浅淡巷道掘进爆破中基于岩石破碎提升爆炸能量效率的方法

浅淡巷道掘进爆破中基于岩石破碎提升爆炸能量效率的方法

冯银1

1.新疆大学，新疆维吾尔族自治区 乌鲁木齐 830046

摘要

巷道掘进爆破中岩石破碎程度很大程度上影响掘进速度和矿物加工等工序，本文浅谈了巷道掘进爆破中基于岩石破碎提升爆炸能量效率的方法为巷道掘进爆破技术的研究和应用提供了有价值的参考。

关键词：地下矿山；巷道爆破；岩石破碎；能量效率

1.引言

巷道掘进爆破是地下矿山常用的岩石开挖方法，而开挖后岩石破碎程度也会很大程度上影响装载运输等工序，影响巷道掘进速度[1]。此外岩石破碎程度还会影响矿石粉碎和研磨等矿物加工工序，造成不必要的资源浪费[2]。因此本文本文浅谈了巷道掘进爆破中基于岩石破碎提升爆炸能量效率的方法，为巷道掘进爆破技术的研究和应用提供了有价值的参考。

2.岩石破碎机理

现有岩石爆破破坏理论主要有爆炸气体破坏理论、爆炸应力波破坏理论以及爆炸气体和应力波综合破坏理论三种。第三种理论目前被大多数科研工作者接受。

3. 基于岩石破碎提升爆炸能量效率的方法

岩石破碎主要能量来源于应力波和爆生气体的作用，从这两个方面简要说明提升爆炸能量效率的方法。

3.1提升应力波的作用

3.1.1炸药

应力波的直接来源是炸药化学反应过程中爆轰产物和爆生气体与岩石的相互作用，然而炸药产生的能量不完全作用与岩石，如测得爆炸压力远小于爆轰压力[3]。将从以下几个方面阐述如何使得炸药产生的能量更多的作用于岩石。

1）炸药与岩石的匹配

若炸药与岩石的波阻抗匹配度，直接影响炸药爆炸能转递给岩石的能量以及转递效率。王基禹、赵明生表明合理匹配的炸药不仅能够降低炸药单耗，同时大块率也得到了有效改善[4]。张庆彬等表明炸药与岩石的阻抗匹配系数在一定范围内的爆破效果最优[5]。

2）装药结构

装药结构是指炸药在炮孔内的放置方式。首先爆孔内只放炸药的情形，一般这种情况下都是指径向耦合与不耦合装药以及轴向耦合装药（连续装药），由于空气的波阻抗远小于岩石和炸药的波阻抗，使得炸药爆炸后传递给岩石的能量减少。徐颖等提出不耦合系数显著影响初始应力状态下岩石爆生裂纹的扩展[6]。最后爆孔内放置不止炸药的情形，这种情况一般为轴向不耦合装药，在轴向放置空气袋等，主要为了降低爆炸压力峰值以及增加应力时间，防止炮孔周围过度破碎带来的能量快速消耗。金鑫等提出可以通过中部空气间隔装药控制减少装药量使得爆破效果接近传统的连续装药[7]。

3）炸药起爆位置

炸药起爆位置主要考虑了爆轰波的转播过程。Zhang利用应力波理论和岩石断裂特征发现最好的起爆位置是炸药中点[8]。依据这一理论结论，Ylitalo等通过大量现场实验表明炸药中间起爆岩石破碎的效果要优于孔底起爆[9]。

4）多雷管起爆炸药

利用炸药爆炸时爆轰波的碰撞叠加释放更多的能量作用于岩石加剧岩石的破碎。但这种方式将会产生巨大的振动效应，需要保证安全的情况下使用。这种方法在巷道掘进爆破中较少使用这种方法，因为巷道掘进进尺较小，爆轰波再炸药内传播的时间极短，很难控制爆轰波的碰撞。

5）堵塞

相关研究表明炮孔若不堵塞，炸药产生的能量将大量溢出孔外。此外堵塞材料、堵塞结构、堵塞长度对堵塞质量有直接的影响，合理的堵塞会使爆能得到充分利用，使岩石充分破碎，进而直接影响到爆破质量[10]。

3.1.2应力波分布

应力波分布是否合理主要受炮孔分布的影响。不同的布孔方式会影响爆药与岩体的接触面积、冲击波和应力波的传播方向和范围、岩块的形态和大小等，从而影响爆炸能量效率。

3.1.3应力波叠加

相邻的两药包以间隔一定时间起爆，改善爆破块度，譬如当先爆药包产生压缩波从自由面反射成拉伸波后，再引爆后续药包，能增大该区内的拉应力，减少了由于应力波干涉产生的能量损失。

3.1.4自由面

主要是利用霍普金森效应，即先爆药包产生的爆生裂纹，为后爆孔创造了丰富的自由面。不仅缩短了后爆孔的最小抵抗线，减弱了岩体的夹制作用，还有利于反射拉伸应力波破碎岩体。

3.2提升爆生气体破岩

3.2.1爆岩间的碰撞

通过设置合理的延时时间使得先爆孔爆岩在抛掷过程中收到后爆孔爆岩的撞击，而增加岩石的破碎。波克罗夫斯基根据相互碰撞作用原理，先爆炮孔引起的碎石向前移动一段距离后，后续炮孔开始爆炸加强岩块在运动过程中的相互碰撞，引起再次破碎[11]。

3.2.2设置阻碍碰撞

在被爆岩体的抛掷方向设置阻碍，充分利用岩块抛掷时的动能，加剧岩石的破碎。然而这种方法在巷道掘进中实现，需要消耗大量的时间，因为巷道工作面是单一的。

4.结论与展望

本文浅谈了当前在巷道掘进爆破中基于岩石破碎提升爆炸能量效率的方法，可以看出：提升爆炸能量效率的方法主要在于爆破参数设计。其中还注意到延时时间在各种场景都有应用，然后现在对延时爆破作用原理还处于经验阶段，未来值得更深的探讨。

参考文献

[1]张阳光, 林飞, 赵彭, 等. 延时时间对露天深孔爆破破碎效果的影响研究[J]. 工程爆破, 2021, 27(04): 69–75.

[2]Zhang Z-X, Sanchidrian J A, Ouchterlony F, 等. Reduction of Fragment Size from Mining to Mineral Processing: A Review[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, Wien: Springer Wien, 56: 747–778.

[3]李守巨. 炮孔内爆炸气体压力变化的探讨[J]. 爆破, 1989(2): 8–10.

[4]王基禹, 赵明生. 混装炸药的能量与岩石性质匹配研究[J]. 爆破, 2022, 39(4): 138-143+200.

[5]张庆彬, 吴从师, 阳军生, 等. 爆破工程不同级别围岩与炸药匹配性试验研究[J]. 采矿技术, 2020, 20(6): 121-124+130.

[6]徐颖, 顾柯柯, 葛进进, 等. 装药不耦合系数对初始地应力下岩石爆破裂纹扩展影响的试验研究[J]. 爆破, 2022, 39(4): 1–9.

[7]金鑫, 高佳明, 苏宏伟, 等. 露天矿深孔台阶爆破间隔装药爆破试验研究[J]. 爆破, : 1–7.

[8]Zhang Z. Increasing ore extraction by changing detonator positions in LKAB Malmberget mine[J]. Fragblast, Taylor & Francis, 2005, 9(1): 29–46.

[9]Ylitalo R M. Effect of detonator position on rock fragmentation: Full-scale field tests at Kevitsa open pit mine[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2021, 147: 104918.

[10]葛汝豪. 露天矿炮孔堵塞作用机理与堵塞材料改性研究[D]. 中国矿业大学, 2022.

[11]吕则欣, 陈华兴. 岩石强度理论研究[J]. 西部探矿工程, 2009, 21(1): 4.