高台阶预裂爆破应用低密度铵油炸药经济技术分析

安玉岳 谢武化 胡海云 王小军

摘 要：本文主要探讨一种自主研发的低密度铵油炸药在黑岱沟露天煤矿预裂爆破的应用成功后，所取得的爆破效果以及经济效益的分析对比，得出了使用自主研发的低密度炸药不仅降低了采矿成本，提高了企业的经济效益，而且改良了爆破效果，通过爆破方案设计优化，提升了开挖效率和安全性。

关键词：高台阶预裂爆破;低密度铵油炸药;经济技术分析

1 概述

吊斗铲倒堆剥离工艺对抛掷爆破技术质量有较高的要求，主要是抛掷爆破后的爆堆为理想的扁平抛物形，沉降率控制在30%以上、有效抛掷率在25%以上（如图1-1：A+B抛入采空区剥离物，A：有效抛掷量）、预裂孔孔痕率高，形成的台阶坡面整齐稳定，震动、后冲作用小，生产安全可靠。

图1-1  剥离台阶爆破前后状态示意图

抛掷爆破和预裂爆破的爆破方法以及孔网参数、炸药类型、炸药单耗、装药结构、起爆顺序和延时时间间隔等爆破要素直接决定了爆堆形状、沉降率、有效抛掷率、台阶坡面的平直程度等爆破效果。

2 高台阶预裂爆破技术

预裂爆破是露天煤矿边坡控制爆破的常用和有效的技术手段。预裂孔是在主炮孔爆破之前起爆的布置在开挖边线的一排孔。爆破的结果是预裂孔的相邻孔之间形成裂缝，以减弱主爆区爆破时地震波向边坡岩体的传播，并阻断主炮孔产生的拉伸裂缝向边坡外发展。整个预裂孔布孔平面爆破后形成一个断裂面，在主爆孔爆破后，沿预裂面形成一个相对完整的光滑边坡。

3 高台阶预裂爆破参数及设计

3.1 装药量计算

相对于传统的徑向不耦合装药线密度而言，横向不耦合装药采用连续低密度铵油炸药时的装药量Q，依据炮孔爆破面积方法来确定。

Q=qs×S

式中：qs——坡面单位面积炸药单耗，kg/m2;

S——每个孔负担的预裂坡面积，m2，S=a×L（a为孔距，L为孔深）。

3.2 预裂爆破参数

黑岱沟露天煤矿目前采用的钻机钻孔直径为310mm，炮孔直径位为310mm，台阶高为45m，预裂孔的设计倾角为65°～75°，孔距理论为8～12倍孔径，硬岩取大值，软岩取小值。根据孔径310mm，合理的孔距范围2.84～3.72m，结合爆破岩石硬度实际，目前采用的孔距为3.5m，抵抗线4m;装药结构：采用间隔装药。根据黑岱沟露天煤矿岩石物理学性质，得出不同岩性的炸药单耗：泥岩1.53kg/m3，砂岩0.61～0.77kg/m3，粘土岩0.15～0.18kg/m3。

3.3 预裂设计方案（1）

2007年炸药厂地面站改扩建炸药生产工艺技术引进国外现场混装炸药装备与工艺技术，地面站生产线建成后，有一条乳胶基质生产线和多孔粒状硝酸铵斗式提升系统，拥有26台现场混装炸药车，其中多功能现场混装炸药车9台，现场混装多孔粒状铵油炸药车17台，可生产的炸药品种有三多孔粒状铵油炸药、重铵油炸药和乳化炸药三种。三种炸药分别应用于黑岱沟露天煤矿不同种类的爆破需求。其中铵油炸药不抗水主要用于干孔岩石爆破，重铵油也不具有抗水性能，但是重铵油爆炸后的气体能较大，主要用于高台阶抛掷爆破，重铵油炸药主要装在抛掷区前排孔，后排孔主要装铵油炸药，乳化炸药具有良好的抗水性能，主要用于水孔爆破。三种炸药完全能满足露天矿各种爆破需求。但是抛掷爆破主爆区周边采用预裂爆破技术，预裂爆破是在主炮孔爆破之前起爆的布置在开挖边线的一排预裂孔，爆破的结果是预裂孔的相邻孔之间形成裂缝，整个预裂孔布孔平面形成一个断裂面，以减弱主爆区爆破时地震波向边坡岩体的传播并阻断向边坡外发展的裂缝，使边坡整齐，增加边坡稳定性。起初预裂孔装铵油炸药。

图3-1  方案（1）装药结构

图3-2 方案（2）装药结构

方案（1）预裂孔装铵油炸药采用分两段装药，根据孔深，底部装药量85kg，距孔口15m装药量40kg，中间采用空气间隔器间隔。炮孔不填塞。装药结构如图3-1。

4 爆破效果

通过多次爆破实践发现，裂缝平均宽度过大，且裂缝宽窄不均匀，多个炮孔孔口爆破后出现了明显的漏斗形状，保留岩体壁面残留半孔率较低，且后冲约在10米多的地方多出现明显的裂缝，下一个炮区钻机钻孔作业时出现夹杆塌孔现象，采掘一周以后水平台阶局部岩层有向斜和裂隙较发育的部位产生片帮现象。有的片帮区比较严重，宽约50m，长约20m，导致下一相邻爆区抛掷爆破炮孔第一和第二排打不成斜孔，只能打垂直孔进行松动爆破，所以起初爆破效果不是很理想，爆破效果如图4-1、图4-2。

图4-1  保留坡顶面状况

图4-2  保留坡面状况

5 低密度铵油炸药的研发及应用

5.1 爆破理论分析

单从炸药对预裂爆破效果的影响而言，改善预裂效果有两种方法：一是降低炸药爆炸瞬间的做功能力以降低炸药爆炸时对周围岩石介质的破坏程度。二是提高炸药的装药高度。提高炸药在炮孔内的装药高度可以使炸药能量均匀地作用于岩壁，降低炸药爆炸瞬间能量的集中破坏作用。两种方法同时应用对改善爆破起到很大作用。从以上爆破效果可以看出多孔粒状铵油炸药的能量对于预裂爆破偏大进而对周边岩石破坏程度越严重，因为铵油炸药的密度相对较高，每段装药高度偏小造成爆炸应急集中作用，造成爆破效果不理想，所以要想改善爆破效果，从炸药性能入手必须降低炸药的爆炸性能，同时降低炸药的密度。

5.2 炸药理论分析

根据炸药理论，对于同一种炸药，降低密度炸药爆炸性能降低。降低炸药密度最简单的方法就是在现有炸药中添加惰性低密度添加物，而且这种低密度添加物不能参与炸药组分反应，不能影响组分的稳定性和炸药的储存性能，不能提高炸药的一系列感度等。因为炸药爆炸反应瞬间是剧烈的氧化还原反应，所以新的配方比例必须满足炸药爆炸瞬间的零氧平衡，确保爆炸后不产生有毒有害气体，还要能够在初始激发能的作用下稳定爆轰，混制后其容积能量、猛度、爆轰压、冲击波能量相对较低，炸药波阻抗尽量能够与岩石性质匹配。通过炸药理论分析，低密度炸药与爆破理论改善预裂爆破效果的两种途径恰好吻合。

5.3 低密度铵油炸药的研发及应用

从很多次的爆破实践证明，解决预裂爆破效果更好的方法是对使用的炸药性能进行改进，从爆破设计改变，其方法比较复杂，也很难操作，可能会增加更多的爆破成本。2009年初炸药厂工程技术人员为了解决这一难题，开始着手低密度铵油炸药研发。从现有的混装炸药生产工艺入手，确定在铵油炸药中添加低密度添加物，降低铵油炸药的密度，因为铵油炸药成本低，现场混装铵油炸药车生产工艺环节少，容易操作。通过材料选择、配比，炸药性能实验，用时半年，反复理论计算和小样实验，不断调整材料及配方比例，经过长达半年的试验，终于确定了适合预裂爆破使用的低密度铵油炸药的配方及性能指标。在跟黑岱沟露天煤矿爆破设计人员研究，最终确定预裂爆破用低密度铵油炸药的密度在0.56～0.65g/cm3、爆速为1600～2200m/s范围为最佳，下表5-1为低密度铵油炸药组分及比例下的爆速。

表5-1  低密度铵油炸药组分比例及性能測试表

[多孔粒状硝酸铵（%）＼&柴油（%）＼&低密度添加物（%）＼&炸药密度（g/cm3）＼&炮筒直径（mm）＼&炮筒材质（kg·m-3）＼&炸药爆速（m/s） ＼&91.76＼&5.85＼&2.39＼&0.6＼&120＼&纸质＼&2125

2056

2046＼&]

6 预裂爆破方案（2）

低密度铵油炸药实验研制成功后，利用现场混装铵油炸药车生产低密度铵油炸药，应用于预裂爆破中，黑岱沟露天煤矿也对预裂爆破设计方案进行了优化调整，在现场采用的三段分段装药过程中，需要明确各个分段部分的具体装药量。根据现场测试的数据，实验确定了以下药量分配经验公式：

Q1=0.5Q;Q2=0.3Q;Q3=0.2Q

式中，Qi——预裂孔自下而上的的分段装药量，kg/m2。

孔内采用间隔器分段装低密度铵油炸药，起爆器材为孔内导爆索起爆，地面采用导爆索—继爆管起爆网路，7个孔一延期，延期时间为9ms，装药结构如图3-2，爆破参数设计如表6-1。

表6-1 优化后的预裂爆破参数设计表

[孔径（mm）＼&孔距（m）＼&孔深（m）＼&总孔数（个）＼&炮孔倾角（ °）＼&单孔药量（kg）＼&炸药单耗（kg·m-3）＼&充填长度（m）＼&爆破总长（m）＼&3l0＼&3.5＼&39～43＼&208＼&65～75＼&95＼&0.6～0.7＼&0＼&728＼&]

方案（2）预裂爆破装药采用分三段装药，根据孔深底部装药量55kg，中间装药28kg，距孔口15m装药量22kg，采用空气间隔器间隔。炮孔不填塞。装药结构如图3-2。

7 优化后的预裂爆破效果

低密度炸药使用降低了爆炸应力波对预留区岩石浅层的破坏和岩石质点的振动速度，降低了预裂爆破对岩石的破坏。经过多次爆破实践，预裂爆破效果有了明显改善，爆破后，炮孔口处无明显漏斗形状，岩石裂缝均匀，宽度适中，保留岩体整体性和破面稳定性得到提高。半孔率达到80%以上，保证了高台阶下方采掘设备的作业安全以及下一个抛掷爆破区的正常爆破设计、钻孔、爆破实施。（图7-1）

8 经济效益分析

预裂爆破的成本包含爆破器材、辅助爆破器材和钻孔成本等多个部分成本综合，本文主要讨论两种方案使用的爆破器材成本影响，其他成本不做分析。预裂爆破成本用下式表示：

P=n（P+Q+S）

式中：P——预裂爆破总成本;

P——单孔使用的炸药成本;

Q——单孔使用的起爆器材成本;

n——每次预裂爆破总孔数;

S——单孔起爆器材成本。

8.1 炸药成本

铵油炸药是由多孔硝酸铵与柴油经现场混装炸药车现场制备，低密度炸药是在多孔硝酸铵中按比例添加低密度添加剂，经现场混装炸药车现场制备，两种炸药技术参数见表8-1。

表8-1  起铵油炸药与低密度铵油炸药组分质量比

[炸药种类＼&硝酸铵＼&柴油＼&添加剂＼&铵油炸药

低密度铵油炸药＼&94.5%

86.94%＼&5.5%

5.5%＼&/

7.56%＼&]

目前硝酸铵的市场价格为1850元/吨，柴油的市场价格为5214元/吨，珍珠岩的市场价格为4700元/吨。所以：

每吨铵油炸药成本计算：

P1=945×1.85+55×5.214=1748.25+286.77=2085.02（元）

每吨低密度铵油炸药成本计算：

P2=869.4×1.85+75.6×4.7+55×5.214=1608.39+355.32+286.77

=2250.48（元）

方案（1）每孔装药量M1=85+40=125kg，方案（2）每孔装药量M2=55+28+22=105kg。

低密度铵油炸药相对铵油炸药的质量转换比为1.4。所以装低密度每孔相当于装铵油炸药的质量M3=105/1.4=75kg。由以上可以计算单孔炸药成本：

方案（1）单孔炸药成本P3=P1×M1=2085.02×0.125=260.6275（元）;方案（2）单孔炸药成本P4=P2×M3=2250.48×0.075=168.768（元）。

8.2 穿孔成本

分别以45m高度砂页岩（炸药单耗为0.4 kg/m3）岩石台阶，计算310mm孔径的爆破成本，本次只计算穿孔成本，如表8-2。

表8-2

[机孔径

（m）＼&孔深

（m） ＼& 孔距

（m）＼&总孔数＼&总进米

（m）＼& 进米成本（元）＼&310＼&40＼&4＼&208＼&832＼&58＼&]

8.3 起爆器材成本

预裂爆破前后孔内使用的起爆器材为雷管，起爆弹以及辅助起爆器材（空气间隔器），成本如下表8-3。

表8-3 起爆器材及辅助起爆器材成本

[起爆器材＼&起爆弹（元/个）＼&雷管（元/发）＼&辅助起爆器材（间隔器）

（元/发）＼&价格＼&15＼&20＼&30＼&]

方案（1）每孔使用2发雷管，2个起爆具，一个空气间隔器，所以起爆器材成本：P5=2×15+2×20+1×30=100（元）。

方案（2）每孔使用3发雷管，3个起爆具，两个空气间隔器，所以起爆器材成本：P6=3×15+3×20+2×30=135（元）。

8.4 爆破成本计算

根据上述可以得出，按照一次预裂孔数208个计算，方案（1）一次预裂爆破总成本：

P7=P3+P5=（260.6275+100+208×58）×208

=500.6275×208+280×58

=75010.52+1160=76170.52（元）

方案（2）一次預裂爆破总成本P2由下式计算得出：

P8=P4+P6=（168.768+135+208×58）×208

=303.768×208+1160

=64343.74（元）

通过方案优化一次预裂爆破节约爆破器材成本为P9

P9=P7-P8=76170.52-64343.74=11826.78（元）

一年预裂爆破的总次数约为17次，节约总成本P10：

P10=17×P9=14×11826.766=201055.26（元/年）

9 结论

①通过本文的分析，使用低密度炸药不仅可以优化预裂爆破效果，还可以降低爆破器材成本，进而降低了露天采煤成本;

②低密度铵油炸药在黑岱沟露天矿预裂爆破中的应用，是爆破工艺的新尝试、新突破;

③实践证明低密度铵油炸药在预裂爆破中的应用，降低了爆破对岩石的破坏，保护了片帮和高台阶面，改良了爆破效果。