巖石碎脹系數與深孔爆破補償空間的關系

余一松

(長沙有色冶金設計研究院有限公司)

巖石碎脹系數與深孔爆破補償空間的關系

余一松

(長沙有色冶金設計研究院有限公司)

深孔爆破是高效率落礦和巷道快速掘進的重要技術手段之一，但深孔爆破自由面小甚至無自由面，巖石夾制作用大，破巖條件差，炮眼利用率低，尤其在孔深較大的情況下，掏槽拋渣十分困難。因此，合理的爆破補償空間直接影響深孔爆破效果，而補償空間的大小又與巖石的碎脹系數密切相關，本研究在實驗室物理試驗的基礎上，總結和分析了不同巖石狀態(tài)下碎脹系數與補償空間的關系，并對深孔爆破一次成井的多種形式進行了理論分析，為現場爆破設計提供依據。

深孔爆破 自由面 爆破補償空間 碎脹系數 一次成井

爆破是礦山開采的重要工藝環(huán)節(jié)，眾所周知，礦巖爆破須具備一定的補償空間，為爆破礦巖提供碎脹空間，形成礦巖爆破移動自由面。目前，一些礦山為提高爆破效率和生產的安全度嘗試應用深孔空孔掏槽爆破和深孔爆破一次成井方法掘進天井溜井和形成切割井，但成井率較低，其主要原因都與爆破補償空間參數選擇不合理有關。本研究通過一系列的室內物理試驗揭示巖石碎脹系數、補償空間與深孔爆破的關系，為現場爆破設計提供依據。

1 巖石碎脹系數測定

1.1 松散狀態(tài)下礦巖碎脹系數

首先用網篩將散體按直徑劃分為1 mm<φ<2 mm，2 mm<φ<4 mm，4 mm<φ<6 mm，6 mm<φ<8 mm，8 mm<φ<10 mm，10 mm<φ<12 mm，φ>12 mm 以及它們的混合體φ0(質量比1∶1∶1∶1∶1∶1∶1)等8 類塊度；然后分別裝入體積為V′的容器中，并稱量質量M，并計算出每筒散體的實體體積V；最后計算每筒散體的碎脹系數。礦塊試樣的容重為3.704×104kN/m3，試驗結果見表1。由表1可知：礦塊的碎脹系數均與塊度成反比。

表1 松散狀態(tài)下巖石碎脹系數

1.2 擠壓狀態(tài)下礦巖碎脹系數測定

首先用網篩將散體按直徑劃分為1 mm<φ<2 mm，2 mm<φ<4 mm，4 mm<φ<6 mm，6 mm<φ<8 mm，8 mm<φ<10 mm，10 mm<φ<12 mm以及它們的混合體φ0(質量比1∶1∶1∶1∶1∶1)等7類塊度；然后分別裝入特制剛性圓筒內，利用單軸試驗機壓實，測量不同壓力下圓柱被壓縮的距離L，計算壓實后的體積V″；最后計算擠壓狀態(tài)下巖石的松散系數。礦塊試驗結果見表2。

表2 擠壓狀態(tài)下礦塊碎脹系數

由表2可知：在擠壓狀態(tài)下，施加壓力初期碎脹系數變化明顯，隨著壓力的增大，變化量越來越小。

2 碎脹系數與深孔爆破補償空間的關系

試樣選取某鐵礦礦塊，首先將散體裝入特制圓筒(45#不銹鋼，內徑50.0 mm，壁厚15.0 mm，高150.0 mm)中，放入圓柱并保證圓柱與圓筒接觸良好，測量圓柱頂端至圓筒的距離L1及試樣質量M1；然后利用試驗機施壓，壓縮量分別為2，4，5，6，7 mm，壓縮后圓柱頂端至圓筒的距離為L2；最后取出圓柱，稱量落下散體的質量M2，計算壓縮后的碎脹系數，結果見表3。

表3 不同壓縮量對應的碎脹系數

由表3及相關試驗結果可知：散體受到擠壓后下落的情況與碎脹系數的減小并非成線性關系，在碎脹系數達到極限值(1.446)前，散體可順利下落，而當碎脹系數小于該值后，散體下落量很少。碎脹系數為1.446對應的補償系數為44.6%，而松散狀態(tài)下的補償系數為54.7%?？梢姡杭词蛊扑閹r石無法完全松散，在一定的范圍內仍可順利落礦，最小補償系數的確定為爆破補償空間的計算提供了依據。

3 不同形式補償空間與深孔爆破成井的關系

通過查閱相關資料可知：幾乎所有立井的剖面均為一矩形，立井上下尺寸一致，切割井的截面或圓或方[1-3]。立井爆破可提供的補償空間有限，單純增加切割井的直徑無法有效利用切割巷提供的空間。若將立井剖面修改為上小下大的等腰梯形(楔形)，不但可有效減小破碎巖石的夾制力，最大限度地利用切割巷提供的空間，而且可有效利用爆炸產生的爆轟氣體協(xié)助完成爆破成井。不同形狀的切割井如圖1所示。

圖1 不同形狀切割井剖面

由圖1可知：兩切割井高均為L，V1在切割巷中對應的補償空間為V2。若巖石破碎后的體積V=V1K=V1+V2，取K=1.5，則V2=0.5V1，即采用直筒形切割井時，切割巷所能提供的補償空間為0.5V1；由于V3=V5=0.5V1，V3部分的巖石破碎后增加的體積為0.5V2=0.5V4，同理V5部分的巖石破碎后增加的體積為0.5V2=0.5V6，于是V3、V5部分相加，切割巷便可額外提供1個V2，即采用楔形切割井時，切割巷為破碎巖石提供的補償空間可增加1倍。因此采用楔形切割井掘進立井時，不但可減小切割井下部散體的夾制力，而且可有效增加破碎巖石的補償空間，同時楔形切割井體積的增加也為后續(xù)切割槽爆破提供了更多的補償空間。

4 結 論

(1)擠壓及松散2種狀態(tài)下巖石的碎脹系數均與塊度成反比，在擠壓狀態(tài)下礦巖的碎脹系數隨壓力的增加而減小，初期變化量較大，隨壓力的增加碎脹系數的變化量逐漸減小并緩慢趨于穩(wěn)定。

(2)通過分析礦巖碎脹特性對深孔爆破的影響，得出實驗室條件下礦巖順利下落的合理補償系數為44.6%。

(3)通過分析深孔爆破中切割井的影響因素，認為楔形切割井可有效增加補償空間，減小破碎巖石的夾制力，此外，楔形切割井可充分利用爆轟氣體協(xié)助完成爆破成井。

[1] 王 青，史維祥.采礦學[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

[2] 李通林，譚學術，劉傳奇.礦山巖石力學[M].重慶：重慶大學出版社，1991.

[3] 張俊英.采動破碎巖體的動態(tài)碎脹性物理模擬的研究[J].選煤技術，2006(9)：69-72.

2015-09-07)

余一松(1987—)，男，工程師，碩士，410011 湖南省長沙市芙蓉區(qū)解放中路199號。