地下磷礦大直徑空孔桶形掏槽試驗研究

李 蘭，張電吉，姚金蕊，張若飛，王正一(.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；.貴州開磷集團礦業(yè)總公司，貴州 開陽 55030)

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地下磷礦大直徑空孔桶形掏槽試驗研究

李 蘭1，張電吉1，姚金蕊2，張若飛1，王正一1
(1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.貴州開磷集團礦業(yè)總公司，貴州 開陽 550302)

在磷礦的地下生產(chǎn)中，拉槽爆破是礦房回采前的一道工序，對生產(chǎn)的連續(xù)化機械化有重要影響的一道工序。為提高掏槽爆破安全性和效率，降低爆破器材消耗和循環(huán)鉆爆作業(yè)時間。經(jīng)過大量理論分析，改進生產(chǎn)時使用的桶形直眼掏槽，增設(shè)直徑110mm的大直徑空孔，改善裝藥系數(shù)和炮孔堵塞。并以馬路坪礦下磷為工程背景進行現(xiàn)場試驗，成功將該礦區(qū)的掏槽爆破循環(huán)進尺由8m提高為14m，提高了爆破過程中人員和設(shè)備的安全性，降低了鉆孔長度和炸藥單耗。證實了該方法在理論上和技術(shù)上的可行性，且經(jīng)濟效果顯著。

大直徑空孔；炮孔堵塞；裝藥系數(shù)；桶形掏槽；地下磷礦

拉槽爆破對回采程序及效率有直接影響，其合理性，對爆破效果、生產(chǎn)效率及采場的安全性也有不小的影響。由于拉槽爆破只有一個自由面，受巖石夾制作用大，循環(huán)進尺低，尤其是在頂板及圍巖不穩(wěn)定的情況下，極容易引發(fā)頂板冒落，圍巖松動等釀成事故[1]。實現(xiàn)一次掏槽不僅可以保障作業(yè)人員、設(shè)備安全，而且還能減少炸藥單耗，節(jié)約爆破成本提高爆破質(zhì)量。

近年來關(guān)于一次掏槽爆破的研究成果豐富，林大能和陳壽如[2]建立相應(yīng)的物理力學(xué)模型，對空孔直眼掏槽槽腔的形成過程進行分析，探討了空孔與槽腔利用率、巖石力學(xué)參數(shù)與炸藥裝藥系數(shù)等之間的關(guān)系，提出槽腔尺寸的理論計算方法。汪海波等[3]利用有限元軟件對掏槽爆破后的應(yīng)力場進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明大直徑空孔的增設(shè)不僅夠提高應(yīng)力波峰值延長其作用時間，且?guī)r石破碎更均勻。周傳波、谷任國和羅學(xué)東[4]用非線性動力有限元程序?qū)﹄p孔菱形等幾種掏槽方式進行數(shù)值模擬，解決了堅硬巖石一次爆破成井爆破參量確定的難題。田會禮等[5]結(jié)合現(xiàn)場試驗用對復(fù)式桶形掏槽的破巖機理進行了研究，發(fā)現(xiàn)對于完整性較好的堅硬巖石，復(fù)式桶形直眼掏槽能取得更好的爆破效果?；谇叭说南嚓P(guān)研究，本研究的目的就是解決頂板不穩(wěn)定的地下磷礦拉槽爆破炸藥消耗大爆破效果差，頂板易冒落等問題。

1 試驗礦區(qū)工程地質(zhì)背景

貴州開磷集團馬路坪礦的生產(chǎn)能力為40萬t/a，屬于緩傾斜中厚型礦體，礦體厚度3～8m，礦體傾角為20～40°。由于斷裂帶的錯動分為中磷及下磷兩盤，礦體呈均衡層狀。現(xiàn)場試驗在馬路坪礦下磷進行，該礦為的緩傾斜厚大礦體，礦區(qū)頂板極不穩(wěn)定[6]。此賦存條件下礦體的開采是一個難題，拉槽爆破作為回采前重要的準(zhǔn)備工序，進行時也遇到了除由于地質(zhì)條件的束縛外爆破參數(shù)的設(shè)置問題。此前生產(chǎn)中拉槽常存在需要兩至三次補炮才能實現(xiàn)切割槽拉穿到位的情況，裝藥系數(shù)和炮孔布置等參數(shù)的不合理設(shè)置不僅使炸藥單耗一直居高不下，還增加了施工人員和設(shè)備的安全風(fēng)險。

基于本課題組針對該礦區(qū)進行巖石可爆性分析研究結(jié)果表明該礦區(qū)巖石為中等穩(wěn)固[6]。階段高度40m，劃分為三個分段，每個分段高約13m。實驗前，該礦區(qū)采用桶形直眼掏槽，所有炮孔一次打穿上下分層，無空孔，無孔口堵塞，裝藥系數(shù)約為0.9，每次拉槽距離為8m左右。

2 爆破參數(shù)優(yōu)化

改善爆破效果最直接有效的方式就是改進爆破參數(shù)，由于爆破工藝和設(shè)備在礦山應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟和穩(wěn)定，在既定的工程條件下，改善爆破參數(shù)是理論和實際都能實現(xiàn)的方案。

2.1 大直徑空孔

所謂的空孔效應(yīng)是指爆破中空孔為礦巖破碎提供初始空間，且改變了空孔附近圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和爆破效果的現(xiàn)場。前人對直眼掏槽效率敏感因子的分析表明，空孔直徑是影響直眼掏槽爆破效果最顯著的因素[7-8]。更證實了空孔是直眼掏槽中能直接促進巖石破碎、拋擲和槽腔形成的重要因子[9-10]。

原有的桶形直眼掏槽的方案，增設(shè)大直徑空孔將對爆破效果的改善有至關(guān)重要的作用。由于鉆孔設(shè)備的限制，增設(shè)直徑110mm的空孔。

2.2 炮孔堵塞和裝藥

雖然炮孔堵塞并不影響爆炸沖擊波的峰值，但對爆生氣體壓力的降低和作用時間有著重要的影響[11]。由于堵塞物與炮孔間的阻力延長了炮孔內(nèi)高溫高壓的狀態(tài)和炸藥爆炸反應(yīng)的時間，得到了更充分的爆炸能，實現(xiàn)了炸藥能量的高效率應(yīng)用[12]。眾多針對炮孔堵塞長度的研究表明：堵塞的長度過長會增加空口的大塊率；過短會使得爆生氣體過早的沖出炮孔，起不到延長其作用時間的目的；合理的炮孔堵塞長度能有效提高爆破能量利用率，還能解決孔口礦巖過分破碎，巖石碎裂不均勻的問題。堵塞的最佳長度是堵塞物在炮孔中作用的時間和巖石破碎的時間相等[13]。由于炮孔堵塞，適當(dāng)降低了炮孔的裝藥系數(shù)，不僅合理利用了爆炸能量降低了無用功所占的比例，而且達到了降低炸藥單耗的目的。

炮孔最佳堵塞長度由公式Ls=(0.63～0.88)W或Ls=(16.2～22.7)db推出為0.35～0.4m。優(yōu)化后的爆破方案，選擇將中心空孔一次打穿上下分層，其余炮孔預(yù)留1.7～2m，未打穿部分爆破中起堵塞作用，孔口裝藥完成后為防止孔口回藥采用炸藥袋堵塞，且采用30cm左右的發(fā)泡劑進行堵塞。

根據(jù)巖石性質(zhì)查閱爆破手冊及工程實踐經(jīng)驗，本爆破采用耦合裝藥[14]。掏槽孔裝藥系數(shù)0.9，輔助孔裝藥系數(shù)0.8，周邊孔裝藥系數(shù)0.6。

2.3 微差時間

理論實踐表明，增加被爆巖體的自由面對減少單耗作用顯著，且相關(guān)研究指出，每增加一個自由面，單耗可以降低約15%[15]。試驗中采用空孔及微差爆破設(shè)計來實現(xiàn)增加自由面及降低單耗這一試驗?zāi)康摹?/p>

所選取的微差爆破的微差時間應(yīng)保證先爆破的巖石在該時間內(nèi)破碎并脫離巖體，為后爆破的炮孔創(chuàng)造新的爆破自由面。綜合該礦區(qū)的巖石物理參數(shù)及數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)延期時間為50ms時，巖石應(yīng)力波的傳播和疊加作用使礦巖破碎效果更佳。

2.4 掏槽爆破參數(shù)確定

爆破參數(shù)的確定需要根據(jù)巖石參數(shù)確定，馬路坪礦下磷相關(guān)巖石參數(shù)，巖石堅固性系數(shù)f=7，巖石碎脹系數(shù)K=1.7，掏槽孔半直徑d=0.06m，藥卷r=55mm，以1號巖石乳化炸藥耦合裝藥為前提，由應(yīng)力波破巖理論可得式(1)。

R2

(1)

爆炸裂隙圈半徑Rb=0.6m。

據(jù)爆破應(yīng)力波破巖理論分析得鉆孔R=0.04m，因此掏槽眼的圈徑應(yīng)為Φ≤2Rb，Φ≤1.2m。礦山的巖石碎脹系數(shù)為k=1.7。根據(jù)補償空間的理論來計算掏槽眼的間距，見式(2)。

(2)

得出a≤0.6m。一級掏槽孔與中心空孔的垂直距離為a1=0.6，二級掏槽孔與中心空孔的垂直距離為a2=1.2m。根據(jù)裂隙半徑的要求可以確定同級掏槽孔間的距離和個數(shù)，桶形掏槽方式裂隙半徑分別為0.6m，可得出一級掏槽孔至少需要4個，二級掏槽孔至少需要7個，根據(jù)經(jīng)驗確定為8個。圖1為炮孔布置示意圖。

圖1 炮孔布置示意圖

3 現(xiàn)場試驗

根據(jù)理論分析結(jié)合該礦區(qū)的實際生產(chǎn)施工情況及擬定的試驗方案，在馬路坪礦下磷3#盤區(qū)663分層的N2#礦房及0#礦房進行了現(xiàn)場試驗，礦體傾角分別為37°和41°礦巖類型屬中等穩(wěn)固，掏槽孔和輔助孔呈桶形分布，周邊孔呈75°倒梯形分布，掏槽孔1段，輔助孔5段，周邊孔9段，一次并聯(lián)起爆具體拉槽爆破步孔參數(shù)見表1和表2。

試驗結(jié)果均為一次拉穿，周邊孔由于炮孔傾角過爆破效果不甚理想，而后采用鐵絲串乳化炸藥解決最上排炮孔傾角較大易產(chǎn)生炮口回藥的問題。

圖2為爆破現(xiàn)場的照片，N2#礦房實現(xiàn)拉槽14m，0#礦房拉槽距離15m，現(xiàn)場圖片顯示爆破效果達到預(yù)期，不僅實現(xiàn)一次拉槽成功，且礦巖塊度均勻，頂板和圍巖穩(wěn)定。

表1 3#盤區(qū)663分層N2#礦房爆破試驗布孔參數(shù)

表2 3#盤區(qū)663分層0#礦房爆破試驗布孔參數(shù)

圖2 N2#、0#礦房現(xiàn)場爆破現(xiàn)場圖

由表3看出，改進后炸藥的消耗降低至原來的74%左右，一次掏槽爆破鉆孔長度減少了50m左右。實際施工中一次炸藥用量很難統(tǒng)計，但對炸藥單耗的降低確實起到了非常顯著的作用。改進后的爆破參數(shù)不僅實現(xiàn)了高效安全的拉槽爆破，且經(jīng)濟效益顯著。

表3 爆破參數(shù)改進前后鉆孔長度和炸藥用量對比

4 結(jié) 論

1)直眼掏槽中，大直徑空孔的實際作用非常明顯，不僅為掏槽爆破提供初始自由面，對槽腔巖石的破壞具有導(dǎo)向作用，且改變了空孔周圍巖石的應(yīng)力狀態(tài)，降低了由于圍巖夾制作用產(chǎn)生拒爆的可能性，有效的改善了爆破效果。

2)只打穿空孔，其余炮孔預(yù)留1～2m，不僅實現(xiàn)炮孔堵塞，也減少鉆孔長度，提高了經(jīng)濟效益。改善裝藥系數(shù)和適當(dāng)?shù)呐诳锥氯?，不僅能增加爆轟波在炮孔內(nèi)的作用時間大大改善了破巖效果，而且對降低炸藥單耗的效果也非常明顯。

3)改進后爆破參數(shù)能實現(xiàn)一次掏槽，減少了人員和設(shè)備的風(fēng)險，降低爆破成本和時間，為安全高效生產(chǎn)做出了顯著的貢獻。但該方案可能存在只適用于該礦區(qū)的地質(zhì)現(xiàn)象，應(yīng)做大量研究便于適時推廣，更大范圍的應(yīng)用必定能獲取更好的效益。

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Experimental study on large diameter cavity barrel shaped cutting blasting in underground phosphorite mine

LI Lan1，ZHANG Dian-ji1，YAO Jin-rui2，ZHANG Ruo-fei1，WANG Zheng-yi1

(1.School of Resources and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；2.Guizhou Kailin Group Mining Corp，Kaiyang 550302，China)

Cutting blasting is one important preparatory process for mining in the underground phosphorite mine production.The purpose of this experimental study is improving the cutting blasting efficiency，reducing consumption of blasting equipment and time of cycle drilling blasting，and accelerating the process of mining.After a lot of theoretical analysis，barrel shaped cutting blasting has been added one diameter 110mm empty cavity，and the loading factor and borehole stemming has been improved which been used in the production process.In the engineering background of MaLu-ping mine footwall，the field tests improved blasting distance improved from 8m to 14m，also reduced the length of borehole spacing and explosive consumption.It’s theoretical feasibility，technical feasibility and economic feasibility are confirmed by the test results.

large diameter cavity；borehole stemming；loading factor；barrel shaped cutting；underground phosphate ore

2015-02-11

國家自然科學(xué)基金項目資助(編號：51474159)；武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項目資助(編號：CX2014046)

李蘭(1990-)，女，四川綿陽人，碩士研究生，研究方向為采礦工程。E-mail:982206183@qq.com。

TD353

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1004-4051(2015)11-0139-03