混装炸药参数与岩石爆破阻抗匹配的试验研究

摘 要：现场混装炸药被越来越多的应用于矿山爆破工程中。首先对混装乳化炸药性能与岩石爆破阻抗匹配理论进行分析，应用波阻抗理论进行现场试验，得出坚硬岩石的波阻抗最佳匹配系数为2.51。应用该系数调整现有混装炸药敏化剂含量，得出当敏化剂含量为1.15%时，达到最佳破岩效果。解决了矿山坚硬岩石爆破大块率高和留有根底的情况。研究结果表明，根据岩石性质的不同，通过最佳波阻抗系数调整炸药配比是非常有效的，所得炸药配比为同类岩石爆破提供参考。

关键词：混装炸药；阻抗匹配；炸药参数；块度分析

目前，我们对爆破过程的认识还处于唯象学阶段，虽然国内外许多学者都进行过相关的研究，但难以在数值上给出炸药性能与岩石爆破效果间的定量关系。现有的炸药与岩石性质匹配理论有阻抗匹配、全过程匹配和能量匹配[1-4]。汪旭光院士等研究了通过炸药能量密度与岩体强度匹配来改善爆破效果；李夕兵等[5]利用阻抗匹配理论提出当炸药与岩体阻抗很不匹配时，若使用具有合适的阻抗和厚度的中间层，可达到提高炸药能量利用率的目的。理论和实践证明，对于高阻抗的坚硬岩石，因其强度高，为使裂隙扩展宽，宜采用爆速高的炸药增加应力波峰值；对于中阻抗的岩石，从成本的角度考虑，宜采用中爆速的炸药；对于低阻抗的松软岩石，主要靠气体静压形成破坏，则宜采用爆力较高、爆容极大的炸药。

1 工程概况

某矿山含矿岩石主要包括花岗岩和千枚岩，呈块状构造，矿物颗粒较细。按矿岩可爆性分为三级：Ⅰ级，普氏系数f=10-12，致密、坚硬，难于爆破；Ⅱ级，黄铁矿含量较高及蚀变较弱的千枚岩，f=6-8，硬而脆，中等爆破；Ⅲ级，蚀变或蚀变较弱的千枚岩，节理发育，较易爆破。计算统计矿岩波阻抗在110-130MPa/s，现有的炸药波阻抗在45-49MPa/s，由于炸药岩石阻抗不匹配，对Ⅰ级岩石爆破时，炸药能量利用率低，大块率较高，爆破效果不理想。

2 阻抗匹配试验

阻抗匹配理论是以波阻抗为基础，要求炸药的波阻抗等于或接近岩石的波阻抗，即：

？籽mcm=？籽ece （1）

式中：？籽m-岩石密度；？籽e-炸药密度；cm-岩石纵波速度；ce-炸药纵波速度。

根据式（1），要提高炸药波阻抗，可从提高炸药的能量密度和爆速两方面着手，但这两项均有极限值，不能一味地提高。因此，在工程爆破中，要使炸药和岩石的阻抗相等很难办到，只能通过相关的试验求得最佳的配比系数，以满足经济和爆破效果的最大化。

为了降低Ⅰ级岩石爆破时的大块率，依据阻抗匹配原理，首先对该类矿岩密度和纵波波速进行统计，而后采用体积法统计大块率。在统计时间域内，矿山大块率由式（2）计算：

式中：D-大块率；Ni-第i次台阶爆破后所需二次爆破的大块数量，块；Vi-第i次台阶爆破中，大块矿岩的平均体积，m3；Qi-第i次台阶爆破下的矿岩总体积，m3；n-统计时间域内台阶爆破的总次数。

根据爆破岩块统计的自相似性，爆后岩块群体的块度分布直径K50、K80分别由式（3）、式（4）求解[6]：

（3）

（4）

式中：xm-爆后岩块的最大直径；D-岩块群体的维数。

在上述理论的基础上，根据矿山现场混装炸药的情况进行六组岩石与炸药性能波阻抗匹配试验，试验结果如表1所示。

图1 匹配系数与大块率和K80的关系曲线

从表1中可以看出，第二组试验当匹配系数达到2.51时，破碎效果最好，爆后大块率为0，并且岩石最大块度仅为115.86mm，拟合曲线相关系数达到0.96，说明岩石块度分布较均匀。从图1所绘制的关系曲线知，爆破后的大块率随匹配系数的增加先降低后增大，说明岩石大块率并不与匹配系数存在简单的线性关系。K80与匹配系数的关系基本上与大块率相似，说明数值分析和试验结果较吻合。因此，对于坚硬岩石，并不能一味地追求炸药与岩石的波阻抗相等或近似，而是要根据岩石与炸药特性，通过相关试验求得最佳匹配系数。

3 炸药配比与阻抗试验

现场混装乳化炸药的原料组成一般包括有：氧化剂水溶液（硝酸铵、硝酸钠、水）、还原剂（柴油等油相材料）、乳化剂、敏化剂（亚硝酸钠水溶液）、添加剂（铝粉、镁粉等）等。宋锦泉[7]等得出乳化炸药的爆速随着密度增加到最大值后降低。胡朝海[8]等通过试验得知，当加入亚硝酸钠作为敏化剂时，其乳化炸药爆速要比玻璃微球和膨胀珍珠岩大。张虎[9]等含铝乳化炸药的爆速随铝粉含量的增加而减小。

根据相关文献及矿山现有混装炸药的实际情况，决定通过调整敏化剂（亚硝酸钠水溶液）的含量来使炸药达到合适的波阻抗，试验采用在尽量不改变原配比的情况下，通过等差递增改变敏化剂的含量，共进行八组试验，试验记录如表2所示。

表2 敏化剂调整试验记录

从表2可知，当敏化剂含量小于1%时，炸药处于拒爆或半爆状态；大于1%时都能正常起爆，取正常起爆的六组数据绘制敏化剂含量与炸药密度和波阻抗曲线如图2所示，从图2中可知，炸药密度随敏化剂含量的增加成非线性关系，波阻抗值与密度基本上成相同趋势，有阻抗匹配试验知，当炸药波阻抗为47.80时，岩石破碎效果达到最佳，从图2中的关系曲线可知，其敏化剂含量应该在1.15%。根据该配比进行多次爆破试验，爆后岩石块度较均匀，大块率在5%以下。极大地降低了二次破碎和铲运成本。

图2 敏化剂含量与密度和爆速的关系曲线

4 结束语

在波阻抗匹配理论的基础上，设计岩石与炸药阻抗匹配试验，根据试验结果进行现场混装炸药参数调整，得出坚硬岩石的最优炸药匹配参数及如下结论：（1）应用波阻抗匹配理论进行炸药参数与岩石匹配试验，参数易于获得，可简化问题模型，能够在数值上给予直观的反映。（2）合理的配比系数是使岩石达到最佳爆破效果的基础，通过阻抗匹配试验反推炸药的波阻抗，可使炸药参数在实验室内调整至合理范围后，再进行工业试验，减小试验次数和由试验产生的二次破碎费用。（3）敏化剂的含量与炸药的密度和阻抗有着非线性的关系，只有通过相关实验，才能得出最佳的取值范围。

参考文献

[1]赖应得.论炸药和岩石的能力匹配[J].工程爆破，1995，1（2）：22-26.

[2]钮强，熊代余.炸药岩石阻抗匹配的试验研究[J].有色金属，1988，40（4）：13-17.

[3]郭子庭，吴从师.炸药与岩石的全过程匹配[J].矿冶工程，1993（3）：12-15

[4]王永青，汪旭光.乳化炸药能量密度与爆破效果的研究[J].有色金属，2003，55（1）：102-104.

[5]李夕兵，古德生，赖海辉，等.岩石与炸药波阻抗匹配的能量研究[J].中南矿冶学院学报，1992（23）：18-23.

[6]张继春.岩体爆破的块度理论及其应用[M].西南交通大学出版社，2001：52-55.

[7]宋锦泉，汪旭光，刘涛，等.敏化方式对乳化炸药爆速的影响[J].有色金属，2000，52（4）：4-8.

[8]胡朝海，吴红波.敏化方式对乳化炸药爆速的影响[J].中国科技信息，2014，3（4）：74-76.

[9]张虎，谢兴华，郭子如，等.铝粉含量对乳化炸药性能影响[J].含能材料，2008，16（6）：738-740.