基于粒状铵油炸药的巷道光面爆破技术及应用

王明

摘要：某铜矿矿（岩）体层理裂隙发育，巷道掘进爆破施工过程中，卷装乳化炸药装药有时比较困难，爆破效果较差。在总结巷道掘进施工问题的基础上，提出采用光面爆破技术，进行巷道掘进爆破，巷道成型较好，但装药效率低、成本偏高等。将散装粒状铵油炸药应用于掘进爆破中，通过理论分析，结合试验验证后，进行全面推广。应用结果表明：将粒状铵油炸药应用于巷道光面爆破中，能有效提高装药效率，爆破效果更趋于稳定，同时达到了降本增效的效果，取得了很好的经济和社会效益，也为在国内巷道掘进中的推广应用提供了一定的借鉴。

关键词：巷道掘进;粒状铵油炸药;光面爆破;装药效率;爆破效果

引 言

光面爆破技术作为控制爆破技术之一，于20世纪50年代在瑞典兴起，60年代中期引入中国后，被广泛应用于井巷、隧道及边坡工程等领域[1]。闻全等[2]对光面爆破的主要参数计算原则进行介绍，并指导现场应用。彭刚健[3]针对软弱破碎岩体，提出损伤因素影响下光面爆破参数计算方法，并进行了现场试验验证。自20世纪50年代以来，以铵油炸药和乳化炸药为主的散装炸药得到了广泛应用[4]。目前，散装乳化炸药广泛应用于巷道掘进爆破中，国内粒状铵油炸药在巷道掘进中应用的相关报道较少。赵永平等[5]研究了粒状铵油炸药的爆轰性能，得到了粒状铵油炸药临界直径与约束条件等的关系。谢龙水[6]论述了粒状铵油炸药的应用现状等，并评述了粒状铵油炸药的适用性，指出散装粒状铵油炸药的使用有助于提高装药效率、降低爆破成本。宋占辉[7]介绍了粒状铵油炸药在某高速公路隧道掘进中的现场应用情况及效果。

某铜矿是一座大型地下开采铜矿山，年采选矿石量150×104 t，矿体为急倾斜层状沉积泥岩，上下盘围岩较破碎。在矿山日常掘进中，采用Boomer281凿岩台车钻孔，人工装卷装乳化炸药，爆破后，巷道成型差，且卷装乳化铵油炸药的成本偏高。

本文在分析该铜矿爆破原始条件和巷道掘进中存在问题的基础上，通过计算，得到光面爆破的装药和布孔参数，参考国内外粒状铵油炸药在巷道掘进中的使用情况，进行粒状铵油炸药在该铜矿的现场应用试验研究与推广，实现了降本增效的目的，取得了很好的经济效益和社会效益，也为国内矿山粒状铵油炸药的使用起到了一定的指导作用。

1 光面爆破技术

1.1 爆破初始条件

该铜矿巷道围岩以砾岩、长石石英岩、矿化板岩为主，层理裂隙较为发育，整体稳定性较差。主矿体巷道断面规格为3.80 m×3.55 m的三心拱断面，面积为12.74 m2，使用阿特拉斯公司生产的Boomer281凿岩台车进行巷道凿岩掘进，孔径45～48 mm，钻杆长度3.7 m，钻孔最大深度3.5 m。

常规的连续不耦合装药爆破技术和卷装乳化炸药，对于此类岩石的爆破作业存在一定的不足，如个别炮孔装药不充分，不能很好地控制巷道成型，装药效率低，成本偏高等。因此，需要采用新的技术措施，以改善爆破效果。

1.2 周边孔间距及最小抵抗线

周边孔间距决定着巷道的轮廓成型，合理的周边孔间距，在应力波的相互作用下，在两孔连线上叠加的切向应力大于岩石的抗拉强度，形成巷道轮廓。

周边孔间距（a）与最小抵抗线（W）的比值为邻近系数（m），即炮孔密集系数[8]。

邻近系数在0.6～1.2取值，岩石坚硬时取大值，相反则取小值，实践经验表明：m一般取0.8～1.0时效果较好。m值过大，可能造成巷道欠挖;m值过小，则造成超挖。

根据该铜矿的岩石物理力学性质，结合上述理论分析，为了取得较好的光面爆破效果，巷道顶孔和帮孔间距为550～650 mm。在周边孔间距确定的情况下，需控制巷道超挖，邻近系数m取1.0，则根据式（1）可计算出，最小抵抗线W为550～650 mm。

1.3 炮孔数及单孔装药量

光面爆破设计计算时，掘进断面的炮孔从中心到四周依次是：掏槽孔、扩槽孔、辅助孔、周边孔（顶孔、帮孔及底孔）。爆破采用2个大孔直孔掏槽方式，掏槽大孔采用扩孔钻头对掏槽孔扩孔形成，直径102 mm，不装药。

经式（2）计算，巷道断面需要布置41个炮孔，加上2个掏槽空孔，共布置炮孔43个。其中，包含掏槽孔8个（包含2个空孔），扩槽孔4个，辅助孔10个，顶孔和帮孔15个，底孔6个。每种类型炮孔的装药系数、凿岩孔深、所用卷装药的单卷质量和长度，以及根据式（3）计算的爆破参数见表1。掘进断面炮孔布置见图1。

1.4 装药结构及炮孔堵塞

掏槽孔、扩槽孔、辅助孔及底孔采用连续不耦合装药;顶孔和帮孔的光爆孔采用空气柱间隔不耦合装药，捆绑在竹坯子上，导爆索连接爆破，装药结构见图2。 所有炮孔均用炮泥機专门制作的炮泥堵塞，堵塞长度不小于0.4 m。

1.5 现场应用

光面爆破技术在该铜矿成功进行推广应用，能很好地控制巷道成型，超欠挖（±20 mm）现象从15 %降低至6 %，平均每炮进尺由2.7 m增至3.0 m，提高了11.1 %。同时也降低了撬毛、清底等辅助作业时间，更有利于施工安全。

2 粒状铵油炸药的应用

2.1 掘进装药过程中的问题

光面爆破现场应用后，巷道的成型有明显改善，光爆孔的孔痕率达到70 %以上，但由于矿岩体的层理裂隙较为发育，巷道掘进施工过程中仍存在以下问题：

1）凿岩台车钻孔过程中，由于节理裂隙发育，炮孔内会有碎屑积留，使得工人使用炮棍装药困难。

2）凿岩台车在完成整个作业面后，装药时仍需要洗孔，凿岩台车需要原地等待，或者人工清理炮孔里的残渣，影响凿岩台车作业效率，工人的作业效率也受到影响。

3）实际的平均炮孔利用率为90 %，炸药单耗为2.70 kg/m3，若要降低爆破成本，需要找到卷装乳化炸药替代品。

总之，降本增效是巷道掘进过程下一步的主要工作，需要找到技术上切实可行的解决办法。

2.2 粒状铵油炸药替代卷装乳化炸药的可行性分析

根据文献[5]中2种粒状铵油炸药临界直径与约束条件的关系：粒状铵油炸药的临界直径均随着约束条件的增强而减小，PVC管约束的炸药临界直径为45 mm;而钢管约束时，粒状铵油炸药ANFO的临界直径为25 mm。

由现场实际情况可知，岩石对于炸药的约束强度在钢管和PVC管之间，因此在岩石中，粒状铵油炸药临界直径（dL）的取值为25 mm ≤dL≤45 mm。由爆破初始条件可知，该铜矿掘进面的炮孔直径为45～48 mm，则粒状铵油炸药能够实现理想爆轰，可用于岩石巷道掘进面，替代卷装乳化炸药。同时，该铜矿现场采用压气装药，也能够明显改善粒状铵油炸药的爆轰性能[5]。

2.3 应用及效果

由文献[6]和文献[7]可知，粒状铵油炸药在国外矿山的巷道掘进中应用较多，此种炸药采用风动装药器装药，在装药的同时，更便于洗孔，而且单价相对较低，有助于实现降本增效。考虑到光面爆破技术的应用，将爆破设计中的5#～8#掏槽孔、9#～12#扩槽孔和13#～22#辅助孔采用粒状铵油炸药替代卷装乳化炸药，只在孔底装1卷卷装乳化炸药插入雷管作为起爆药包。粒状铵油炸药采用AEL公司（非洲爆破有限公司，African Explosives Limited）生产的便携式小型风动装药器装药（见图3），线装药密度为1.0 g/cm3，装药系数仍按照表1中的数据执行。

根据制定的应用方案，在某矿体进行现场工业试验，由试验结果可知：装药过程中可以用高压风先清洗炮孔，不需要台车洗孔，间接提高了台车的作业效率，同时更有利于实现孔内连续装药，进而达到更好的爆破效果;41个装药孔中的18个采用粒状铵油炸药替代卷装乳化炸药，实现风动快速装药，使得单作业面装药时间节省15 %左右;最重要的是，粒状铵油炸药的使用能有效降低炸药的使用成本，降本增效的效果显著。

散装粒状铵油炸药单价为0.82美元/kg，卷装乳化炸药单价为1.70美元/kg，单作业面采用粒状铵油炸药爆破后，使用的炸药总量为45.0 kg的粒状铵油炸药和62.3 kg的卷装乳化炸药，共计142.81美元，而都使用卷装乳化炸药的直接炸药成本则是173.06美元，单作业面直接炸药成本降低30.25美元（17.5 %）。据统计，2019年2—8月的6个月，散装粒状铵油炸药的使用率已经达到30 %以上，使用量为135 t，直接节省成本达到11.88万美元。

3 结 论

1）光面爆破技术的应用，使巷道的成型得到明显改善，超欠挖（±20 mm）现象从15 %降低至6 %，平均每炮进尺由2.7 m增至3.0 m，提高了11.1 %，光爆孔的孔痕率达到70 %以上，更有利于施工安全，但卷装乳化炸药用于巷道掘进仍存在劳动强度大、成本偏高等不足。

2）經理论分析，结合现场试验结果可知，粒状铵油炸药能够用于巷道掘进爆破施工，单作业面节省装药时间15 %以上，直接炸药成本降低30.25美元。

3）粒状铵油炸药在该铜矿巷道掘进中的推广应用表明，粒状铵油炸药的使用能够提高工人和台车设备的作业效率，降低炸药成本，达到较好的降本增效的目的，其成功经验值得其他矿山借鉴。

[参 考 文 献]

[1] 周志强，易建政，王波，等.控制爆破技术研究现状及发展建议[J].矿业研究与开发，2010，30（3）：103-108.

[2] 闻全，杨立云，矫伟刚，等.光面爆破在快速掘进中的应用[J].中国矿业，2008，17（2）：59-61.

[3] 彭刚健.岩体巷道光面爆破参数的分析与应用[J].中国矿业，2009，18（10）：103-106.

[4] 吴统顺.散装炸药在地下金属矿山的应用[J].长沙矿山研究院季刊，1983，3（3）：12-20.

[5] 赵永平，秦虎.粒状炸药爆轰性能影响因素研究[J].有色金属（矿山部分），2007，59（6）：32-34.

[6] 谢龙水.粒状铵油炸药在矿山巷道爆破掘进中的应用现状及其发展前景[J].有色矿山，2003，32（5）：15-18.

[7] 宋占辉.浅析ANFO铵油炸药在隧道工程中的应用[J].中国新技术新产品，2015（3）：186-187.

[8] 高尔新，杨仁树.爆破工程[M].徐州：中国矿业出版社，2005.