空气间隔装药爆破在石膏矿山的应用

时间：2024-07-28

田鹏

(湖南宏业石膏矿业有限公司，湖南常德 415300)

1 前言

爆破法采矿是最重要的采矿方法之一，如何合理的进行爆破并选择正确参数是决定爆破成果的主要因素。从20世纪50年代开始，我国一般采用深孔爆破空气间隔装药技术对露天矿进行开采，这是一种将空气作为炸药间隔，利用轴向不耦合进行装药的一种爆破技术。空气间隔装药爆破技术能够对爆炸产生的能量进行高效利用，还有助于稳定爆堆形态。而在地下矿山爆破中，间隔中的预留空气可以有效减缓爆炸过程中冲击波带来的峰值压力，有助于爆孔周边应力场的加强，从而致使原生裂缝能够继续扩大，进一步出现新的裂缝；采用空气间隔的装药方式，改善了炸药的分布结构，减少了单孔和总装药量，在降低了孔口大块率、提高炮孔利用率的同时，由于一次爆破药量的减少，爆破噪音和爆破震动大幅减少，还节约了爆破成本，爆破矿石也更加均匀，避免了二次爆破，提高了铲装效率，尤其适用于建筑物下等需要控制爆破震动的场合。

空气间隔装药技术主要分为空气层在顶部、空气层在中部、空气层在底部三种类型，需要根据实际爆破需求和地下矿山地质环境决定对空气层位置的安排。试验和实践结果都充分表明，对于地下矿山的开采，空气间隔装药爆破技术能有效提升炸药效率，大幅度减少炸药损耗和爆破震动，能够降低整个采矿工程的成本投入，为矿山企业创造额外的经济收益。

2 空气间隔装药原理及优势

空气间隔装药是指将空气作为间隔，再利用轴向不耦合进行装药的一种爆破技术。相比较传统中深孔连续装药而言，空气间隔装药技术能够对爆炸产生的能量进行高效利用，还有助于稳定爆堆形态以及提升岩石破碎效果。这是由于间隔中的预留空气可以有效减缓爆炸过程中冲击波带来的峰值压力，使炮孔周边的岩石不会过度粉粹，对爆破地震效应有减弱作用，在相同的装药量下，同一点的质点振速比连续装药小15%～50%。爆破产生的冲击波在受到阻碍物或到达孔底后会重新返回空气间隔中，在经过冲击波的多次作用下，会逐步增加炮孔周边的应力场，使应力波持续作用时间变长。在受到冲击波反复作用的同时，炮孔周边还会受到静压力作用和应力波反射作用，当这两种压力产生的综合压力超出了岩石最大承受范围时，岩石的原生裂缝就会继续扩大，进一步出现新的裂缝。

2.1 空气间隔装药爆破理论分析

1) 空气间隔装药爆破的基本原理

空气间隔装药在进行爆破时，爆破产生的产物会在空气间隔内迅速膨胀，之后压力逐渐下降，爆破产生的产物会由于膨胀而出现空气冲击波，对于空气间隔来讲，两端炸药同时爆炸，相对气体同时向空气间隔膨胀开来，产生的空间冲击波在空气间隔发生碰撞，巨大的冲击效果会直接导致岩石无法承受冲击波强度而破碎。而岩石的破碎会改变空间结构，使空气隔间形成新的高压源，经过再次反射后，原有的冲击波会发生方向变化，迅速向填塞面以及孔底转移。同时，炮孔内的空气间隔所处位置也会对岩石的破碎情况造成一定影响。上下部两个药包所产生的两个冲击波阵面会进行不断作用产生震荡。因此，在均匀装药的前提下，间隔器位于药柱中部产生的爆破效果要比间隔器处于药柱上下部的空气间隔装药爆破技术效果更好。

通过空气间隔装药爆破的作用机理可以明确以下几点：①应力波峰值压力可以得到有效降低，能够降低破坏同等岩石量消耗的炸药成本；②能够对爆生气体的作用时间进行延长；③静压力作用和应力波反射作用的综合效果会使原生裂缝继续扩大，进一步出现新的裂缝。

Hustrulid对空气间隔装药爆破机理的深入研究表明，在爆炸产物和炮孔底部产生的两道稀疏波导致炮孔压力逐渐减小，在增强岩石爆破的破碎效果中起到了关键作用，在释放压力过程中会在炮孔周边引起高幅值拉应力，能进一步加剧岩石的破碎。在耦合装药前提下，炮孔底部反射的冲击波压力能够达到初始平均爆炸压力，此压力直接造成了堵塞段以及空气段岩石的破碎。

2)空气间隔装药爆破对爆破效果的影响

对爆破效果情况的评定需要根据爆堆的级配、形态以及松散度3个特点进行效果评定，岩石的破碎除了与作用力密切相关，还与爆炸作用力持续的时间有关。进入孔壁的作用力越大，岩石的粉碎率也会相应增高，也增加了矿石的不均匀性。空气间隔装药爆破能够有效减慢气体散发到大气环境中的速度，使装药间隔能够处于持续高压状态，对爆破作用的产生积累了巨大能量，提升了气体做有用功的能力。这样的处理效果可以使爆炸后的爆堆形式规整，破碎岩块的均匀度提升，有效减少大块数量。同时，爆破气体作用时间的延长，能够使炸药内部的化学反应更加充分，有毒气体也会相应减少。

2.2 空气间隔装药的优势

众多的试验和实践证明，空气间隔装药能够有效避免传统连续装药存在的部分问题，在确保爆破效果的前提下，通过降低炸药损耗大大提升了炸药的利用率，有效减少了成本投入，同时对爆破产生的震动也能在一定程度上进行遏制，有利于控制因爆破造成的危害。空气间隔装药爆破技术在国外早已开始使用。苏联利用此项技术，将炸药成本降低了10%～30%，并有效改善了岩石爆破后的破碎度和爆堆形态；澳大利亚利用该技术对岩石的破碎情况实现了有效控制，并降低了炸药的单耗；美国马里兰大学采用动光弹的测量方式对聚异丁烯酸树脂中空气间隔装药的爆破情况进行了观测，试验结果表明，空气间隔装药能够起到延长冲击波作用到周边物质时间的作用；2000年，南芬露天铁矿开始使用此项技术，有效改善了岩石的破碎度和爆堆形态，铲装效率也得到了提高，年底增加了145万的经济效益。

3 空气间隔装药在地下矿山爆破中的应用

在采矿中，空气间隔装药爆破技术通常使用于以下2种不同类型的爆破：第一类用于梯段爆破，能够利用周围裂缝的再次扩展使爆破效果进一步加强；第二类用于预裂爆破，可以对有效控制爆破后炮孔周围裂缝的继续扩展，同时通过增加空气间隔层增强岩石破碎效果从而减少炸药成本，这种方法已经被普遍使用。

空气间隔位于炸药柱中部位置时，间隔高度为1.5～6.0m，上部的装药量大约占总装药量的33%～38%，下部装药量大约占总装药量的62%～67%。在处理超高台阶时，需要使用二次空气间隔三段装药的炸药结构，上部和中部药量各占总装药量的20%，下部装药量大约占总装药量的60%，与传统连续装药相比，能够减少大约40%的炸药损耗，而且爆破效果所差无几，还能有效规整爆堆、减少飞石。而底部不耦合装药能降低大块率，减少冲击波造成的震动。这种技术主要适用于底板开挖的保护性工程，比如开挖大坝坝基开挖、核电厂场坪、水工建筑物岩石基础等，此类工程需要确保底板岩石的完整性和平整性，能够在爆破后将损失控制在合格范围之内，并能够无保护性的进行一次开挖。通过试验说明，在空气间隔高度满足L=18m时，爆破造成的体积最大，震动最小，底部空气层通常取1～1.5m，能够减少约40%的震动。使用底部不耦合装药可以较大程度的减少对底板基岩的破坏，能有效提升一次性开挖底板的合格率，还可以起到控制爆破成本、提高施工效率的作用。

本文研究的某地下石膏矿山，含矿地层为奥陶系峰峰组，大致可以分为两层含矿地层，上层含矿层厚度在40～50m的范围内，矿石类型主要包括普通石膏、白云质石膏以及纤维针状充填石膏。矿山范围内未见断裂构造，褶皱不发育，地质构造属简单类型，矿床为产于下第三系古新统沙市组含膏岩段的湖相沉积型矿床，属次级歇驾山沉积盆地向斜北翼，矿区属低矮丘陵区，地势低平，区内地表水系不发育，地表水流经沟谷流出，对矿山开采影响不大。

在对现场进行多次勘查后，发现爆破区开挖岩石的普氏坚固系数约为2，再综合岩石性质分析，可以进行爆破开挖。为了达到降低大块率、规整爆堆、避免根底破坏等目的，最终决定使用空气间隔装药爆破技术对该爆破区进行开挖。在此项爆破工程中，空气间隔位于炸药柱中间位置，并确保底部装药量的长度不小于最小抵抗线W=3m的1.4倍，即4.2m。中间空气间隔距离为1.5m，上部装药长度为2.5m，堵塞距离为3.0m。

在对底部炸药进行安装后，用尼龙绳将麻袋捆好，并将麻袋放到孔里，通过竹竿将麻袋放到指定的位置，再将尼龙绳的另一端绑在木棍上，将木棍横放在孔口处，从而将孔中的麻袋塞进行固定。随后在上部进行装药，同时再装一个起爆药柱和堵塞等，具体如图1所示。

图1 空气间隔装药

若爆破高度达不到使用中部空气间隔装药爆破技术的条件，在对孔网参数进行适当增加的同时，还可以使用上部不耦合装药以及底部耦合装药，其中底部耦合装药的高度也需要不小于最小抵抗线的1.4倍。装药时，在底部要装多孔粒状硝酸铵，上部则使用直径0.7cm的条状乳化炸药，具体如图2所示。

图2 不耦合装药

从爆堆方面来讲，使用中间空气间隔装药爆破技术进行爆破后，可以发现比耦合装药爆破的爆堆抛掷情况减弱，岩石大块率有所降低。从经济方面来讲，直径为0.9cm的炮孔，平均延米装药量是5.5kg/m，与连续装药相比，每孔可以少装9kg炸药，以每千克炸药8元来算，每孔可以节约成本72元，再把1个7元的非电导爆管雷管价格扣除，则意味着每孔实际节约成本65元。若矿山每天有200个孔发生爆破，使用空气间隔装药爆破技术能够每天为矿山节约成本13 000元，创造出额外的收益。

4 空气间隔装药技术的注意事项

4.1 空气间隔位置的选择

一般来讲，空气间隔装药爆破技术分为空气间隔在上部、空气间隔在中部、空气间隔在下部。大量的试验和实践证明，在使用同等炸药量的前提下，对比空气间隔在中部比空气间隔在底部的装药爆破技术，前者岩石破碎效果更好。可见，空气间隔的位置对于爆炸效果起着重要作用。但在实际工程的操作中会发现，尽管中部空气间隔装药爆破技术爆破效果更好，但操作起来难度大、安装程序复杂，不但装药结构较为复杂，还需要两端同时起爆。

对于开采地下矿山应该采用何种空气间隔爆破技术，国内学术界对此有不同的认识。大部分学者研究认为采用中部空气间隔装药爆破技术进行岩石爆破的爆破效果更好，但也有部分学者研究认为，尽管下部空气间隔装药爆破技术没有中部的爆破效果好，但是对底部的保护能起到重要作用。所以，在实际工程操作中，对空气间隔位置的选择既需要考虑开采矿山的实际地质情况，还需要结合采矿侧重点和具体要求等其他因素。

4.2 空气间隔与炮孔装药的比值选择取向

在使用空气间隔装药爆破技术进行岩石爆破时，不但要对空气间隔位置进行确定，还需要对空气间隔与装药量的体积比进行确定。对于空气间隔所占体积比这一问题，学者们也提供了大量研究结果，Melnikov N V及其团队在基于大量实验数据的基础上发现，空气间隔体积占炮孔体积的11%～35%发生的爆破效果较好。Moxon N T研究认为空气间隔体积占炮孔体积的15%～35%发生的爆破效果较好，岩石破碎均匀，爆堆规整。国内学者基于实验数据则认为，空气间隔体积占炮孔体积的30%～40%发生的爆破效果更好。实际操作中，在以研究理论为基础的前提下，还需要根据工程场地的实际情况对空气间隔体积所占比例进行合理调配。

4.3 炮孔周围岩石动态损伤的演化

在使用空气间隔装药爆破技术进行岩石爆破时，由于存在空气间隔，在进行爆破时产生的冲击波会导致周边岩石产生反复加卸载作用，造成原生裂缝在反复冲击波作用下继续破碎，与传统连续装药的爆破机理并不相同。因此，需要对冲击波作用下反复加卸载作用导致的结果进行更深入的研究。理论和试验能够对爆破参数的大致范围进行计算，但参数的进一步确定还需要结合工程的实际情况，根据实际研究结果对参数进行科学调整，有利于实际工程中爆破工作的顺利完成。

4.4 关于爆破振动效应问题

空气间隔装药爆破技术能够起到良好的减震作用，可以降低10%～15%的震动状况。在通过对不同位置空气间隔进行质点振动的垂向、径向和切向进行时域比较后发现，中部空气间隔产生的三分量振幅最大，然后是上部空气间隔，下部空气间隔为振幅最小值。而对于爆破的近区和远区来讲，爆破振动造成的影响作用机制并不相同，还需要结合具体的工程实例进行深入研究。