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(duì)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(guò)爆破方案設(shè)計(jì)優(yōu)化，提升了開(kāi)挖效率和安全性。

關(guān)鍵詞：高臺(tái)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(duì)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(tái)階坡面整齊穩(wěn)定，震動(dòng)、后沖作用小，生產(chǎn)安全可靠。

圖1-1 ?剝離臺(tái)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(shí)時(shí)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(tái)階坡面的平直程度等爆破效果。

2 高臺(tái)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(kāi)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(shí)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(gè)預(yù)裂孔布孔平面爆破后形成一個(gè)斷裂面，在主爆孔爆破后，沿預(yù)裂面形成一個(gè)相對(duì)完整的光滑邊坡。

3 高臺(tái)階預(yù)裂爆破參數(shù)及設(shè)計(jì)

3.1 裝藥量計(jì)算

相對(duì)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(shí)的裝藥量Q，依據(jù)炮孔爆破面積方法來(lái)確定。

Q=qs×S

式中：qs——坡面單位面積炸藥單耗，kg/m2;

S——每個(gè)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(tái)階高為45m，預(yù)裂孔的設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(guó)外現(xiàn)場(chǎng)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(tái)現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車，其中多功能現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車9臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)混裝多孔粒狀銨油炸藥車17臺(tái)，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(tái)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(kāi)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(gè)預(yù)裂孔布孔平面形成一個(gè)斷裂面，以減弱主爆區(qū)爆破時(shí)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(guò)多次爆破實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，裂縫平均寬度過(guò)大，且裂縫寬窄不均勻，多個(gè)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(gè)炮區(qū)鉆機(jī)鉆孔作業(yè)時(shí)出現(xiàn)夾桿塌孔現(xiàn)象，采掘一周以后水平臺(tái)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(zhǎng)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(dòng)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(duì)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(shí)對(duì)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(shí)應(yīng)用對(duì)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(duì)于預(yù)裂爆破偏大進(jìn)而對(duì)周邊巖石破壞程度越嚴(yán)重，因?yàn)殇@油炸藥的密度相對(duì)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(shí)降低炸藥的密度。

5.2 炸藥理論分析

根據(jù)炸藥理論，對(duì)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(jiǎn)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(chǔ)存性能，不能提高炸藥的一系列感度等。因?yàn)檎ㄋ幈ǚ磻?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(duì)較低，炸藥波阻抗盡量能夠與巖石性質(zhì)匹配。通過(guò)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(shí)踐證明，解決預(yù)裂爆破效果更好的方法是對(duì)使用的炸藥性能進(jìn)行改進(jìn)，從爆破設(shè)計(jì)改變，其方法比較復(fù)雜，也很難操作，可能會(huì)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(kāi)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?yàn)殇@油炸藥成本低，現(xiàn)場(chǎng)混裝銨油炸藥車生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)少，容易操作。通過(guò)材料選擇、配比，炸藥性能實(shí)驗(yàn)，用時(shí)半年，反復(fù)理論計(jì)算和小樣實(shí)驗(yàn)，不斷調(diào)整材料及配方比例，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)半年的試驗(yàn)，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(jì)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(cè)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(shí)驗(yàn)研制成功后，利用現(xiàn)場(chǎng)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(duì)預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，在現(xiàn)場(chǎng)采用的三段分段裝藥過(guò)程中，需要明確各個(gè)分段部分的具體裝藥量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)確定了以下藥量分配經(jīng)驗(yàn)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(gè)孔一延期，延期時(shí)間為9ms，裝藥結(jié)構(gòu)如圖3-2，爆破參數(shù)設(shè)計(jì)如表6-1。

表6-1 優(yōu)化后的預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計(jì)表

[孔徑（mm）＼&孔距（m）＼&孔深（m）＼&總孔數(shù)（個(gè)）＼&炮孔傾角（ °）＼&單孔藥量（kg）＼&炸藥單耗（kg·m-3）＼&充填長(zhǎng)度（m）＼&爆破總長(zhǎng)（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(duì)預(yù)留區(qū)巖石淺層的破壞和巖石質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，降低了預(yù)裂爆破對(duì)巖石的破壞。經(jīng)過(guò)多次爆破實(shí)踐，預(yù)裂爆破效果有了明顯改善，爆破后，炮孔口處無(wú)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(tái)階下方采掘設(shè)備的作業(yè)安全以及下一個(gè)拋擲爆破區(qū)的正常爆破設(shè)計(jì)、鉆孔、爆破實(shí)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(gè)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(chǎng)混裝炸藥車現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)混裝炸藥車現(xiàn)場(chǎng)制備，兩種炸藥技術(shù)參數(shù)見(jiàn)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(chǎng)價(jià)格為1850元/噸，柴油的市場(chǎng)價(jià)格為5214元/噸，珍珠巖的市場(chǎng)價(jià)格為4700元/噸。所以：

每噸銨油炸藥成本計(jì)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(jì)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(duì)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(jì)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(yè)巖（炸藥單耗為0.4 kg/m3）巖石臺(tái)階，計(jì)算310mm孔徑的爆破成本，本次只計(jì)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(gè)）＼&雷管（元/發(fā)）＼&輔助起爆器材（間隔器）

（元/發(fā)）＼&價(jià)格＼&15＼&20＼&30＼&]

方案（1）每孔使用2發(fā)雷管，2個(gè)起爆具，一個(gè)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(gè)起爆具，兩個(gè)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(jì)算

根據(jù)上述可以得出，按照一次預(yù)裂孔數(shù)208個(gè)計(jì)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(jì)算得出：

P8=P4+P6=（168.768+135+208×58）×208

=303.768×208+1160

=64343.74（元）

通過(guò)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(guò)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(shí)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(duì)巖石的破壞，保護(hù)了片幫和高臺(tái)階面，改良了爆破效果。