束狀孔雙分層孔內(nèi)延期爆破試驗(yàn)研究

崔新男，汪旭光，陳 何，馮盼學(xué)，張 華

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2. 北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；3.貴州省公安廳，貴陽(yáng) 550001)

束狀孔當(dāng)量球形藥包爆破技術(shù)是基于大直徑深孔采礦爆破技術(shù)并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期爆破實(shí)踐發(fā)展的一種全新爆破技術(shù)。其基本概念是：由N個(gè)間距3～8倍孔徑的密集平行深孔組成一束孔，束孔(直徑d)裝藥同時(shí)起爆，對(duì)周圍巖體的爆破作用視為一個(gè)更大直徑(等效直徑D)的炮孔的爆破作用[1]。N個(gè)直徑為d的束孔，其等效單孔直徑D的計(jì)算公式為：

D=N1/2·d

(1)

式中：D—等效單孔直徑；d—束孔直徑；N—孔數(shù)。

由于束孔爆破形成的合并應(yīng)力場(chǎng)其波陣面具有一定厚度，應(yīng)力波曲線出現(xiàn)多個(gè)峰值[2]，作用時(shí)間比等效單孔更長(zhǎng)，分散裝藥也使得爆破粉碎區(qū)減小而裂隙區(qū)增大[3]，更大的裂隙區(qū)有利于增加爆破中遠(yuǎn)區(qū)的爆破作用，在進(jìn)行大量崩礦時(shí)具有采切工程量小、炸藥單耗小、大塊率低且爆破振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)[4]。將其應(yīng)用到井巷掘進(jìn)作業(yè)中，進(jìn)行束狀中深孔掏槽時(shí)，掏槽效果好，可顯著提高掘進(jìn)效率[5]。

進(jìn)行束狀孔爆破落礦時(shí)，通常采用一次性鉆鑿深孔，分層崩落的作業(yè)方式，每次爆破一個(gè)分層都會(huì)給束孔孔底造成破壞，不僅使孔底變得破碎、不規(guī)整，甚至?xí)?dǎo)致炮孔被碎石堵塞，進(jìn)行下一分層爆破時(shí)必須對(duì)炮孔進(jìn)行清理，繁重的清孔工作嚴(yán)重制約著爆破效率。使用合適的延期時(shí)間，將束狀孔爆破與孔內(nèi)延期爆破相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一次爆破兩個(gè)甚至多個(gè)分層，使爆破效率得到成倍提高。為尋求合適的延期時(shí)間，本文進(jìn)行了束孔爆破漏斗試驗(yàn)，找出了最佳埋深，又進(jìn)行了雙分層孔內(nèi)延期爆破，當(dāng)延期時(shí)間設(shè)定為50 ms或75 ms時(shí)，得到的爆破漏斗最大，實(shí)現(xiàn)了雙分層一次爆破，提高了束狀孔爆破效率。

1 束狀孔爆破漏斗試驗(yàn)

為獲得束狀孔爆破最佳埋深，首先進(jìn)行爆破漏斗試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)選為某礦山92號(hào)礦體+405水平T317、T318采場(chǎng)殘留礦柱。

1.1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件

92號(hào)礦體賦存于硅質(zhì)巖中，巖石層理發(fā)育，垂直方向上，由上至下，大致可分為三層：上層以薄層狀硅質(zhì)巖為主，夾鈣質(zhì)硅質(zhì)巖；中層為條帶狀、細(xì)條帶狀、塊狀硅質(zhì)巖，夾泥質(zhì)硅質(zhì)巖；下層以致密塊狀硅質(zhì)巖為主，少量硅質(zhì)頁(yè)巖、灰?guī)r互層。礦石及圍巖穩(wěn)固性好，單軸抗壓強(qiáng)度78.49～95.42 MPa，普氏系數(shù)15～16，鑿巖性差。T317、T318采場(chǎng)為已廢棄采場(chǎng)，出礦穿道已經(jīng)被廢石堵塞，可以在殘留的礦柱和運(yùn)輸巷邊幫進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 405水平炮孔布置圖Fig.1 The borehole pattern of the 405 level

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為保證束孔平行度，在巷道邊幫或礦柱中打水平孔，4孔為一束，孔徑42 mm，孔間距210 mm，炮孔相互平行，距離巷道底板約1.2 m。孔深從0.4 m到1.4 m，共6組，為保證各組試驗(yàn)不會(huì)相互影響，每束孔間隔3 m。束孔內(nèi)裝入一包200 g乳化藥卷，藥卷長(zhǎng)20 cm，為保證耦合裝藥，用炮棍擠壓藥卷，藥卷長(zhǎng)度縮減到約15 cm，藥卷內(nèi)裝入兩枚1段導(dǎo)爆管雷管，堵孔材料為鉆屑和自帶的黃土，孔口使用雙導(dǎo)爆索連接，再由一枚電雷管起爆，起爆雷管腳線與兩條主線相連，如圖2所示。

圖2 炮孔連線圖Fig.2 Boreholes link

1.3 結(jié)果分析

人員撤出并設(shè)置好警戒，進(jìn)行爆破，結(jié)果如表1所示。

由爆破結(jié)果可知，當(dāng)孔深為0.4 m和0.6 m時(shí)，炮孔無(wú)殘余，形成較大爆破漏斗；孔深為0.78和1.03 m時(shí)，炮孔未能完全爆破，形成爆破漏斗較??；當(dāng)孔深為1.2 m和1.38 m時(shí)，發(fā)生了沖孔，未能形成爆破漏斗。進(jìn)一步分析可知，臨界埋深為1.125 m，根據(jù)單位炸藥爆破的體積和實(shí)際埋深與臨界埋深之比的關(guān)系，爆破最佳埋深為0.525 m。

2 束狀孔雙分層孔內(nèi)延期爆破試驗(yàn)

依據(jù)爆破漏斗試驗(yàn)所得最佳埋深，設(shè)計(jì)雙分層孔內(nèi)延期爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)選擇T317、T318采場(chǎng)運(yùn)輸巷邊幫。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

垂直巷道邊幫打孔，每束4孔，孔徑42 mm，孔距210 mm，孔深1.1 m。第一層裝乳化藥卷200 g，裝藥長(zhǎng)度0.15 m，布置2發(fā)6段高精度導(dǎo)爆管雷管，藥包中心埋深0.525 m，第二層藥包中心埋深1.025 m，裝藥200 g，裝藥長(zhǎng)度0.15 m，布置2發(fā)7段高精度導(dǎo)爆管雷管。

表1 爆破漏斗試驗(yàn)結(jié)果

起爆后發(fā)現(xiàn)第一層沒(méi)有形成完整的爆破漏斗，漏斗深度僅0.4 m，各孔殘余孔深達(dá)0.7 m，第一層爆破漏斗直徑為1.10 m，漏斗直徑和深度均小于先前進(jìn)行的爆破漏斗試驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)過(guò)勘察發(fā)現(xiàn)雖同在T317、T318采場(chǎng)，但巷道邊幫巖石穩(wěn)固性明顯強(qiáng)于殘留礦柱，巖石可爆性差，于是修改了試驗(yàn)方案。鉆孔深度由1.1 m改為0.9 m，第一層藥包中心埋深改為0.375 m，裝藥200 g，布置2發(fā)6段高精度雷管，第二層加強(qiáng)裝藥，裝藥400 g，藥包中心埋深為0.75 m，4組試驗(yàn)分別布置2發(fā)7段、8段、9段和10段高精度雷管。

2.2 結(jié)果分析

人員撤出并設(shè)置好警戒，依次進(jìn)行爆破，爆破漏斗如圖3所示。

分別從4個(gè)方向測(cè)量?jī)蓪勇┒分睆?、深度以及爆破后每個(gè)炮孔的殘余深度，計(jì)算漏斗體積，如表2所示。

圖3 爆破漏斗圖Fig.3 Blasting craters

延期時(shí)間/ms第一層漏斗直徑/m第一層漏斗深度/m第二層漏斗直徑/m第二層漏斗深度/m炮孔殘余孔深/m1#2#3#4#漏斗總體積/m3251.020.450.280.020.430.400.390.410.155500.950.450.320.050.400.390.350.380.164751.060.450.500.230.220.200.220.180.1791001.100.420.480.450.450.460.158

修改試驗(yàn)方案后，第一層均可形成爆破漏斗，且漏斗直徑相當(dāng)，可見(jiàn)裝藥參數(shù)是合適的，除延期時(shí)間為25 ms和100 ms的第一組和第四組沒(méi)有形成明顯的第二層爆破漏斗外，延期時(shí)間為50 ms和75 ms的第二組和第三組均形成了兩層爆破漏斗，其中第一層漏斗較大，第二層漏斗較小，這是由于第二層爆破的自由面是第一層爆破漏斗的底面，為倒立的圓臺(tái)形，只能形成與第一層漏斗形狀相似但半徑和深度都較小的爆破漏斗。25 ms延期時(shí)間過(guò)短，當(dāng)?shù)诙友b藥起爆時(shí)，第一層破碎的巖石尚未被拋離，導(dǎo)致第二層裝藥自由面條件更差，夾制作用強(qiáng)，無(wú)法形成爆破漏斗；而100 ms延期時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，第一層破碎的巖石已被拋離，第二層裝藥堵塞條件變差，爆生氣體從孔中溢出，導(dǎo)致沖孔，也無(wú)法形成爆破漏斗。試驗(yàn)表明，束狀孔雙分層孔內(nèi)延期爆破是可以實(shí)現(xiàn)的，孔內(nèi)延期時(shí)間以50 ms或75 ms為宜，過(guò)小或過(guò)大均不利于第二層爆破漏斗的形成。

3 討論

本次試驗(yàn)是在運(yùn)輸巷邊幫和礦柱上進(jìn)行的，只有一個(gè)自由面，相當(dāng)于掌子面掏槽爆破，且沒(méi)有輔助空眼，巖石夾制作用較大，第二層雖然采用了加強(qiáng)裝藥，炮孔仍有殘留，且第二層形成的漏斗普遍較小，針對(duì)這些問(wèn)題，考慮如下方法進(jìn)行改進(jìn)：

1)進(jìn)行掌子面掏槽時(shí)，可在束孔中設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)空孔，增加爆破自由面。

2)由應(yīng)力波的疊加原理可知，相鄰束孔之間藥包連線上應(yīng)力波疊加作用較強(qiáng)，產(chǎn)生裂隙較密，且容易形成聯(lián)通的裂隙，因此，多束孔同時(shí)爆破時(shí)，藥包連線上的巖石被切割成塊，每束孔形成的漏斗會(huì)相連，第一層爆破之后形成的自由面將更接近于平面，有利于第二層形成正常的漏斗。

4 結(jié)論

本文先后進(jìn)行了束狀孔爆破漏斗試驗(yàn)和束狀孔雙分層孔內(nèi)延期爆破試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

1)束狀孔雙分層孔內(nèi)延期爆破是可以實(shí)現(xiàn)的，選擇合適的延期時(shí)間至關(guān)重要，延期時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短均不能形成雙漏斗，對(duì)于高精度毫秒延期雷管，延期時(shí)間選擇50 ms或75 ms是合適的。

2)4組試驗(yàn)裝藥參數(shù)相同，第一層漏斗形狀基本一致，說(shuō)明應(yīng)力波和爆生氣體都能起到作用，僅在第二層漏斗形狀上出現(xiàn)了比較大的差別，這說(shuō)明第二層裝藥爆破作用不完全，應(yīng)力波的作用通常為幾個(gè)毫秒，而本次試驗(yàn)最短延期為25 ms，因而4組試驗(yàn)應(yīng)力波的作用是一致的，而爆生氣體對(duì)于能否形成爆破漏斗起關(guān)鍵性作用。