露天爆破合理深孔填塞参数及装药结构的研究

乔明旭

摘要：合理深孔填塞参数及装药结构，在露天矿深孔爆破中，对生产安全和改善爆破效果有着十分重要的作用，在炸药爆炸瞬间，填塞材料在孔壁与高压气体之间的相互作用中起一种“调节伐”的作用。主要是防止高压气体过早外泄，增加高压气体膨胀作用时间，同时也改变了岩石中应力作用形式。采用合理的炮孔装药结构，是有效控制爆破作用，调节岩石破碎块度，提高炸药能量利用率的重要途径之一。

结论：1. 炮孔中安放一定高度的间隔器是改善炸药在炮孔内分布的有效手段，可以提高炸药能量利用率，改善爆破效果。2. 底部空气垫层装药结构与中间空气间隔装药结构相比，前者具有施工简单，爆破费用低等优点，并使爆破效果得到进一步改善。建议矿山采用这种结构。3. 底部空气垫层的存在有利于克服根底。4. 就底部空气垫层装药结构爆破条件下扩大孔网参数问题进一步试验研究（保持炸药单耗不变），以期取得更大的经济效益。进一步研究适合于不同矿岩和爆破技术条件的最优底部空气垫层高度。

关键词: 合理深孔 填塞参数 装药结构

前言

在露天矿深孔爆破中，填塞对生产安全和改善爆破效果有着十分重要的作用。因此，近年来，炮孔堵塞作用问题愈来愈引起人们的重视，许多学者对此进行过专门的研究，并提出各自的观点。一般认为：填塞的作用主要是限制炮孔空腔内爆炸气体赤早外泄，以维持较长时间的炮孔压力。但由于填塞对炸药爆轰和岩石破碎的影响是一个十分复杂的过程，完全解决填塞作用机制问题目前仍十分困难。因此，矿山实际中一般采用的填塞参数都基于生产经验，而往往不能根据生产不能根据生产条件的变化，改变并确定合理的炮孔填塞参数。

露天台阶按装填和破碎特点的不同沿高度可划分为三个区，即非装药区，装药区和超深区，如图所示。在现代露天矿，随着大型钻机的使用，炮孔直径增加到300-350mm，同上时采用了浆状炸药，乳化炸药等高密度炸药，使得孔内药柱中心下移，上部非装药区高度增大。在一些矿山，非装药区高度甚至达到台阶高度的60%以上。在这种情况下，非装药区内岩石的破碎程度对整个台阶爆破效果的影响就更显得突出。同样，在填塞长度变化的情况下，装药区所对应的岩石破碎程度也必将产生相应的变化。因此，通过对装药区与非装药区的破碎程度随填塞参数变化的规律，定量地确定适合于不同爆破条件的合理填塞参数，在实际上都具有重要意义。

在岩石爆破系统中，炮孔，炸药和填塞物构成了该系统的“载荷源”。岩石介质内受载荷作用形式取决于炸药种类、药量、填塞材料、岩石性质和炮孔的几何尺寸等。这些因素的综合作用决定着岩石的最终破碎效果。

在给定岩石种类、炸药、药量及爆破方式的条件下，炮孔填塞就成为影响爆破破碎效果的主要因素。适当的炮孔填塞能加强爆炸气体对周围岩石的作用，改善爆破效果，填塞材料对加强爆炸气体对周围岩石的作用已被大量的生产实践所证实。为此，我就此分析一下有关方面的因素对爆破效果的影响，请同仁们批评及指正。

一、 填塞材料作用

在炸药爆炸瞬间，填塞材料在孔壁与高压气体之间的相互作用中起一种“调节伐”的作用。主要是防止高压气体过早外泄，增加高压气体膨胀作用时间，同时也改变了岩石中应力作用形式。因此，适当地选择材料和填塞方式，可以改变炸药对岩石的作用形式。岩石中应力作用形式的变化使最终爆破破碎效果得以改善。

填塞材料对爆破破碎过程的影响主要是通过改变岩体应力作用形式来完成的。岩石应力值的大小，应力作用时间（超过一定值的应用作用时间）决定了岩石的破碎程度和破碎范围。

与不填塞相比填塞材料能增加应力幅值和延长应力的作用时间。炮孔的装填结构和填塞长度是变化的，不同的装填结构和填塞长度有不同的爆破效果，在装填结构和填塞长度趋于合理时，可取得较好的爆破效果和较规则的漏斗形状，装填结构不合理和无填塞时，则爆破效果很差，漏斗的形状也不规则。

柱状药包的爆轰过程与球状药包不同，爆轰波从柱状药包一端传到另一端需要一定的时间。柱状药包在岩体中产生的应力波波前的一端为球面而与传爆方向一致的另一端却是锥面，其锥度取决于岩体应力波波速与炸药爆轰波速度之比。在漏斗形成过程中，应力波（包括入射波和到达自由面的反射波）和爆炸气体的共同作用形成了爆破破碎漏斗。在集中药包条件下，填塞条件相同时，漏斗的几何尺寸只与炸药量和药包埋深有关。对于柱状药包，除了填塞条件以外，爆破漏斗的几何尺寸还与药柱的长度有关。不同的装填结构和填塞长度有不同的爆破效果。一般情况下，我矿填塞长度是装药长度的二分之一时爆破效果最好。

二、装药结构

在岩石爆破中，一般认为，对于均质、密度大的坚硬岩石来说，爆破所引起的岩体中应力波是使岩石破坏的主要因素。而在比较松软或裂隙发育岩石爆破时，引起其破坏的主要因素则是爆炸气体准静态压力的作用。

采用合理的炮孔装药结构，是有效控制爆破作用，调节岩石破碎块度，提高炸药能量利用率的重要途径之一。在露天深孔爆破中，最常用的装药结构是自炮孔底部由下而上的连续装药。很明显，采用这种装药结构时，药柱重心偏于台阶下部，特别是在炮孔直径增大时，炸药更集中于炮底，而台阶上部炮孔非装药部分长度加大，结果，沿台阶高度炮孔中炸药能量的分布是很不均匀的。为了合理分布能量，提出了改变连续装药结构为间隔装药结构的问题。

装药结构是涉及炸药在炮孔中的分布和炸药能量利用的问题。寻求新的合理的炮孔装药结构，是当今矿山爆破技术进一步发展迫切需要解决的关键问题之一，这对于充分利用炸药能量，改善爆破效果，提高矿山生产能力和经济效益。具有重要意义。

长期以来，露天深孔爆破沿用的是连续装药结构。这种装药结构的突出问题，是药柱重心过度偏于台阶下部尤其是在采用大直径炮孔和高密度炸药的矿山，这种状况更为明显，超深部分装药长度一般可达到1/3-1/2药柱总长度。本来炮孔保持一定超深是为了克服台阶根底，但是，随此而导致台阶上部非装药区高度增大，这部分岩石与爆破中心距离加大而得不到有效破碎，大块增加，不仅如此，超深部分的炸药爆炸还带来许多不良后果，如加剧爆破地震，使下一台阶的上部岩石受到预破碎，这不仅增加钻孔困难，降低钻孔效率，而且也使大块率增加。

研究结果表明，台阶非装药区高度与装药区高度之比存在最优值。但就我国金属矿山露天深孔爆破现状来说，该比值一般均大于最优值，炸药能量沿台阶高度的分布十分不合理。为了改变这种状况，就需要从改善装药结构入手，来调整这一比值。例如，用空气间隔装药结构来代替连续装药结构，一方面，以此来增大台阶上部装药长度，另一方面，空气间隔的存在可起调节爆炸初始压力的作用，减小由于岩石过粉碎而产生的能量损失，并可延长爆炸气体在岩体中的作用时间，增强爆破效应。可见，一定高度的空气间隔的存在，不仅是在几何上提高药柱重心，更重要的是有助于调节爆炸作用。但是尽管如此，由于这种装药结构的装药工艺是间断进行的，效率低，不利于实现机械化装药，所以，没有在现代大型矿山生产中得到广泛应用。为了改变这种情况，有必要进一步改进现有装药结构，克服空气间隔装药结构的缺点，确定新的合理装药结构。底部空气垫层装药结构正是为解决这一问题而被提出来的。

台阶非装药区高度与装药区高度之比存在最优值。但就我国金属矿山露天深孔爆破现状来说，该比值一般均大于最优值，炸药能量沿台阶高度的分布十分不合理，为了改变这种状况，就从改善装药结构入手，来调整这一比值，使之趋于最优值。例如用空气间隔装药结构来代替连续装药结构，一方面，以此来增大台阶上部装药长度，另一方面，空气间隔的存在可起调节爆炸初始压力和作用，减小由于岩石过粉碎而产生的能量损失，并可延长爆炸初始压力在岩体中的作用时间，增强爆破效应，可见一定高度的空气间隔的存在，不仅是在几何上提高药柱重心，更重要的是有助于调节爆炸作用。但是，尽管如此，由于这种装药结构的装药工艺是间断进行的，效率低，不利于机械化装药，所以，没有在大型矿山生产中得到广泛应用。为了改变这种情况，有必要进一步改进现有装药结构，克服空气间隔装药结构的缺点，确定新的合理装药结构，为此，试着采用底部空气垫层装药。

底部空气垫层装药结构的特点，在于空气层（柱）不是位于药柱下端与孔底之间，如附图所示，即在药柱下端存在一个气垫，而空气垫层上面是一个连续药柱，而不像在空气间隔装药结构一样需要分段装药。这就简化了装药工艺，便于实现机械化装药。空气垫层在炮孔底部更有利于调节炸药爆炸初始压力和延长爆炸气体作用时间。空气垫层的存在，使孔底岩石与药柱隔开，超深部分的周围岩石不能受到药柱爆炸的直接作用，虽然如此，根据空气冲击波理论，在适合的爆炸参数条件下孔底周围岩石在强烈空气冲击波作用下，同样将得到充分破碎。

药柱起爆后，当爆轰波传播到达药柱下端与空气垫层间的界面时，高压爆炸气体强烈冲击压缩其前方的空气，从而在气垫中形成一冲击波，自药柱下端向孔底方向传播。与此同时，爆炸气体向气体方面膨胀，其压力将下降，结果在爆轰产物中产生一膨胀波向孔口方向传播。考虑到空气垫层高度较小，且假定在冲击波传播过程中孔壁岩石未发生变形，可以认为冲击波在空气垫层是定常传播当冲击波传播到达孔底岩石时，则将产生反射波。对于坚硬岩石，在冲击波波阵面到达受压缩时，仍可以认为不发生变形。所以从孔底岩石反射的仍是冲击波，在空气垫层传播的冲击波到达岩石表面，反射冲击波波阵面压力急剧增大，达到入射冲击波压力的8－13倍这一强大压力，对岩石产生强烈冲击压缩，并使其破碎。

三、 爆破效果

爆堆形状规整，前后冲距离较小无根底块度较均匀，大块率也有明显下降。大块率较正常生产时爆破低60-70%左右。爆破直接材料费用底部气垫装药结构在经济上也是最佳的。

四、结论

1. 炮孔中安放一定高度的间隔器是改善炸药在炮孔内分布的有效手段，可以提高炸药能量利用率，改善爆破效果。

2. 底部空气垫层装药结构与中间空气间隔装药结构相比，前者具有施工简单，爆破费用低等优点，并使爆破效果得到进一步改善。建议矿山采用这种结构。

3. 底部空气垫层的存在有利于克服根底。

4. 就底部空气垫层装药结构爆破条件下扩大孔网参数问题进一步试验研究（保持炸药单耗不变），以期取得更大的经济效益。进一步研究适合于不同矿岩和爆破技术条件的最优底部空气垫层高度。

参考文献：

[1] 林德余.爆炸时控制岩石破碎程度可能性分析.1965年.

[2] 黑色冶金露天矿爆破技术调查报告.1982年.

[3] 关于填塞状况及作用的研究.1982年.