马明辉，修国林，2，孙祥鑫，2

（1.山东黄金矿业 （莱州）有限公司三山岛金矿，山东 莱州261442；2.北京科技大学土木与环境工程学院北京100081）

三山岛金矿作为国内大型黄金矿山之一，在国内外黄金行业迅速发展、国际黄金价格保持高位的形势下，面对日益激烈的行业竞争，正在全面实施做大做强的发展战略，实现技术、规模、效益的跨跃式发展，以期在 “十二五”期间实现矿山的远景发展规划。

为突破发展瓶颈，我矿专门成立大学生精英采矿班，使用最先进的矿山机械设备，运用专业理论知识，在实践中不断进行管理创新和技术创新，尤其是对现场生产技术进行研究与改进，为提高井下采场的安全性，提高井下采出矿效率，实现矿山跨越式发展，提供强有力的技术支持。

1 生产现状

在多年的矿山生产中，井下爆破一直采用Φ45 mm炮孔、Φ32 mm药卷、半秒导爆管进行落矿，采用这种爆破方式产生的大块率一般在20%以上，爆破效果较差，大块率高；在铲运机出矿过程中，诸多大块的存在严重影响了出矿作业效率，以及整个回采作业循环速度，大块在采场中需要进行二次破碎，容易造成飞石或爆堆分散，对回采安全造成了一定影响，也严重影响回采效率；为解决大块问题，矿山投入巨资引进了移动式液压破碎机和固定式破碎机，设备的维护保养费用极其昂贵，而且占用了较多的人力和物力；因此，低效率的爆破方式严重制约了矿山的发展，改进爆破方式成为亟待解决的难题。

我矿一直采用半秒导爆管进行起爆，由于半秒导爆管雷管起爆间隔较长，导爆管雷管的起爆冲能、发火电流和发火时间的不同，起爆时，在同一爆破网络中敏感度高的雷管会先起爆，有可能将爆破网路炸断，这样会使还未发火的雷管产生拒爆、残爆等情况，这样既会对现场作业人员的人身安全产生一定的影响，同时也制约着井下生产的有序进行。

2 爆破改进方案研究

2.1 炮孔直径与药卷直径选择

目前三山岛金矿回采工作主要由凿岩台车Boomer281进行，凿岩台车配套的钻头和钎杆有Φ45mm和Φ40mm两种，引进的炸药有Φ40mm和Φ32mm两种，因此相对应的爆破配合方式有Φ45mm炮孔装Φ40mm药卷，Φ45mm炮孔装Φ32药卷mm和Φ40mm炮孔装Φ32mm药卷三种（为施工方便光爆孔与落矿孔采用同一孔径，Φ40mm与Φ40mm不方便装药因此不作为试验方案）。

根据爆破相关理论和近些时间的研究试验得知，装药直径小于极限直径时，爆速随装药直径的增大而增加，一般工业炸药的极限直径大于常用药卷直径，因此，增大装药直径可使炸药的猛度和爆速增加。如2号岩石硝铵炸药的直径由32mm增加至40mm时，爆速由3000m／s增加至3500m／s，猛度由4.0mm增加至9.1mm，殉爆距离由70mm增加至130mm[1]。

而且药卷直径的增加有以下优点：大大地减少工作面上单位面积所需爆破的眼数，提高凿岩效率；减少钻眼、清除炮眼岩粉和装药的时间；提高炸药的爆炸速度；缩短药卷的发爆时间；提高炸药的破碎效力；采用重量大的药卷；增加爆破威力的半径，使岩石在工作面上破碎成所要求的块度。

由此可见，解决爆破积压的问题需要增加落矿孔的直径和相应的药卷直径，在实际生产中进行了配合实验，结合现场试验数据发现，落矿孔采用Φ45mm炮孔装Φ40mm药卷时，爆破效果最好，积压问题得到了一定的解决[2]。

2.2 装药结构与装药密度选择

装药结构与装药密度是控制每个炮孔和炮孔每段爆炸作用力大小、时间和方向的组合因素和初级参数，是决定爆破效果的主要因素，此次试验主要确定光爆孔与落矿孔的装药结构，装药密度和起爆方向。

近年来由于各种控制爆破技术的发展，接连创造了很多装药结构和不相同的装药密度，按装药爆破方式来分有反向装药法和正向装药法；按药卷间连续性来分有连续装药法和间隔装药法；按炸药与孔壁间的环隙状况来分有：耦合装药和不耦合装药。

根据研究表明，炮眼直径应和药卷直径相符合，炮眼壁和药卷间正常的容许空隙为2～3mm。这个空隙能保证药卷在整个炮眼内自由转动，不使药卷受到损坏，而药卷的爆破是在其接近本身容积的范围内才发生（即爆破在很高的装药系数的情况下发生），这能保证爆破发生最大可能的压力。而炮眼壁和药卷间存在有很大的空隙时，爆破时会降低气体的最初压力，从而降低爆破工作的效果。爆破气体的最初压力与装药系数的关系如图1所示。

图1 爆破气体的最初压力与装药系数关系图

由图1可以发现，装药系数越大爆破气体的最初压力也越大，那么产生的爆破效果也越好，因此在可能的情况下应该尽量提高装药系数，即在炮孔直径一定的情况下增加药卷直径[2]。

在深孔爆破中，掏槽孔和辅助孔主要起深爆作用，由于孔深大，岩石抗爆强度和夹制力高，除应采取高威力的炸药外，还必须同时采用平均密度较高的装药结构，使装药段内单位炮孔容积的平均装药量达到或接近于炸药的最佳密度（或药卷包装密度），并且提高装药系数才能起到良好的爆破效果。

在回采过程中，为了保持断面外岩体的整体稳定性，保证回采的安全和支护方便，必须对顶板和两帮进行光面爆破，而在光面爆破中，常用的装药结构有径向不耦合连续装药结构和径向不耦合、轴向空气柱间隔装药结构两种。由于第一种装药结构通常需用临界直径小、爆速低、猛度低而感度高、稳定性好的小直径光爆药卷，而且多应用于小孔径光爆，因此此次主要研究采用第二种光爆装药结构，并确定径向不耦合系数、轴向不耦合系数和炮孔间距。

2.2.1 径向不耦合系数

即炮眼直径与药卷直径的比值，可根据文献[3]求得

式中：la为空气柱长度；lc为装药长度；ρ0为炸药密度；Dl为爆速；dc为装药直径；db为炮眼直径；n为气体与炮眼碰撞时压力增大系数。

根据经验：径向不耦合系数kc一般为2～4。

可见在炮孔直径确定的情况下应该选择较小的药卷直径，因此确定药卷直径为Φ32mm。

2.2.2 轴向不耦合系数

式中：l1为装药高度；l2为空气柱长度。

由文献[4]知，为保证孔壁不产生压缩性破坏

式中：Pk为临界压力，通常取2×108Pa；γ＝1.3，k＝3，Rc为岩石单轴抗压强度；kD为体积应力状态下岩石抗压强度增大系数；P0为爆生气体初始平均压力

分析发现，式（1）～（4）有一定的局限性，它仅适用于小孔径光面爆破；若炮孔直径大于一定值时，kd＜l，这显然是不可能的。令kd＞l，可推得炮孔直径db＜65时此公式才有意义。

为保证炮孔连心线孔壁上得以起裂

式中：Rt为岩石抗拉强度；λ为侧压力系数。

式中：ν为岩石泊松比。

根据经验，一般2＜kd＜9。

由此可知，光爆孔的空气间隔柱长度应大于炸药的装药长度，在实际中孔深3m，装药长度在1m左右。

2.2.3 炮孔间距

由文献[3]可知，使两炮孔之间的裂纹贯通的条件是两炮孔间距为

式中：a为应力波衰减指数

b为切向应力与径向应力的比值

经计算的光爆孔间距应小于600mm[3-4]。

2.3 起爆方向选择

根据理论分析，反向装药爆破有以下几个好处：

1）增强爆炸应力场，炸药从孔底开始向外起爆，在爆炸瞬间就迅速在围岩中产生了冲击波的动应力场和膨胀波的静应力场，未爆的炸药将起到类似炮泥的堵塞作用，这样不仅使孔底先爆区已形成的应力场不至迅速卸载，而且接近孔口的后爆炸药产生的冲击波和膨胀波又连续加强了已经形成的应力场，同时已形成的应力场扩展又反过来加强了新应力场，这样，从孔底到孔口在整个炮孔全长的周围岩石中都形成了强大的动应力场和静应力场，其结果必然提高了爆破作用。

2）提高爆炸冲击波的有效作用，当炸药由孔底向孔口以一定的速度Vb传爆的同时，在围岩中由爆炸冲击作用产生的压缩应力波（纵波与横波）也以一定速度（Vp为纵波波速，Vs为横波波速）向外扩展，当这种压缩应力波传播到自由面时即受到反射而变成拉伸应力波，只有在这种拉伸应力波烈度超过岩石的抗拉强度时，岩石才被破坏从而形成漏斗式的破碎区，也只有当压缩应力波较强时，也才能形成较强烈的拉伸应力波，反向爆破不论在什么情况下都有利于形成直接指向自由面的高压应力波。但是，用正向爆破时，得到加强的高压应力波峰的指向却与反向爆破时相反，不是指向自由面而是指向了无限岩体的内部，必然为无限岩体所吸收而形成较强烈的地震波传向四方。

3）增长爆生气体膨胀对围岩的静力作用时间，爆生气体膨胀能对围岩产生楔劈涨裂作用和剪切抛射作用，反向装药爆破不仅增大了爆生气体的膨胀压力，而且增长了其作用时间，至少等于全部装药的爆炸时间，从而增大了爆炸范围和抛渣距离。

在实际中分别选用正向和反向装药爆破两种方式，发现正向起爆不仅不能提高炮孔利用率，反而降低了爆破效率，因此在实际生产过程中，对落矿孔采用反向装药的起爆方式，对于光爆孔采用正向起爆与反向起爆相结合的方式，两相作用抵消一部分爆轰作用，从而减弱对深部围岩的破坏作用，起到了良好的光爆效果[5]。

3 爆破技术优化结论

1）起爆器材选择：由秒差导爆管改为毫秒导爆管；即间隔由半秒改为25～50ms。

2）孔径选择：光爆孔使用直径Φ45mm的钻头和配套钎杆，落矿孔使用Φ45mm钎头和配套钎杆。

3）孔网参数：①回采布孔参数：光爆孔间距≤600mm，非光爆孔孔距1.0～1.2m，排距400～500mm；②切采布孔参数：光爆孔间距≤600mm，非光爆孔孔距1.0～1.2m，排距400～500mm。

4）装药方式：①光爆孔使用Φ32mm的药卷，不耦合装药，不耦合系数45／32≥1.4，孔内敷设两个导爆管，采用间隔装药形式，其中孔底布置三卷药，导爆管敷设于中间药卷上，反向起爆；孔口布置三卷药，导爆管敷设于中间药卷上，正向起爆，孔口用药卷封死。②落矿孔使用Φ40mm的药卷，并加大药量，耦合装药，孔内敷设一个导爆管，采用连续装药形式。导爆管敷设于孔底第三或四个药卷上，统一采用反向起爆，同行相邻孔可以尝试采用正向、反向交替起爆方式。

5）起爆顺序：①回采起爆顺序：横向由回采面中间一排孔同时向两侧进行起爆，纵向由离爆破空间最近一行孔向顶板方向起爆，光爆孔最后起爆，可以采用平行布孔后三角布孔。②切采起爆顺序：由离爆破空间最近一行排孔先起爆，即所谓的“后退式”起爆，采用平行布孔。

4 试验成果及其意义

1）从根源上解决三山岛金矿井下采矿‘瓶颈’问题，极大地降低了大块率，提高了爆破效果，节省了爆破成本，提高了出矿效率，使整个回采循环速度加快，减少了固定和移动式破碎机的使用次数，降低了设备的引进和维护保养费用。

2）通过将爆破方式将半秒导爆管雷管起爆改为毫秒导爆管雷管起爆，减少了爆破过程中出现的拒爆、残爆等情况，爆破后产生的大块少，采场顶板光爆效果明显，孔痕率和半孔率明显增加，从而大大提高井下生产速度，改善劳动条件。

3）使用新的爆破参数和装药方式后，顶板成型好，半孔率明显增加，爆破震动对顶板的破坏明显减小，保持岩体稳定性，减少了锚杆支护量，提高作业循环速度，加快了采场的回采速度，既保证了安全，又降低了采场不必要的支护，提高了采场的生产能力。

4）大学生采矿精英班爆破试验的成功，标志着三山岛井下爆破技术取得了阶段性进展，爆破效果得到极大改善，为未来全矿爆破技术改进提供一个明确的方案。随着采矿班在深入一线，在生产中不断改进现有的管理和技术弊端，必将会对三山岛金矿的发展产生巨大的推动作用。

[1]胡峰.立井深孔光爆若干基本问题的初步研究[D].泰安：山东矿业学院，1978.

[2]М.А.МАГОЙЧЕНКОВ，等.李迪勋，刘清荣，等.译.等大直径药卷的爆破[M].北京：煤炭工业出版社，1956.

[3]李庚秋.标准药卷光面爆破在隧洞掘进中的应用[J].爆破，1999（1）：20-22.

[4]林从谋，赵锦桥.工程爆破实用技术[M].北京：煤炭工业出版社，1998.

[5]纽强.岩石爆破机理[M].沈阳：东北工学院出版社，1990.