新型聚能药柱在东鞍山铁矿的研究及应用

李 林，郭连军，张大宁

（辽宁科技大学，辽宁 鞍山114051）

1 研究背景

本项试验研究以东鞍山铁矿的大孔径聚能不耦合装药预裂爆破为背景。然而预裂爆破在矿山、水利水电和交通设施构筑等工程爆破领域内得到了广泛应用，并取得了良好的综合效益。在控制预裂缝形成的主要理论和工程方法中，聚能爆破越来越受关注，国内外学者在聚能爆破理论、聚能预裂爆破和不耦合装药结构上进行了大量的工业试验与研究［1］，并取得了较好的实用效果。

近年来，工程爆破研究人员在长期研究与实践的基础上，总结和提出了采用聚能爆破进行预裂爆破和光面爆破［2］，并对聚能药型罩和装药射流［3］以及影响聚能爆破装药射流［4］的因素等进行了深入研究，成功完成了多座露天矿山边坡［2］、露天矿二次爆破破碎［5］、地下矿井巷浅孔或深孔快速掘进、水电交通设施预裂和光面爆破，积累了丰富的理论基础和实践经验，为新型聚能药柱爆破的研究和应用奠定了坚实的理论与实践基础［1］。

在大型水电工程边坡开挖中的边帮爆破、城市建设中的岩土爆破或基坑开挖爆破、尤其是大型露天矿山大孔径开采中的靠帮爆破和某些非金属矿山的生产爆破等均有一些共同要求，即：面对大孔径爆破，减轻炸药对边帮的破坏，保护边帮的完好性，进而降低边坡的维护费用；降低爆破地震波强度、减轻爆破对边坡或周围建筑物的振动破坏，减轻炮孔周围的过度粉碎［6］。为实现这些要求，运用新型聚能药柱爆破变得十分重要。

2 新型聚能药柱简析及爆破原理

聚能爆破是应用聚能效应破碎岩石。由于聚能穴的存在，聚能药包爆炸产物运动方向几乎垂直于聚能穴表面，在聚能穴上形成速度快且穿透力强的高能射流［7］，随着聚能流逐渐成型汇聚，在聚能焦点处获得最小断面、最大密度与速度。聚能流的成型效果与焦距（聚能穴底面到焦点处的距离）和炸药爆轰速度有关，炸药的爆轰速度越高，焦距就越小，聚能效应就越强；随着炸药爆速的下降，焦距变大，聚能效应也随之减小［5］。

由于聚能爆破的优点［6］，该项技术的设计和开发在国民经济中将产生巨大的影响，该技术在民用领域特别是在复杂条件下岩体的预裂爆破中有巨大的应用前景。全国数百座大型露天矿山的边坡维护如果能采用新型聚能药柱预裂爆破技术，每年可节省近亿元的边坡维护费用，还可减少潜在的边坡危害所引起的设备损失和停工损失数亿元，此外该技术还成功地应用于矿山二次爆破和结构物拆除爆破。该项技术的开发和应用必将为露天矿山边坡维护、井下掘进等工程提供可靠的理论基础和技术方案。

2．1 新型聚能药柱简介

新型聚能药柱（如图1所示）材质为PVC管，通过特殊加工成型，图中聚能药柱长2 000mm，外直径160mm，壁厚2mm，聚能穴内圆心角60°，外圆心角157°，聚能穴和外管之间通过卡槽衔接并涂有PVC材质专用液体胶和PVC粉末混合而成的乳胶，坚固且可承受较强压力。可根据炮孔深度来调整聚能药柱的长度，彼此通过PVC管套连接，采用聚氯乙烯膨胀螺丝铆接，外围支撑采用厚50mm的泡沫环，每隔2m加套一个支撑环，可保证药柱不在炮孔内摆动。

图1 新型聚能药柱实体Fig．1 New energy－focusing grain entity

药柱的加工按照图2所示新型聚能药柱结构剖面图进行，将加工成型的药柱运送至所需爆破现场，然后进行组装成为图3所示药柱实体，将其放入炮孔内等待后续操作。

2．2 新型聚能药柱爆破原理

图2 新型聚能药柱结剖面图Fig．2 Cross－sectional view of new energy－focusing grain

图3 新型聚能药柱连接实体Fig．3 The connected entity of new energy－focusing grain

聚能效应（图4所示）是指利用爆炸产物运动方向与装药表面垂直或大致垂直的规律，做成特殊形状的装药［8］，使能量集中，把爆轰气体产物转化为高速射流物质，形成聚能流。在节理裂隙发育和原岩应力复杂条件下，由于聚能效应的作用，高速射流所产生的切割裂缝具有沿切割缝稳定延伸的规律，爆轰压力越高，射流速度越大，破裂效果越好。同时由于射流作用，可以有效控制射流方向，控制其裂缝的生成［7］。

新型聚能药柱用于露天台阶预裂爆破，下部装填炸药处贯通缝形成的机理，主要有应力波叠加干扰原理、爆生气体准静压力作用原理和应力波与爆生气体综合作用原理［9］。应力波叠加干扰原理侧重于冲击波作用，而爆生气体准静压力作用原理则着眼于爆炸气体高压作用下的静应力作用；上部用于填塞处，主要通过炸药垂直方向上的能量和下部炸药爆炸能量的传递共同作用。从而使岩石在水平和垂直方向上形成连续的贯通裂缝。

新型聚能药柱采用双向线性弧形聚能（图5），当炸药爆炸时能在轴向的两个弧形聚能穴上产生高速聚能流，切割聚能穴所对方向的岩石，多个聚能药柱在一个方向上排列，使聚能穴同向，形成线性聚能切割器，提高了裂缝的贯通率。

图4 聚能效应示意图Fig．4 Energy－focusing blasting effect

图5 双向弧形聚能示意图Fig．5 Energy－focusing blasting effect of bidirectional arc

3 现场试验及其结果对比分析

3．1 现场试验方案

评价预裂缝的效果主要从以下几个方面进行：

1）预裂缝的实际成型效果及尺寸；

2）开挖之后帮体的平整度和半孔率；

3）主爆对台阶边帮及时和后期稳定性的影响。

实际预裂爆破效果主要通过观察预裂缝尺寸和计算所形成的半孔率；并通过IDTS－3850Seismograh型爆破振动记录仪对离爆区30m、50m、150m处的爆破振动信号进行监测和采集，然后通过分析振动主频、振幅和振动延时，确定爆破振动影响程度。IDTS－3850Seismograh型爆破振动记录仪是一种便携式仪器，主要用于对地震波、机械振动和各种冲击信号进行记录、数据分析、结果输出、数据存储，其主要特点是体积小、操作简单、工作时间长、信号分辨率高，最小可分辨率0．001 6cm／s，精度可达0．5%，同时可进行三维振动同步记录，坚实耐用。

东鞍山铁矿台阶深孔预裂爆破是采用牙轮钻机钻出预裂炮孔，然后装填少量炸药进行预裂爆破，同时做好爆破振动信号采集和开挖后预裂缝的观测以及半孔率的计算。其爆破参数如表1、2所示。

表1 东鞍山铁矿台阶深孔预裂爆破爆破参数Table 1 Level cracking blasting parameters of Donganshan Iron Mine

在使用新型聚能药柱进行预裂爆破时，先按照上述爆破参数钻出预裂炮孔；再把新型聚能药柱按每隔两空装入炮孔中，不耦合系数为1．56；然后采用装药车装药，每孔装药60kg；最后进行预裂爆破，同时做好爆破振动信号采集和开挖后预裂缝的观测以及半空率的计算。

表2 新型聚能药柱预裂爆破爆破参数Table 2 New energy－focusing grains of blasting parameters

3．2 试验结果对比和分析

经多次试验结果如下。

图6和图7可以观察出传统预裂爆破和使用新型聚能药柱预裂爆破的成缝效果。传统预裂爆破产生的裂缝时有时无，裂缝较浅，给后续的开挖带来很大的难度；使用新型聚能药柱预裂爆破产生的裂缝宽大且深，所能打开的孔间距离长，比较连续。说明采用新型聚能药柱预裂爆破成缝效果明显优于传统预裂爆破。

图8和图9可以观察出传统预裂爆破和新型聚能药柱预裂爆破开挖后平整度和半孔效果。传统预裂爆破开挖后帮体比较粗糙，可活动碎石较多，半孔也较少，为以后的边坡维护增添了经济负担和危险性；新型聚能药柱预裂爆破开挖后帮体相对比较平整，半孔也相对较多，说明在帮体平整度和半孔成型方面使用新型聚能药柱预裂爆破相对优于传统预裂爆破。

图10和图11分别是传统预裂爆破和新型聚能药柱预裂爆破在离爆区测震点处主爆的水平、垂直和径向爆破振动数据图。测点位置设在预裂孔后方垂直距离30、50、150m处。2、3、4通道都采用2V量程、采样率8K、自动触发电平4．96%Max、采样延时－4K的分段模式进行采集数，图10、11是在30m测点处分别采集到的两种振动试验数据。图10 中 最 大 振 幅 5．8563cm／s，最 大 振 动 频 率23．1934Hz，振动延时1．2114s。图11中最大振幅4．556 6cm／s，最大振动频率32．959 0Hz，振动延时0．5800s。说明采用新型聚能药柱预裂爆破可以降低主爆传播的振幅，通过提高振动频率和缩短振动延时来减少对主爆周围边帮的影响，使得台阶受主爆振动影响减小，为后期的边坡维护提供有利条件。

图6 传统预裂爆破的成缝效果Fig．6 Cracking effect of traditional fore－splitting blasting

图7 新型聚能药柱爆破的成缝效果Fig．7 Cracking effect of new energy－focusing grain blasting

图8 传统预裂爆破开挖后平整度和半孔Fig．8 Flatness and half holes of traditional splitting blasting

图9 新型聚能药柱预裂爆破开挖后平整度和半孔Fig．9 Flatness and half holes of new energy－focusing grain splitting blasting

图10 传统预裂爆破主爆振动数据Fig．10 Main explosion vibration data in traditional splitting blasting

振幅降低、增大主频和减少振动延时的原因是新型聚能药柱采用双向线性弧形轴向聚能爆破，在预裂爆破中使炸药能量聚集在轴线方向形成高速射流，在射流切割和爆生气体静压力作用以及孔壁切向应力的联合作用下，孔壁沿预定方向形成初始裂缝并不断向前和向上方扩展，直到孔间裂隙贯通并扩展到地表，随之爆生气体溢出，使边帮形成平整的切面，在主爆区域和未爆破区域之间形成了一条贯通裂隙；又由于采用新型聚能药柱预裂爆破所形成的贯通裂缝宽、整，大大地阻碍了主爆应力波的直接传播，使得振动幅度降低、振动的频率增大和振动延时减少；从而保护了未爆区域。

图11 新型聚能药柱预裂爆破主爆振动数据Fig．11 Main explosion vibration data in new energy－focusing grain splitting blasting

表3 试验结果数据对比Table 3 Data comparison of test results

表1、2、3数据是在相同地质条件下的同一台阶不同区域进行传统预裂爆破与新型聚能药柱预裂爆破试验。试验结果表明，与传统预裂爆破相比，新型聚能药柱预裂爆破具有明显的优势，预裂效果好，能减弱主体爆破对保留岩体的破坏，对边坡保护有利，充分发挥出了预裂爆破的优点，综合爆破效果显著。

4 结论

通过新型聚能药柱在东鞍山铁矿的成功试验，使得预裂爆破能够形成较好的预裂缝，开挖后形成的帮面平整度高，半孔效果也较好，减少了电铲在铲装过程中的超挖和欠挖，还减少了主爆对周围台阶帮体的振动影响，为后期的边坡维护创造了有利条件。同时新型聚能药柱还能节省炸药，降低生产成本和因边坡危害所引起的设备损失和停工损失。其研究成果能够为金属矿山创造更大的经济和社会效益［6］，同时也进一步完善了聚能预裂爆破的理论与应用技术，可将此研究成果推广到其他领域。

［1］ 田 岗，代晓东，张宪堂，等 ．PVC塑料切缝管在聚能爆破中的应用［J］．工程爆破，2010，18（3）：37－40．

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［4］ 朱万刚，郭连军，徐志强 ．不同起爆点聚能装药爆破射流的数值模拟分析［J］．矿业研究与开发，2008，28（4）：77－79．

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［7］ 汪旭光 ．爆破手册［M］．北京：冶金工业出版社，2010：865－870．

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