含水炮孔臺(tái)階爆破漏斗試驗(yàn)研究

王 浩，王建國，黃永輝，張智宇,4

(1.昆明理工大學(xué)公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，昆明 650093；2.昆明理工大學(xué)國土資源與工程學(xué)院，昆明 650093；3.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，昆明 650093；4.云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 昆明 650093)

隨著開采深度的不斷加深，大氣降水及裂隙水堆積、炮孔內(nèi)積水嚴(yán)重[1]，爆破后大塊率高、根底多，原有臺(tái)階爆破參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)公式法已不再可取。而臺(tái)階爆破是露天開采中重要的步驟，臺(tái)階爆破的關(guān)鍵因素在于合理的爆破參數(shù)。為保障礦山能安全、高效率開采，研究含水炮孔條件下臺(tái)階爆破參數(shù)已成為解決該問題的關(guān)鍵。諸多學(xué)者對(duì)含水炮孔爆破展開了較為深入的研究，吳志剛[2]提出水介質(zhì)耦合鉆孔爆破法，通過爆破理論、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬相結(jié)合對(duì)水介質(zhì)耦合鉆孔爆破法進(jìn)行研究；龔玖等[3]通過理論與室內(nèi)爆破模型試驗(yàn)，比較了空氣不耦合裝藥和水不耦合裝藥的能量利用率；姜濤等[4]通過AutoDyn對(duì)比炸藥爆轟波在空氣介質(zhì)與水介質(zhì)下對(duì)爆破物的沖量大小，分析得出影響裝藥量的主要因素；雷濤等[5]通過LS-DYNA軟件,建立爆破漏斗數(shù)值模型分析爆破漏斗成型過程;E.N.Sher等[6]基于脆性破壞理論建立了從爆炸中心向自由面擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)計(jì)算模型；雖然部分學(xué)者[7-9]論證了水介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，成功利用水介質(zhì)能有效傳遞能量以及不可壓縮的特性，證明水介質(zhì)用于爆破的可行性，但露天臺(tái)階的爆破漏斗試驗(yàn)研究則多以干孔為主[10-14]，且多以數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)方法研究為主。

但數(shù)值模擬過于理想化，所得到的結(jié)果與實(shí)際工程應(yīng)用存在一定誤差；模型試驗(yàn)[15]則受限于模型尺寸效應(yīng)，會(huì)直接影響到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。故作者以晉寧磷礦九號(hào)坑為背景，在現(xiàn)場(chǎng)開展特定的水孔爆破漏斗試驗(yàn)，獲得水孔裝藥條件下的臺(tái)階爆破優(yōu)化參數(shù)，以此改善露天礦含水炮孔爆破效果。

1 爆破漏斗理論

上世紀(jì)50年代，美國礦業(yè)學(xué)院利文斯頓(C.W. Livingston)通過不同種類圍巖的爆破漏斗試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)一次爆破作用于圍巖的能量取決于巖體性質(zhì)、炸藥性能、藥包大小和藥包埋深等因素,并以此提出了以能量平衡為準(zhǔn)則的爆破漏斗理論[16]。當(dāng)藥包埋置在地表以下足夠深時(shí)，炸藥所產(chǎn)生的能量作用于底部巖石中產(chǎn)生彈性變形破壞，無法對(duì)地表巖石造成破壞。若改變藥包埋置深度至足以使地表巖石發(fā)生破壞但未形成明顯漏斗，此時(shí)炸藥的埋深稱為臨界埋深。當(dāng)炸藥量不變，繼續(xù)減小藥包埋深，藥包上方巖石呈沖擊式破壞，漏斗體積逐漸增大。當(dāng)爆破漏斗體積增至最大時(shí)，沖擊式破壞的上限與炸藥能量最佳利用點(diǎn)吻合，此時(shí)炸藥埋深即為最佳埋深。若繼續(xù)減小埋深，爆破能量超出此埋深最佳破壞效應(yīng)所需能量，漏斗體積減小。

利文斯頓彈性變形方程，即：

(1)

(2)

式中:Le為藥包臨界埋置深度，m；Eb為彈性變形系數(shù)；Q0為藥包質(zhì)量，kg；Lj為藥包最佳埋置深度，m；Δ0為最佳埋深比,Δ0=Lj/Le，特定巖石種類其Δ0為實(shí)數(shù)。

2 爆破漏斗試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)地點(diǎn)選在巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、積水較為集中的九號(hào)坑中部2120平臺(tái)。試驗(yàn)選用山特維克φ150鉆機(jī)，6 m長帶有刻度的木棍以及5 m長卷尺一把，配噴漆，標(biāo)記紙等。試驗(yàn)與爆破施工采用1#巖石乳化炸藥，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 1#號(hào)巖石乳化炸藥參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方案

首先進(jìn)行單孔爆破漏斗試驗(yàn)，相同藥量條件下起爆不同埋置深度L的炸藥，尋找最佳炸藥埋深Lj與最佳半徑Rmax；然后基于單孔爆破漏斗試驗(yàn)所確定的最佳炸藥埋深，進(jìn)行變孔距同段爆破試驗(yàn)，確定最佳孔底距離d，利用布洛伯格相似法則[17]計(jì)算實(shí)際爆破作業(yè)最佳孔底距a及炸藥單耗q。最后在不同臺(tái)階斜面傾角下，采用單孔連續(xù)柱狀裝藥，根據(jù)斜面臺(tái)階最小抵抗線W變化特征，分析確定臺(tái)階爆破試驗(yàn)最小抵抗線。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

爆破后清理漏斗口附近碎巖，使用噴漆圈定漏斗輪廓，確定并標(biāo)記炮孔圓心，按60°間隔量取6個(gè)不同角度的漏斗半徑，取平均值即為該漏斗的試驗(yàn)半徑。選取漏斗底點(diǎn)為笛卡爾坐標(biāo)系中心點(diǎn)，建立三維直角坐標(biāo)系，測(cè)量爆破漏斗口及內(nèi)壁若干點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，將測(cè)量三維坐標(biāo)帶入3Dmine數(shù)字化礦山軟件，生成漏斗模型，計(jì)算漏斗體積[18]。爆破漏斗試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與體積計(jì)算如圖1所示。

圖1 爆破漏斗試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與體積計(jì)算

3 爆破漏斗試驗(yàn)分析

3.1 炮孔深度影響

為保證單孔爆破漏斗試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)選用與實(shí)際爆破漏斗相同的孔徑150 mm。試驗(yàn)選用1#巖石乳化炸藥，線裝藥密度10 kg/m，單孔裝藥2 kg，為避免孔內(nèi)水導(dǎo)致藥包浮動(dòng)，將藥包固定在內(nèi)徑為110 mm的PVC管內(nèi)。設(shè)計(jì)孔深0.9～2.0 m，共計(jì)12個(gè)孔，各孔試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，每孔均為自然滿水狀態(tài)。為減少應(yīng)力波疊加對(duì)相鄰炮孔爆破漏斗成型的影響，起爆方式為逐孔起爆，設(shè)計(jì)相鄰炮孔間距為5 m。

表2 水介質(zhì)單孔爆破漏斗試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，繪制出藥包埋置深度與爆破漏斗半徑關(guān)系的擬合曲線(見圖2)；單位炸藥爆破體積特征曲線如圖3所示。

圖2 漏斗半徑與藥包埋深關(guān)系

圖3 單位炸藥爆破漏斗體積與藥包埋深關(guān)系

通過圖3可得到藥包埋深0.8～1.9 m時(shí)，單位炸藥爆破漏斗體積與藥包埋深擬合曲線呈中間高兩端低的形狀，爆破漏斗體積變化以L=1.1 m為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)藥包位于最佳埋深時(shí)，峰值點(diǎn)達(dá)到?jīng)_擊破裂帶上限，藥包能量利用率最高，所形成的爆破漏斗體積最大；圖2擬合曲線趨勢(shì)與圖3相同，在藥包埋深L=1.1 m時(shí)得最大爆破漏斗半徑值，得出最大半徑對(duì)應(yīng)藥包埋置深度與最大漏斗體積藥包埋置深度相吻合。由圖2、圖3可得出單孔爆破漏斗試驗(yàn)結(jié)果為:Lj=1.1 m、Le=1.8 m、Vmax=1.56 m3、Rmax=1.31 m、Δ0=0.57；根據(jù)公式(1)得巖體變形能系數(shù)為Eb=1.35。依據(jù)布洛伯格相似法則變形公式(3)得到孔深為1.2 m條件下實(shí)際單孔藥量為5.08 kg。實(shí)際生產(chǎn)中炮孔深度h=10 m，考慮壓榨系數(shù)1.42，換算后現(xiàn)場(chǎng)裝藥量為60 kg。

(3)

式中：r1為單孔爆破漏斗試驗(yàn)藥包半徑，55 mm；r2為實(shí)際生產(chǎn)藥包半徑，75 mm；Q1、Q2分別為單孔爆破漏斗試驗(yàn)藥量、孔深為1.2 m條件實(shí)際單孔藥量。

3.2 變孔距試驗(yàn)

基于單孔系列爆破漏斗試驗(yàn)確定的最佳藥包埋置深度，在九號(hào)坑中部2120平臺(tái)布置5組不同孔距試驗(yàn)組，試驗(yàn)設(shè)計(jì)孔距為上述試驗(yàn)中最佳漏斗半徑的1.5、1.75、2.0、2.25、2.5倍進(jìn)行取值[19]，得到試驗(yàn)孔間距分別為1.8、2.1、2.4、2.7、3.0 m，試驗(yàn)組間距為10 m，炮孔內(nèi)為滿水狀態(tài)，各孔內(nèi)裝填2 kg由內(nèi)徑110 mm PVC管固定的1#巖石乳化炸藥，起爆方式為同段齊發(fā)。炮孔布置如圖4所示，爆破后試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖4 變孔距同段爆破炮孔布置

表3 變孔距爆破漏斗試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，孔距α=2.7、3.0 m的2組炮孔爆破后，炮孔間存在明顯脊柱隔斷，爆破漏斗之間相互獨(dú)立且未連接成槽；孔距α=1.8、2.1、2.4 m的3組炮孔爆破后沿炮孔中心線貫穿連接成槽，統(tǒng)計(jì)有效爆破漏斗體積，得此次爆破最大貫穿溝槽體積的炸藥單耗q=0.32 kg/m3。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)孔間距α≤2.4 m的3組炮孔爆破時(shí)，相鄰水孔爆破漏斗間有明顯貫穿現(xiàn)象，相鄰爆破漏斗重合較好，爆炸應(yīng)力波有效疊加作用于巖石，即爆破漏斗最佳孔距α=1.8～2.4 m。依據(jù)變形布洛伯格相似法則公式(4)換算得到試適用實(shí)際生產(chǎn)孔距a=5.6～7.4 m。

(4)

式中：α、a分別為變孔距爆破漏斗試驗(yàn)孔距、實(shí)際生產(chǎn)孔距，m；Q1、Q2分別為變孔距爆破漏斗試驗(yàn)藥量、實(shí)際生產(chǎn)藥量。

圖5 水介質(zhì)變孔距爆破漏斗效果

3.3 斜面臺(tái)階試驗(yàn)

根據(jù)采場(chǎng)實(shí)際臺(tái)階斜面傾角范圍，確定試驗(yàn)臺(tái)階斜面傾角分別為40°與50°，斜面臺(tái)階爆破炮孔布置如圖6所示，孔口抵抗線0.3 m，設(shè)計(jì)炮孔深度5 m，裝入加工后1#巖石乳化炸藥20 kg，裝藥長度為2 m，炮孔內(nèi)均為滿水狀態(tài)。

圖6 試驗(yàn)炮孔布置

2組試驗(yàn)爆破后巖石塊度均勻、大塊巖石較少(見圖7)，符合試驗(yàn)要求，40°與50°臺(tái)階斜面所得爆破漏斗深度分別為2.7、2.9 m，由于巖石破碎、拋擲主導(dǎo)方向沿最小抵抗線方向，此方向應(yīng)力波最先達(dá)到自由面對(duì)巖石產(chǎn)生破壞，得到水孔爆破漏斗最佳抵抗線W=2.7～2.9 m。依據(jù)布洛伯格相似準(zhǔn)則式(5)得用于實(shí)際生產(chǎn)最佳排距b=3.9～4.2 m。

圖7 臺(tái)階爆破試驗(yàn)效果

(5)

式中：W1、W2為水孔斜面臺(tái)階試驗(yàn)抵抗線與實(shí)際生產(chǎn)最小抵抗線，m；Q1、Q2為水孔斜面臺(tái)階試驗(yàn)藥量與實(shí)際生產(chǎn)藥量。

4 臺(tái)階爆破應(yīng)用

經(jīng)相似定律換算后露天臺(tái)階水孔爆破最優(yōu)參數(shù)為，孔距a=6 m，排距b=4 m，單孔藥量60 kg。根據(jù)系列含水炮孔爆破漏斗試驗(yàn)換算結(jié)果，在孔內(nèi)積水嚴(yán)重的九號(hào)坑中部2120平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，臺(tái)階高度10 m，選用1#巖石乳化炸藥，炮孔深度10 m，孔徑為150 mm，裝藥高度4 m，裝藥方式為耦合裝藥。參數(shù)改進(jìn)后爆破效果與改進(jìn)前爆破效果對(duì)比如圖8所示，可見試驗(yàn)爆破效果良好。為了量化改進(jìn)后的爆破效果，統(tǒng)計(jì)反應(yīng)爆破效果的相關(guān)指標(biāo)，參數(shù)如表4所示，研究分析發(fā)現(xiàn)大塊率較改進(jìn)前下降20.6%，塊度適中，爆堆松散程度良好，炸藥單耗由原先的0.33 kg/m3下降至0.25 kg/m3，采場(chǎng)開采成本降低、開采能力提高，礦山經(jīng)濟(jì)效應(yīng)得到明顯改善。

圖8 爆破前后效果對(duì)比

表4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

1)針對(duì)晉寧磷礦炮孔積水情況，選取2120平臺(tái)開展孔內(nèi)滿水條件下單孔爆破漏斗試驗(yàn)得到炸藥臨界埋置深度、最佳埋置深度、最佳埋深比、彈性變形能系數(shù)；將以上所得數(shù)據(jù)分別應(yīng)用于變孔距爆破漏斗試驗(yàn)、斜面臺(tái)階爆破試驗(yàn)得到合理孔距、排距范圍值。將試驗(yàn)參數(shù)換算后可以用于指導(dǎo)礦山生產(chǎn)。

2)將優(yōu)化后爆破參數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)爆破工程，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)大塊率較改進(jìn)前下降20.6%，爆堆松散程度良好，塊度適中，炸藥單耗由原先的0.33 kg/m3下降至0.25 kg/m3。