ANFO在炮孔中的殉爆起爆試驗研究?

余德運 謝 烽 王旭耀

北方爆破科技有限公司(北京，100097)

引言

空氣間隔爆破技術已在世界采礦業中得到了大量的應用。早在19世紀40年代，前蘇聯學者Melnioko和Marchenkov[1-2]提出空氣間隔裝藥結構的特點:一是降低初始爆壓，控制過度粉碎區；二是增大爆破作用時間，使爆炸沖量增大；三是應力波反射作用，增強應力場。其效果上可節省裝藥量，降低炸藥單耗，并且可以改善塊度分布[3-6]。根據空氣層和裝藥段在炮孔中的位置，可分為上部間隔、中部間隔和底部間隔。露天礦山開采臺階爆破中采用空氣中部間隔裝藥時，為了確保鉆孔的利用率、避免空氣間隔段產生大塊，空氣間隔長度一般不超過3.0 m。

針對臺階爆破時空氣中部間隔裝藥結構中的間隔長度一般不超過3.0 m、約束條件下炸藥的殉爆距離將顯著增大[7-8]這一特性，僅在炮孔底部裝藥段設起爆體，上部裝藥段不設起爆體，嘗試直接利用底部裝藥段殉爆上部裝藥段的可行性和可靠性。

1 被發藥包殉爆試驗

1.1 試驗方案

現場混裝銨油炸藥(ANFO)孔內殉爆試驗時炮孔裝藥結構如圖1所示。利用空氣袋實現中部間隔裝藥，為防止空氣袋因上部荷載(上部裝藥段＋填塞料)而下滑，從而導致間隔長度的變化，中部間隔部分采用空氣袋疊加的方式實現；僅在底部裝藥段(主發藥包)設起爆體，上部裝藥段(被發藥包)無起爆體；上部裝藥段內埋設1根導爆索并引至地表，并在導爆索末端再連接1發瞬發非電導爆管雷管(地表雷管)，其作用在于避免導爆索發生爆燃引起的誤判。起爆后，地表雷管擊發，表明被發藥包殉爆；否則，即殉爆失敗。

1.2 試驗器材

ANFO中硝酸銨與柴油的質量比為95︰5，密度0.83 g/cm3，孔內爆速3 800～4 200 m/s，粒度為2.5～3.0 mm(>95%)；炮孔孔徑311 mm時，主、被發藥包藥量分別為360、240 kg；對于孔徑165 mm的炮孔，主、被發藥包藥量都為100 kg；起爆體為400 g起爆彈＋1發500 ms非導爆管雷管；地表非電雷管采用瞬發非電導爆管雷管；空氣間隔袋規格為?34 cm×40 cm和?17 cm×40 cm。

1.3 試驗結果

在某礦山開采爆破生產現場，共開展5次殉爆試驗。第1～3次試驗區域巖石為鈣質硅酸鹽(密度2.85 g/cm3，巖石硬度系數12)，炮孔孔徑為311 mm，每次試驗6個炮孔；第4次試驗區域為覆蓋砂層(密度2.16 g/cm3，巖石硬度系數5)，炮孔孔徑為311 mm，試驗8個炮孔；第5次試驗區域為覆蓋砂層，炮孔孔徑為165 mm，試驗10個炮孔。試驗結果見表1。表1中，?為放置爆速測試線的裝藥孔。

從表1試驗結果可以看出，對于孔徑311 mm的炮孔，不論是較堅硬的鈣質硅酸鹽，還是較軟的覆蓋砂層，當空氣間隔長度不大于320 cm時，被發藥包都能完全殉爆；但空氣間隔長度為360 mm時，被發藥包不能完全殉爆。對于孔徑165 mm的炮孔，當空氣間隔長度不大于200 cm時，被發藥包都能完全殉爆；當空氣間隔長度大于200 cm時，被發藥包就已經不能完全殉爆了。由此可以得出，炮孔孔徑大，殉爆距離也大，殉爆能力越強。

另外，第4次試驗過程中，G1孔在裝入第6個空氣間隔袋后發生塌孔，巖屑隔離了主、被發藥包，導致該孔殉爆失敗。因此，當孔口附近的鉆屑和破碎圍巖穩定性不好時，要避免空氣間隔層混入鉆屑、巖石碎塊等雜質而影響主發藥包的殉爆能力。

2 孔內ANFO爆速測試

2.1 測試原理

炸藥爆速測定的方法有很多，如電測法、導爆索法(又稱道特里士法)、高速攝影成像法、連續示波器法、探針法等。由于各種使用條件的限制，孔內炸藥爆速一般采用探針法進行測定[9-10]。當前，孔內爆速測量一般選用基于探針法原理的Micro-Trap孔內爆速數據記錄儀。

Micro-Trap孔內爆速測試系統見圖2。將爆速測試線一端兩極連接后埋于裝藥孔內，進行正常裝藥操作。爆破前，將爆速測試線另一端與爆速測試儀相連，初始爆速測試線長度為L1＋L2，對應電阻為R1＋R2；起爆體爆炸瞬間，爆速測試線長度變為L1＋L3，對應電阻為R1＋R3(起爆彈爆炸瞬間，高溫高壓氣體作用下，爆速測試線端部兩極之間熔接，仍可保持導通)；起爆體爆炸后△t時刻，爆速測試線因爆轟波的向上傳播而逐漸熔斷變短，長度變為L1＋Lt，對應電阻為R1＋Rt?！鱰時刻內，爆速測試線長度減少△L＝L3-Lt，測試回路電阻減小，導致電壓降低△V(該值可通過△t前、后實時電壓相減得到)，則炸藥爆炸后形成的爆轟波向前傳播的速度，即爆速D＝△L∕△t。

利用Micro-Trap爆速數據記錄儀可以方便采集到電壓和時間的變化相關曲線(△V-△t曲線)，利用數據轉化，將△V-△t變化曲線轉化為爆速測試線變化的長度隨時間變化的曲線，即△L-△t曲線，從坐標軸L-t曲線的斜率變化可以直觀地看出測試炸藥爆速連續變化趨勢。

2.2 爆速分析

圖3為測試孔(孔號為L13)裝藥結構，圖4為Micro-Trap爆速測試儀輸出的測試線長度-時間曲線，其斜率變化即為炸藥爆速。從圖4可以看到，起爆彈起爆瞬間(A點)測試線炸斷，測試線長度瞬間變短，此時主發藥包被起爆彈引爆，爆轟開始；從A到B，即爆轟從起爆彈位置至主發藥包頂，測試線長度縮短3.0 m，斜率是主發藥包的爆速(3 968 m/s)；從B到C段為空氣間隔段，測試線長度縮短1.5 m，該段斜率即主發裝藥段起爆后產生的高溫高壓爆生氣體產物向上推進的速度；從C到D為被發藥包裝藥位置殉爆至爆轟結束，測試線長度縮短4.0 m，其斜率是被發藥包爆速(3 621 m/s)。

表1 殉爆試驗參數及結果Tab.1 Parameters and results of sympathetic detonation test

圖5為不同空氣間隔長度的孔內爆速，空氣間隔長度分別為0、160、200、240、280、320 cm和360 cm。圖6為實測到的孔內主發藥包的爆速?？梢钥闯?，主發藥包爆速不完全相同(3 725～4 012 m/s)，被發藥包爆速隨空氣間隔長度增大而降低。另外，當空氣間隔長度在160～280 cm時，被發藥包爆速隨空氣間隔長度的變化不大；但是當空氣間隔長度大于280 cm后，被發藥包爆速下降速率顯著增大，這與陳慶凱等[7]研究得到的乳化炸藥在PVC管和金屬管內被發藥卷爆速變化規律一致。

炸藥的理論爆速應為一穩定值。但是，3次爆速測試(共6孔)實測到的主發藥包爆速并不完全相同(3 725～4 012 m/s)。這是因為，在工程試驗中，每個孔的孔壁條件、圍巖條件和填塞條件也不嚴格相同；因此，相同條件的主發藥包、相同規格的起爆體，得到的爆速不完全相同，但誤差在10%以內。被發藥包是被主發藥包爆炸后產生的能量(爆轟波和高溫高壓產物)殉爆，空氣間隔長度越大，主發藥包爆炸后能量衰減越多，擊發被發藥包的能量就越小，直至無法殉爆被發藥包。在特定條件和范圍下，擊發被發藥包的能量大，其爆速也會高，這與“雷管＋起爆彈起爆”比“雷管直接起爆”可獲得較高的孔內爆速原理相同。

3 工程應用

3.1 爆破設計

爆破區塊形狀呈梯形，18排，每排15～25個炮孔，共385個炮孔，試驗區塊圍巖類型為白崗巖(密度2.67 g/cm3，巖石硬度系度15.6)，爆破參數如表2所示。

所有炮孔都采用空氣中間間隔裝藥結構，以中間起爆點和控制排為界，一側采用常規孔內分段起爆，各裝藥段分別設起爆體；另一側采用殉爆起爆，僅主發裝藥段設起爆體，被發裝藥段不設起爆體，如圖7所示。

起爆網路采用魚骨型網路，如圖8所示?？變绕鸨坠苎悠跁r間為500 ms，地表延期雷管組合為:排間延期時間為75 ms，孔間延期時間為42 ms。

3.2 爆破效果

經爆后測量和分析，分段起爆的前沖更嚴重，其最大前沖距離約52 m，殉爆起爆的最大前沖距離為31 m，位于起爆點附近；分段起爆的后拉也更嚴重，其后拉范圍為1.6～4.2 m，殉爆起爆的后拉范圍為1.7～3.6 m；利用塊度分析軟件Split-Desktop 3.0分別對分段起爆和殉爆起爆區域的塊度進行對比(圖9)，爆破效果分析見表3。

表2 臺階爆破試驗參數Tab.2 Bench blasting test parameters

從本次爆破試驗結果來看，相比殉爆起爆方式，分段起爆前沖距離更大，但分段起爆試驗區域炮孔排數也多，殉爆起爆是否有利于控制前沖，還需進行更多試驗；另外，對于塊度分布和后拉控制，兩種起爆方式的結果差別不明顯。

3.3 裝藥效率

空氣間隔裝藥的工序見圖10。分段起爆后每孔裝藥總歷時4 min；而采用空氣間隔殉爆起爆方式后，省去了設置上分段起爆體這一工序，每孔裝藥只需3 min，這意味著效率提高了25%；另外，還節省1發起爆彈和1發孔內管，起爆體成本降低50%。

4 結論

1)沙漠地區某露天礦干燥鈣質硅酸鹽和覆蓋砂層中，臺階爆破時空氣中部間隔裝藥，上部裝藥段可以不設起爆體，直接利用底部裝藥段殉爆起爆，且炮孔孔徑越大，殉爆能力越強；對于311 mm孔徑炮孔，空氣間隔長度不超320 cm，上部裝藥段都能殉爆；對于165 mm孔徑炮孔，空氣間隔長度不超200 cm，上部裝藥段都能殉爆；311 mm孔徑的炮孔相比165 mm孔徑的炮孔殉爆距離更大，殉爆能力更強。

表3 爆破效果分析Tab.3 Analysis of blasting outcome

2)被發藥包的爆速比主發藥包低，且隨空氣間隔長度的增大而降低，但并不存在線性關系；在空氣間隔長度的某個范圍內，被爆藥包爆速變化不大，但是當空氣間隔長度續約增加時，爆速下降速率增大。

3)空氣間隔裝藥采用殉爆起爆方式，更有利于控制前沖和保護后側圍巖；與常規分段起爆相比，其裝藥效率高(可提高25%)，且能節省50%的起爆器材。