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摘要：传统爆破法破会出现炮眼利用率低、边坡稳定性差、飞石、噪音、粉尘等危害严重，工程成本高等问题，对施工人员及周边建筑物都会带来影响。因此，为改善台阶上部矿岩的破碎质量，进一步探求更加安全、高效、经济、环保的控制爆破技术，本文对水力增压爆破和大孔距定向切割爆破两大技术进行了的研究，以期为控制爆破技术的进步，促进爆破技术的发展做出贡献。
关键词：矿山爆破；水力增压技术；定向切割爆破技术
在控制爆破技术的进一步发展的同时，其应用范围越来越广泛，但是与发达国家相比较而言，我国露天矿山爆破达到的效果较低。而爆破作为采矿工艺的重要一环，对整个开采安全、经济效益有很大的影响。因此，施工方必须根据工程要求和爆破具体条件，通过精心设计、施工与防护等技术措施，对爆破效果和爆破危害进行双重控制的爆破，确保露天矿山开采工作的安全。
1 水力增压爆破技术研究
1.1 水力增压爆破机理分析
水力增压爆破是指在炮孔装药上部炸药与填塞物之间安置一定长度水柱，增加水柱来传递药包爆轰压力，并在水柱和上部填塞物之间敷设超前压塞药包，超前主药包25ms起爆，起到对填塞物的超前压缩密实作用，增加填塞物与孔壁的摩擦力，防止能量过早外泄。
根据哈努卡耶夫进行大量波阵面衰减试验研究，得出的冲击波在水中的压力峰值随距离的增加而衰减的规律，开始爆轰时波阵面压力很大，为峰值压力，其衰减的速率也相对较大。普通装药结构的药包起爆时，峰值压力在炸药周围形成粉碎区，而在采用水力增压爆破装药结构的炮孔中，主药包起爆后，冲击波波阵面沿炮孔轴向传播的压力传到水柱中，水柱受到冲击波波阵面压缩后，吸收了波阵面的峰值压力，当波阵面压力逐渐衰减后，水柱不再吸收压力而转为逐渐释放能量，从而延长了对岩体的作用时间。同时水柱吸收了压缩区波阵面峰值压力，减小了压缩区的能量损失，且由于水柱起到对能量的传导作用，使得台阶上部岩体受到更大的作用力，从而改善台阶上部岩石的破碎质量。
同时，炸药爆炸产生的冲击力将炮孔上部的水雾化并在高压作用下挤入台阶岩体裂隙内，雾化水分子将粉尘吸附结团，大幅度降低了爆破粉尘，创造了良好的生产作业环境。
1.2 水柱高度计算
炸药被引爆后，猛烈地冲击上部水柱，由于水在高冲击载荷下的非弹性行为及水质点间的能量损耗，该水柱中将出现一个衰减的波阵面。参照J.Henryoh关于可压缩流体在直通道中波阵面压力随距离的衰减形式，以及哈氏的近似平面波随距离的衰减指数，波阵面压力随距离的衰减公式为
式中r0为当量距离，r0=5d（d为炮孔直径）以后的计算均按d=200mm；P0为炸药波阵面压力。
由于炮孔内水柱上波阵面压力是渐衰的，故冲击波传播速度也是逐渐减小的。根据水力增压爆破理论，水柱高度的计算公式：
式中，hw为水柱高度；ρpCp为矿岩声阻抗；PwCw为合理装水高度上水的声阻抗；PeD为炸药声阻抗；P0为炸药波阵面压力5.26GPa；Piw为水介质波阵面的初始压力，5.1GPa，矿岩水柱高度计算见表1。
1.3 最小填塞高度
为确保“露天深孔水力增压爆破”的填塞效果，参照常规爆破，确定水力增压爆破的最小填塞高度为5.5m（含水柱高），同时保证上部有2.5〜4.0m的填塞物；在水柱与填塞物之间放置3kg超前压塞药包（超前主药包25ms起爆），作为加强填塞措施。
1.4 数值模拟分析
根据水力增压爆破机理，我们设计了爆破模拟软件，通过对每一个节点的爆炸应力波产生的能量进行计算，可以确定任意爆炸时刻台阶任意剖面的能量场分布。这里以台阶高度为12m、孔径200mm的大孔径单孔台阶模型进行数值模拟，得到了水压爆破与普通爆破的能量分布情况，见图1。由图1可知，同一时刻，水力增压爆破台阶上部的能量明显大于普通介质爆破，可以有效避免台阶上部大块的产生，降低大块率，改善爆破效果。
1.5 现场试验
为验证水力增压爆破效果，以指导矿山生产作业，我们在马钢集团下属矿山开展了露天深孔水力增压爆破现场工业试验，矿岩坚固性系数为f=10～12，试验采用轴向不耦合水压爆破方式，装药结构如图2所示。
根据矿山的岩体参数，硬岩：ρ0=4g/cm3，Cp=4000m/s；贫矿：ρ0=3.44g/cm3，Cp=3500m/s；土岩：ρ0=2.5g/cm3，Cp=3000m/s。计算得到合理水柱高度，硬岩：hw=4m；贫矿：hw=4.7m；土岩：hw=6.7m。
由于合理水柱高度的选取还受其他因素的影响，因此现场实际应用时，在不出现喷孔的情况下，水柱高度可以取得高一些，但若超过K太多，其作用就不再显著。
1-主药柱；2-主药柱起爆雷管；3-水袋；
4-水柱；5-超前压塞药包起爆雷管；
6-超前压塞药包；7-填塞物；8-炮孔；9-导爆管
结合矿山生产进度安排，矿山生产作业平台共进行4次试验，爆破炮孔总长度192m，爆破矿岩量为2.7万t，乳化炸药消耗量为4.35t。试验结果如表2所示。
水力增压爆破主要指标与常规爆破的对比情况见表3。
现场试验表明，采用水力增压爆破技术，爆破效果较好，无根底，孔口无上冲，大幅度降低了爆破尘毒和粉尘危害，创造了良好的生产作业环境和劳动卫生条件，较好地维护了作业人员的健康和安全。水压爆破装药结构延米爆破量提高了10.86%；与常规爆破相比，提高了炸药能量利用率，改善了爆破破岩效果，提高了铲装效率，大块率降低了49.4%，降低了矿山二次破碎成本，提高了企业经济效益。同时，水力增压爆破也大幅减少了爆破粉尘的产生。
2 大孔距定向切割爆破技术研究
2.1 定向切割爆破装置
为降低露天矿山边坡预裂控制爆破成本，增大预裂孔距，特提出了一种定向切割爆破装药装置。该装置由定向切割爆破装药管、橡皮条和装药管两端封堵盖组合而成，在其两侧对称布置聚能槽。为确保每个炮孔的聚能槽处于一条直线上，装药管与倾斜切割孔底部均为圆弧，且半径相差26〜40mm，同时在倾斜孔药卷重力作用下，装药管在倾斜切割孔底部孔壁位置相对固定，采用防水胶带进行固定，可以通过导爆索调整聚能槽方向，可以使切割孔内各装药管聚能槽控制在同一方向上。
通过装药管两侧的四形聚能槽，将爆破能量集中于切槽方向，使爆破能量按照指定的方向集中释放，利用聚能效应，提高爆炸的局部作用力，使得聚能槽方向的聚能流大幅度增强，增大预定方向的爆炸压力，增加定向致裂的范围，进而扩大切割炮孔间距，实现炮孔的定向致裂，从而达到大孔距定向切割的目的。同时，由于爆炸能量向聚能槽方向定向释放，降低了爆炸能量向其他方向的扩散，减小了对炮孔其他方向的峰值压力，减轻了对炮孔周边的破坏作用，抑制了非设定方向裂纹的扩展，从而有效提高了保留岩体的稳定性，该装置如图3所示。
2.2 现场切割爆破试验
为验证定向切割爆破装药装置的试验效果，我们在试验矿山闪长玢岩等岩体中进行了8次生产试验，切割孔孔径为165mm，孔距比普通预裂爆破增大46%〜67%，试验总炮孔数为165个，切割线总长度383m。切割爆破试验效果见表4。
试验结果表明，采用定向切割爆破，在孔距比普通爆破增大46%～67%的前提下，边坡控制爆破效果较好，在地面形成了连续的预裂缝，预裂缝宽度为2～5cm，边坡面不平整度在15～20cm，半壁孔率达到73.50%；通过钻孔摄像拍照，孔内预裂缝连续，地表及孔内预裂缝摄像如图4、图5所示。由于切割孔比主爆孔先行80～150ms起爆，形成的切割缝，能够吸收和反射主爆孔的一部分爆炸能量，起到了降低爆破振动效应的效果。
通过大孔距定向切割爆破，爆破后冲得到明显控制，显著降低了生产爆破对矿山边坡的破坏作用，维护了边帮的稳定。与普通预裂爆破相比，定向切割孔孔距增大了46%～67%，边坡控制爆破成本降低了25%左右，提高了矿山经济效益。
3 结束语
总之，在露天开采安全和开发质量中，爆破工程的安全施工占据重要的地位，效果的好坏直接影响总开采成本。实验的结果表明合理的控制爆破技术是实现爆破施 工高效益、高质量、低危害的有效方法。为了有效促进我国露天矿山爆破及开采工作的稳定和可持续发展，必须加强对水力增压爆破和大孔距定向切割爆破两大爆破技术的探讨力度，实现它们对高效开采的指导意义。
参考文献：
[1]刘世永.结合工程实例探讨露天矿山中深孔爆破技术[J].城市建设理论研究.2012（32）
[2]王涛；张建华.组合控制爆破技术在露天矿山的研究与应用[C].中国采选技术十年回顾与展望.2012
论文作者:杨开山
论文发表刊物:《基层建设》2015年24期供稿
论文发表时间:2016/3/21
标签：水柱论文; 水力论文; 矿山论文; 压力论文; 药包论文; 能量论文; 炸药论文; 《基层建设》2015年24期供稿论文;