露天矿深孔孔底水介质爆破的理论与实践
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摘 要:介绍露天矿深孔孔底水介质控制爆破的概念、原理、设计原则及其近年来在国内外部分露天矿山的推广使用,获得了良好的爆破效果。
关键词:露天矿;水介质;控制爆破
随着露天矿山进入深部开采,地下水会逐渐增大,露天矿台阶中深孔孔底普遍存在积水,有的矿山水孔比例在90%以上,大量使用乳化炸药价格较高,致使爆破费用上涨。此外,由于乳化炸药密度较大,药柱在孔内的重心偏低,台阶上部得不到充分破碎,大块率较高。近年来,国内外许多露天矿山利用孔底水介质作为传递爆炸能量的工作介质,采用孔底水介质控制爆破,它与常用的爆破方法相比,主要优点是获得良好爆破效果的同时,还可以减少炸药用量,降低爆破震动和噪音。实践表明,采用孔底水介质爆破后爆破效果明显改善,大块率降低20%,炸药耗量下降15%左右。
一、孔底水介质爆破的作用机理
孔底水介质爆破是指在深孔孔底与药柱下端之间保留一定高度水柱作为介质的深孔爆破。药柱起爆后,爆轰波沿药柱传播。根据冲击波理论,当爆轰波波阵面到达药柱下端与水垫层交界面时,水垫层首先受到强烈冲击压缩,由此在水柱中激起的冲击波可自界面向孔底传播,冲击波波阵面到达孔底岩石表面时,由于岩石坚硬且认为被压缩不变形,冲击波即反射成反射冲击波。设入射冲击波波阵面压力为P1,反射冲击波波阵面压力P2,对于强冲击波,P2与P1之间的关系可表示为:
P2=P=2P1P1
式中:P1――入射冲击波波阵面压力;
P2――反射冲击波波阵面压力;
n――常数,n=3~8。
因此,P2=(5~8)P1。可见,炸药爆炸在水垫层中激起的冲击波,在从孔底岩石反射瞬间,可达更高压力,相当于入射冲击波压力的5~8倍。
在水中传播的冲击波波阵面压力P1的大小与爆轰波压力和爆速有关。P1值可表示为:
P1=A()-1
式中:ρ0――水的初始密度;
ρ1――冲击波波阵面水的密度;
A――常数,A=3940P2;
a――常数,a=8。
因此,P1=3940P2()-1
由于水被冲击压缩,密度增大,ρ1>ρ0。根据计算,太安炸药在水中爆炸时,ρ1/ρ0值为1.64;梯恩梯在水中爆炸时,ρ1/ρ0值为1.56。因此,爆炸在水垫层中激起的冲击波压力P1相当高,而且,当其从孔底岩石反射时,又将大幅提高。这一强大压力对孔底周围岩石产生强烈冲击压缩作用,使岩石充分破碎。
此外,爆炸气体进一步膨胀,对水柱产生压缩作用,一直达到平衡状态为止。平衡状态条件下水所受到的平均压力 与爆炸气体初始压力等因素有关,其关系式为: =()
式中:――达到平衡状态时的平均压力;
n――爆炸气体初始压力;
L――药柱长度;
X――水柱高度压缩量;
k――绝热指数。
可以认为,达到平衡状态瞬间,水柱受到准静压力,并传递作用于炮孔周围岩石,使岩石压缩和破坏。
二、露天矿深孔孔底水介质爆破设计原则
(一)装药结构
炮孔底部留一定水柱高,水柱与药柱之间用间隔器分开,详见装药结构图一。
(二)降药幅度的控制
根据冲击波传播规律可以算出炸药传入岩体中的总能量Ee,充水部分水介质获得爆炸能量后又传给岩体的总能量Ew。
Ew=f(t)dt
Ee=f(t)dt
以上两式相比,得
=
式中:L――炮孔断面周长;
hw――水柱高度;
Pw――水介质平均初始压力;
Po――岩石的初始压力;
he――炸药柱高度;
f(t)――应力波衰减系数。
炸药在岩体中爆炸时,在药包周围产生粉碎区,冲击波经过该区,变形能损失较大,约为0.65E,则水介质爆破能量增长率可由此式大致估算出水介质爆破时,炸药降低幅度为;
η=
采用乳化炸药,在中硬岩石中应用底部水间隔爆破时,Po约为2.5×105Pa,Pw约为1.33×105Pa,可将上式简化为:
η=
因此,在孔底水介质爆破设计中,单孔装药量可按公式:
Q=Qo(1-η)=Qo(1-)
式中:Q――孔底水介质爆破单孔装量;
Qo――常规爆破单孔装量;
η――炸药降低幅度;
hw――水柱高度;
he――炸药柱高度。
(三)确定合理的水柱高度
水介质中爆破是合理的水柱高度应是保证被爆岩体沿最小抵抗线隆起和推移所需的最低能量,同时还要保证台阶矿岩破碎质量的提高。在底部水介质爆破作业中,水柱高度一般可采用经验公式:hw=khe
式中:hw――水柱高度;
he――药柱高度;
k――比例系数,一般取0.15~0.25,岩石难爆时取较小值,岩石易爆时取较大值。
(四)保证可靠的填塞长度
一般情况下,底部水柱高度不大,填塞长度易于保证,但由于底部存在一定高度的水柱,药柱相对抬高,因此在设计过程中,必须是在保证足够的填塞长度情况下,确定合理的降药幅度和水柱高度。填塞长度可按公式:L=(25~35)D
式中:L――填塞长度;
D――炮孔直径。
(五)间隔器的选用
间隔器是指放在水柱和药柱之间的隔离层,间隔器的选用是直接影响深孔水介质控制爆破应用和推广成败的关键,过去有的矿山曾经常采用木头或塑料制成间隔器,但在爆破施工中,由于孔壁粗糙,间隔器很难放到设计要求的位置而无法实现。近年来成都洪森实业公司和青岛澳瑞凯公司生产的BJQ型系列充气式间隔器克服了这一缺陷,该公司生产的BJQ-SA250和BJQ-SA200规格型号的充气式间隔器,分别适用于孔径为250mm和200mm的炮孔。
三、在国内外矿山孔底水介质控制爆破试验及推广实例
(一)朱家包包铁矿于2004年12月2日、8日、21日在南山头,东山头、狮子山不同岩性的地方选择爆区进行在孔底水介质控制爆破试验,并且在同一爆区一部分采用孔底水介质控制爆破,一部分采用常规的爆破进行试验。其试验结果详见下表:
试验中,根据不同的岩性和孔深,每孔减少炸药20~40kg,试验共爆岩量13.8409万吨,节约炸药2860kg,炸药单耗降低12.4%,虽然孔底留有1米高的水柱,但正如理论分析一样,孔底岩石仍受到了充分破碎,未出现挡墙、根底,大块率明显下降。从2005年起,该矿全面推广孔底水介质控制爆破,通过几年的实践,现已将水柱高度调整到1~1.5m,炸药单耗降低15.5%,每年节省爆破费用300多万元。
(二)近年来,首钢矿业公司所属的各采区均已进人深部露天开采,有水炮孔越来越多,围绕水孔爆破问题,开发应用各种抗水炸药,对于改善爆破效果起了重要作用。但是,常规的连续柱装药由于炸药分配不均,使密度较大的抗水炸药集中在炮孔下部,既浪费了大量的炸药能量,又造成爆破后的矿石粒度不均,大块很多,而且容易破坏下水平的平台,给第二次钻孔带来困难。
首钢矿业公司从本矿的实际情况出发,先后在大石河铁矿的5个采区进行了12次284个炮孔的水孔间隔装药爆破试验,取得了良好效果。2009年10月以来,在总结初试经验,改进爆破参数的基础上,又分别在大石河铁矿和水厂铁矿进行了300多个孔位的扩大应用性试验,同样收到了理想的结果。炮孔底部虽未装炸药,但未影响炮孔底部的破碎状况,通过水介质传播炸药能量,起到了与药柱等效的爆破作用。
水介质间隔装药爆破试验成功,单孔装药量可减少15%左右,单孔炸药费节省近百元。首钢矿业公司每年要穿爆3~3.5万个炮孔,全部采用水介质间隔爆破,年效益在300万元以上。
(三)巴基斯坦山达克铜金矿2009年6月引进成都洪森实业公司BJQ-SA250间隔器进行1000多个孔底水介质爆破试验,试验孔底水柱高1m,每孔少装炸药30kg,爆破未出现挡墙、根底,大块率明显改善,获得了理想的爆破效果。并对相临爆区等距离进行爆破震动测试,其测试结果(详见图二)表明,采用孔底水间隔爆破震动降低1/3。
孔底水介质单段4孔爆破振速
图二 爆破震动测试图
四、结束语
通过理论和实践结果表明,孔底水介质控制爆破是提高爆破质量,降低爆破成本的有效方法。特别是对地下水丰富,孔底积水普遍的露天矿山采用孔底水介质控制爆破有着重要的实践意义。
参考文献:
[1]杨桦,李金龙.采矿手册[M].北京:冶金工业出版社,1995.
[2]陶颂霖.爆破工程[M].北京:冶金工业出版社,1982.