新型聚能藥柱在東鞍山鐵礦的研究及應(yīng)用

李 林，郭連軍，張大寧

（遼寧科技大學(xué)，遼寧 鞍山114051）

1 研究背景

本項試驗研究以東鞍山鐵礦的大孔徑聚能不耦合裝藥預(yù)裂爆破為背景。然而預(yù)裂爆破在礦山、水利水電和交通設(shè)施構(gòu)筑等工程爆破領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的綜合效益。在控制預(yù)裂縫形成的主要理論和工程方法中，聚能爆破越來越受關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者在聚能爆破理論、聚能預(yù)裂爆破和不耦合裝藥結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了大量的工業(yè)試驗與研究［1］，并取得了較好的實用效果。

近年來，工程爆破研究人員在長期研究與實踐的基礎(chǔ)上，總結(jié)和提出了采用聚能爆破進(jìn)行預(yù)裂爆破和光面爆破［2］，并對聚能藥型罩和裝藥射流［3］以及影響聚能爆破裝藥射流［4］的因素等進(jìn)行了深入研究，成功完成了多座露天礦山邊坡［2］、露天礦二次爆破破碎［5］、地下礦井巷淺孔或深孔快速掘進(jìn)、水電交通設(shè)施預(yù)裂和光面爆破，積累了豐富的理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗，為新型聚能藥柱爆破的研究和應(yīng)用奠定了堅實的理論與實踐基礎(chǔ)［1］。

在大型水電工程邊坡開挖中的邊幫爆破、城市建設(shè)中的巖土爆破或基坑開挖爆破、尤其是大型露天礦山大孔徑開采中的靠幫爆破和某些非金屬礦山的生產(chǎn)爆破等均有一些共同要求，即：面對大孔徑爆破，減輕炸藥對邊幫的破壞，保護(hù)邊幫的完好性，進(jìn)而降低邊坡的維護(hù)費(fèi)用；降低爆破地震波強(qiáng)度、減輕爆破對邊坡或周圍建筑物的振動破壞，減輕炮孔周圍的過度粉碎［6］。為實現(xiàn)這些要求，運(yùn)用新型聚能藥柱爆破變得十分重要。

2 新型聚能藥柱簡析及爆破原理

聚能爆破是應(yīng)用聚能效應(yīng)破碎巖石。由于聚能穴的存在，聚能藥包爆炸產(chǎn)物運(yùn)動方向幾乎垂直于聚能穴表面，在聚能穴上形成速度快且穿透力強(qiáng)的高能射流［7］，隨著聚能流逐漸成型匯聚，在聚能焦點(diǎn)處獲得最小斷面、最大密度與速度。聚能流的成型效果與焦距（聚能穴底面到焦點(diǎn)處的距離）和炸藥爆轟速度有關(guān)，炸藥的爆轟速度越高，焦距就越小，聚能效應(yīng)就越強(qiáng)；隨著炸藥爆速的下降，焦距變大，聚能效應(yīng)也隨之減?。?］。

由于聚能爆破的優(yōu)點(diǎn)［6］，該項技術(shù)的設(shè)計和開發(fā)在國民經(jīng)濟(jì)中將產(chǎn)生巨大的影響，該技術(shù)在民用領(lǐng)域特別是在復(fù)雜條件下巖體的預(yù)裂爆破中有巨大的應(yīng)用前景。全國數(shù)百座大型露天礦山的邊坡維護(hù)如果能采用新型聚能藥柱預(yù)裂爆破技術(shù)，每年可節(jié)省近億元的邊坡維護(hù)費(fèi)用，還可減少潛在的邊坡危害所引起的設(shè)備損失和停工損失數(shù)億元，此外該技術(shù)還成功地應(yīng)用于礦山二次爆破和結(jié)構(gòu)物拆除爆破。該項技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用必將為露天礦山邊坡維護(hù)、井下掘進(jìn)等工程提供可靠的理論基礎(chǔ)和技術(shù)方案。

2．1 新型聚能藥柱簡介

新型聚能藥柱（如圖1所示）材質(zhì)為PVC管，通過特殊加工成型，圖中聚能藥柱長2 000mm，外直徑160mm，壁厚2mm，聚能穴內(nèi)圓心角60°，外圓心角157°，聚能穴和外管之間通過卡槽銜接并涂有PVC材質(zhì)專用液體膠和PVC粉末混合而成的乳膠，堅固且可承受較強(qiáng)壓力?？筛鶕?jù)炮孔深度來調(diào)整聚能藥柱的長度，彼此通過PVC管套連接，采用聚氯乙烯膨脹螺絲鉚接，外圍支撐采用厚50mm的泡沫環(huán)，每隔2m加套一個支撐環(huán)，可保證藥柱不在炮孔內(nèi)擺動。

圖1 新型聚能藥柱實體Fig．1 New energy－focusing grain entity

藥柱的加工按照圖2所示新型聚能藥柱結(jié)構(gòu)剖面圖進(jìn)行，將加工成型的藥柱運(yùn)送至所需爆破現(xiàn)場，然后進(jìn)行組裝成為圖3所示藥柱實體，將其放入炮孔內(nèi)等待后續(xù)操作。

2．2 新型聚能藥柱爆破原理

圖2 新型聚能藥柱結(jié)剖面圖Fig．2 Cross－sectional view of new energy－focusing grain

圖3 新型聚能藥柱連接實體Fig．3 The connected entity of new energy－focusing grain

聚能效應(yīng)（圖4所示）是指利用爆炸產(chǎn)物運(yùn)動方向與裝藥表面垂直或大致垂直的規(guī)律，做成特殊形狀的裝藥［8］，使能量集中，把爆轟氣體產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為高速射流物質(zhì)，形成聚能流。在節(jié)理裂隙發(fā)育和原巖應(yīng)力復(fù)雜條件下，由于聚能效應(yīng)的作用，高速射流所產(chǎn)生的切割裂縫具有沿切割縫穩(wěn)定延伸的規(guī)律，爆轟壓力越高，射流速度越大，破裂效果越好。同時由于射流作用，可以有效控制射流方向，控制其裂縫的生成［7］。

新型聚能藥柱用于露天臺階預(yù)裂爆破，下部裝填炸藥處貫通縫形成的機(jī)理，主要有應(yīng)力波疊加干擾原理、爆生氣體準(zhǔn)靜壓力作用原理和應(yīng)力波與爆生氣體綜合作用原理［9］。應(yīng)力波疊加干擾原理側(cè)重于沖擊波作用，而爆生氣體準(zhǔn)靜壓力作用原理則著眼于爆炸氣體高壓作用下的靜應(yīng)力作用；上部用于填塞處，主要通過炸藥垂直方向上的能量和下部炸藥爆炸能量的傳遞共同作用。從而使巖石在水平和垂直方向上形成連續(xù)的貫通裂縫。

新型聚能藥柱采用雙向線性弧形聚能（圖5），當(dāng)炸藥爆炸時能在軸向的兩個弧形聚能穴上產(chǎn)生高速聚能流，切割聚能穴所對方向的巖石，多個聚能藥柱在一個方向上排列，使聚能穴同向，形成線性聚能切割器，提高了裂縫的貫通率。

圖4 聚能效應(yīng)示意圖Fig．4 Energy－focusing blasting effect

圖5 雙向弧形聚能示意圖Fig．5 Energy－focusing blasting effect of bidirectional arc

3 現(xiàn)場試驗及其結(jié)果對比分析

3．1 現(xiàn)場試驗方案

評價預(yù)裂縫的效果主要從以下幾個方面進(jìn)行：

1）預(yù)裂縫的實際成型效果及尺寸；

2）開挖之后幫體的平整度和半孔率；

3）主爆對臺階邊幫及時和后期穩(wěn)定性的影響。

實際預(yù)裂爆破效果主要通過觀察預(yù)裂縫尺寸和計算所形成的半孔率；并通過IDTS－3850Seismograh型爆破振動記錄儀對離爆區(qū)30m、50m、150m處的爆破振動信號進(jìn)行監(jiān)測和采集，然后通過分析振動主頻、振幅和振動延時，確定爆破振動影響程度。IDTS－3850Seismograh型爆破振動記錄儀是一種便攜式儀器，主要用于對地震波、機(jī)械振動和各種沖擊信號進(jìn)行記錄、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出、數(shù)據(jù)存儲，其主要特點(diǎn)是體積小、操作簡單、工作時間長、信號分辨率高，最小可分辨率0．001 6cm／s，精度可達(dá)0．5%，同時可進(jìn)行三維振動同步記錄，堅實耐用。

東鞍山鐵礦臺階深孔預(yù)裂爆破是采用牙輪鉆機(jī)鉆出預(yù)裂炮孔，然后裝填少量炸藥進(jìn)行預(yù)裂爆破，同時做好爆破振動信號采集和開挖后預(yù)裂縫的觀測以及半孔率的計算。其爆破參數(shù)如表1、2所示。

表1 東鞍山鐵礦臺階深孔預(yù)裂爆破爆破參數(shù)Table 1 Level cracking blasting parameters of Donganshan Iron Mine

在使用新型聚能藥柱進(jìn)行預(yù)裂爆破時，先按照上述爆破參數(shù)鉆出預(yù)裂炮孔；再把新型聚能藥柱按每隔兩空裝入炮孔中，不耦合系數(shù)為1．56；然后采用裝藥車裝藥，每孔裝藥60kg；最后進(jìn)行預(yù)裂爆破，同時做好爆破振動信號采集和開挖后預(yù)裂縫的觀測以及半空率的計算。

表2 新型聚能藥柱預(yù)裂爆破爆破參數(shù)Table 2 New energy－focusing grains of blasting parameters

3．2 試驗結(jié)果對比和分析

經(jīng)多次試驗結(jié)果如下。

圖6和圖7可以觀察出傳統(tǒng)預(yù)裂爆破和使用新型聚能藥柱預(yù)裂爆破的成縫效果。傳統(tǒng)預(yù)裂爆破產(chǎn)生的裂縫時有時無，裂縫較淺，給后續(xù)的開挖帶來很大的難度；使用新型聚能藥柱預(yù)裂爆破產(chǎn)生的裂縫寬大且深，所能打開的孔間距離長，比較連續(xù)。說明采用新型聚能藥柱預(yù)裂爆破成縫效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)預(yù)裂爆破。

圖8和圖9可以觀察出傳統(tǒng)預(yù)裂爆破和新型聚能藥柱預(yù)裂爆破開挖后平整度和半孔效果。傳統(tǒng)預(yù)裂爆破開挖后幫體比較粗糙，可活動碎石較多，半孔也較少，為以后的邊坡維護(hù)增添了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和危險性；新型聚能藥柱預(yù)裂爆破開挖后幫體相對比較平整，半孔也相對較多，說明在幫體平整度和半孔成型方面使用新型聚能藥柱預(yù)裂爆破相對優(yōu)于傳統(tǒng)預(yù)裂爆破。

圖10和圖11分別是傳統(tǒng)預(yù)裂爆破和新型聚能藥柱預(yù)裂爆破在離爆區(qū)測震點(diǎn)處主爆的水平、垂直和徑向爆破振動數(shù)據(jù)圖。測點(diǎn)位置設(shè)在預(yù)裂孔后方垂直距離30、50、150m處。2、3、4通道都采用2V量程、采樣率8K、自動觸發(fā)電平4．96%Max、采樣延時－4K的分段模式進(jìn)行采集數(shù)，圖10、11是在30m測點(diǎn)處分別采集到的兩種振動試驗數(shù)據(jù)。圖10 中 最 大 振 幅 5．8563cm／s，最 大 振 動 頻 率23．1934Hz，振動延時1．2114s。圖11中最大振幅4．556 6cm／s，最大振動頻率32．959 0Hz，振動延時0．5800s。說明采用新型聚能藥柱預(yù)裂爆破可以降低主爆傳播的振幅，通過提高振動頻率和縮短振動延時來減少對主爆周圍邊幫的影響，使得臺階受主爆振動影響減小，為后期的邊坡維護(hù)提供有利條件。

圖6 傳統(tǒng)預(yù)裂爆破的成縫效果Fig．6 Cracking effect of traditional fore－splitting blasting

圖7 新型聚能藥柱爆破的成縫效果Fig．7 Cracking effect of new energy－focusing grain blasting

圖8 傳統(tǒng)預(yù)裂爆破開挖后平整度和半孔Fig．8 Flatness and half holes of traditional splitting blasting

圖9 新型聚能藥柱預(yù)裂爆破開挖后平整度和半孔Fig．9 Flatness and half holes of new energy－focusing grain splitting blasting

圖10 傳統(tǒng)預(yù)裂爆破主爆振動數(shù)據(jù)Fig．10 Main explosion vibration data in traditional splitting blasting

振幅降低、增大主頻和減少振動延時的原因是新型聚能藥柱采用雙向線性弧形軸向聚能爆破，在預(yù)裂爆破中使炸藥能量聚集在軸線方向形成高速射流，在射流切割和爆生氣體靜壓力作用以及孔壁切向應(yīng)力的聯(lián)合作用下，孔壁沿預(yù)定方向形成初始裂縫并不斷向前和向上方擴(kuò)展，直到孔間裂隙貫通并擴(kuò)展到地表，隨之爆生氣體溢出，使邊幫形成平整的切面，在主爆區(qū)域和未爆破區(qū)域之間形成了一條貫通裂隙；又由于采用新型聚能藥柱預(yù)裂爆破所形成的貫通裂縫寬、整，大大地阻礙了主爆應(yīng)力波的直接傳播，使得振動幅度降低、振動的頻率增大和振動延時減少；從而保護(hù)了未爆區(qū)域。

圖11 新型聚能藥柱預(yù)裂爆破主爆振動數(shù)據(jù)Fig．11 Main explosion vibration data in new energy－focusing grain splitting blasting

表3 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)對比Table 3 Data comparison of test results

表1、2、3數(shù)據(jù)是在相同地質(zhì)條件下的同一臺階不同區(qū)域進(jìn)行傳統(tǒng)預(yù)裂爆破與新型聚能藥柱預(yù)裂爆破試驗。試驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)預(yù)裂爆破相比，新型聚能藥柱預(yù)裂爆破具有明顯的優(yōu)勢，預(yù)裂效果好，能減弱主體爆破對保留巖體的破壞，對邊坡保護(hù)有利，充分發(fā)揮出了預(yù)裂爆破的優(yōu)點(diǎn)，綜合爆破效果顯著。

4 結(jié)論

通過新型聚能藥柱在東鞍山鐵礦的成功試驗，使得預(yù)裂爆破能夠形成較好的預(yù)裂縫，開挖后形成的幫面平整度高，半孔效果也較好，減少了電鏟在鏟裝過程中的超挖和欠挖，還減少了主爆對周圍臺階幫體的振動影響，為后期的邊坡維護(hù)創(chuàng)造了有利條件。同時新型聚能藥柱還能節(jié)省炸藥，降低生產(chǎn)成本和因邊坡危害所引起的設(shè)備損失和停工損失。其研究成果能夠為金屬礦山創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)和社會效益［6］，同時也進(jìn)一步完善了聚能預(yù)裂爆破的理論與應(yīng)用技術(shù)，可將此研究成果推廣到其他領(lǐng)域。

［1］ 田 崗，代曉東，張憲堂，等 ．PVC塑料切縫管在聚能爆破中的應(yīng)用［J］．工程爆破，2010，18（3）：37－40．

［2］ GUO Lianjun，ZHANG Guojian，ZHANG Daning．Analysis and Evaluation on Stability of High and Steep Slope Under Energy－Concentrated Pre－Split Blasting［C］／／Shanghai：Progress in Safety Science and Technology，2004：1314－1317．

［3］ 費(fèi)愛萍，郭連軍，陳朝軍，等 ．線性聚能裝藥射流的二維數(shù)值模擬［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2007，27（2）：72－75．

［4］ 朱萬剛，郭連軍，徐志強(qiáng) ．不同起爆點(diǎn)聚能裝藥爆破射流的數(shù)值模擬分析［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2008，28（4）：77－79．

［5］ 陳開翔 ．聚能爆破在某露天礦的應(yīng)用與研究［J］．化工礦物與加工，2008（8）：28－30．

［6］ 朱萬剛 ．不同金屬射流強(qiáng)度下破巖效果研究［D］．鞍山：遼寧科技大學(xué)，2008．

［7］ 汪旭光 ．爆破手冊［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2010：865－870．

［8］ 王玉杰 ．爆破工程［M］．武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2007：44－46．

［9］ 袁 康 ．預(yù)裂爆破成縫及參數(shù)計算原理［J］．金屬礦山，2012（4）：8－11．