空气间隔装药技术在露天矿山的应用

王银涛，白和强，刘 坚，刘宗海，周 岳，丁言鑫

（1.北方爆破科技有限公司，北京 100089；2.山西江阳工程爆破有限公司，山西 太原 030041）

深孔台阶爆破作为大型露天矿山采剥最常用的技术因其高效性、安全性被广泛的运用于采剥作业中。传统的连续装药爆破技术存在单耗大、爆轰波作用时间短、爆破区域岩体过度粉碎等诸多缺点，空气间隔装药技术可以有效地解决了这些问题。

杨宗跃等[1]发现径向不耦合装药相对于轴向不耦合装药对爆炸能量的分布更为合理，对岩体产生的破坏范围更为均匀；白和强等[2]在进行现场试验后发现孔底间隔装药技术可以明显降低炸药单耗，降低爆破成本，具有可观的经济效；曹祺等[3]研究表明在炮孔内随空气柱长度增加，冲击波峰值压力降低；赵继忠等[4]进行了空气间隔装药结构爆破试验研究，统计结果表明大块率明显减少、炸药单耗降低，改善了爆破效果；朱红兵等[5]在向家坝工程中采用了空气间隔装药爆破技术，并取得了良好的爆破效果；刘鹏程等[6]在大孔径深孔采矿中使用了空气间隔装药技术，并试验得出了空气间隔长度存在1 个最佳范围；曲艳东等[7]在露天开采的台阶爆破中进行了空气间隔装药结构的应用研究，探索了适合于煤矿层的空气层装药比例；王凯等[8]对爆破过程进行相关数值模拟，发现17.5%比例中部空气间隔装药在开挖效果、大块率、爆破振动及作业成本等方面综合要优于传统连续装药；丁银贵[9]结合现场实例，发现空气间隔爆破技术，更利于岩体破碎效果更好，大块率下降10%～30%，同时降低了爆破后冲作用。

1 工程概况

1）露天矿山简介。缅甸莱比塘露天铜矿是我国一带一路建设的重点项目之一，矿山位于缅甸中部城市蒙育瓦，为缅甸中特大的有色金属露天矿山。在剥离初期，日采剥规模已达10 万m3，年采剥总量约3 800 万m3。缅甸莱比塘露天铜矿在开采中的设计边坡垂直高度15 m，炮孔深度（17±0.5）m。矿山设计孔网参数分为2 种，在废石区域和高黏土矿石区域为9.0 m×7.0 m，在低黏土矿石区域为8.0 m×6.0 m，个别区域根据生产需要适当调整。爆破主要参数:①炮孔直径250 mm；②装药量45 kg/m3(现场混装多孔粒铵油炸药)和70 kg/m3（现场混装乳化炸药）；③每次起爆3～5 排，逐孔微差爆破，起爆顺序根据现场实际情况采用对角（斜线）、V 型、掏槽等3 种方式，考虑到现场操作方便，其中对角起爆方式居多。

2）爆破质量问题。缅甸莱比塘露天铜矿目前采剥总量大，爆破质量尤为关键。但是该露天矿山在日常爆破施工作业时，在2 个炮区衔接处时常出现炮区后冲现象。炮区后冲现场主要产生以下影响：①影响临近炮区穿孔质量，易造成卡钻现象；②降低延米爆破量，增加炮区炸药单耗等施工成本；③易出现爆破质量问题，如大块、根底等，进而影响铲装效率。针对此现象，现场施工中一直强调减小后排炮孔装药量，但是随着后排炮孔装药量的减少，顶部填塞段随之增加，炮孔上部易出现大块现象，此种施工方式虽然解决了炮区后冲现象，但是降低了炮区爆破质量，而且在铲装作业过程中顶部大块容易给铲装作业的挖机和车辆带来安全隐患。

2 爆破试验主要参数

1）空气间隔器加工制作。本次试验材料主要为塑料PVC 管（直径=200 mm），制作过程中将PVC 管裁剪为0.8、1.0、1.2、1.5 m 4 种不同规格，然后用顶部采用带倒角（防止间隔器下落过程中划伤导爆管）的同材质的管帽将PVC 管上下管头封住（内部充满空气），然后根据尺寸做好标记以备使用。

2）炮孔装药结构。根据试验要求选定试验区域，在试验炮区后排选择试验炮孔15 个。为了保证爆破质量，控制炮孔深度为设计孔深的±0.5 m 以内，炮孔孔位偏差为设计孔位的±0.5 m 以内。根据爆破施工流程在炮孔内放入孔内管和起爆弹；同时为了避免放置PVC 管空气间隔器及填塞过程中划伤导爆管，放置起爆弹过程中让导爆管紧紧贴住炮孔内壁，装入混装铵油炸药后按照顺序放入已标记的不同长度塑料PVC 空气间隔管，并详细记录相关现场数据，最后用炮孔填塞机进行填塞，保证填塞质量。炮区装药结构如图1。

图1 炮区装药结构示意图

3）炮区起爆网络。炮区起爆时，采用毫秒延期非电导爆管起爆网路，孔内延期500 ms，孔外孔间42 ms 延期，排间100 ms 延期，采用逐孔起爆方式。起爆网络如图2。

图2 起爆网络示意图

3 爆破效果综合分析

炮区装药数据及爆破效果详细统计见表1。

3.1 爆破效果分析

1）爆破后冲距离分析。根据表1 中统计数据，随着炮孔内PVC 管空气间隔器长度的增加，炮区后排炮孔后冲长度逐渐减小。在未放置PVC 管空气间隔器的炮孔内，单孔炸药单耗0.40 kg/m3，填塞高度8.5 m 的情况下，炮区后冲长度大于7.0 m。随着放入PVC 管空气间隔器长度的增加，炮区后冲长度逐渐减小，当PVC 管空气间隔器长度为1.5 m 时，炮区后冲距离大约3.0 m 左右，但是从现场爆破效果看出炮孔附近只是出现微小裂痕，爆破质量较差。

表1 炮区装药数据及爆破效果详细统计表

2）爆破大块个数分析。根据缅甸莱莱比塘露天铜矿现有铲装设备较大的特点，将爆破后最大外形直径超过1.2 m 岩石定为大块岩石，需要采用机械二次破碎。爆破后利用RTK 测量仪器对试验炮孔进行放样标记，挖掘铲装到此区域时，对大块个数进行现场统计，为了便于统计将炮孔内PVC 管长度相同的试验炮孔编为同一组。根据表1 统计结果得出以下结论:随着PVC 空气间隔器长度的增加，填塞段（空气段和填塞料段）逐渐增长，大块个数存在逐渐增加趋势，当PVC 空气间隔器长度大于1.2 m 时，大块个数增加明显，影响挖机铲装运输。

3）爆后铲装效率分析。整个矿山的铲装运输工作主要通过集控中心的卡调系统控制，通过卡调系统可以查询特定区域的挖机铲装效率，试验炮区挖机为小松PC 2000 型反铲，考虑到定位挖机作业区域的局限性，将PVC 管长度相同的试验炮孔编为同一组，在保证车辆充足的前提下分别统计挖机不同组的铲装效率。从表1 中统计的数据可以明显看出：随着试验炮孔中PVC 管空气间隔器长度的增加，挖机铲装效率逐渐下降，PVC 空气间隔器为0.8、1.0、1.2 m 时挖机铲装效率虽然存在降低的趋势，但总体并无太大波动，当空气间隔器长度为1.5 m 时，挖机铲装效率降低明显，说明对现场铲装产生较大影响；在不影响爆破效果和挖机铲装效率的前提下，PVC 空气间隔器长度越长，对爆破成本控制越有利。综上分析PVC 空气间隔器长度为1.2 m 时，对爆破效果影响小。

3.2 经济效益分析

根据矿山现有的炸药类型和直径200 mmPVC空气间隔器可计算出成本，PVC 塑料管为30 元/m，管帽15 元1 个，长度为1.0 m 的PVC 管空气间隔器价格为60 元。现场混装铵油炸药的单价为5 000元/t。以其中一次爆破试验方案所采用100 个炮孔为例在采用长度为1.2 m 的PVC 管空气间隔装药结构方案中，每孔增加空气间隔器成本60 元，而炸药用量每孔相对减少约54 kg，每孔装药成本相对减少210 元，以其中一次爆破试验方案采用空气间隔器的25 个炮孔为例，总成本降低5 250 元。

综上所述，现场爆破施工中，炮区排距为7.0 m，理论爆后冲距离为3.0～4.0 m 时，利于下个炮区穿孔，综合考虑爆破效果、质量、成本等因素，当PVC管空气间隔器长度为1.2 m 时，爆破效果和爆破质量不仅满足现场铲装需求，而且有效降低爆破成本，为爆破施工带来可观的经济效益。

4 结语

爆破后观察试验炮区爆破效果，同时测量炮区后冲距离、分组统计炮区大块个数及挖机铲装效率，并对数据进行综合分析。PVC 管空气间隔器长度为1.5 m 时，炮区后冲距离虽然最小，但是总体爆破质量差、大块个数最多，挖机铲装效率最低。PVC 管空气间隔器长度为1.2 m 时，爆破效果和爆破质量不仅满足现场铲装需求，而且有效降低爆破成本。