盧軍,馬元軍

(葛洲壩易普力四川爆破工程有限公司,四川 成都 610000)

自1627年,奧地利人葛期帕爾·溫德首次將炸藥應用于煤礦開采以來,經(jīng)過幾百年的發(fā)展,爆破法已成為礦山開采最主要的方法[1].伴隨著爆破法的推廣應用,工業(yè)炸藥也陸續(xù)更新?lián)Q代,最初的黑火藥,逐步由代那買特、硝銨炸藥所替代.硝銨炸藥由于安全、可靠、威力大,特別是現(xiàn)場混裝乳化炸藥生產(chǎn)工藝簡單,其制造、運輸、使用等環(huán)節(jié)均為炸藥半成品,無雷管、機械等感度,安全可靠,且生產(chǎn)工藝高效、環(huán)保,因此廣泛應用于露天大型礦山爆破開采.

現(xiàn)場混裝乳化炸藥流動性大,主要呈耦合裝藥結構,其配方可以根據(jù)礦巖的性質(zhì)調(diào)整,因此研究其與礦巖匹配性對于爆破效果提升至關重要.國內(nèi)外大量學者分別從現(xiàn)場混裝乳化炸藥原材料性質(zhì)[2,3]、配方[4-6]、裝藥結構[7,8]等方面研究了其對爆破效果的影響,并提出了針對性的措施.但是針對現(xiàn)場混裝乳化炸藥爆區(qū)爆破參數(shù)的設計仍采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式[9],對于現(xiàn)場混裝乳化炸藥破巖機理及影響范圍研究較少,相關爆破參數(shù)的優(yōu)選理論支撐不足.基于此,本文以某石灰石礦山為背景,研究現(xiàn)場混裝乳化炸藥爆破應力波傳播規(guī)律,分析其破巖機理,為爆破參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù).

1 現(xiàn)場混裝乳化炸藥爆轟沖擊性能分析

某石灰石礦山采用現(xiàn)場混裝乳化炸藥進行爆破作業(yè),工藝簡單.首先在地面集中制備站制備水相(硝酸銨水溶液)、油相(柴油及乳化劑)、敏化劑(亞硝酸鈉),然后將水相、油相、敏化劑分別裝入BCRH-15型現(xiàn)場混裝乳化炸藥車的不同罐體內(nèi),現(xiàn)場混裝乳化炸藥車進入爆破區(qū)域后,通過螺桿泵將水相、油相攪拌均勻,形成W/O型抗水乳膠基質(zhì),輸入炮孔時添加敏化劑,10～15 min后現(xiàn)場混裝乳化炸藥在炮孔中敏化發(fā)泡,成為具備爆炸性能的乳化炸藥.具體配比:水相溶液中w(硝酸銨)∶w(水)=82%∶18%,油相溶液中w(柴油)∶w(SP-80)=80%∶20%,敏化劑中w(亞硝酸鈉)∶w(水)=25%∶75%,炸藥密度為1.15 g/cm3,水相吸晶點溫度為63 ℃.

現(xiàn)場混裝乳化炸藥裝藥完成后,在起爆具爆炸能作用下,炸藥爆炸并以較快的速度達到爆轟,其爆轟波傳播過程符合ZND模型,如圖1所示.

爆轟波在炮孔傳播過程中,以D表示爆轟波速度,以ρH,pH,μH,TH,eH及ρ0,p0,μ0,T0,e0分別表示爆轟產(chǎn)物及炸藥的密度、壓力、運動速度、溫度和比熱力學能(如圖1所示).在爆轟波傳播過程中,爆轟波陣面前后單位質(zhì)量炸藥遵循質(zhì)量、動量及能量守恒定律[10]:

UH-U0=(eH-e0)+(QH-Q0)；

(1)

ρ0(D-μ0)=ρH(D-μH)；

(2)

pH-p0=ρ0(D-μ0)(μH-μ0).

(3)

式中:U0,UH分別為炸藥、爆轟產(chǎn)物單位質(zhì)量熱力學能,J;Q0,QH分別為炸藥、爆轟產(chǎn)物單位質(zhì)量的化學能,J.

采用Microtrap孔內(nèi)爆速儀對現(xiàn)場混裝乳化炸藥爆速進行測試,得到D=6 051.6 m/s.將相關參數(shù)代入式(1)～式(3),可得現(xiàn)場混裝乳化炸藥爆轟壓力pH=10.04 GPa.

1—爆轟產(chǎn)物;2—反應區(qū);3—現(xiàn)場混裝乳化炸藥;4—壓力曲線;5—(C-J)面;6—沖擊波面

2 現(xiàn)場混裝乳化炸藥爆破應力波傳播特征

2.1 爆轟波對巖體初始沖擊荷載

現(xiàn)場混裝乳化炸藥裝入炮孔后呈流體狀,根據(jù)應力波傳播特征,爆轟波在炮孔壁發(fā)生透射及反射,透射波向巖體內(nèi)部繼續(xù)傳播,反射波則在爆轟產(chǎn)物中傳播,如圖2所示.透射波向巖體深處傳播,對周邊巖體產(chǎn)生動力擾動,因此,研究爆轟波對巖體的沖擊荷載實際上就是研究爆轟波作用于孔壁的透射波的沖擊荷載.

1—爆轟產(chǎn)物;2—現(xiàn)場混裝乳化炸藥;3—炮孔壁;4—爆轟波頭;5—入射波;6—反射波;7—透射波

透射波均遵循質(zhì)量、動量和能量守恒,參照式(1)～式(3),得到透射波壓力(巖體初始沖擊荷載)為

(4)

式中:p2為爆轟波對巖體初始沖擊荷載,MPa;N為比例系數(shù),該石灰石屬中風化灰?guī)r,取1.2;ρs為巖體密度,取2 670 kg/m3;D2為巖體中彈性波波速,取4 644 m/s.

將相關參數(shù)代入式(4),計算得到p2=13.79 GPa.

2.2 現(xiàn)場混裝乳化炸藥爆破應力波衰減規(guī)律

炸藥爆炸后,產(chǎn)生大量高溫高壓氣體作用于炮孔周邊的巖體,在距炮孔中心較近的范圍內(nèi)(r≤7R0),巖體變形過程復雜,呈類似流體變形狀態(tài),在該區(qū)域內(nèi),高溫高壓氣體的能量快速釋放,影響范圍較小.在r≈7R0附近,爆轟波產(chǎn)生的沖擊波在巖體中很快形成陡峭的波陣面[11],具有較高的沖擊壓力,沖擊波繼續(xù)傳播的過程中,沖擊壓力開始衰減,當沖擊荷載衰減至小于巖體抗壓強度時,沖擊壓力轉(zhuǎn)換為壓縮應力,壓縮應力對巖體壓縮產(chǎn)生拉應力,壓縮應力小于巖體抗壓強度,不會使巖體產(chǎn)生破壞,但是因壓縮產(chǎn)生的拉應力大于巖體抗拉強度,促使巖體出現(xiàn)拉伸破壞.根據(jù)文獻[10,11]爆破應力波衰減理論公式,分別得到爆破壓縮應力p及切向拉應力σt的特征方程:

(5)

(6)

(7)

式中:σt為切向拉應力,MPa;μ為巖石泊松比,取0.28.

將相關參數(shù)代入式(5)～式(7),得到爆破壓應力、拉應力與距炮孔中心距離的反比關系如圖3所示.現(xiàn)場混裝乳化炸藥爆破后,首先產(chǎn)生爆破沖擊壓力,爆破沖擊波壓力p由13.79 GPa迅速衰減至40.20 MPa(圖3a所示),衰減的距離為1.0 m,此后爆破沖擊波繼續(xù)衰減形成爆破壓縮波,爆破壓縮波壓應力小于巖體抗壓強度,不會對巖體產(chǎn)生破壞,但是壓縮產(chǎn)生橫向拉應力,導致巖體破壞,拉應力由6.9 MPa逐步衰減至2 .0 MPa時(圖3b所示),拉應力對巖體不再產(chǎn)生破壞,拉應力破巖范圍為1.1 m,爆破應力破巖范圍為2.1 m.

圖3 爆破應力衰減規(guī)律

3 工程應用

3.1 方案優(yōu)化

根據(jù)經(jīng)驗,某石灰石礦爆破孔排距設計范圍為(4～6)m×(3～5)m,為提高爆破效果,一般采用大孔距、小排距.選取幾種典型的爆破參數(shù)及炮孔布置形式進行混裝乳化炸藥破巖機理分析.

不同的布孔方式下爆破應力破巖范圍如圖4所示.當孔排距為5 m×4 m時,梅花形布孔方式對比長方形布孔,相鄰炮孔起爆后,中間區(qū)域未受沖擊,且拉裂的區(qū)域較小并呈狹長分布,該區(qū)域產(chǎn)生爆破大塊率的概率較小,更利于控制爆破塊度.

圖4 不同布孔方式爆破應力破巖范圍

當炮孔采用梅花形布孔時,不同孔排距導致相鄰炮孔間未受擾動區(qū)域面積各不相同,如圖5所示.當孔排距6 m×4 m時(如圖5a),相鄰炮孔間未受擾動的區(qū)域最大,大塊率發(fā)生概率最大;當孔排距4 m×4 m時(如圖5c),相鄰炮孔破裂區(qū)域重疊,可能導致炮孔爆炸能更多應用于巖石過度破碎,產(chǎn)生大量粉礦,不利于鏟裝;當孔排距5 m×4 m時(如圖5b),能量利用率最高,且炮孔間巖石破碎較充分,發(fā)生大塊率概率較小.

圖5 不同爆破參數(shù)爆破應力破巖范圍

因此,基于現(xiàn)場混裝乳化炸藥爆破應力破巖機理,采用孔排距為5 m×4 m的梅花形布孔方式,更利于充分破巖,提高爆破效果.

3.2 應用效果分析

為進一步直觀對比分析不同孔網(wǎng)參數(shù)條件下混裝乳化炸藥爆破時,該石灰石礦大塊率的分布特征,選取常用的6 m×4 m和優(yōu)化推薦的5 m×4 m孔網(wǎng)參數(shù)進行爆破效果對比分析,爆破單耗均取0.5 kg/m3.進行混裝乳化炸藥裝藥并起爆后,利用爆破塊度軟件對爆堆表面大塊率進行分析,如圖6所示.

圖6 爆破參數(shù)優(yōu)化前后巖石爆破塊度

圖7 參數(shù)優(yōu)化前后爆破塊度對比

對2種爆破參數(shù)起爆后大塊率進行分析后,其爆破塊度累計質(zhì)量百分比如圖7所示.參數(shù)優(yōu)化前后,爆破塊度在礦山要求的10～100 mm內(nèi)所占比例分別為72.13%,82.94%,超過100 mm的所占比例分別為27.57%,14.00%.由此可見,基于現(xiàn)場混裝乳化炸藥破巖機理,優(yōu)化爆破孔網(wǎng)參數(shù)后,爆破塊度分布更集中,大塊率降低13.57%.

4 結論

1)分析并計算得到現(xiàn)場混裝乳化炸藥耦合柱狀裝藥結構爆轟壓力及其對周邊巖體爆破沖擊壓力,為現(xiàn)場混裝乳化炸藥爆轟能定量計算及配方優(yōu)化提供了思路.

2)現(xiàn)場混裝乳化炸藥爆破沖擊壓力隨著應力波向外傳播,沖擊壓力逐步衰減為壓縮應力,沖擊壓力對周邊巖體產(chǎn)生沖擊破碎,壓縮產(chǎn)生的拉應力對周邊巖體產(chǎn)生拉裂破碎.

3)研究表明梅花形布孔較長方形布孔爆破效果更佳,針對某石灰石礦提出了梅花形布孔適合的孔網(wǎng)參數(shù),有效降低了爆破大塊率.