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《金屬礦山雜志》2014年第七期

1加強(qiáng)水封塞爆破機(jī)理

1.1高沖擊作用下水的特性水是由分子組成的，水的運(yùn)動(dòng)特性與分子的狀態(tài)密切相關(guān)，然而工程上常不考慮個(gè)別分子的微觀狀態(tài)，而是把水看作由無數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)介質(zhì)。在小沖擊力作用下，通常認(rèn)為這些質(zhì)點(diǎn)間不存在間隙。然而水質(zhì)點(diǎn)間畢竟存在著空隙，受壓縮作用下的水所表現(xiàn)出來的可壓縮性是對(duì)這一論點(diǎn)的最好證實(shí)，當(dāng)水受到象爆炸這樣的高沖擊載荷的作用時(shí)，其所表現(xiàn)出來的可壓縮性是不客忽視的［2］。由于水的可壓縮性，水中沖擊波陣面上壓力的變化將引起波陣面上其他各水動(dòng)力學(xué)量的變化，當(dāng)炸藥在不同的介質(zhì)中進(jìn)行爆炸時(shí)，據(jù)前蘇聯(lián)有關(guān)實(shí)測資料表明:花崗巖沖擊波陣面上的初始?jí)毫?5GPa;水介質(zhì)中為13.3GPa;說明水中沖擊波陣面上的初始?jí)毫Φ陀趲r石，但其大小同屬于一個(gè)數(shù)量級(jí)，而與空氣相比則高出3個(gè)數(shù)量級(jí)［3］。因此，炸藥在水中爆炸時(shí)，水中的初始?jí)毫κ禽^高的。我們知道，水是難以壓縮的介質(zhì)，變形能損失較小，傳遞效率高。蘇聯(lián)查依認(rèn)為:“常壓下水中爆炸時(shí)，約97%爆炸能轉(zhuǎn)為水擊波能，故其作用強(qiáng)于巖石中的壓力波”。巴拉諾夫也認(rèn)為:“應(yīng)力波作用在巖體上的時(shí)間延長，并且強(qiáng)度增大”。這些都說明水做為媒介能更有效地傳遞炸藥爆炸的能量。在高壓下，水的壓縮性比巖石大，因此水又可作為炸藥爆炸產(chǎn)物與巖體之間的緩沖層，緩沖層的存在不但可以延長爆炸沖擊波對(duì)巖體的作用時(shí)間，而且可以減少或消除在礦巖中產(chǎn)生的塑性變形帶中的能量損失。炸藥爆炸后產(chǎn)生沖擊波，并將大量的水汽化并膨脹、壓縮，形成多次脈動(dòng)。第一次脈動(dòng)所形成的壓力波(二次壓力波)作用時(shí)間長，沖量大，它可以和沖擊波的能量相比擬。在爆炸氣體做功的同時(shí)，高壓的水?dāng)D入巖體裂隙之中，“水楔”更有利于巖體中裂隙的延伸和擴(kuò)展，在進(jìn)行的砂漿模型試驗(yàn)中也證實(shí)了“水楔”作用的存在［5］。

1.2加強(qiáng)水封塞爆破水柱作用原理炸藥被引爆后，猛烈地沖擊上部水柱，由于水在高沖擊載荷下的非彈性行為及水質(zhì)點(diǎn)間的能量損耗。該水柱中將出現(xiàn)一個(gè)衰減的波陣面，根據(jù)哈努卡耶夫進(jìn)行的波陣面衰減大量試驗(yàn)，得出各種波在水中的壓力峰值隨距離的衰減規(guī)律，詳見圖4。圖4中各種波陣面壓力隨距離的增加逐漸衰減，尤其在剛開始時(shí)，波陣面壓力很大，為峰值壓力，衰減的速率也相對(duì)較快。普通爆破時(shí)，這些壓力在炸藥周圍形成粉碎區(qū)，而在采用加強(qiáng)水封塞爆破裝藥結(jié)構(gòu)的炮孔中，主藥包起爆后，沖擊波波陣面沿炮孔軸向傳播的壓力傳到水柱中，水柱受到?jīng)_擊波波陣面壓縮后，吸收了波陣面的峰值壓力，當(dāng)波陣面壓力逐漸衰減后，水柱不再吸收壓力而轉(zhuǎn)為逐漸釋放吸收能量，從而延長了對(duì)巖體的作用時(shí)間。同時(shí)水柱吸收了壓縮區(qū)波陣面峰值壓力，減小損失在壓縮區(qū)的能量。而由于上部加強(qiáng)封塞藥包的作用，一方面使上部填塞更密實(shí)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)向下的作用力，使這段水柱更好的壓封在炮孔內(nèi)，由于水柱起到對(duì)能量的傳導(dǎo)作用，使得臺(tái)階更上部巖體受到更大的作用力，從而改善臺(tái)階上部巖石的破碎質(zhì)量［1］。

1.3加強(qiáng)水封塞爆破能量增加率設(shè)孔壁上壓力衰減無論對(duì)于爆炸波還是對(duì)水中沖擊波作用都具有相同的形式，這樣就可以近似計(jì)算高度為hw的水體傳入巖體能量與炸藥爆轟波傳入體能量的比。設(shè)L為炮孔斷面周長，f(t)為應(yīng)力波在孔壁處的衰減函數(shù)，p0為炸藥對(duì)巖體初壓，hw為水柱高度，pw為水對(duì)巖體平均初壓，he為藥柱高度。則炸藥傳入巖體中應(yīng)力波總能量為上面只是計(jì)算了水介質(zhì)對(duì)巖體傳入應(yīng)力波的能量增加率，實(shí)際上加強(qiáng)水封塞的作用不只是提高了炸藥的能量利用率，還在于該部分能量的增加大部分作用在臺(tái)階上部，而臺(tái)階上部恰恰是最容易出現(xiàn)大塊的區(qū)域。這就說明了加強(qiáng)水封塞爆破有利于臺(tái)階上部大塊的破碎，能有效降低上部大塊的產(chǎn)生率，從而改善爆破質(zhì)量，起到降本增效的作用。

2工程應(yīng)用實(shí)例

為了驗(yàn)證加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)的可行性及實(shí)用性，不僅進(jìn)行了大量的水泥砂漿模型試驗(yàn)，還在馬鋼(集團(tuán))控股有限公司南山礦業(yè)公司和尚橋鐵礦進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。爆破孔徑為200mm，采用170mm乳化炸藥裝藥，普通導(dǎo)爆管雷管單孔起爆網(wǎng)路，加強(qiáng)封塞藥包采用塑料袋捆扎牢固的半支或1/4支乳化炸藥(10kg/支)。和尚橋鐵礦加強(qiáng)水封塞爆破與普通爆破相關(guān)數(shù)據(jù)比較及爆破效果見表1。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，采用加強(qiáng)水封塞爆破與普通爆破法相比，炸藥量降低10%以上，d50降低8%，d80下降10%，說明了加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)在露天深孔爆破應(yīng)用的可能性。在隨后進(jìn)行的大規(guī)模生產(chǎn)爆破試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)后，大塊率降低約45%，鏟裝效率提高16%，說明在露天深孔爆破中應(yīng)用加強(qiáng)水封塞爆破技術(shù)是成功的。

3分析與評(píng)價(jià)

(1)以水作為傳遞炸藥能量的工作介質(zhì)是提高爆破有效作用的有利措施。通過在含水露天礦爆破中的初步應(yīng)用，爆破效果顯著，不僅節(jié)約了爆破成本，還能有效降低大塊率，明顯提高了裝載效率，爆后后沖小，無根底。(2)加強(qiáng)水封塞爆破裝藥結(jié)構(gòu)新穎、工藝簡單易于操作應(yīng)用。該技術(shù)適用范圍廣泛，易于在其他礦山尤其是深凹及含水礦床的礦山推廣應(yīng)用。(3)使用該項(xiàng)技術(shù)不僅能瞬間將爆破產(chǎn)生的粉塵霧化結(jié)團(tuán)，極大地減少了爆破粉塵的產(chǎn)生，還可有效降低爆破振動(dòng)。(4)合理的水柱高度及加強(qiáng)封塞藥包的藥量是提高爆破中炮孔炸藥能量利用合理分配的關(guān)鍵，這個(gè)數(shù)值與裝藥高度、填塞長度及填塞料緊密相關(guān)，還要做進(jìn)一步的研究。(5)今后要進(jìn)一步對(duì)加強(qiáng)水封塞爆破各種裝藥結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，有待推廣加強(qiáng)水封塞爆破的全面應(yīng)用。

作者：謝亮波黃凱和楊海濤單位：中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心