安玉岳 謝武化 胡海云 王小軍

摘 要：本文主要探討一種自主研發(fā)的低密度銨油炸藥在黑岱溝露天煤礦預(yù)裂爆破的應(yīng)用成功后，所取得的爆破效果以及經(jīng)濟(jì)效益的分析對比，得出了使用自主研發(fā)的低密度炸藥不僅降低了采礦成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，而且改良了爆破效果，通過爆破方案設(shè)計優(yōu)化，提升了開挖效率和安全性。

關(guān)鍵詞：高臺階預(yù)裂爆破;低密度銨油炸藥;經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

1 概述

吊斗鏟倒堆剝離工藝對拋擲爆破技術(shù)質(zhì)量有較高的要求，主要是拋擲爆破后的爆堆為理想的扁平拋物形，沉降率控制在30%以上、有效拋擲率在25%以上（如圖1-1：A+B拋入采空區(qū)剝離物，A：有效拋擲量）、預(yù)裂孔孔痕率高，形成的臺階坡面整齊穩(wěn)定，震動、后沖作用小，生產(chǎn)安全可靠。

圖1-1 ?剝離臺階爆破前后狀態(tài)示意圖

拋擲爆破和預(yù)裂爆破的爆破方法以及孔網(wǎng)參數(shù)、炸藥類型、炸藥單耗、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆順序和延時時間間隔等爆破要素直接決定了爆堆形狀、沉降率、有效拋擲率、臺階坡面的平直程度等爆破效果。

2 高臺階預(yù)裂爆破技術(shù)

預(yù)裂爆破是露天煤礦邊坡控制爆破的常用和有效的技術(shù)手段。預(yù)裂孔是在主炮孔爆破之前起爆的布置在開挖邊線的一排孔。爆破的結(jié)果是預(yù)裂孔的相鄰孔之間形成裂縫，以減弱主爆區(qū)爆破時地震波向邊坡巖體的傳播，并阻斷主炮孔產(chǎn)生的拉伸裂縫向邊坡外發(fā)展。整個預(yù)裂孔布孔平面爆破后形成一個斷裂面，在主爆孔爆破后，沿預(yù)裂面形成一個相對完整的光滑邊坡。

3 高臺階預(yù)裂爆破參數(shù)及設(shè)計

3.1 裝藥量計算

相對于傳統(tǒng)的徑向不耦合裝藥線密度而言，橫向不耦合裝藥采用連續(xù)低密度銨油炸藥時的裝藥量Q，依據(jù)炮孔爆破面積方法來確定。

Q=qs×S

式中：qs——坡面單位面積炸藥單耗，kg/m2;

S——每個孔負(fù)擔(dān)的預(yù)裂坡面積，m2，S=a×L（a為孔距，L為孔深）。

3.2 預(yù)裂爆破參數(shù)

黑岱溝露天煤礦目前采用的鉆機(jī)鉆孔直徑為310mm，炮孔直徑位為310mm，臺階高為45m，預(yù)裂孔的設(shè)計傾角為65°～75°，孔距理論為8～12倍孔徑，硬巖取大值，軟巖取小值。根據(jù)孔徑310mm，合理的孔距范圍2.84～3.72m，結(jié)合爆破巖石硬度實際，目前采用的孔距為3.5m，抵抗線4m;裝藥結(jié)構(gòu)：采用間隔裝藥。根據(jù)黑岱溝露天煤礦巖石物理學(xué)性質(zhì)，得出不同巖性的炸藥單耗：泥巖1.53kg/m3，砂巖0.61～0.77kg/m3，粘土巖0.15～0.18kg/m3。

3.3 預(yù)裂設(shè)計方案（1）

2007年炸藥廠地面站改擴(kuò)建炸藥生產(chǎn)工藝技術(shù)引進(jìn)國外現(xiàn)場混裝炸藥裝備與工藝技術(shù)，地面站生產(chǎn)線建成后，有一條乳膠基質(zhì)生產(chǎn)線和多孔粒狀硝酸銨斗式提升系統(tǒng)，擁有26臺現(xiàn)場混裝炸藥車，其中多功能現(xiàn)場混裝炸藥車9臺，現(xiàn)場混裝多孔粒狀銨油炸藥車17臺，可生產(chǎn)的炸藥品種有三多孔粒狀銨油炸藥、重銨油炸藥和乳化炸藥三種。三種炸藥分別應(yīng)用于黑岱溝露天煤礦不同種類的爆破需求。其中銨油炸藥不抗水主要用于干孔巖石爆破，重銨油也不具有抗水性能，但是重銨油爆炸后的氣體能較大，主要用于高臺階拋擲爆破，重銨油炸藥主要裝在拋擲區(qū)前排孔，后排孔主要裝銨油炸藥，乳化炸藥具有良好的抗水性能，主要用于水孔爆破。三種炸藥完全能滿足露天礦各種爆破需求。但是拋擲爆破主爆區(qū)周邊采用預(yù)裂爆破技術(shù)，預(yù)裂爆破是在主炮孔爆破之前起爆的布置在開挖邊線的一排預(yù)裂孔，爆破的結(jié)果是預(yù)裂孔的相鄰孔之間形成裂縫，整個預(yù)裂孔布孔平面形成一個斷裂面，以減弱主爆區(qū)爆破時地震波向邊坡巖體的傳播并阻斷向邊坡外發(fā)展的裂縫，使邊坡整齊，增加邊坡穩(wěn)定性。起初預(yù)裂孔裝銨油炸藥。

圖3-1 ?方案（1）裝藥結(jié)構(gòu)

圖3-2 方案（2）裝藥結(jié)構(gòu)

方案（1）預(yù)裂孔裝銨油炸藥采用分兩段裝藥，根據(jù)孔深，底部裝藥量85kg，距孔口15m裝藥量40kg，中間采用空氣間隔器間隔。炮孔不填塞。裝藥結(jié)構(gòu)如圖3-1。

4 爆破效果

通過多次爆破實踐發(fā)現(xiàn)，裂縫平均寬度過大，且裂縫寬窄不均勻，多個炮孔孔口爆破后出現(xiàn)了明顯的漏斗形狀，保留巖體壁面殘留半孔率較低，且后沖約在10米多的地方多出現(xiàn)明顯的裂縫，下一個炮區(qū)鉆機(jī)鉆孔作業(yè)時出現(xiàn)夾桿塌孔現(xiàn)象，采掘一周以后水平臺階局部巖層有向斜和裂隙較發(fā)育的部位產(chǎn)生片幫現(xiàn)象。有的片幫區(qū)比較嚴(yán)重，寬約50m，長約20m，導(dǎo)致下一相鄰爆區(qū)拋擲爆破炮孔第一和第二排打不成斜孔，只能打垂直孔進(jìn)行松動爆破，所以起初爆破效果不是很理想，爆破效果如圖4-1、圖4-2。

圖4-1 ?保留坡頂面狀況

圖4-2 ?保留坡面狀況

5 低密度銨油炸藥的研發(fā)及應(yīng)用

5.1 爆破理論分析

單從炸藥對預(yù)裂爆破效果的影響而言，改善預(yù)裂效果有兩種方法：一是降低炸藥爆炸瞬間的做功能力以降低炸藥爆炸時對周圍巖石介質(zhì)的破壞程度。二是提高炸藥的裝藥高度。提高炸藥在炮孔內(nèi)的裝藥高度可以使炸藥能量均勻地作用于巖壁，降低炸藥爆炸瞬間能量的集中破壞作用。兩種方法同時應(yīng)用對改善爆破起到很大作用。從以上爆破效果可以看出多孔粒狀銨油炸藥的能量對于預(yù)裂爆破偏大進(jìn)而對周邊巖石破壞程度越嚴(yán)重，因為銨油炸藥的密度相對較高，每段裝藥高度偏小造成爆炸應(yīng)急集中作用，造成爆破效果不理想，所以要想改善爆破效果，從炸藥性能入手必須降低炸藥的爆炸性能，同時降低炸藥的密度。

5.2 炸藥理論分析

根據(jù)炸藥理論，對于同一種炸藥，降低密度炸藥爆炸性能降低。降低炸藥密度最簡單的方法就是在現(xiàn)有炸藥中添加惰性低密度添加物，而且這種低密度添加物不能參與炸藥組分反應(yīng)，不能影響組分的穩(wěn)定性和炸藥的儲存性能，不能提高炸藥的一系列感度等。因為炸藥爆炸反應(yīng)瞬間是劇烈的氧化還原反應(yīng)，所以新的配方比例必須滿足炸藥爆炸瞬間的零氧平衡，確保爆炸后不產(chǎn)生有毒有害氣體，還要能夠在初始激發(fā)能的作用下穩(wěn)定爆轟，混制后其容積能量、猛度、爆轟壓、沖擊波能量相對較低，炸藥波阻抗盡量能夠與巖石性質(zhì)匹配。通過炸藥理論分析，低密度炸藥與爆破理論改善預(yù)裂爆破效果的兩種途徑恰好吻合。

5.3 低密度銨油炸藥的研發(fā)及應(yīng)用

從很多次的爆破實踐證明，解決預(yù)裂爆破效果更好的方法是對使用的炸藥性能進(jìn)行改進(jìn)，從爆破設(shè)計改變，其方法比較復(fù)雜，也很難操作，可能會增加更多的爆破成本。2009年初炸藥廠工程技術(shù)人員為了解決這一難題，開始著手低密度銨油炸藥研發(fā)。從現(xiàn)有的混裝炸藥生產(chǎn)工藝入手，確定在銨油炸藥中添加低密度添加物，降低銨油炸藥的密度，因為銨油炸藥成本低，現(xiàn)場混裝銨油炸藥車生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)少，容易操作。通過材料選擇、配比，炸藥性能實驗，用時半年，反復(fù)理論計算和小樣實驗，不斷調(diào)整材料及配方比例，經(jīng)過長達(dá)半年的試驗，終于確定了適合預(yù)裂爆破使用的低密度銨油炸藥的配方及性能指標(biāo)。在跟黑岱溝露天煤礦爆破設(shè)計人員研究，最終確定預(yù)裂爆破用低密度銨油炸藥的密度在0.56～0.65g/cm3、爆速為1600～2200m/s范圍為最佳，下表5-1為低密度銨油炸藥組分及比例下的爆速。

表5-1 ?低密度銨油炸藥組分比例及性能測試表

[多孔粒狀硝酸銨（%）＼&柴油（%）＼&低密度添加物（%）＼&炸藥密度（g/cm3）＼&炮筒直徑（mm）＼&炮筒材質(zhì)（kg·m-3）＼&炸藥爆速（m/s） ＼&91.76＼&5.85＼&2.39＼&0.6＼&120＼&紙質(zhì)＼&2125

2056

2046＼&]

6 預(yù)裂爆破方案（2）

低密度銨油炸藥實驗研制成功后，利用現(xiàn)場混裝銨油炸藥車生產(chǎn)低密度銨油炸藥，應(yīng)用于預(yù)裂爆破中，黑岱溝露天煤礦也對預(yù)裂爆破設(shè)計方案進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，在現(xiàn)場采用的三段分段裝藥過程中，需要明確各個分段部分的具體裝藥量。根據(jù)現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)，實驗確定了以下藥量分配經(jīng)驗公式：

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

式中，Qi——預(yù)裂孔自下而上的的分段裝藥量，kg/m2。

孔內(nèi)采用間隔器分段裝低密度銨油炸藥，起爆器材為孔內(nèi)導(dǎo)爆索起爆，地面采用導(dǎo)爆索—繼爆管起爆網(wǎng)路，7個孔一延期，延期時間為9ms，裝藥結(jié)構(gòu)如圖3-2，爆破參數(shù)設(shè)計如表6-1。

表6-1 優(yōu)化后的預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計表

[孔徑（mm）＼&孔距（m）＼&孔深（m）＼&總孔數(shù)（個）＼&炮孔傾角（ °）＼&單孔藥量（kg）＼&炸藥單耗（kg·m-3）＼&充填長度（m）＼&爆破總長（m）＼&3l0＼&3.5＼&39～43＼&208＼&65～75＼&95＼&0.6～0.7＼&0＼&728＼&]

方案（2）預(yù)裂爆破裝藥采用分三段裝藥，根據(jù)孔深底部裝藥量55kg，中間裝藥28kg，距孔口15m裝藥量22kg，采用空氣間隔器間隔。炮孔不填塞。裝藥結(jié)構(gòu)如圖3-2。

7 優(yōu)化后的預(yù)裂爆破效果

低密度炸藥使用降低了爆炸應(yīng)力波對預(yù)留區(qū)巖石淺層的破壞和巖石質(zhì)點的振動速度，降低了預(yù)裂爆破對巖石的破壞。經(jīng)過多次爆破實踐，預(yù)裂爆破效果有了明顯改善，爆破后，炮孔口處無明顯漏斗形狀，巖石裂縫均勻，寬度適中，保留巖體整體性和破面穩(wěn)定性得到提高。半孔率達(dá)到80%以上，保證了高臺階下方采掘設(shè)備的作業(yè)安全以及下一個拋擲爆破區(qū)的正常爆破設(shè)計、鉆孔、爆破實施。（圖7-1）

8 經(jīng)濟(jì)效益分析

預(yù)裂爆破的成本包含爆破器材、輔助爆破器材和鉆孔成本等多個部分成本綜合，本文主要討論兩種方案使用的爆破器材成本影響，其他成本不做分析。預(yù)裂爆破成本用下式表示：

P=n（P+Q+S）

式中：P——預(yù)裂爆破總成本;

P——單孔使用的炸藥成本;

Q——單孔使用的起爆器材成本;

n——每次預(yù)裂爆破總孔數(shù);

S——單孔起爆器材成本。

8.1 炸藥成本

銨油炸藥是由多孔硝酸銨與柴油經(jīng)現(xiàn)場混裝炸藥車現(xiàn)場制備，低密度炸藥是在多孔硝酸銨中按比例添加低密度添加劑，經(jīng)現(xiàn)場混裝炸藥車現(xiàn)場制備，兩種炸藥技術(shù)參數(shù)見表8-1。

表8-1 ?起銨油炸藥與低密度銨油炸藥組分質(zhì)量比

[炸藥種類＼&硝酸銨＼&柴油＼&添加劑＼&銨油炸藥

低密度銨油炸藥＼&94.5%

86.94%＼&5.5%

5.5%＼&/

7.56%＼&]

目前硝酸銨的市場價格為1850元/噸，柴油的市場價格為5214元/噸，珍珠巖的市場價格為4700元/噸。所以：

每噸銨油炸藥成本計算：

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

每噸低密度銨油炸藥成本計算：

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

=2250.48（元）

方案（1）每孔裝藥量M1=85+40=125kg，方案（2）每孔裝藥量M2=55+28+22=105kg。

低密度銨油炸藥相對銨油炸藥的質(zhì)量轉(zhuǎn)換比為1.4。所以裝低密度每孔相當(dāng)于裝銨油炸藥的質(zhì)量M3=105/1.4=75kg。由以上可以計算單孔炸藥成本：

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

8.2 穿孔成本

分別以45m高度砂頁巖（炸藥單耗為0.4 kg/m3）巖石臺階，計算310mm孔徑的爆破成本，本次只計算穿孔成本，如表8-2。

表8-2

[機(jī)孔徑

（m）＼&孔深

（m） ＼& 孔距

（m）＼&總孔數(shù)＼&總進(jìn)米

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

8.3 起爆器材成本

預(yù)裂爆破前后孔內(nèi)使用的起爆器材為雷管，起爆彈以及輔助起爆器材（空氣間隔器），成本如下表8-3。

表8-3 起爆器材及輔助起爆器材成本

[起爆器材＼&起爆彈（元/個）＼&雷管（元/發(fā)）＼&輔助起爆器材（間隔器）

（元/發(fā)）＼&價格＼&15＼&20＼&30＼&]

方案（1）每孔使用2發(fā)雷管，2個起爆具，一個空氣間隔器，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發(fā)雷管，3個起爆具，兩個空氣間隔器，所以起爆器材成本：P6=3×15+3×20+2×30=135（元）。

8.4 爆破成本計算

根據(jù)上述可以得出，按照一次預(yù)裂孔數(shù)208個計算，方案（1）一次預(yù)裂爆破總成本：

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(yù)裂爆破總成本P2由下式計算得出：

P8=P4+P6=（168.768+135+208×58）×208

=303.768×208+1160

=64343.74（元）

通過方案優(yōu)化一次預(yù)裂爆破節(jié)約爆破器材成本為P9

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

一年預(yù)裂爆破的總次數(shù)約為17次，節(jié)約總成本P10：

P10=17×P9=14×11826.766=201055.26（元/年）

9 結(jié)論

①通過本文的分析，使用低密度炸藥不僅可以優(yōu)化預(yù)裂爆破效果，還可以降低爆破器材成本，進(jìn)而降低了露天采煤成本;

②低密度銨油炸藥在黑岱溝露天礦預(yù)裂爆破中的應(yīng)用，是爆破工藝的新嘗試、新突破;

③實踐證明低密度銨油炸藥在預(yù)裂爆破中的應(yīng)用，降低了爆破對巖石的破壞，保護(hù)了片幫和高臺階面，改良了爆破效果。