非金属露天矿深孔水压爆破技术实践

邢利伟, 张钜盛

(1.河北省建筑材料工业设计研究院有限公司, 河北 石家庄 050051; 2.冀东海天水泥闻喜有限责任公司, 山西 运城 043800)

1 前言

早在40年代末期，挪威、瑞典等国就在城市进行过水压爆破拆除建筑物的尝试，并取得了成功。进入50年代，水压爆破技术迅速在世界各国得以推广，成为城市建筑物拆除爆破中一种较安全且先进的爆破技术[1]。到70年代末,日本的桥本博和高木薰首先将此技术应用于隧道掘进和石材切割中,发明了所谓的ABS法。我国应用水压爆破技术始于50年代，大量应用则是70年代末80年代初。80年代初,山东莱芜铁矿将水压爆破技术应用于大块的二次破碎[2]。80年代中期,山东洪山铝土矿为解决爆破后粉矿率过高和资源利用率低的问题,首次在井下房柱法采场中,在直径60 mm和深度小于8 m的中深孔中进行了水压爆破试验,并取得了成功[3]。

近些年，随着国家对绿色矿山建设的大力推广，环保在整个绿色矿山建设中具有非常重的分量，目前矿山的铲装、运输、破碎环节通过机械收尘系统和喷淋抑尘系统使扬尘得到了较好的抑制，但爆破粉尘一直未取得明显效果，逐渐成了矿山生存、建设、发展的瓶颈。目前，国家明确要求：露天爆破施工作业必须有抑尘措施。但现有的爆破抑尘技术主要是在爆破前和爆破后对爆破区域进行喷淋洒水或喷洒化学抑尘剂[4-5]，对于降低爆破扬尘效果一般，而且成本很高，用水量大，部分化学抑尘剂还带来新的环境影响[6]。

基于上述原因，结合矿山生产工艺，在水封爆破的基本技术基础上，通过不断实践优化爆破孔装药结构，充分利用水在爆破瞬间受高温高压作用雾化，来捕捉爆破产生的粉尘，达到降低粉尘浓度的目的；同时由于水的不可压缩性，作为介质传替能量，形成高压水楔，促进裂隙发育延长作用时间，从而节省炸药、降低大块率。该方案不仅符合国家环保政策，而且节能降耗，易操作，具有很大的社会经济效益和推广价值。

2 工程概况

矿区位于中条山北东段北西缘的焦山及其南侧山坡上。地貌形态属低山丘陵，矿区内基岩裸露，大面积黄土覆盖；该区属暖温带大陆性气候，年平均气温12 ℃～13 ℃，雨季多集中于7、8、9三个月，年平均降雨量400～500 mm，年平均蒸发量1 240 mm。

矿山采用自上而下台阶式开采。矿山爆破采用深孔多排孔延时爆破，使用岩石膨化炸药为主爆药，不耦合装药系数为1.27，采用非电塑料导爆管起爆方法。爆破采取三角形方式布孔。每周爆破1～2次，每次2～3排，每次爆破20～30孔。爆破大块率5%左右，底根较少，爆破扬尘比较明显。生产选用的爆破参数见爆破参数表，具体参数见表1。

表1 爆破参数表

3 水压爆破技术

3.1 基本原理

水压爆破技术的基本原理[7]如下：

(1)水介质具有不可压缩性质，能量传播损失小，同时易迅速变形。炸药爆炸瞬间，水传播冲击波到空腔壁使其产生位移，并产生反射作用形成二次应力作用，使空腔壁均匀破碎[8]。

(2)水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”效应，压迫岩石进一步破碎，同时延长了作用时间[9-10]。

(3)水在应力和爆轰气体作用下，瞬间雾化，可以起到雾化降尘作用，降低粉尘对环境的污染[11]。

3.2 试验方案

1)水袋参数和水袋放置方式的选择

试验结合矿山以往生产爆破方案，此次实验，台阶高度12 m，孔径调整为115 mm，倾角76°，先期使用岩石膨化炸药，微差爆破。在此基础上将整段水封袋直接放在孔口塞填下部和分段分别放在孔底和塞填段和炸药之间，观察爆破效果，进行综合分析改进。炮孔装药方案及其效果见表2。

表2 炮空装药结构方案及效果

水袋的制作，使用PSJ- 1型自动灌水、自动封口机。水袋放置方式，前期是直接塞进钻孔，靠自身重力下滑到指定位置，出现多次水袋破损事故，造成水外渗增加了炸药用量，同时炸药浸湿，影响爆破效果，而且没有形成捕捉粉尘的水雾，起不到抑尘作用。所以，后期在爆破前，先用炮锤清理钻孔的毛面，然后使用绳索下放，后续没出现水袋因孔壁的剐蹭破损现象。

堵塞时，利用按黏土∶沙∶水=75∶10∶15比例配置好的炮泥进行堵塞，不再采用直接用钻孔岩粉回填的封堵方法。

2)炸药品种的选择

经过多次的爆破实验发现，使用岩石膨化炸药做水压爆破时，由于出现水袋破损现象，易造成炸药浸湿和受潮，影响爆破效果；同时膨化炸药的爆速小，装填炸药虽然只减少了3%左右，但效果很差，大块增多，爆堆松散度差。后来试验改用直径85 mm的乳化炸药做水压爆破实验，效果好，不仅大块少，而且爆堆松散。虽然乳化炸药吨价位比岩石膨化炸药高500元，但用量减少了9%左右，综合计算，成本降低8.2%。所以考虑水对炸药的影响上，选择乳化炸药作为水压爆破的火工器材更具有优势。

3)压渣厚度的选择

前期试验的水压爆破，临空面没压渣，造成爆破时前排矿石冲击工作面扬尘大，后期采用压渣进行水压爆破实验，因没考虑压渣的厚度，一次压渣厚度10 m时，临空面出现岩墙和窜孔。后来以台阶高度中心的一半为基准测算最小抵抗线，效果较好，窜孔和前排矿石落地冲击采面的扬尘等问题得到了解决。

3.3 技术方案的确定

爆破前通过开展水压爆破工艺流程培训，从施工流程和工艺，实行专人专职，各负其责，专门安排专人验孔、放置钻孔底部和上部的水袋，专人安放起爆药包，专人铺设连接网络和起爆，专人警戒，现场秩序井然，效率较无水袋爆破差别不明显。经过多次试验后最终形成的爆破方案如下：

1)爆破参数

最终爆破方案的参数见表3。炮孔装药结构如图1所示。

图1 最终方案炮孔装药结构示意图

表3 最终方案爆破参数

2)验孔

在爆破作业前24 h，进行钻孔数量、深度、孔壁的检查，数量核实后，深度不够或超深的进行穿孔和填充处理，孔壁不光整的用炮锤处理；爆破前，专职放置水袋，员工再逐孔验孔，保证孔壁的光整，不能损伤水袋。

3)放置水袋

专职放置水袋人员，先用绳索放置钻孔底部水袋，前排是0.5 m，后排是0.3 m，然后再装药和安放起爆药包，炸药装完后，前排实测炸药距离孔口4 m，然后用绳索放置1.8 m水袋；后几排实测炸药距离孔口3.5 m，然后用绳索放置1.7 m水袋。实测主要是保证炸药的充分接合。

4 爆破效果

4.1 抑尘效果明显

陆续采取多次实验，不断实践逐步调整到前排最小抵抗线是最佳值,达到了爆破区域上部和前排不再有明显粉尘的目的。从水压爆破后的现场爆堆采装情况看，钻孔底部水袋超过0.3 m的，存在底根；压渣厚度大于最小抵抗线的爆破，前排出现岩墙。常规爆破和水压爆破的现场粉尘状况如图2所示。

图2 爆破现场粉尘状况

4.2 大块率降低

水压爆破由于水的不可压缩性，爆破时，产生的张力通过水直接释放到所处区域的岩石上，使岩石产生破裂，减少了钻孔堵塞区域的大块率；水压爆破时前排的压渣又起到阻挡前排爆破能力的损失，使前后排的矿石在爆破中产生相互碰撞和挤压，进一步起到破碎大块的作用；水压爆破采用排、孔相互间隔更短的毫秒导爆管，使爆破瞬间前后左右的爆破矿石达到相互碰撞，明显减少了大块。

4.3 成本节省

按标准台阶12 m计算，水压爆破研发前用的是岩石膨化炸药，单价5 500元/t，单孔装药长度是10.41 m，堵塞长度3.5 m，药卷直径120 mm，单孔装药量135.32 kg，；采用水压爆破时，用的是乳化炸药，单价6 000元/t，单孔装药长度是10.1 m，药卷直径85 mm，单孔装药量62.92 kg，炮泥堵塞长度1.8 m，总水袋长度2 m。爆破炸药成本分析[12]

1)炸药成本分析

2)大块率二次破碎成本分析

二次破碎成本分析主要采用生产数据统计比较，结合2019年、2020年主要生产数据，大块率降低30.4%，每吨矿石二次破碎成本费用降低52.17%。2019年、2020年二次破碎大块统计见表3。

表3 2019年、2020年二次破碎大块统计表

5 结论

经过多次现场实验，并对实验过程和结果进行汇总、分析、改进最终得出以下结论：

(1)该矿采用乳化炸药为主爆药，深孔微差延时爆破，上、下分两段设置水袋，爆破效果好。前排炮孔的水袋长度为2.5 m，其中底部水袋长度0.5 m，炮泥和炸药之间的水袋长度为2 m；后排炮孔水袋长度为2 m，其中底部水袋长度0.3 m，炮泥和炸药之间的水袋长度1.7 m；塞填用黏土、沙、水按75∶10∶15的比例混合塞填。

(2)临空面压渣，不仅增加了前排孔矿石碰撞的效率，降低了前排的大块率，而且抑制了爆破矿石冲击工作面的扬尘。压渣厚度(以台阶高度中心的一半为基准测算)的最佳值是最小抵抗线。

(3)水在爆破中，不仅有雾化捕尘作用，还有介质用途，代替底部炸药和上部堵塞岩粉，发挥水的不可压缩性，爆破时传递能量、释放张力，对矿石起到延时破碎作用，大块度平均达到3%左右。

(4)相比常规爆破，水压爆破也存在钻孔质量要求高和施工作业时间长等问题。

(5)通过此次研究，水压爆破技术方案改进后，抑尘和块度控制效果较好，适宜露天建材矿山应用；而且工人能熟练掌握技术要点，具有较大的推广前景。