度的空隙,空隙内可以是空气、岩粉、木垫或其它材料 (见图1(e))。

图1 装药结构

2.1 不耦合装药对爆破效果的影响

在一定的岩石和炸药条件下,采用不耦合装药或空气间隔装药可以增加炸药作用于破碎或抛掷岩石能量的比例,提高炸药能量的有效利用率、改善岩石破碎的均匀度、降低大块率、提高铲装效率,还能降低炸药消耗量,有效地保护边坡免遭破坏。这两种装药结构,特别是不耦合装药结构在光面爆破和预裂爆破中得到了广泛的应用。

空气间隔装药还有以下优点:

(1)降低了作用在炮孔孔壁上的冲击压力峰值。若冲击压力过高,在岩体内激起冲击波,产生粉碎区,使炮孔附近岩石过度粉碎,就会消耗大量能量,影响粉碎区以外岩石的破碎效果。

(2)增加了应力波作用时间。在相同试验条件下,从图2中可以看出,空气间隔装药激起的应力波峰值减小,应力波作用时间增长,应力变化比较平缓。

(3)增大了应力波传给岩石的冲量,而且使冲量沿炮孔较均匀分布。

2.2 充填的作用

充填的目的是保证炸药充分反应,使之产生最大热量,防止炸药不完全爆轰;防止高温高压的爆轰气体过早地从炮孔逸出,使爆炸产生的能量更多地转换成破碎岩体的机械功,提高炸药能量的利用率。另外合适的充填还可以大大降低出现飞石的比率。

图2 连续装药和空气间隔装药激起应力波波形的比较

从图3可以看出,有充填的炮孔明显增大了爆轰气体在孔壁上的压力 (后期压力)和压力作用时间,从而大大提高了对岩石的破碎和抛掷作用[2]。现在三道庄露天矿使用的充填经验公式如下:

式中:H——充填高度,m;

μ——充填系数 (18～28),坚硬岩石取小值,软岩取大值;

D——炮孔直径,m。

图3 充填对爆破作用的影响

2.3 起爆位置的影响

在炮孔爆破法中,根据起爆点在装药中的位置和数目,将起爆方式分为正向起爆、反向起爆和多点起爆[3]。

试验和经验表明,起爆点位置是影响爆破效果的重要因素。在岩石性质、炸药用量和炮眼深度一定的条件下,与正向起爆相比,反向起爆可以提高炮眼的利用率,降低岩石的夹制作用和大块率。在炮眼较深,起爆间隔时间较长以及炮眼间距较小的情况下,反向起爆可以消除采用正向起爆时容易出现的起爆药卷被临近炮眼内的装药爆破“压死”或提前炸开的现象。

与正向起爆相比,反向起爆也有不足之处。例如,需要长脚线雷管,装药比较麻烦;在有水深孔中起爆药包容易受潮;装药操作的危险性增加,机械化装药时静电效应可能引起早爆等。

国内外试验研究表明,在较长药包中,不论雷管朝向何方,在起爆点前方和后方一定距离内爆破效力最强,距离爆源愈远,爆破效果愈差。因此在较长的条状药包爆破时 (即深孔爆破时),为提高爆炸能量利用率,应采用多点起爆。

3 起爆方法及网路

电力起爆存在施工复杂、受环境影响较大等缺点;导爆索索起爆法的优点是操作简单、安全性好、传爆速度快等,缺点是成本较高,容易产生噪声和飞石;导爆管起爆法同时具有电力起爆和导爆索起爆系统的优点,能够适应各种不同条件的爆破工程[4]。

采用导爆管起爆网络可以形成孔内微差爆破和孔外微差爆破,从而达到减小爆破震动和爆轰冲击波、减低大块率的目的,还可以控制岩石的抛掷方向,从而在矿石和岩石分界的地方实现矿岩分离[5,6]。

图4为三道庄露天矿日常爆破中的一个典型爆破设计,该网络采用的是孔外微差爆破,孔内和孔外使用的都是高精度导爆雷管,起爆点选在自由面最好的左上方,控制排用的是延时 25 ms的孔外管,雁行列用的是延时 42 ms的孔外管,最后一排为了减低爆破反冲使用的是延时 65 ms的孔外管,孔内统一使用延时 400 ms的孔内管。