空气间隔装药爆破研究现状与探讨.pdf

第 1 5 卷 第 1 期 2 0 0 9年 3月 工程爆 破 ENGI NEERI NG B LASTI NG V0 I ． 1 5。NO ． 1 M a r c h 2 0 09 文章编号 1 0 0 6 7 0 5 1 2 0 0 9 0 1 0 0 1 6 0 4 空气间隔装药爆破研究现状与探讨 吴 1 ． 武 汉科技 大 学理 学院 ，武 汉 3 ． 武 汉大 学水资 源 与 亮 ，朱红兵 ，卢文波。 4 3 0 0 8 1 ； 2 ． 中国长江三峡开发 总公司，湖北宜 昌4 4 3 0 0 2 ； 水 电工程科 学 国家 重点 实验 室，武汉 4 3 0 0 7 2 摘 要 在现代化矿山开发和工程建设中， 如何有效地利用爆炸能量是目前亟待解决的关键技术问 题 。空气间隔爆破技术的运 用使得爆炸能量得到有效的利 用， 实践证 明空气 间隔爆破技术可 以有效的 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 。本文系统介 绍了国内外空气 间隔装药 爆破技术的研究与应用情况 ， 分析了亟待解决的关键问题 。 关键词 矿山开采l 爆破技术； 空气间隔装药； 综合述评 中图分类 号T D 2 3 5 ． 4 4 文献标识码 A AN OVERVI EW AND DI SCU SS I ON oF TH E STUDY ON， AI R DECKI NG BLASTI NG W U Li a ng ，ZH U H o n g b i n g ，LU W e n b o。 1 ． Wu h a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， C o l l e g e o f S c i e n c e ， Wu h a n 4 3 0 0 8 1 ，C h i n a ； 2 ．Ch i n a Th r e e Go r g e s Pr o j e c t Co r p o r a t i o n，Yi c h a n g 4 4 3 0 0 2 ，Hu b e i ， C h i n a； 3 ．St a t e Ke y La b o r a t o r y o f Wa t e r Re s o u r c e a n d Hy d r o po we r EC g i n e e r i n g S c i e n c e ， Wu h a n Un i v e r s i t y，Wu h a n 4 3 0 0 7 2 ，C h i n a AB S T RA CTI n mo d e r n mi n i n g a n d e n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n ，h o w t o ma k e a n e f f i c i e n t u s e o f e x p l o s i o n a n e r gy i s t he ke y t e c hn ol o gy n e e d e d t o be r e s ol v e d u r g e n t l y．The a ppl i c a t i o n o f a i r - d e c ki n g bl a s t i ng t e c hn ol o g y h a s e n a b l e d t h e e f f i c i e n t u s e o f e x p l o s i o n e n e r g y，wh i c h p r o v e s t h a t t h e t e c h n o l o g y c a n a c h i e v e i d e a l ● b l a s t i n g e f f e c t b y o v e r c o mi n g ma n y d i s a d v a n t a g e s c a u s e d b y c o l u mn c h a r g e e f f e c t i v e l y ．S y s t e ma t i c s t u d y o n t h e r e s e a r c h e s a n d a p p l i c a t i o n o f a i r d e c k i n g b l a s t i n g t e c h n o l o g y a t h o me a n d a b r o a d i s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r ，a n d t h e k e y i s s u e s t o b e s o l v e d p r o mp t l y a r e a n a l y z e d a s we l 1 ． KEY W ORDSM i ni n g；Bl a s t i n g t e c hn ol o gy；A i r d e c k i ng；Ov e r v i e w 引 ．． k 口 近十年来 ， 随着我国经济建设的飞速发展 ， 特别 是现代化矿山以及西部 山区的水电开发 ， 爆破作为 石方开挖的最常用技术得到了应用与发展。传统 的 连续柱状装药存在单耗大、 爆轰初压过高、 岩石过度 收稿 日期 2 0 0 8 0 6 1 3 基金项目国家 自然科学基金 5 0 7 7 4 0 5 6 ， 5 0 7 7 9 0 5 0 } 武汉科技 大学校科学基金资助项 目 0 8 0 0 6 8 作 者简介吴亮 ，博士， 主要从事 工程爆破与岩 石动力学 、 工 程力学的教学与科研工作。 粉碎 、 爆生气体作用时间短等缺点 ， 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。如何有效地利用爆炸能量成为目前亟待解决 的关键技术问题 。空气间隔爆破技术的运用使得爆 炸能量得到有效 的利用， 如图 1所示 。许多模型实 验和矿山实践都证明， 改连续柱状装药为轴 向空气 间隔装药可以有效地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， 并降低了爆 破成本。本溪钢铁公司南芬露天铁矿于 2 0 0 0年末 开始使用底部空气间隔装药技术 ，不仅降低 了炸药 1 8 工程爆破 系列加载波的作用 ， 并导致先前压力波造成 的裂隙 岩体 的进一步破坏 。虽然空气间隔装药结构条件下 作用在炮孔上 的平均压力低于耦合装药方式 ， 但它 可以通过产生的后续系列加载波 的作用来达到破碎 岩石 的目的。采用空气 间隔装药技术 ， 在爆破作用 过程中一方面降低了爆压 的峰值 ， 从而降低或避免 了对围岩的过度粉碎； 另一方面由于延长 了爆压作 用时间， 从而获得了更大的爆破冲量 爆压与爆压作 用时间的乘积 ， 最终提高 了爆破 的有效能量利用 率 。我 国在 理 论 研 究 方 面起 步 较 晚 ， 刘 鹏 程 、 张 晶 瑶。 。 等应用冲击波理论分析了底部 空气柱装药爆 破 机 理 ， 通 过实 验研 究 了底部 空气 柱装药 爆破 效果 。 吴俊 钧∞ 们、 杨军 等利 用岩 石爆 破分形 损 伤模 型及 二维有限差分程序进行数值模拟 ， 从岩石爆破损伤 演化 的角 度对 比了一般 深孔爆 破 装药 与空气 间 隔装 药的岩石破坏过程 ， 发现空气 间隔装药 与耦合装药 相 比 ， 具 有爆破 能量 分配 更合 理 、 应力 波作 用时 间长 和脉 冲 幅值 低 等 优 点 。鞠 崇 文 。 分 析 在 爆 破 荷 载 作用 下 岩石破 坏 的特 征 ， 并 对 不 耦 合装 药爆 破 作 用 进行 了较 为详 细 的研 究 。璩 世 杰 根 据 压 缩 应 力 波 和准 静态气 体 压力 共 同作 用 理论 ， 分 别 对露 天 矿 垂直中深孔爆破空气 间隔、 分段装药和径 向不耦合 装药三种间隔装药结构 的爆破作用原理进行了分析 和讨论 。近年来 ， 卢文波。 、 朱红兵。 ∞等从炮孔 中 炸 药 的起 爆 开 始 ， 运 用爆 轰 波 的 C J理论 解 释 了 孔 中炸 药 的起爆 过 程 ， 并 根 据 工程 爆 破 的 实 际情 况 将这一过程简化为一个 瞬时爆轰 ； 随后重点研究 了 孔 中炸药起爆后孔 内爆生气体 与空气层 的作用过 程 ， 通 过应 用一 维 冲击 波 理 论 对 这一 过 程 进 行 详 细 的分析 推导 。 空气间隔装药爆破过程首先是爆轰波传播 ， 然 后是冲击波与空气 、 岩石耦合作用 ， 用爆炸能量破碎 岩石 ， 最后 形成 爆 堆 ； 同时 ， 在 破 岩过 程 中还 产 生 了 爆 破 地 震 效应 ⋯ ” 。 目前 ， 对 于 空气 间 隔装 药 爆 破 破岩机理的理论研究集 中在炮孔压力计算 ， 对于应 力波 加 、 卸 载作 用下 岩石 的损 伤演 化过 程 、 能 量释 放 规律 的研 究还 没有 完 善 ， 对 爆 堆 形 状 以及 爆 破 振 动 规律 的影 响研究 还 较少 。 4 亟待 解决的问题 爆 破 理论 的发 展往 往 滞 后 于爆 破技 术 的进 步 。 目前 ， 对于空气间隔装药爆破技术 的研究还存在几 点亟待解决的关键 问题 。 4 ． 1 关 于合 理 的空气 层所 处 的位置 问题 虽然 Mo x o n N T 0 等一些学者认为空气层置 于中间的结构爆破效果优 于空气层置于其它位置， 但 由于实际装药操作相 当麻烦 ， 且两端要求同时起 爆 ， 这在时间控制和导爆器材上都有 较高要求。卢 文波 ∞、 朱红兵㈣ 等通过理论、 试验研究发现空气 层置于上部 比较合理 。刘振东n 等从能量角度出发 认 为 空气层 置 于底部 更好 ， 可 以充分 利用 爆破 能量 、 减少根底 ， 而其他学者则认为空气层置于底部可用 于保护底板。对于空气层置于底部情况 ， 在堵头反 射的压力波强度更 有不同说法 Me l n i k o v N V。 “ 认为 比初 始压 力小 ； Mo x o n N T 口 认 为 比初始 压 力 大很 多 ， 国 内 一 些 学 者 在 此 问题 上 也 有 不 同观 点 。 这些 不 同的结 论说 明 了对这项 新 技术认 识仅 停 留在 试验及假想推理的层面上 ， 理论上缺乏严密 的推导 证 明 。 4 ． 2 对 于合 理 的空气 层 比例 的取值 问题 Me l n i k o v N V。 “ 认 为 取 药 室 体 积 的 1 1 ％ ～ 3 5 为好 ； Mo x o n N T 口 认 为取 药 室体 积 的 1 5 ～ 3 5 为好 ； 国内一些学者认为取药 室体积的 3 O ～ 4 0 ％时 爆 破 能 取得 较好 效 果 。近 年来 ， 卢 文 波㈣ 、 朱红兵。 ∞ 等通过运用 一维 冲击波理论推导得 出了 空气间隔装药技术在深孔梯段爆破中应选用的合适 空气层 比例 约为 3 0 ～4 2 。对于空气层 比例 的 确定 ， 除 了理论 分析研 究 外 ， 各 矿 山应根据 各 自的矿 岩性质、 地质条件、 钻孔直径、 炸药类型、 铲装设备等 具体情况 ， 选取合理的范围值 ， 必要时可进行台阶模 型试 验进 行验 证和 工业试 验加 以确 定 。 4 ． 3 关 于应 力波 加载 、 卸载 作用 下岩石 动态 损伤演 化 问题 在 空气 间隔 装药 爆 破 中 ， 空气 层 的存 在导 致爆 炸作 用过 程 中激发 产 生 二 次 和后 续 系 列 加 载 、 卸 载 波的作用 ， 并导致先前压力波造成的裂 隙岩体的进 一 步破 坏 。因此 ， 对 于装 药 区与 空 气层 区 的岩 石破 坏机 理 和损伤 范 围将 有 所 不 同 ， 爆 破块 度 大小 也 不 一 致 。 4 ． 4关于爆 破振 动效 应 问题 由于轴向空气不耦合装药起到缓冲炸药爆炸对 孔壁的作用 ， 降低初始压力及应力波峰值 ， 从而达到 降低爆破振动的 目的。实践证 明 空气间隔装药具 有很好的降振效果 ， 其降振率可达 1 0 ～1 5 。 ∞。 吕淑然。 ” 通过对不 同装药 间隔方式 的质点振动三 分量 垂向、 径向、 切 向 在 时域 内的比较得出， 三分 量振动 幅值最大者为 中部空气 间隔孔 ， 其次为顶部 空气 间 隔 ， 最小 者 为孔 底 空 气 间隔 ； 在 三 分量 中 ， 对 吴亮等 空气 间隔装药爆破研究现状 与探 讨 1 9 质点振动速度贡献最大的是垂直分量 。对于爆破振 动频率 ， 从垂直分量看 ， 底部空气间隔孑 L 与顶部间隔 孑 L 的主频相 近 ， 而 中部 空气 间 隔孔 的 主频 最 低 。 文 献 [ 3 1 ] 的研究基于平地试验 ， 还没有涉及边坡情况 ， 由于爆破振动对边坡稳定的影响在近区和远区的作 用机制是不同的， 同时在进行高边坡岩石 开挖 时往 往采 用分 段延 时爆 破 技 术 ， 多段 爆 破 振 动 的叠 加 作 用致 使近 区 和 中远 区 的 爆 破 振 动 荷 载 特 性 更 加 复 杂。因此 ， 不同装药结构的爆破振动效应还有待进 一 步 研究 。 参考 文献 ’ 1 3 刘振东 ，高毓山 ，谭永后．底部 间 隔装药 结构 在南 芬露 天矿的试验研究 E J ] ．矿业 快报 ， 2 0 0 2 ， 3 8 5 7 1 3 1 5 ． 2 3 李彬．气 囊 间隔 技术 在 歪 头 山铁 矿爆 破 生产 中 的应 用 [ J ] ． 金属矿山 ， 2 0 0 3 ， 3 2 6 8 5 9 6 0 ． 3 3 Me l n i k o v N V．Ch a r g e Co n s t r u c t i o n I n f l u e n c e o n Ex p l o s i o n Op e r a t i o n s E f fi c i e n c y [ R ] ．R e p o r t s o f t h e V I s c i e n c e s y mp o s i u m o n d r i l l i n g，e x p l o s i v e s ， e x p l o s i o n o P e r a t i o n s a n d s t u d y o f p h y s i c a l a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r o c ks ， Ro l l a，US A ，Go s g o r t e k h i z d a t ，1 9 6 2 ． 4 3 Me l n i k o v，M a r c h e n k o v ．Ef f e c t i v e Me t h o d s o f Ap p l i c a t i o n o f E x p l o s i o n [ A] ．1 2 t h U．S S y mp o s i u m o n R o c k Me c h a n i c s Ne w Y o r k ，AI ME [ C ] ．C h a p ．1 8 ， 1 9 7 1 35 9 3 7 8． 5 3 F o u r n e y W L，B a r k e r D B，Ho l l o wa y D C．Mo d e 1 S t u d - i e s o f E x p l o s i v e We l l S t i mu l a t i o n Te c h n i q u e s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a 1 o f Ro c k Me c h a n i c s a n d Mi n i n g S c i e n c e s Ge o me c h a n i c s Ab s t r a c t s v 1 9 8 1 ， 1 8 2 1 l 3 1 2 7 ． 6 3 L i t t l e T N． De s i g n o f B l a s t Us i n g a n E x p e r t S y s t e m A] ． AC AD S ，1 9 9 1 C o n f e r e n c e [ C ] ．P e r t h ，1 9 9 1 6 1 1 ． [ 7 ] Mo x o n N T，Mc a d D，Ri c h a r d s o n S B ．AJ r - d e c k e d B i a s t i n g T e c h n i q u e s S o me C o l l a b o r a t i v e E x p e r i me n t s [ J ] ． Tr a n s a c t i o n s o f t h e I n s t i t u t i o n o f Mi n i n g ＆ Me t a l l u r g y． Se c t i on AM i ni ng I n dus t r y ，19 93， 1 02 A25一 A3O ． 8 3 Ya r b r o u g h Da v i d W ，An d e r s o n Ro b e r t W．Us e o f Ra d i a - t i o n Co n t r o l Co a t i n g s t o Re d u c e Bu i l d i n g Ai r - c o n d i t i o n i n g L o a d s [ J ] ．E n e r g y S o u r c e s ，J a n - Ma r l 9 9 3 ， 1 5 1 5 9 66 ． [ 9 ]L i u L Q，Ka t s a b a n i s P D．Nu me r i c a 1 Mo d e l l i n g o f t h e Ef f e c t s o f Ai r De c k i n g ／ De c o u p l i n g i n Pr o d u c t i o n a n d C o n t r o l l e d B l a s t i n g J ] ．R OC K F R AG ME N TAT 1 0N B Y BL AS TI NG ，1 9 9 6 3 1 9 3 3 0 ． 1 0 3 Ku ma r ，Ki s h o r e V ． A i r - d e c k i n g U s i n g G a s b a g s [ J ] ． J o u r n a l o f Mi n e s ，Me t a l s Fu e l s ，1 9 9 5， 4 3 8 2 4 4 2 49 ． [ 1 1 ] Pa l Ro y P，S i n g h R B，Mo n d a l S K．Ai r - d e c k Bl a s t i n g i n Op e n c a s t M i n e s U s i n g L o w C o s t W o o d e n S p a c e r s f o r E f f i c i e n t Ut i l i s a t i o n o f E x p l o s i v e E n e r g y [ J ] ．J o u r n a l o f Mi n e s ，Me t a l s Fu e l s ，1 9 9 5 ， 4 3 8 5 1 5 ． 1 2 3 Te r r e t t P，S t e y n S A，Ro r k e A J ．Ai r De c k i n g a t Du v h a ，a Te c h n i c a l Ev a l u a t i o n r A] ． Pr o c ． S i x t h Hi g h t e c h S e mi n a r ，S t a t e - o f - t h e - Ar t Bl a s t i n g Te c h n o l o g y I n s t r u me n t a t i o n a n d E x p l o s i v e s Ap p l i c a t i 0 n s [ C ] ．B o s t o n M a s s a c h u s e t t s ，US A ，1 9 9 55 8 7 5 9 9 ． 1 3 3 Ra y，Ch a n g Ha ，Ch o i ，By u n g - He e ，S u n wo o ,Ch o o n ． A Ca s e St ud y o f Di me ns i o na l St one Bl a s t i ng i n Kor e a r A] ．Pr o c e e d i n g s o f t h e An n u a l C o n f e r e n c e o n Ex p l o s i v e s a n d B l a s t i n g T e c h n i q u e [ C ] ．2 0 0 3 2 3 1 2 3 9 ． 1 4 3 赵继忠．炮孑 L 间 隔装药 技术 在首 钢水 厂铁 矿 台阶深孔 爆破 中的研 究与应用[ C ] ．首钢 矿业文 集 ，1 9 9 2 3 6 38 ． 1 5 3 张晶瑶．深孔 底部 空气 垫层 装药 结构 在露 天煤 矿的应 用 [ J ] ．中国矿 业 ， 1 9 9 4 ， 1 2 5 3 1 3 3 ． 1 6 3 刘鹏 程．地 下大 直径 深孔 空气 间隔装 药结 构探 讨 [ J ] ． 矿业研究与 开发 ， 1 9 9 4 ， 1 4 4 2 4 2 8 ． 1 7 3 吴敏 ，陈学 云．采用 大孔 径深 孔 梯段 爆破 开 采堆 石料 [ J ] ．水力发 电，1 9 9 5 ， 1 2 5 1 4 1 7 ． 1 8 3 卢文波 ，舒大强 ，朱红 兵 ， 等．空气 间 隔装 药结 构在 轮 廓 爆破 中的应用研究 [ A] ． 中 国爆破新技术 [ M] ．2 0 0 4 296 3 O1． 1 9 3 朱红兵．空气间隔 装药爆 破机 理及应 用研究 [ D] 博 士 学 位论 文 ．武汉 武汉大学 ， 2 0 0 6 ． 2 0 3 张志呈 ， 王成 端．装 药 结构 影 响爆 破 效果 的试 验 分 析 [ J ] ． 爆破 ，1 9 9 1 ， 8 2 1 4 ． 2 1 3 陈寿如 ， 邢 东升 ， 宋光 明， 等．坚硬矿 岩 台阶深孔爆破 降 低 大块 率的综合措施 [ J ] ．有 色全 属 ， 2 0 0 2 ， 5 4 2 3 4 36 ． [ 2 2 ] 李 云 峰． 空 气 间 隙装 药 结 构研 究 及 应 用 [ J ] ． 轻 金 属 ， 1 9 9 8， 1 2 1 2 3 6 ． 2 3 3 张晶瑶．深孔 底部 空气 垫层装 药结 构 在露 天煤 矿的应 用[ J ] ．中国矿业 ， 1 9 9 4 ， 1 2 1 2 3 1 3 3 ． 2 4 3 吴俊钧．台阶 中深孔 爆破 大块率 和飞石 的控 制[ J ] ．爆 破 ，1 9 9 6， 1 3 4 2 9 3 2 ． 2 5 3 杨军 ， 黄风雷．深 孔爆 破空 隙装 药损伤 演化过程 的数值 模拟[ J ] ．爆破 ， 1 9 9 7 ， 1 4 2 1 6 ． 2 6 3 鞠崇文 ，严碧．孔底 间隔爆破技术及 其应用 [ J ] ．爆破 ， 1 9 9 8 ，1 5 1 5 5 5 9 ． 2 7 3 璩世杰 ，陈广平 ，尚峰华 ， 等．台 阶爆 破垂 直 中深孑 L 间 隔装药技术的理论分析与应用[ J ] ．工程爆破，1 9 9 9 ， 5 4 5 7 6 1 ． 2 8 3 ZHU Ho n g - b i n g，LU W e n - b o ，W U L i a n g ． Ai De c k i n g Te c h n i q u e i n B e n c h B l a s t i n g [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y En g l i s h E d i t i o n 2 0 0 6 ， 1 6 2 1 8 4 1 8 8 ． 2 9 3 朱红兵 ，卢文 波 ，吴 亮．空 气 间 隔装 药爆 破 机理 研 究 [ J ] ．岩土力 学 ， 2 0 0 7 ， 2 8 5 9 8 6 9 9 0 ． E 3 0 3 辜大 志 ， 谢 圣权 ， 陈 寿如．孔 底空气 间 隔装药 改善 爆破 振动和爆破效果 的研究[ J ] ． 采矿技术 ， 2 0 0 4 ， 4 4 6 4 6 6． 3 1 3 吕淑然．炮孔 轴 向不 同间隔 方式 的爆破 地震 效应 研究 [ J ] ．安全与环境 学报 ， 2 0 0 6 ， 6 增刊 1 0 2 1 0 5 ．