混装乳化炸药配方对炸药-岩石匹配效果影响研究*

赵明生，黄胜松，周建敏，陶 明

(1.保利新联爆破工程集团有限公司，贵阳 550002；2.贵州大学，贵阳 550002；3.中南大学，长沙 41000)

现场混装乳化炸药具有生产工艺简单，在生产、运输、储存等环节均属于半成品，无雷管感度，安全可靠等优点，被广泛应用于各大型露天矿山爆破作业[1]。研究混装乳化炸药配方与岩石合理性匹配关系，对改善爆破效果，提高炸药能量利用率，降低爆破成本显得尤为重要。炸药性能与岩石性质匹配主要有：波阻抗匹配、全过程匹配和能量匹配等[2]。波阻抗匹配观点认为：炸药波阻抗和岩石弹性波阻抗相等时，炸药能量利用率最高，郭子如等人认为套用冲击波正入射波传统波阻抗理论忽略了后续爆炸气体的作用，同时应力波的传递过程过于简化[3]；全过程匹配则认为应将岩石、炸药和爆破设计参数纳入一个体系来研究考虑炸药与岩石相互作用全过程的能量传递关系；能量匹配的观点认为只要破碎岩石需要的能量和炸药产生的能量相近，就可以通过增减装药量以适应岩石的强度[4,5]。赵明生、郑长青、叶海旺等引入神经网络方法，综合考虑岩石性质参数、爆破现场条件和爆破效果要求，提出了不同类型的基于神经网络的炸药性能参数和岩石匹配方法[6-8]。在实际工程中，全过程匹配和能量匹配理论匹配方法难以应用，目前广泛使用的仍然是波阻抗匹配理论[9]。

为研究混装乳化炸药不同配方对炸药-岩石匹配效果的影响，以新疆某露天煤矿现用混装乳化炸药配方为基础，通过理论分析出配方不同组分对炸药波阻抗的影响，找出影响炸药波阻抗的因素，并对炸药能量利用率进行计算。根据岩石地质条件及炸药能量利用率，设计出不同的炸药配方，使炸药-岩石匹配更加合理[10]，从而实现改善炸药性能、提高炸药能力利用率、优化提高爆破效果，降低企业生产成本的目的。

1 混装乳化炸药配方组分对炸药波阻抗的影响分析

1.1 混装乳化炸药爆炸性能计算

混装乳化炸药主要由C、H、O、N元素组成，其爆炸性能参数主要有爆热、爆温、爆容、爆速、猛度等，其中爆热是炸药做功的能源，爆容是炸药对外做功的介质，其它爆炸参数如爆温、爆速、爆压都与爆热和爆容有关，因此，在进行配方设计时必须兼顾爆热和爆容两个最重要的化学参数。

1.1.1 爆热的理论计算

计算爆热前通过采用B-W规则确定炸药爆轰产物(B-W规则见表1)，建立爆炸反应方程式，采用盖斯定律计算炸药的爆热。

表 1 B-W规则Table 1 B-W Rules

1.1.2 爆容的理论计算

爆容数值越大说明爆炸气体产物越多，做功效率越高。常用公式(1)计算爆容。

(1)

式中:V为炸药的爆容；∑nj为气体爆轰产物总的摩尔数；mi为炸药i组分的摩尔数；Mei为炸药i组分的分子量。

1.1.3 爆速的理论计算

工程中常用爆轰流体动力学理论的近似理论方程估算炸药的爆速公式(2)

(2)

式中：D为爆速，m/s；Qv为理想爆热，kJ/kg；k为爆轰产物局部等熵指数。

1.2 爆轰参数计算应用例

以新疆某露天煤矿现用炸药配方为例(见表2)，分别计算爆热、爆容、爆速。取1 kg炸药为计算基准，并计算炸药中各组分物质的量(见表3)。

根据B-W规则，建立爆炸反应方程式

C4.348H62.042O37.458N20.68→31.02H20+2.1CO2

+2.3CO+10.3N2

(3)

根据盖斯定律计算爆热时需炸药各组分的定容生成焓、爆轰产物的定容生成焓，见表4。

表 2 现用混装乳化炸药配方Table 2 Formula of mixed emulsion explosive used now

表 3 炸药中各组分物质的量Table 3 Quantities of each component of explosive

表 4 各物质定容生成焓Table 4 Enthalpy of formation at constant volume of each substance

该配方的爆炸性计算结果见表5。

表 5 爆炸性能计算结果Table 5 Results of explosive performance calculations

1.3 不同组分含量对炸药性能及波阻抗的影响

根据波阻抗理论，炸药波阻抗是炸药密度与爆速的乘积。根据工程实际情况混装乳化炸药密度通常控制在1.15～1.25 g/cm3之间。不同配方炸药的理论爆速通过计算得出。为找出不同配方对炸药波阻抗的影响，共设计10组不同含量组分的配方(油相材料组分含量保持不变)，并计算出相应的爆轰参数和炸药波阻抗。见表6。

表 6 不同组分含量的爆炸性能及波阻抗的影响Table 6 Explosive properties of different components and the influence of wave impedance

从表6可以看出，炸药组分中硝酸铵含量与爆热、爆速、炸药波阻抗成正相关。随着硝酸铵含量增加爆速、爆热、波阻抗均增加，反之则减少；随着硝酸铵含量增加爆容减少，反之增加。

2 工程应用

2.1 工程概况

矿田位于科克塞尔克山与纸房盆地的交接处，地形总体趋势北高南低、东高西低，地貌形态为残丘状剥蚀平原，地层主要由第四系松散岩类、侏罗系沉积碎屑岩类组成，沉积碎屑岩的各类岩石，其单层厚度沿走向方向的变化较大，可由数厘米变化到数米，尤其以砂岩最为明显，沿走向、倾向变化极大。在1228平盘、1180平盘均多次出现大块的情况。

2.2 实验数据分析

为研究该平盘岩石性质，分别对1228平盘、1180平盘的岩石取样进行岩石力学实验并对岩体进行声波检测计算出岩石波阻抗，见表7、表8。

表 7 岩石力学参数表Table 7 Rock mechanics parameters table

表 8 不同平盘岩石波阻抗Table 8 Wave impedance of different flat disk rock

根据文献[4]可知炸药岩石波阻抗匹配存在比较好的匹配范围为0.8～1.7。表8可以计算出1180平盘、1228平盘岩石炸药匹配系数分别为2.17和2.69。1180和1280平盘上易出现爆破大块主要原因是炸药能量与岩石阻抗匹配不合理导致。见图1。

图 1 平盘大块Fig. 1 Flat disk block

2.3 不同配方的选择

不同岩石阻抗不同，破坏时所需应力波峰值不同。对高阻抗岩石，岩石的破坏主要取决于应力波(包括入射波和反射波)，应选用爆压和爆速都较高的炸药；对中阻抗岩石，岩石的破坏主要是入射应力波和爆生气体共同作用的效果，宜爆压、爆速适中的炸药；对于低阻抗岩石，岩石的破坏主要以爆生气体破坏为主，适合选择爆热高的炸药。不同岩石推荐选用炸药见表9。

表 9 不同岩石推荐选用的炸药性能Table 9 Exploite properties recommended for different rocks

从表8、9可以看出，1228平盘适合用爆速为4000 m/s的炸药；1180平盘适合用爆速为3000 m/s的炸药。考虑到现用配方实际检测爆速与理论爆速比值为72.9%，经换算1228平盘所需炸药理论爆速为5400 m/s；同理1180平盘所需炸药理论爆速为4100 m/s。根据表5的理论计算在现有配方的基础上对配方组分进行刷选优化。优化后的配方见表10。

表 10 优化后的混装乳化炸药配方Table 10 Optimised formula for mixed and emulsified explosives

2.4 应用效果

爆破后岩石块度作为爆破效果好坏的评价指标，采用Split-Desktop4.0软件对矿区爆堆岩石块度进行统计分析，见表11。

表 11 数据统计分析Table 11 Statistical analysis of data

从表11可以看出，对比原配方的爆破效果，优化后的配方大块率从18.7%分别降至11.9%，12.2%。同时炸药单耗还略有下降，表明可通过调整混装乳化炸药组分含量的方式调整炸药与岩石匹配系数，使其匹配更加合理。见图2。

图 2 块度分析Fig. 2 For block degree analysis

3 结论

通过理论计算，分析了混装乳化炸药配方中各组分含量对爆炸性能及炸药波阻抗的影响。结果表明，爆热、爆速、炸药波阻抗均随硝酸铵含量的增加而增大；爆容随着硝酸铵含量的降低而减少，反之则增大。通过设计硝酸铵含量分别为75%、78%的炸药配方进行现场爆破，其爆破块度岩石大块率降低了6.5%～6.8%。说明通过调整炸药组分中硝酸铵含量可改变炸药阻抗及爆轰参数，使炸药性能可根据不同岩石性质进行调整，实现炸药匹配的多样化。