“水压水封抑尘爆破技术”

水压水封爆破技术郑长立莱芜钢铁集团鲁南矿业公司上河采场开采矿石为鞍山式贫磁铁矿，其密度p=3490kg/m3,普氏坚硬系数f=812,属高密度坚硬难穿难爆矿石。另外，上河采场属窄长条形状，平均宽度不足200m,中爆装药量受到严格控制，加之采场内矿岩结构构造复杂，不同区段、不同岩种的可爆性相差很大，造成中爆大块率较高，导致二次爆破量大幅度增加。一、水压水封二次爆破二次破碎的常规方法是钻孔法， 钻孔深度约为钻孔方向岩块厚度的1/22/3。此方法劳动强度大，粉尘危害严重，生产效率低，成本高，爆破飞石波及范围大。由于上河采场宽度小，时有爆破飞石波及采场周边苹果、葡萄园和蔬菜大棚等，经常造成农民索赔，甚至阻止爆破，严重影响了正常生产。为了有效地控制二次爆破飞石距离及爆破粉尘，保护人身、设备及农作物安全，减轻劳动强度，提高劳动生产率，降低二次爆破成本， 我根据水压爆破和水封爆破机理，探索实施水压水封二次爆破技术。二、水压水封爆破机理水压水封爆破剖面图如下图所示：水压水封爆破剖面图爆破机理分析如下：（一）基本机理根据爆破作用机理，炸药在岩石中爆炸时， 释放出来的能量是以冲击波和爆轰气体膨胀压力的方式作用在岩石上， 造成岩石的破坏。根据理论推导，对一般工业炸药，爆轰波波头压力可以近似地由下式表示，即P2 = p o D2/4式中P2 爆轰压力， KPa ；p o炸药的初始密度，g/cm3 ;D 炸药的爆速， m/s 。由公式可知，炸药的密度和爆速愈高，其猛度愈大。综合考虑炸药性能和使用方便， 选用 2 号岩石乳化炸药作为孔内装药。 这种炸药具有较好的防水性，适合于水压爆破。其密度Po =1.001.25g/cm3 ,爆速 DA3000m/s。由此计算爆轰压力为 P2A 2250MPa 。由于非支持性冲击波随传播距离增加将很快衰减， 因此，采用不耦合装药将导致到达钻孔壁的冲击波波头压力降低。 但是，当不采用空气，而采用水作为不耦合介质，且不耦合系数较小时，冲击波波头压力就不会衰减太多。因此，采用水作为不耦合介质，且将不耦合系数控制在1.21.4。（二）孔内注水的作用众所周知， 水的可压缩性较差（一般在1000 个大气压作用下，水的密度变化仅为5%左右），通常作为不可压缩介质对待，因此，炸药在水中爆炸时， 水本身所消耗的变形能极少， 传压效果非常好。药包在水中爆炸时，一般产生水中冲击波向四周传播，同时，还产生爆炸气态产物所形成的高压气团的脉动。水压爆破时， 荷载对岩块的破坏过程可概述如下： 炸药引爆后， 钻孔壁首先受到通过水介质所传来的峰值为几百至几千个大气压的冲击波的作用，岩块在此强荷载的作用下，开始变形移位，当变形应力超过岩石的抗拉极限强度时，岩块产生破裂，随后，钻孔壁 又立即受到爆炸高压气团膨胀产生的压力作用， 如同又一次突跃的加载，进一步加剧了岩块的破坏。此后，具有残压的水流，从岩块的最薄弱处（孔口）冲出，因水流残压能量较大，将携带少量岩石碎片向外冲出，形成飞石。由此可见，水压爆破主要存在两种形式的荷载： 一是冲击波的作用；二是高压气团的膨胀压力和由其所形成的高速水流作用。（三）孔口水封的作用通过装满水的塑料袋将孔口上方和孔口周围封住， 延缓了爆炸产物和孔内高压水的抛散， 延长了爆炸产物和孔内高压水作用于孔壁上的时间，增加了对岩块的破碎作用。另外，为了进一步降低钻孔成本，将钻孔深度调整为传统深度的 1/3，致使药包至孔口的距离大幅度减小，由前述可知：具有较大能量的残压水流会携带少量岩石碎片向外冲出，形成飞石，而孔口水封可有效地抑制孔口飞石量和飞石距离。在炸药爆炸瞬间，孔口飞石将其所获得残压水流能量的绝大部分传给孔口上部水袋中的水，而飞石本身则因残余能量很小，飞出距离也很小，从而使爆破飞石危害受到有效控制。水袋中的水不但会获得孔口飞石传给的能量，还会获得孔内注水所传给的能量。获得能量后的水袋中的水将立刻飞溅起来，在岩块上方形成“水雾” ，盖住随后扬起的爆破粉尘，将粉尘打湿，使其迅速降至地面。 另外，水袋中的水还可有效地降低进入空气中的爆炸冲击波强度，使其在近距离内衰减为声波，起到消音作用。三、装药量计算水压水封爆破单孔装药量可按下式计算，q = KW3u式中 q单孔装药量，g ;K单孔用药量系数，g/m3 , 一般可取K = 80100g/m3 ;W 药包中心至岩块表面（孔口处表面除外）的最小距离， m ；U环境修正系数，其值取u = 0.51.0 ,爆区附近有易损物品时取小值，反之取大值。四、爆破作业施工爆破作业按下述程序进行。（一）钻孔：根据大块的体积、形状和摆放状况，在大块上钻孔。钻孔深度为钻孔方向岩块厚度的 1/61/4 。（二）装药：先将孔内注满水，再将2 号岩石乳化炸药均匀包裹于 8 号雷管上，手提导爆管，轻轻将药包放到孔底。（三）孔口水封：将边长不小于40cm 的方形塑料袋（圆形或八角形塑料袋效果更好，但成本稍高）装水扎口后放置于孔口上，并引出导爆管。为确保水封效果，必须将孔口周围碎石清理干净，孔口正上方水的厚度不得低于 8cm ，孔口周围水封半径不得低于12cm 。（四）连线：分组连接导爆管。（五）引爆：一切准备就绪，按规定程序引爆。（六）爆后检查：爆破后随即检查现场，如果发现漏爆、拒爆等现象，应立即查明原因，进行补爆处理。露天采场二次破碎一般在电铲附近进行。 为保护电铲操作室玻璃，爆破前将电铲在30m 外背向爆破点停放，并将电缆移开。为了方便放置水袋，电铲尽量把挑出的大块放平。五、效果分析从 2001 年底开始，在上河采场探索实施水压水封爆破技术，至今已一年半时间。结果表明：此种爆破破碎法与传统的钻孔爆破破碎法相比，具有明显的优点：（一）钻孔成本降低2/3水压水封爆破技术要求钻孔深度为岩块厚度的1/61/4，与传统的钻孔爆破破碎法（钻孔深度为岩块厚度的 1/22/3 ）相比，钻孔成本（包括压风成本）降低2/3，仅此一项，2002 年节约 32 万元。（二）爆破飞石范围得到有效控制二次爆破最易产生飞石的部位在孔口， 而水压水封爆破技术采用塑料水袋封住孔口及其周围，使其产生的飞石距离得到有效控制，从而使爆破飞石范围缩小。这对上河采场非常重要，因为上河采场平均宽度不足200m,爆破飞石距离稍大，就会飞出采场，砸坏周边的苹果、葡萄、大棚蔬菜等作物，造成经济损失。在采用水压水封爆破技术之前， 每年都因二次爆破飞石砸坏农作物，对外赔偿 2 万元以上，这仅是很小一部分。 飞石砸坏农作物后的赔偿一般很难处理，经常因赔偿意见不一致导致工农关系紧张， 发生停产事件，牵涉到大量人力物力。据不完全统计，每年仅因此而造成的直接间接损失都在20 万元以上。（三）二次爆破粉尘排放量大幅度降低水压水封爆破技术要求的钻孔深度与传统爆破破碎法相比降低 2/3，钻孔过程中的粉尘排放量也随之降低。另外，水压水封爆破技术采用塑料水袋封住孔口及其周围，爆破时，塑料袋中的水首先被炸药能量抛散空中，在岩块上方形成“水雾” ，盖住并打湿爆 破粉尘，使粉尘迅速降至地面，改善了采场工作环境，降低了尘肺 发病率。同时，爆破粉尘外排量大幅度减少，保护了采场周围环境。（四）爆破材料消耗水压水封爆破破碎法与传统的钻孔破碎法相比：雷管和导爆管 消耗量基本相同；炸药消耗量增加约80%;另外还增加一项塑料袋 消耗。（五）成本对比水压水封爆破破碎法与传统的钻孔破碎法各项成本见下表：二次破碎成本比较表（单位：元）项目钻孔破碎法水压水封破碎法单块成本年成本单块成本年成本钻孔64800002160000雷管0.4320000.432000导爆管0.6480000.648000炸药0.1296000.2217600塑料袋00.3528000对外赔偿200000停厂损失2000000合计789600285600成本节约0504000经比较：采用水压水封爆破技术每年可以节约 50.4万元，经济 合理。六、存在的问题水压水封爆破破碎法与传统的钻孔破碎法相比优势明显，但仍存在一些问题有待完善。（一）二次爆破粉尘水压水封爆破技术虽然大幅度减少了粉尘排放量，但穿孔过程 中仍会产生少量粉尘。为了消除二次爆破粉尘，我曾探索实验水封压缩聚能药包二次 爆技术（简称水封爆破）。是将硝镂类炸药经过一定压力压缩，制成带聚能穴的药包。进行二次爆破时， 将这种药包置于大块岩石的 表面，塑料袋装水后封盖在药包上。药包用 8 号雷管起爆，效果很好。其原理是：利用药包的聚能穴产生聚能效应，使爆炸能量在空间上重新分配，以提高能量利用率； 利用封盖在药包上的塑料水袋进一步提高能量利用率，同时可消音、防尘、减少碎石飞散。尽管这种二次爆破法比一般的裸露爆破法所产生的爆炸冲击波小，但其所产生的爆炸冲击波强度比水压水封爆破法仍大很多倍。而上河采场周边有两个村庄，部分民宅距离采场不足200m。实验表明：当一次爆破大块数量超过30 块时，所产生的爆炸冲击波对附近居民产生较明显的影响。因此，一次爆破大块数量须控制在 20 块左右。而上河采场平均每天须爆大块220 块，采用这种破碎法，每天须爆破10 次左右，显然行不通。因此，这种破碎法只能作为一种辅助二次破碎手段，在部分区段小规模实施。（二） 环 境危害采用水压水封爆破技术破碎大块， 被炸成小碎片的塑料水袋散落在矿石中。 因塑料碎片在环境中的降解时间比较长， 不可避免地会对环境造成一定的危害。但在目前情况下，采用其它材料制作水袋的成本比较高，经济上不合理。