勝利露天煤礦爆破工程孔網(wǎng)參數(shù)確定

耿 昊，肖 兵

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026015）

勝利露天煤礦爆破工程孔網(wǎng)參數(shù)確定

耿 昊，肖 兵

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026015）

針對(duì)勝利露天煤礦工程實(shí)際，通過對(duì)爆破裂隙區(qū)半徑的計(jì)算，確定合理的爆破孔網(wǎng)參數(shù)，優(yōu)化孔內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)，降低大塊產(chǎn)生的幾率。

爆破；大塊；孔網(wǎng)參數(shù)；裂隙區(qū)

0 引言

露天采礦生產(chǎn)的總成本和爆破效果有密切關(guān)系，在生產(chǎn)環(huán)境和巖石特性相同的情況下,爆破參數(shù)的不同所產(chǎn)生的爆破效果不同，露天采礦生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的成本也不同[1]。在神華北電公司勝利露天煤礦，爆破質(zhì)量欠佳會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備效率，甚至影響其他作業(yè)的正常進(jìn)行，故而提高爆破質(zhì)量是勝利露天煤礦比較突出的問題。提高爆破質(zhì)量實(shí)質(zhì)就在于減少大塊、根底，進(jìn)而提高采裝設(shè)備的工作效率，其最主要的技術(shù)措施便是選定合理的爆破作業(yè)參數(shù)，同時(shí)，選取合理的爆破參數(shù)對(duì)爆破經(jīng)濟(jì)效益和爆破效果會(huì)產(chǎn)生決定性的影響[2]。針對(duì)勝利露天煤礦爆破設(shè)計(jì)中如何選定合理爆破孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)而降低大塊產(chǎn)生幾率加以探討。

1 爆破作用下的大塊

在爆破工程中，當(dāng)藥包的爆破作用僅限于藥包附近的介質(zhì)而不波及自由面時(shí)，這種作用稱作內(nèi)部作用。當(dāng)炸藥只發(fā)生內(nèi)部作用時(shí)，藥包處形成擴(kuò)大的空腔外，隨著與爆源距離的增大，還可分為壓碎區(qū)，裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū)，如圖1所示。在靠近藥室的區(qū)域，受到強(qiáng)大的爆轟壓力直接作用，巖石結(jié)構(gòu)被壓得粉碎，其外邊界叫壓碎圈。壓碎圈以外，巖石受壓縮波和拉伸波的綜合作用，巖石原始結(jié)構(gòu)被破壞，巖石被炸碎并可看到許多徑向和環(huán)向裂隙，這一區(qū)域的邊界叫裂隙區(qū)。爆破主要是利用裂隙區(qū)破碎巖體。

圖1 爆破的內(nèi)部作用

在炸藥爆破作用過程中，爆破裂隙區(qū)內(nèi)所產(chǎn)生的裂隙主要由藥包中心徑向外輻射，導(dǎo)致裂隙間距離隨著遠(yuǎn)離爆破中心點(diǎn)逐漸增加。且在露天煤礦臺(tái)階爆破施工中炸藥爆破后，沖擊波以3 000～5000 m/s的速度在巖石中引起切向拉應(yīng)力，由此產(chǎn)生的徑向裂隙主要向自由面方向發(fā)展，而非自由面的裂隙發(fā)育效果相對(duì)較差。因此在臺(tái)階爆破施工中無(wú)論是采用逐孔或是逐排起爆的爆破方式，由于自由面的限制，相鄰爆孔間所產(chǎn)生的徑向裂隙基本不存在交叉，故當(dāng)徑向裂隙間距逐漸增大且不能延展到相鄰爆孔的裂隙區(qū)時(shí)，爆破后的巖體就可能出現(xiàn)大塊。

2 勝利露天煤礦大塊的產(chǎn)生

從有利于采掘設(shè)備作業(yè)角度講，衡量礦巖塊度的指標(biāo)是最長(zhǎng)邊尺寸，礦巖塊最長(zhǎng)邊尺寸應(yīng)滿足以下要求：

式中：d為礦巖塊最長(zhǎng)邊邊長(zhǎng)，m；E為挖掘機(jī)勺斗容積，m3。

勝利露天煤礦大塊一般出現(xiàn)在巖石剝離過程中，該礦采用北方重工WK—35型號(hào)電鏟作為主要?jiǎng)冸x設(shè)備，實(shí)際斗容37 m3。根據(jù)公式（1）可計(jì)算出該礦不能被挖掘設(shè)備直接進(jìn)行采裝的大塊尺寸：

即當(dāng)爆破后的巖石塊體＞2.5 m時(shí)，會(huì)產(chǎn)生影響該礦采裝設(shè)備效率的大塊巖體。由上述爆破后裂隙區(qū)徑向裂隙產(chǎn)生的分析可以看出，當(dāng)一個(gè)爆孔內(nèi)的炸藥引爆后，其產(chǎn)生的徑向裂隙終端如果到相鄰孔的裂隙區(qū)距離＞2.5 m即會(huì)形成大塊，又由于自由面限制了相鄰孔間裂隙區(qū)的交叉，在忽略壓碎區(qū)范圍的情況下，當(dāng)徑向裂隙終端即裂隙區(qū)半徑到相鄰孔距離＞2.5 m時(shí)產(chǎn)生大塊，公式為：

式中：Rl為裂隙區(qū)半徑，m；l為兩孔間距離，m。

2個(gè)爆孔之間距離取決于施工中的布孔方式，在進(jìn)行多排布孔時(shí)，三角形布孔較為常用，從能量均勻分布觀點(diǎn)看，等邊三角形更為理想。則布置爆孔的孔距與排距存在下述關(guān)系：

式中：b為排距，m；a為孔距，m。

由此可見，在這種三角形的布孔情況下，2個(gè)爆孔之間的距離即為布孔孔距，勝利露天煤礦即是選用較為常用的等邊三角形方式進(jìn)行布孔，則大塊表達(dá)式為：

綜上所述，要使爆破后不產(chǎn)生大塊的最直接有效的方法是通過計(jì)算爆破后的裂隙區(qū)半徑選定合理的布孔參數(shù)。

3 裂隙區(qū)半徑的確定

爆炸沖擊波和應(yīng)力波作用下巖石的破壞是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程[3]。當(dāng)沖擊波通過壓碎區(qū)以后，繼續(xù)向外層巖石傳播。隨著沖擊波傳播范圍的擴(kuò)大，巖石單位面積的能流密度降低，沖擊波衰減為壓縮應(yīng)力波[4]。其強(qiáng)度已經(jīng)低于巖石的動(dòng)抗壓強(qiáng)度，不能直接壓碎巖石。但是，可使壓碎圈外層的巖石遭到強(qiáng)烈的徑向壓縮，進(jìn)而形成裂隙區(qū)。

通常，爆破壓碎區(qū)半徑僅為炮孔半徑的2～3倍，雖然范圍很小，但沖擊波的能量卻消耗大半，使得在壓碎區(qū)界面沖擊波衰減為應(yīng)力波。應(yīng)力波繼續(xù)在巖石中傳播，造成炮孔周圍的巖石徑向受壓、切向受拉，由于巖石本身的抗拉性[5]，爆破裂隙區(qū)巖石中的徑向裂隙成為爆破破壞的主要形式，通常選用計(jì)算裂隙區(qū)半徑公式如下：

式中：Pd為沖擊波作用在孔壁巖石上的初始沖擊壓力，Pa；St為巖石抗拉強(qiáng)度，N；rb為炮孔半徑，m；λ為系數(shù)，；α為衰減指數(shù)，α=2－；ν為巖石的泊松比。

對(duì)于Pd，不耦合裝藥時(shí)：

耦合裝藥時(shí)：

式中：ρ0為炸藥密度，g/cm3；ρm為巖石密度，g/cm3；D為炸藥爆速，m/s；rc為藥卷半徑，m；Cp為巖石內(nèi)的縱波速，m/s。

由于勝利露天煤礦爆破施工作業(yè)采用耦合裝藥，選用式（8）計(jì)算Pd，其余所需巖石物性參數(shù)參考沈陽(yáng)設(shè)計(jì)院所做《沿幫排土場(chǎng)擴(kuò)容工程地質(zhì)勘察報(bào)告》對(duì)網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行修正、選取，見表1。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破施工的不同位置，對(duì)應(yīng)相應(yīng)的層位巖石物性參數(shù)，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的爆破裂隙區(qū)半徑，現(xiàn)以式（6）泥質(zhì)砂巖為例進(jìn)行計(jì)算，采用密度為1.15 g/cm3的銨油炸藥進(jìn)行爆破，其炸藥爆速為3 000 m/s。

計(jì)算得出：

計(jì)算（3）含礫泥質(zhì)砂巖得出：

表1 勝利露天煤礦各層位礦巖物性參數(shù)

計(jì)算（7）6煤得出：

4 確定合理布孔參數(shù)降低大塊產(chǎn)生率

為了降低大塊產(chǎn)生概率確定合理的孔網(wǎng)參數(shù)即為選擇合理的相鄰孔間距。

勝利露天煤礦選用較為常用的等邊三角形方式布孔，相鄰孔間距離即為孔距a，根據(jù)公式（5）：

分別計(jì)算礦巖（a3）含礫泥質(zhì)砂巖、（a6）泥質(zhì)砂巖、（a7）6煤的孔距a為：

依據(jù)公式（4）計(jì)算排距b為：

綜上所述，勝利露天礦3種礦巖爆破后不產(chǎn)生大塊的合理孔網(wǎng)參數(shù)應(yīng)分別為：①含礫泥質(zhì)砂巖：9.0 m×7.5 m；②泥質(zhì)砂巖：7.5 m×6.5 m；③6煤：6.5 m×5.5 m。

5 優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)降低大塊率

一般來(lái)說(shuō)，爆破裝藥結(jié)構(gòu)主要有2種，即連續(xù)裝藥和間隔裝藥，間隔裝藥通常又稱作分段裝藥。分段裝藥是在爆破參數(shù)不改變的前提下，改變裝藥結(jié)構(gòu)。底部間隔與連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)相比，能量沿炮孔均勻分布，降低爆炸脈沖初始?jí)毫?，延長(zhǎng)爆破作用時(shí)間，使爆破能量的分配趨于合理[6]。分段裝藥使炸藥得以合理分配，避免其過于集中炮孔下部，從而使中部和上部巖體也能承受不同程度的直接爆破作用，可以使相同量的炸藥發(fā)揮出更大的威力。勝利露天煤礦需要進(jìn)行爆破工程的大部分巖體性質(zhì)都不是過于堅(jiān)硬，并由于其使用采裝設(shè)備規(guī)格較大，不需要通過爆破作用將巖體爆破至過于破碎。間隔裝藥降低了作用在孔壁的峰值壓力，減少了炮孔周圍巖石的過度粉碎，提高了有效能量的利用率[7]。

在爆破作用過程中，自由面小和自由面的個(gè)數(shù)少，爆破作用受到夾制的作用大，爆破困難。夾制作用意為爆破時(shí)，在有限界面的邊界對(duì)于一定深度的炮孔裝藥，不能完全發(fā)揮其作用，使巖石難以從整個(gè)炮孔深度上全爆破下來(lái)。在有限界面內(nèi)一定深度炮孔爆破時(shí)，向界面?zhèn)鞑?yīng)力波等能量使界面邊界內(nèi)的介質(zhì)發(fā)生破壞，傳播到邊界外的能量將向介質(zhì)深部傳播，這一部分能量由于邊界的阻隔，對(duì)界面邊界以內(nèi)的介質(zhì)起不了作用，致使爆破總能量流失一部分。而采用間隔裝藥，孔內(nèi)微差爆破可以在提高炸藥爆破能量利用率的同時(shí)，增加自由面?zhèn)€數(shù)，從而降低夾制作用對(duì)爆破效果的影響。

采用分段裝藥的關(guān)鍵在于如何確定其間隔長(zhǎng)度，由于是對(duì)露天煤礦進(jìn)行深孔臺(tái)階爆破，一般臺(tái)階高度不會(huì)大于15 m，因此采用總裝藥長(zhǎng)度一分為二的裝藥結(jié)構(gòu)。

根據(jù)之前算得的爆破布孔孔網(wǎng)參數(shù)，為保證爆破作用力有效作用在炮孔周圍巖石，而不會(huì)因?yàn)樘钊L(zhǎng)度太短發(fā)生沖天炮現(xiàn)象，可以確定炮孔的填塞高度lt≥ a/2。由于勝利露天煤礦炮孔內(nèi)裝藥采取徑向耦合的方式填裝現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥，可以計(jì)算此時(shí)，分段藥柱間間隔距離：

式中：h為炮孔深度，m；Q為單孔藥量，kg。

由此可知，根據(jù)不同巖層特性可以在確定炮孔參數(shù)及單孔裝藥量的情況下，根據(jù)所需炮孔深度確定分段裝藥藥柱間間隔距離，從而提高炸藥爆破能量利用率，降低爆破后產(chǎn)生大塊的概率。

6 結(jié)語(yǔ)

尋求最佳爆破參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)爆破，從而保證礦山生產(chǎn)效益最大化[8]。是勝利露天煤礦爆破工程施工當(dāng)前急需改善的重要生產(chǎn)要素，根據(jù)不同的巖層特性，通過計(jì)算確定合理布孔參數(shù)，并在確定爆破單孔藥量的前提下，通過計(jì)算可以得出最優(yōu)的分段裝藥藥柱間隔距離，優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)。最終提高爆破施工的質(zhì)量，從而最大程度發(fā)揮炸藥爆炸有效能量，達(dá)到改善爆破效果的目的，降低勝利露天煤礦爆破施工后大塊產(chǎn)生率，提高生產(chǎn)效率。

［1］胡振襄.露天礦爆破至破碎綜合優(yōu)化［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012．

［2］劉福高.現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥爆破參數(shù)優(yōu)化及數(shù)值模擬研究［D］.武漢：武漢科技大學(xué)，2015．

［3］徐穎，丁光亞，宗琦，等.爆炸應(yīng)力波的破巖特征及其能量分布研究［J］.金屬礦山，2002（2）：13-16．

［4］郭強(qiáng).水下鉆孔爆破孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2005．

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【責(zé)任編輯：陳 毓】

Determination of blasting engineering hole net parameter in Shengli Open-pit Mine

GENG Hao,XIAO Bin
(Shenhua Beidian Shengli Energy Co.,Ltd.,Xilinhot 026015,China)

Based on the actual project situation,through calculating the radius of blasting fracture zone,the article determines the reasonable blasting hole pattern parameters,optimizes the structure of inner hole charge and reduces the probability of large rock.

blasting;large rock;hole pattern parameter;fracture zone

TD235.4

B

1671－9816（2017）03－0023－04

2016－10－11

耿 昊（1989—），男，遼寧阜新人，助理工程師，畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，現(xiàn)任神華北電勝利能源有限公司勝利露天煤礦生產(chǎn)技術(shù)部采礦技術(shù)員。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.007

耿昊，肖兵.勝利露天煤礦爆破工程孔網(wǎng)參數(shù)確定［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（3）：23－25.