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    自充式气体间隔器在深孔爆破中的应用

    本文介绍了气体间隔爆破理论在露天矿的应用,以及在葛洲坝水泥厂矿山复杂地质条件下的台阶深孔爆破试验。根据葛洲坝水泥厂矿具体条件,应用中间或底部空气间隔技术,均获得较好的爆破效果,为同类矿山提供了较好的工程应用实例。

    1  引言

    随着国内外爆破技术的发展,有关气体间隔爆破技术的理论研究和应用越来越成熟。气体间隔爆破技术在改善爆破综合效果,降低炸药消耗方面已取得了较明显的成效,很好的改变了以往使用炮孔碴(或使用其它碎颗粒状、粉状物质)间隔充填不好掌握、施工繁琐、劳动量大且效果不理想的不足,改善和促进了综合爆破效果。

    葛洲坝水泥厂矿山为了克服矿山复杂地质条件的影响,改善综合爆破效果,有效降低炸药单耗,同时较好地控制爆破振动。经过多年来对BJQ型气体间隔器的使用和探索,取得了比较满意的效果。

    2  矿山概况

    葛洲坝水泥厂矿山位于荆门市郊北角处,苏畈石灰石矿山的北部,与厂区水泥生产线仅一条公路之隔,其矿产属沉积岩矿石,矿区整体为一单斜层状构造,岩层总体走向北北西向,倾向230°-350°,岩层倾角地表较陡,一般为21°-27°,个别达到30°左右,深部则相对趋缓,一般为21°-22°,矿体整体产状比较稳定。矿区断裂构造较发育,断层整体走向北北西向,与区域断裂构造方向一致。整个矿区矿岩节理裂隙发育,卡斯特地貌特征显著,主要为溶蚀裂隙,部分溶蚀裂隙深达120-180m,并存在比较多溶洞、地下水,矿山开采地质条件复杂。

    葛洲坝水泥厂矿山是一座大型机械化开采的露天矿山,主要钻孔设备为直径165mmSWB165型液压潜孔钻机和直径200mmKY-200型牙轮钻机。台阶高为14-15m,孔网参数为(3-4m×(5.5-7m。大间距小排距斜排微差起爆。采用连续装药结构,炸药平均单耗0.28kg/t左右。

    由于矿山地质条件复杂,在深孔台阶爆破中存在如下亟待解决的技术问题:爆破炸药单耗普遍偏高,部分单耗高达0.38-0.45kg/t,爆堆破碎不均匀,炮孔中部岩石过度粉碎而爆堆顶部大块率偏高(控制炸药单耗时);爆破振动幅度偏大。

    3  空气间隔爆破理论

    3.1  空气间隔理论

    传统的连续柱状装药存在单耗大、爆轰初压高、岩石过度粉碎、爆轰生成气体作用时间段等缺点,易产生大块和根底、带来爆破振动危害、铲装和运输效率低下等诸多问题。空气间隔爆破技术的运用使得爆炸能量得到有效利用,许多矿山实践证明:改连续柱状装药为轴向空气间隔装药,可以有效克服连续装药爆破带来的诸多弊端,并能取得理想的爆破效果,不仅提高了炸药能量的有效利用率,而且控制了爆破危害,并直接降低了爆破成本。

    采用空气间隔爆破技术,能有效降低爆破冲击压应力峰值,减轻爆轰的冲击作用,减小粉碎圈半径,避免岩石粉碎过度。

    炸药爆破产生的冲击波经炮孔壁反射产生二次应变波,从而使炮孔周围的裂隙网络在气体升压之前就充分扩展开。虽然炸药在孔中产生的平均压力有所减少,但通过在一系列余震的反复作用下,产生的后续加载冲击波对岩石作用有所加强。美国学者研究发现这种作用可以增加1-4倍。其作用效应使岩石的破碎程度有所提高,达到破碎岩石的目的。

    空气间隔爆破技术延长了爆压对岩石(体)的正压作用时间,可获得更大的爆破冲能,从而有效提高了爆破能量利用率,达到改善爆破效果的目的。

    空气间隔长度是决定破碎效果的关键因素。随着间隔尺寸的增加,产生的破碎程度下降。在其临界间隔值内,其破碎程度的下降值是很小的。临界间隔长度取决于炸药类型及周围介质的结构和强度。一般间隔长度要求为连续柱状装药长度的11%-35%,限制在20%-30%为宜。

    空气间隔位置对破碎效果也会产生不同的影响。根据澳大利亚及美国学者的研究发现,中间间隔爆破。无论上下段爆破是否同时起爆,由于存在二个相对冲击波阵面的相互作用和振动,相同地质条件其破碎效果均要优于底部和上部间隔装药的破碎效果。

    孔底间隔具有一定降振效应。研究表明爆破振动降幅可达10%以上。

    3.2  空气间隔爆破的结构特性

    自充气式气囊塞适合在深炮孔中的任意位置间隔爆破。气囊由两层直径相同的高压聚乙烯圆筒压制成密封袋,袋内装有储气罐一个,袋外层套有一个尼龙纺织袋,以增加强度和摩擦力。

    4  工业试验

    4.1  产品性能测试

    由于该矿山配备的主要钻孔设备施工孔径为165mm200mm两种。为了确保气体间隔器在露天矿深孔爆破中获得较好的应用效果,确保产品质量能够满足爆破技术要求,对该系列产品相匹配的BJQ-A150BJQ-A200两种气体间隔器进行了技术性能实测试验。

    4.1.1  充气速度测试

    该试验测试的目的是测定气体间隔器的放气阀开启到气囊充气达到稳定状态所需要的时间。

    测试环境温度为27℃,从BJQ-A150BJQ-A200型两种气体间隔器的包装箱中随机分别取出5个间隔器,同时开启放气阀,用秒表记录放气阀充气密封气囊袋膨胀时间。测试结果其其充气速度符合产品技术指标规定值(产品技术指标详见威海埃姆提爱矿山设备有限公司网站上的详细产品介绍),满足现场使用要求。

    4.1.2  抗静负荷试验

    自充气气囊在炮孔内充气膨胀达到稳定状态后,其本身强度及对炮孔壁所产生的压力强度(摩擦力)能否承受住装药、堵塞的冲击力和承受施加在其上面的全部负载(静荷负载),是气囊实现有效气体间隔的关键指标。对BJQ气体间隔器进行了现场极限条件下的抗静荷试验,步骤如下:

    (1)在开采平台上,用SWB165型液压潜孔钻机和KY-200型牙轮钻机分别穿5个孔深为9m的钻孔(一根钻杆),孔径分别为165mm200mm

    (2)分别在每个炮孔距底20m处放入相同型号的气体间隔器。

    (3)8min后,气体间隔器在炮孔内达到其额定静荷强度,向孔内充填钻孔矿碴倒满为止。

    (4)试验观察时间:24h。试验统计结果显示,均未发现孔内充填物沉降和坍塌。证明该型系列气体间隔器能满足正常台阶爆破的装药技术要求。

    4.2  产品应用

    4.2.1  应用情况

    为了较好地解决葛洲坝水泥厂矿山存在裂隙、溶隙、溶洞、水孔等复杂地质条件下爆破生产方面的技术问题,进行了气体间隔爆破技术的试验应用。其中部分气体间隔器应用情况见下表

    4.2.2  施工需要注意的问题

    使用气体间隔器进行间隔装药,相对连续装药方式,在操作程序上要繁琐一些,施工中要特别注意按设计要求满足装药高度和气体间隔器放置高度,很有必要制定有效的间隔爆破技术装药操作程序。

    根据自充气气体间隔器特点,在炮孔中放好气体间隔器后至少需要等待1-2min

    由于自充气气囊可以在炮孔内任何位置间隔,施工时可对一些特别部位进行灵活调整。当炮孔内有异常发育裂隙时,如较大的溶隙、溶洞,可以将 自充气气囊放在裂隙或溶洞顶部炮孔口处,避免炸药流入裂隙里,减少炸药的损耗量。

    间隔装药操作中,必须严格按爆破设计进行施工。在孔网参数,炸药单耗不变的前提下,孔内间隔提高了炸药中心高度,需要适当减少充填长度,因装药中心高度上移,要确保炮孔顶部充填长度的最小值,避免造成冲天炮和飞石危害;另外,进行中间间隔装药时,上部装药量不能太少,以避免台阶上部炸药单耗偏低,造成爆堆表面大块率上升。

    5  爆破质量评价

    5.1  间隔爆破技术优势

    根据葛洲坝水泥厂矿山多年来的爆破应用,在炮孔内多个不同部位间隔时,中间间隔爆破效果更具优势,爆破综合效果明显。过度破碎现象得到克服,铲装现场、皮带运输现场粉尘得到有效控制,爆堆矿石块度均匀,表面大块基本消失。

    在孔网参数不变和炸药单耗一定的前提下,通过孔内间隔可以提高炸药中心的高度,适当减少没孔顶部充填长度,可以有效减少和控制爆堆表层的大块率。

    底部间隔装药通常用于炮孔底部有水的情况下使用,主要目的是减少对炮孔底部水孔的处理工作量,又可避免炮孔水浸渍炸药,造成性能损失,另外,在炮孔底部间隔,常常用于控制爆破振动。葛洲坝水泥厂矿山紧邻水泥生产线,利用孔底间隔技术,通过测试振动速度,降幅达到15%-50%,能实现单次较大规模起爆,有利于减少爆破频次,降低爆破风险。

    间隔装药减少了使用炸药量,底部间隔的低振动也降低了对场内外建(构)筑物的不良影响,保持矿山高边坡的稳定,降低了高边坡维护治理费用。因此葛洲坝水泥厂矿山在建筑物、高边坡、终了边坡附近爆破时,通常采用孔底间隔爆破。

    爆堆形状规整,爆堆平滑起伏度小,块度均匀,有利于提高WK-4A电铲铲装效率,减少后翻、前冲、侧冲,对未爆区边界线破坏明显降低,有利于爆区间的衔接,保持平台的总体平整,减少推土机清理飞石等辅助工作量。

    5.2  经济效益

    1)有效节省炸药成本。通过连续多年实施间隔装药爆破,炸药单耗降幅达到了15%-25%。矿山全年原消耗500t炸药,目前1a至少节约炸药60t以上(目前炸药市场价格约1万元/t),除去空气间隔器的成本费用,每年节约炸药成本40万元左右。

    2)扩大单次爆破规模。空气间隔爆破具有降低爆破振动的作用,可以扩大单次爆破规模,从而减少了台阶爆破频次,生产组织环节更紧凑,效率更高,生产管理更高效。

    3)降低二次大块爆破量。爆破块度均匀,使二次破碎率降低25%以上。通过使用自充气气体间隔器间隔装药爆破后,采矿车间风钻工由原来的8人减少到6人,而且日常工作量较原来少。每年用于二次爆破消耗的电雷管总量,比原来减少了30%左右。

    6  结语

    空气间隔爆破技术在葛洲坝水泥厂矿山的成功应用,既改善了爆破效果,又节约了穿爆综合成本,优化了经济技术指标,提高了葛洲坝水泥厂矿山的综合效益。特别是将气体间隔器应用在矿山复杂地段爆破作业中,能够较好的克服不利爆破条件,获得较好的综合爆破效果,其经济成果和社会效益可观。

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