空气间隔装药技术在露天矿山的应用

张 亮

（保利新联爆破工程集团有限公司，贵州 贵阳 550001）

我国炸药的起源时间虽然很久，但是在唐朝才得到了进一步的发展，发明了火药，即所谓的黑色炸药，这也是世界上最早的炸药。炸药虽然很危险，但是却在很大意义上造福了人类。在人类的发展史上，很多行业的开展都离不开爆破工程，离不开炸药的使用，如矿山开采﹑隧道挖掘﹑铁路修筑﹑房屋拆除等，因为炸药的使用，不但节约了大量的人力和财力成本，还大大提高了工程的进度[1]。随着爆破技术的不断研究和发展，爆破应用的行业和场景也越来越多。虽然国内外针对爆破已经做过大量的研究和试验，并且发展了很多关于爆破的理论，但是对于爆破的技术研究还只是停留在理论和公式上，还没有与实践拥有较好的结合，所以目前在实际运用中也无法做到特别精准﹑合理的设计爆破方案。

在露天矿山作业中，露天开采环节主要有穿孔﹑爆破﹑装载﹑剥离等，爆破是其中非常重要的一个环节，并且爆破费用也占到露天采矿总费用的15%-20%。而且爆破质量的好坏，会直接影响到后期采装﹑运输等环节的工作效率，也会对总成本造成很大的影响，所以如何提高爆破效率，有效的利用炸药，保证爆破质量，对于现阶段的理论和实践研究都尤为重要。

影响爆破的效果主要有两大类因素：第一类是外界地质条件﹑地形﹑地貌的影响，其中包括岩体性质﹑岩体类型﹑岩体结构面等。第二类是炸药性能和使用不同施工方法的影响，其中炸药性能包括炸药的密度﹑爆热﹑爆速﹑威力﹑猛度以及所含杂质等，施工方式主要包括装药结构﹑爆孔堵塞﹑爆孔孔距与排距﹑爆破网络形式等。

其中，装药结构的选择是影响爆破效果的重要因素之一。最常见的装药结构分为：耦合装药和不耦合装药。目前，在我国的实际爆破中经常会选择传统的连续耦合装药方式，因为这种装药方式往往比较简单，对装药技术的要求也不是很高，且容易操作[2]。但是，这种爆破方式对炸药的使用量会增大，在爆炸后产生的大块矿石较多，碎石也较多，而不耦合装药方式就会大大提高炸药的利用率，并且可以让岩石更充分的均匀碎裂，方便后续的各项工作。

1 常见的装药结构类型

爆破中的装药结构是指炸药在爆孔中所处的位置，因为位置不同就会产生不同的结构，不同的结构也会产生不同的影响，从而带来不同的爆破结果。根据药柱（炸药）与爆孔孔壁的关系一般可以分为耦合装药和不耦合装药这两种形式，这两种结构最大的区别就是爆孔中不留空气和爆孔中留有空气，因为不同的性能﹑不同的爆炸结果，使得这两种结构往往被用于不同的爆破需求。

下面将介绍几种在爆破中常用的装药结构：

（1）连续耦合装药方式：是指往爆孔中放置炸药，并且药柱直径和爆孔直径相同，药柱紧贴爆孔孔壁，不留间隙的放置。

（2）空气间隔径向不耦合装药方式：是指往爆孔中放置炸药，药柱直径要小于爆孔直径，药柱与爆孔孔壁之间以空气作为间隔物。

（3）空气间隔轴向不耦合装药方式：是指用空气当做媒介，将药柱进行纵向分段，爆孔内没有安装炸药的部分都放置着空气，一般会借助塑料管或是空气间隔器进行分隔。

2 用不同装药方式进行爆破时矿石破裂的原理

2.1 连续耦合装药方式岩石破裂原理

连续耦合装药方式下，炸药爆炸后，会在炸药传播时形成巨大的爆轰波，之后爆轰波向周围膨胀﹑扩散时会与紧贴着的爆孔孔壁形成爆炸冲击波，爆炸冲击波在矿岩中很快就会转变为应力波。爆炸冲击波所带来的高压推动会将周围的岩壁压碎，后生成的应力波会在破碎矿石外让其他矿岩继续产生新的裂纹。另外，爆炸时产生的爆炸能量还包括爆生气体，爆生气体也会迅速膨胀，穿过碎石，进入裂缝中，辅助应力波产生的岩石裂缝继续向前延伸。采用这种爆破方式进行爆破后，因为大部分能量作用于孔壁上，所以能量被紧贴着的矿岩大量吸收，紧挨炸药的爆孔壁附近的岩石碎裂程度会比较大，而其他部分由于爆炸时受力不均匀，导致大块岩石会比较多，爆破后的岩石比较完整。耦合装药结构炸药与爆孔壁紧贴，爆孔壁附近岩石受到的爆炸力最大，岩石又大量吸收爆炸产生的能量，就会加快冲击波和应力波的衰退，导致爆炸作用时间变短，所以这种方式带来的爆炸范围小，形成爆炸能量的大量浪费。连续耦合装药由于冲击波衰减快，减小了对巷道周围岩石的振动，且振速较低，所以更适合用于煤矿巷道的挖掘。

2.2 空气间隔径向不耦合装药方式岩石破裂原理

使用空气间隔径向不耦合装药方式主要是利用压缩空气，减小炸药爆破时直接作用在爆孔孔壁上的压力，因为炸药与爆孔孔壁之间有空气的存在，所以空气阻力就会降低爆炸对爆孔孔壁的初始压力，并且药柱离爆孔孔壁的距离越大，这种初始压力就会越小[3]。但是使用这种爆破方法，应力波消退的速度慢，在岩石上作用的时间就会增长，爆破的范围就会增大，并且在爆破时能量的分布比较均匀，所以碎石程度也比较均匀。另外这种装药方式更利于节约炸药，节约爆破成本。

2.3 空气间隔轴向不耦合装药方式岩石破裂原理

使用这种方式进行爆破时，由于爆孔中有空气柱可以起到缓冲的作用，就大大降低了爆破带给爆孔孔壁的压力，在缓冲过程中爆炸的能量也得以均匀分布。另外，爆生气体在岩石中的作用时间变长，从而扩大了爆炸范围，提高了炸药的利用率。因为能量分布较为均匀，爆破后的石块也会比较均匀，大块石头的概率往往也比较小。

空气间隔轴向不耦合装药方式，一般分为两种。

2.3.1 爆孔底部留空气方式

空气间隔区位于爆孔底部，可以使用气体间隔器或塑料管作为间隔工具，空气上方放置连续的药柱。在爆炸过程中，由于底部空气的存在，爆炸所产生的压力会迅速减小，作用在爆孔孔壁的压力也会减小，从而使炸药爆炸产生的爆孔壁碎裂区会减小，碎石不严重。爆孔底部由于受空气保护，也会缓冲爆炸带来的压力，不容易发生爆孔底部碎裂的情况。但用这种方法装药时需要计算好底部预留空气段的长度。

2.3.2 爆孔中部留空气方式

空气间隔区位于爆孔中部，使用气体间隔器或塑料管作为间隔工具，空气段位于炸药之间，上方和下方均为药柱。这种方式是为了减小炮孔孔口位置的炸药长度，让炸药的分布更加均匀，这样孔口的爆破程度就不会太大。采用这种爆破方式时，要充分考虑岩层的结构，空气段要位于相对软的岩石层，炸药段位于相对硬的岩石层。

3 空气间隔装药技术存在的问题

通过上文对不同装药方式爆破原理和结果的分析表明，在爆孔中设置空气间隔，爆破的效果会更好。但是空气的位置不同﹑长度不同都会给爆破带来不同的效果和结果。虽然国内外的专家已经进行了大量的试验，分析空气间隔装药技术的优化，但这是一项复杂﹑特殊的试验，所以试验结果的最优参数还有待确定。我国的空气间隔装药技术研究还处于探索的阶段，并没有形成系统化的理论用来有效指导实际爆破工作[4]。

4 空气间隔装药爆破技术在实际案例中的运用

4.1 试验项目情况介绍

某露天石灰石矿山台阶爆破作业，根据该矿所处的实际地质条件﹑岩石性能，将使用120mm直径的垂直钻孔，炸药选用普通的岩石乳化炸药。根据岩石性质等因素，将采用三角形的布孔方式，因为这样有利于克服根底情况的发生，并且连线网路会较为简单。孔距为5m，排距为4m，会使炸药在岩石中分布更均匀，引爆后岩石后会爆炸的更均匀，防止存在大量大块岩石。以台阶高度9m为例，边排距2.5m。底部装药长度为4m，中间间隔空气1m，上部装药长度为2m，最大单孔装药量为57kg，总炸药量为1800kg。雷管选择参数分别为：非电雷管4m，3段，30发；12m，8段，20发；12m，9段，20发；12m，10段，20发，起爆导管为保证有足够的安全距离，将选择650m的长度。

4.2 装药结构的选择

本次试验的装药结构选择空气轴向不耦合装药方式，中间利用1m的空气间隔装置将药柱分开，底部为4m的普通乳化炸药药柱，药柱上方为1m的空气间隔，空气间隔上方为2m的普通乳化炸药药柱，药柱上为3m的岩渣填充物，这个为本次装药采用的结构。

4.3 爆破网络形式的选择

在大量的理论和实践研究基础上，选择多排爆孔，然后采用逐孔爆破的方式，会使爆炸效果更好。当之前的爆孔发生爆炸后，会将附近的岩体压碎并产生移动，再形成新的裂缝，这样就为之后爆孔中炸药的起爆创造了更多的自由面，自由面越多爆炸的效果就越好，后排爆孔附近的矿岩已经形成碎裂，爆炸后的应力波就可以进行充分反射﹑传递，采用这样炸药叠加爆破的方法，可以充分利用炸药的能量，起到相辅相成的作用，最后达到均匀碎石的目的。另外，用这样爆炸的方式，同时起爆的炸药量小，也会降低爆破带来的震动[5]。

4.4 爆破效果

观察爆炸后的爆破效果，主要从两方面进行研究，一是爆炸后岩石块度的情况，二是爆堆的形状。爆炸后岩石块度的情况是分析爆炸结果的主要指标，因为爆炸后岩石块度情况对后期铲装﹑运输等环节的工作效率都有很大的影响，从而也会影响采矿的总成本。在爆破后，如果矿石的大块率高，铲装效率和装载效率就会变低，这样运输成本就会变高，如果在爆破后，矿石碎裂程度较大，即粉石率高，就说明在爆破中炸药造成了浪费，这样无形之中也增大了爆破的成本。在这次试验中，由于使用了孔口岩渣填充的技术，从而有效减少了孔口矿石大块率的发生，为之后的挖掘﹑采装﹑运输带来了很大的便利，可以有效提高后期的工作效率。另外，采用的这种逐孔爆破的方法，爆破的震动得到了有效的控制，并且也减少了炸药的单耗，有效节约了爆破的成本。

4.5 试验注意事项

（1）在装药前要再次检查爆孔的深度，确保爆孔的通畅，没有卡孔情况的出现。

（2）在装药时可以使用长塑料管进行辅助装药，将药柱逐个放入爆孔中，这样可以有效减少直接装药时，药柱与爆孔孔壁之间产生的挤压和摩擦，降低装药的危险性。装药时要严格按照规定的品种﹑数量﹑位置进行摆放，禁止投掷药柱。

（3）在装药时，由于爆孔的孔径大，爆孔深度也大，所以要格外小心，防止有石块从孔口掉入孔内，砸断雷管脚线，发生拒爆的情况。

（4）在有些时候，炸药车计量可能会产生很大误差，所以在装药时要随时对回填深度进行测量，及时发现药柱不足或过多的情况[6]。

（5）要严格关注爆孔的质量问题，注意穿孔的质量，确保较高的成孔率，当发现废孔或堵孔现象时，要及时透孔或者是进行补孔，可在废孔的左右两侧选择补孔，这样才能保证装药情况严格按照设计方案进行，保证装药的准确性和标准性。

4.6 施工难点及可能出现的问题

（1）在进行现场装药操作时，由于现场条件﹑设备有限，所以并不能准确按照设计的药量进行装药，药量无法得到很好的控制。

（2）钻孔深度过大时，需要在装药前进行爆孔的回填，以避免造成炸药的大量浪费，但回填的深度往往不好把控，需要随时进行认真的测量，以把握标准的回填深度。

（3）间隔装药方法在操作上是比较麻烦的，需要很多人一起配合完成工作，如果之前没有间隔装药的经验，在实际施工中就很可能造成问题。所以在施工装药时，要加强管理，做到施工效果与设计相吻合，防止因为施工因过大误差而带来不必要麻烦。

4.7 试验结论

在本次试验中，利用了空气间隔装药技术，采用空气轴向不耦合装药方式，对于试验结果将做出以下总结。

（1）使用连续耦合装药的方式进行爆破，初始爆炸时产生的压力峰值大，使爆孔孔壁周围的岩石粉石率高，这样会导致爆炸产生的能量浪费大，炸药的利用率降低，爆炸的成本增高。另外由于大部分地形中，爆孔基本都很深，采用连续耦合装药方法爆破，产生的大块石头多，很不利于后期的挖运[7]。

（2）空气径向不耦合装药，初始爆炸时产生的压力峰值较小，爆炸作用时间长，应力衰退的速度慢，炸药的利用率高，从而有效节约了炸药的使用。

（3）空气轴向不耦合装药，由于有空气间隔层在爆炸时可以进行压缩，初始爆炸时产生的压力峰值较小，如果使用底部留空气间隔的方法，由于底部的空气在爆炸时可以起到很好的缓冲效果，所以可以有效克服根底现象的发生。在实际使用中，间隔空气可以使用塑料管进行间隔，这样可以有效降低使用空气间隔器的成本，并且使用效果没有明显差异。另外在孔口使用岩渣填充的方式，可以有效改善孔口矿石大块的情况，这种爆破方式爆破后，岩石碎裂均匀，大块岩石少，孔口大块率和根底问题都得到了有效的解决。在炸药使用方面，不耦合装药对炸药的使用量低于耦合装药，炸药单耗低，爆破总成本也降低，炸药使用率变高。

（4）空气轴向不耦合装药爆破效果好，碎石均匀，大块率和粉石率都低，在之后铲装时，有利于挖掘机或电铲进行铲石，也有利于卡车进行装载运输，运输的次数减少，从而使铲装效率提高，铲装的总成本也得到了有效的控制。

5 结语

由于我国大部分地区的露天矿区都很深，爆破爆孔比常规情况下都会挖深很多，如果采用连续耦合装药方法，不但会产生过多大块矿石，带来后续挖掘﹑铲装﹑运输工作效率低的问题，还会因炸药使用过多，造成炸药浪费，成本增加。通过空气间隔装药方式的引入，会更有效的解决这两个在露天采矿中的难题，不但解决了大块矿石率高的问题，也通过使用更少的炸药完成更大面积的爆破，成功节省了炸药，控制了爆破的成本，从而减少了矿山作业的总成本。空气间隔装药方式，对我国的矿企来说是机遇也是挑战，如何能提高装药技术，对爆破参数﹑爆破网路进行合理优化，再将成功的理论知识运用于实践当中，并不断对其进行改善和进步，在实际爆破工作中合理解决施工难点，严格把控施工重点，这些对于矿企来说都是任重而道远的工作。