含水露天矿加强水封塞爆破技术研究

谢亮波 黄凯和 杨海涛

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽马鞍山243000;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山243000;3.金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心，安徽马鞍山243000

马钢(集团)控股有限公司南山矿业公司和尚桥铁矿处于长江支流采石支河汇水范围内，矿床赋存于当地侵蚀基准面之下，矿体及围岩均含水，其富水性弱至中等，局部地段富水性较强，且矿区地形不利于自然排水，所以爆破时炮孔基本充满水。由于水的存在，弱化了填塞作用，如果填塞过长，上部大块就会增多，爆破质量差;而填塞过小，会造成冲孔，既不安全，且炸药爆炸产生的能量也未得到充分利用，增加爆破成本同时爆破质量会更差。如何因地制宜，利用水介质独有的特性，在含水炮孔采用有效的技术手段，改善爆破质量，对此进行了加强水封塞爆破的研究及现场试验，取得了良好的效果。

1 加强水封塞爆破技术

在水系发达区域，尤其是岩石节理裂隙发育地带，炮孔内的水是很难被排出的，由于水的存在，弱化了填塞物的封塞作用，容易产生冲孔从而影响爆破质量。加强水封塞爆破技术是采用特殊的装药结构，在炸药与填塞物之间留取一定长度的水柱，利用水作为传递能量的工作介质，以达到对台阶上部充分破碎的一种爆破方法。加强水封塞爆破装药结构见图1。

图1 加强水封塞爆破装药结构示意Fig.1 Charge structure schematic diagram of stiffened water sealing blasting

与传统的水封爆破或水间隔装药爆破放置间隔物不同，加强水封塞爆破在上部填塞物与水的接触面之间，放置一个加强封塞药包，加强封塞药包超前主药包一定时间起爆，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，使能量充分作用到周围岩石上，从而改善爆破质量。

为了证实药包上部水间隔装药结构在爆破中的能量分布，根据炸药爆轰波参数与岩石及水中冲击波参数的关系、冲击波在岩石及水中的传播规律［1］，应用计算机数值模拟出能量分布如图2和图3所示。从图中可以明显地看出水力对能量分布的影响，很显然，在与水接触的岩体中，其能量分布的数值是较大的，分布的范围也更广泛，这就足以证明加强水封塞爆破能更充分地利用炸药爆炸能量，并较合理地分布于被爆的岩体之中。

图2 起爆后1 ms炸药爆炸在岩体的能量分布(单位:×105J/m3)Fig.2 Rock energy distribution of 1 ms after detonating explosive

根据模拟及分析，可以得出加强水封塞爆破的技术特点:

图3 起爆后3 ms炸药爆炸在岩体的能量分布(单位:×105J/m3)Fig.3 Rock energy distribution of 3 ms after detonating explosive

(1)由于在加强水封塞爆破中能更充分地利用炸药在水中爆炸的能量，从而使与水接触的岩体能够在较长的时间内获得较大的压力，使被爆岩体受到较均匀地破坏。因此能够显著改善矿岩的破碎质量。在露天台阶爆破中，台阶上部矿岩破碎质量改善更为明显。

(2)加强水封塞爆破可使台阶上部岩石得到充分的破坏，不但大块率明显地降低了，同时由于减少了过粉碎带的范围，粉矿率也有所减少。

(3)由于爆破中上部形成水幕，可大大降低粉尘，而且减少了装药量，可降低爆破振动。

2 加强水封塞爆破机理

2.1 高冲击作用下水的特性

水是由分子组成的，水的运动特性与分子的状态密切相关，然而工程上常不考虑个别分子的微观状态，而是把水看作由无数质点组成的连续介质。

在小冲击力作用下，通常认为这些质点间不存在间隙。然而水质点间毕竟存在着空隙，受压缩作用下的水所表现出来的可压缩性是对这一论点的最好证实，当水受到象爆炸这样的高冲击载荷的作用时，其所表现出来的可压缩性是不客忽视的［2］。

由于水的可压缩性，水中冲击波阵面上压力的变化将引起波阵面上其他各水动力学量的变化，当炸药在不同的介质中进行爆炸时，据前苏联有关实测资料表明:花岗岩冲击波阵面上的初始压力为25 GPa;水介质中为13.3 GPa;说明水中冲击波阵面上的初始压力低于岩石，但其大小同属于一个数量级，而与空气相比则高出3个数量级［3］。因此，炸药在水中爆炸时，水中的初始压力是较高的。我们知道，水是难以压缩的介质，变形能损失较小，传递效率高。苏联查依认为:“常压下水中爆炸时，约97%爆炸能转为水击波能，故其作用强于岩石中的压力波”。巴拉诺夫也认为:“应力波作用在岩体上的时间延长，并且强度增大”。这些都说明水做为媒介能更有效地传递炸药爆炸的能量［4］。

在高压下，水的压缩性比岩石大，因此水又可作为炸药爆炸产物与岩体之间的缓冲层，缓冲层的存在不但可以延长爆炸冲击波对岩体的作用时间，而且可以减少或消除在矿岩中产生的塑性变形带中的能量损失。炸药爆炸后产生冲击波，并将大量的水汽化并膨胀、压缩，形成多次脉动。第一次脉动所形成的压力波(二次压力波)作用时间长，冲量大，它可以和冲击波的能量相比拟。在爆炸气体做功的同时，高压的水挤入岩体裂隙之中，“水楔”更有利于岩体中裂隙的延伸和扩展，在进行的砂浆模型试验中也证实了“水楔”作用的存在［5］。

2.2 加强水封塞爆破水柱作用原理

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，根据哈努卡耶夫进行的波阵面衰减大量试验，得出各种波在水中的压力峰值随距离的衰减规律，详见图4。

图4 波阵面压力P随距离衰减图Fig.4 Figure of wavefront pressure P decay with distance

图4中各种波阵面压力随距离的增加逐渐衰减，尤其在刚开始时，波阵面压力很大，为峰值压力，衰减的速率也相对较快。普通爆破时，这些压力在炸药周围形成粉碎区，而在采用加强水封塞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吸收能量，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，减小损失在压缩区的能量。而由于上部加强封塞药包的作用，一方面使上部填塞更密实，同时产生一个向下的作用力，使这段水柱更好的压封在炮孔内，由于水柱起到对能量的传导作用，使得台阶更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［1］。

2.3 加强水封塞爆破能量增加率

设孔壁上压力衰减无论对于爆炸波还是对水中冲击波作用都具有相同的形式，这样就可以近似计算高度为hw的水体传入岩体能量与炸药爆轰波传入岩体能量的比。

设L为炮孔断面周长，f(t)为应力波在孔壁处的衰减函数，p0为炸药对岩体初压，hw为水柱高度，pw为水对岩体平均初压，he为药柱高度。则炸药传入岩体中应力波总能量为

0.65为由于炸药在孔壁处超粉碎区损失能量约35%能量后透射过去的应力波能量比率［4］，由于水体压力较低，不考虑产生粉碎区，则水体传入岩体应力波总能量为

则能量增加率

如 he=7 m，hw=3.5 m，岩石密度 ρ0=3 g/cm3，岩石纵波速度 Cp=4 500 m/s，炸药密度 ρ=1.2 g/cm3，炸药爆速D=4 500 m/s，水中波速取Cw=3 000 m/s，可计算得η =22%。

上面只是计算了水介质对岩体传入应力波的能量增加率，实际上加强水封塞的作用不只是提高了炸药的能量利用率，还在于该部分能量的增加大部分作用在台阶上部，而台阶上部恰恰是最容易出现大块的区域。这就说明了加强水封塞爆破有利于台阶上部大块的破碎，能有效降低上部大块的产生率，从而改善爆破质量，起到降本增效的作用。

3 工程应用实例

为了验证加强水封塞爆破技术的可行性及实用性，不仅进行了大量的水泥砂浆模型试验，还在马钢(集团)控股有限公司南山矿业公司和尚桥铁矿进行了现场应用。爆破孔径为200 mm，采用170 mm乳化炸药装药，普通导爆管雷管单孔起爆网路，加强封塞药包采用塑料袋捆扎牢固的半支或1/4支乳化炸药(10 kg/支)。和尚桥铁矿加强水封塞爆破与普通爆破相关数据比较及爆破效果见表1。

根据现场统计，采用加强水封塞爆破与普通爆破法相比，炸药量降低10%以上，d50降低8%，d80下降10%，说明了加强水封塞爆破技术在露天深孔爆破应用的可能性。在随后进行的大规模生产爆破试验结果表明，应用加强水封塞爆破技术后，大块率降低约45%，铲装效率提高16%，说明在露天深孔爆破中应用加强水封塞爆破技术是成功的。

表1 加强水封塞爆破降药幅度及效果Table 1 Explosives reducing and effect of stiffened water sealing blasting

4 分析与评价

(1)以水作为传递炸药能量的工作介质是提高爆破有效作用的有利措施。通过在含水露天矿爆破中的初步应用，爆破效果显著，不仅节约了爆破成本，还能有效降低大块率，明显提高了装载效率，爆后后冲小，无根底。

(2)加强水封塞爆破装药结构新颖、工艺简单易于操作应用。该技术适用范围广泛，易于在其他矿山尤其是深凹及含水矿床的矿山推广应用。

(3)使用该项技术不仅能瞬间将爆破产生的粉尘雾化结团，极大地减少了爆破粉尘的产生，还可有效降低爆破振动。

(4)合理的水柱高度及加强封塞药包的药量是提高爆破中炮孔炸药能量利用合理分配的关键，这个数值与装药高度、填塞长度及填塞料紧密相关，还要做进一步的研究。

(5)今后要进一步对加强水封塞爆破各种装药结构的试验研究，有待推广加强水封塞爆破的全面应用。

［1］ 刘为洲.台阶爆破的能流分布及块度组成的三维数学模型［J］.金属矿山，1987(6):25-28.Liu Weizhou.Three-dimensional mathematical model of energy distribution and blocks composition in bench blasting［J］.Metal Mine，1987(6):25-28.

［2］ 张松林.水压爆破破碎特征研究［M］.北京:北京钢铁学院，1986.Zhan Songlin.Study on Rock Broken Characteristics of Hydraulic Blasting［M］.Beijing:Beijing University of Iron and Steel Technology，1986.

［3］ Gao Shicai，Ma Bailing，Liu Weizhou，et al.A method to measure muckpile quality comprehensively［C］∥The Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics:Proceedings of The International Conference on Engineering Blasting Technique.Beijing:Beijing University Press，1991:574-580.

［4］ 亨利齐 J.爆炸动力学及其应用［M］.北京:科学出版社，1987.Henryqi J.Explosion Dynamics and Its Applications［M］.Beijing:Science Press，1987.

［5］ 陈士海.深孔水压爆破装药结构与应用研究［J］.煤炭学报，2000，25(S1):112-116.Chen Shihai.Study on charging structure and its use of deep-hole water pressure blasting［J］.Journal of China Coal Society.2000，25(S1):112-116.