普朗銅礦自然崩落法切割井形成技術(shù)研究

肖衛(wèi)國 李爭榮 陳 林 馮興隆 朱俊寧 劉華武 李青松

（1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程學(xué)院，廣東 廣州 510430；2.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南 迪慶 674400；3.金誠信礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100083）

普朗銅礦首采區(qū)采用自然崩落法開采3 720 m以上中部礦體，拉底面積16.7萬m2，聚礦槽381個，平均崩落高度 200 m，開采礦量 8 250萬 t［1］。為了防止拉底形成的應(yīng)力集中對底部結(jié)構(gòu)造成破壞，礦山采用前進式拉底，即聚礦槽爆破滯后拉底推進線20～45 m。聚礦槽位于3 720 m鏟運機出礦水平，長13 m、高16 m、下寬4.2 m、上寬10 m，采用DU411型潛孔臺車配帶Roger V30擴孔刀頭施工?762 mm切割大孔，SimbaH1354臺車施工中深孔，電子雷管起爆、黏性粒狀炸藥爆破。聚礦槽爆破分3次開展，第1次以切割大孔為自由面，爆破形成切割井；第2次以切割井為自由面，爆破形成切割槽；第3次以切割槽為自由面，爆破形成聚礦槽，可見切割井能否高質(zhì)量形成是聚礦槽爆破的前提條件。

圍繞中深孔爆破形成切割井技術(shù)，如周傳波［2］在大冶鐵礦用CTC-141鑿巖臺車鑿上向孔，采用單螺旋掏槽方式，一次爆破盲天井5.3 m，斷面尺寸2 m×2 m；危時安［3］在漂塘鎢礦運用YGZ-90鉆機鑿上向孔，采用單螺旋掏槽方式，一次爆破成形切割天井8 m，斷面尺寸2 m×3 m；姜福允等［4］在新疆阿舍勒銅礦的含硫型氧化銅礦中實施了中深孔爆破成井，成井高度13～15 m，天井?dāng)嗝娉叽?.5 m×2.0 m，用CYR40C切割槽天井鉆機施工2～3個?500～?700 mm大孔，在大孔周圍用YGZ-90鉆機施工?65 mm爆破孔。可見，國內(nèi)中深孔一次爆破形成的切割井高度多在7 m以內(nèi)，達(dá)到15 m也要2～3個大孔［5］。通過對自然崩落法切割井形成技術(shù)進行研究、參數(shù)取值計算與現(xiàn)場應(yīng)用，已完成了250個聚礦槽的爆破工作，且過程中安全、質(zhì)量可控。

1 礦山巖石力學(xué)及施工條件

中南大學(xué)現(xiàn)代分析測試中心2012年完成的力學(xué)性能檢驗報告中，給出了礦山主要含礦礦巖物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

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礦山首采區(qū)存在5條大型斷層和眾多小斷層，造成采礦區(qū)域解理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性較差，經(jīng)生產(chǎn)中調(diào)查統(tǒng)計，礦區(qū)平均解理密度5.4條/m，解理間距0.18 m/條，巖體質(zhì)量指標(biāo) RMR 值為 46［6］。聚礦槽爆破切割大孔孔徑762 mm，共1個，爆破中深孔孔徑76 mm。起爆雷管采用電子雷管，可按照現(xiàn)場需要，人為設(shè)定起爆時間，主要性能指標(biāo)：現(xiàn)場可編程延期范圍 0～15 000 ms，最小設(shè)定時間間隔 1 ms［7］。采用ANN-2型黏性粒狀炸藥，炸藥爆速≥2.8×103m/s，猛度≥18.0 mm，作功能力≥248 mL［8］。

2 粉碎區(qū)、裂隙區(qū)計算

由于巖石破壞準(zhǔn)則判定的多樣性，計算中深孔爆破粉碎區(qū)和裂隙區(qū)半徑的方法不同，按照最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，掏槽孔的粉碎區(qū)是被壓碎的，即沖擊波或應(yīng)力波的最大徑向應(yīng)力σrmax大于巖石的三向抗壓強度[σc]。在粉碎區(qū)外即為裂隙區(qū)，由沖擊波切向產(chǎn)生拉應(yīng)力σθ與巖石的極限抗拉強度[σt]引起，炮孔周圍粉碎區(qū)半徑rc和裂隙區(qū)半徑rt可以進行如下計算［9］：

式中，rb為裝藥孔半徑，mm；[σc]為巖石的三向抗壓強度，MPa；σt為巖石的抗拉強度；μ為巖石泊松比；α為應(yīng)力波衰減指數(shù)；P0為沖擊波對炮孔壁的初始壓力［10］，公式為

式中，ρm為巖石密度，t/m3；Cp為縱波在巖石中的傳播速度，m/s；ρ0為炸藥密度，t/m3；D為炸藥爆速，m/s。

Mises準(zhǔn)則認(rèn)為炮孔在長度方向上遠(yuǎn)大于炮孔直徑，因此可以將其簡化為平面應(yīng)變問題，于是，粉碎區(qū)半徑rc和裂隙區(qū)半徑rt可進行如下計算：

式中，σcd為礦巖動載荷抗壓強度，MPa；λ為側(cè)壓系數(shù)；μd為巖石動態(tài)泊松比；β為應(yīng)力波傳播衰減指數(shù)，為礦巖動載荷抗拉強度，MPa；r0為裝藥孔半徑，38 mm。

按照礦山巖石力學(xué)和炸藥的技術(shù)參數(shù)，對耦合裝藥條件下的各巖石中深孔爆破破碎圈半徑和松動圈半徑按照式（1）、式（2）（方法1）以及式（3）、式（4）（方法2）分別進行計算，結(jié)果見表2。

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根據(jù)表2，得到礦山中深孔爆破破碎區(qū)半徑平均為0.368 m，裂隙區(qū)半徑平均為0.702 m。

3 切割井中深孔設(shè)計

3.1 首響炮孔確定

首響炮孔爆破后在其周圍存在破碎圈，如果破碎圈與中心空孔貫穿，則可取得理想的爆破效果，因此首響炮孔與空孔的中心距離a應(yīng)滿足下式［11］：

式中，φ為切割空孔直徑，普朗銅礦采用一個直徑762 mm的大孔；中深孔破碎圈平均半徑rc為368 mm，則有a≤762/2+368=749 mm。

此外，為防止起爆孔與空孔鑿巖時貫通，a值也不宜太小，需滿足下式［12］：

式中，L為中深孔深度，m；β為炮孔偏斜角度，（°）；d為中深孔直徑，mm；φ為空孔直徑，mm。

根據(jù)上述計算可知：起爆孔與空孔間距a的取值范圍為420～749 mm，考慮到礦山巖體較為破碎，結(jié)合中深孔臺車偏斜率要求，掏槽孔布置2個，對稱大孔布置，間距分別為701 mm、731 mm。此外，為防止爆破沖擊破互相抵消影響爆破效果，采用微差爆破達(dá)到掏槽的目的。

3.2 切割井裝藥孔數(shù)量及孔間距確定

裝藥孔數(shù)的確定與切割天井?dāng)嗝娉叽?、巖石力學(xué)性質(zhì)等因素有關(guān)。一般來說，天井?dāng)嗝嬖酱螅瑤r石堅固性越高，所需炮孔數(shù)越多，計算公式為［13］

式中，N為裝藥孔總數(shù)；K為斷面系數(shù)，取1；m為每立方米巖石炸藥消耗量，5 kg/m3；η為炮孔裝藥系數(shù)，一般為0.6～0.8，18 m中深孔堵塞長度4.5 m，裝藥系數(shù)取0.75；r為每米炮孔裝藥量，3.57 kg/m。

按照各參數(shù)取值，藥炮孔數(shù)為N=8個。

根據(jù)以上分析，對切割井中深孔進行了設(shè)計，設(shè)計過程中逐孔檢查孔間距不大于裂隙區(qū)直徑的1.5倍，如圖1所示。

3.3 補償空間

補償空間的要求是礦巖破碎后的膨脹體積不大于空孔和擬爆礦巖實體體積之和［14］，即：

式中，S預(yù)爆巖體為預(yù)爆巖體體積，m3；S補償空間為已爆巖體體積與空孔體積之和，m3；K為礦巖松散系數(shù)，本研究取1.69。

掏槽孔J1孔和J2布置見圖2。經(jīng)計算，補償空間a=1 353 mm，大于前文設(shè)定的掏槽孔與打孔的間距（701 mm和731 mm），因此補償空間滿足工程需要。為計算方便，在設(shè)計圖中測量出各孔爆破的巖石面積并標(biāo)注在相應(yīng)位置，見圖3。

3.4 各孔爆破時間確定

根據(jù)各孔補償空間的分析結(jié)果，本研究切割井爆破共分4個大的時間區(qū)間開展，即：①掏槽爆破（J1、J2孔）；②輔助孔爆破（J3、J4孔）；③2個周邊孔爆破（J5、J6孔）；④最后2個周邊孔爆破（J7、J8孔）。各時間區(qū)間的劃分原則是：前一個時間區(qū)間的爆破礦巖掉落出切割井范圍后，下一時間區(qū)間的炮孔開始起爆，此時下一時間區(qū)間中深孔爆破的補償空間已經(jīng)由上一時間區(qū)間爆破創(chuàng)造，各時間區(qū)間內(nèi)的炮孔采用微差起爆。

有空孔掏槽爆破形成補償空間的過程大致可以分為巖石破碎階段、巖石渣拋擲充滿補償空間階段和巖石碎渣軸向向下運動形成掏槽空間階段，因而合理的微差時間為3個部分時間之和：

式中，T為有空孔掏槽爆破的合理微差時間，s；t1為槽腔內(nèi)巖石破碎所需時間，ms；t2為巖石碎渣拋向空孔并充滿槽腔的時間，ms；t3為巖石碎渣沖出切割井時間，ms；w為最小抵抗線，掏槽爆破0.35 m，輔助爆破0.58 m；Cp為縱波在巖石的傳播速度，本研究4種巖石（石英二長斑巖、閃長玢巖、大理巖和角巖）的縱波均值為5 466 m/s；β為爆破漏斗錐頂角，40°；Vtp為裂隙紋擴展速度，0.35 m/s；L為裂紋寬度，0.001 m；Vcp為巖塊移動速度，20 m/s；Y為巖石拋擲距離，m；VF為破碎巖石平均飛行速度，150 m/s。將上述參數(shù)代入式（9）得出：t1=2.0 ms，t2=2.5 ms。

礦巖爆破在完成t1、t2階段后，即經(jīng)過破碎、充滿空孔等補償空間后，向下移動出切割井范圍的運動主要是自由落體運動，炸藥爆破產(chǎn)生的余波只起到部分推動作用。本研究提出了t3計算方法，公式為

式中，g為重力加速度；k為炸藥爆轟余波對加速度的影響系數(shù)，可通過試驗確定，本研究取0.75，計算得到18 m高的切割井t3為1 440 ms。為此，各時間區(qū)段的爆破時間間隔為t1+t2+t3=1 440+2.0+2.5 ms=1 444.5 ms，本研究取1.5 s。

在確定同時間區(qū)間段內(nèi)各孔爆破時間時，由于巖石破碎有兩個過程（巖石受沖擊壓縮前移和卸載回彈），本研究采用下式計算孔間微差時間：

式中Q為單孔裝藥量，52 kg；ρ0為炸藥密度，1.05 kg/m3；D為炸藥爆速，3 000 m/s；ρc為巖石密度，2.68 t/m3；Cp為縱波在巖石中的傳播速度，本研究4種巖石（石英二長斑巖、閃長玢巖、大理巖和角巖）的縱波均值為5 466 m/s；S為巖石移動距離，按切割井邊長12計算為2 m；V為巖塊平均移動速度，150 m/s。

將以上參數(shù)代入式（11），得到微差時間間隔23.6 ms，為操作方便本研究取25 ms。按照以上分析，得到的切割井中深孔爆破時間見表3。

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3.5 爆破效果

按照本研究中深孔設(shè)計方案，對聚礦槽切割井開展了5次現(xiàn)場試驗，深度均達(dá)到18 m，井筒斷面也達(dá)到了2 m×2 m要求，實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，爆破效果如圖4所示。

4 結(jié)論

（1）按照最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則和Mises準(zhǔn)則并結(jié)合普朗銅礦的4類（石英二長斑巖、閃長玢巖、大理巖和角巖）含礦巖體及炸藥參數(shù)，計算得到礦山中深孔爆破平均破碎區(qū)半徑為0.368 m、裂隙區(qū)半徑為0.702 m。

（2）切割井掏槽孔與空孔間距按照破碎區(qū)半徑確定以保證掏槽質(zhì)量，經(jīng)計算，普朗銅礦斷面2 m×2 m、深18 m的切割井需要8個中深孔爆破成型，其他中深孔間距按照裂隙區(qū)半徑確定。

（3）電子雷管起爆是形成切割井的充分條件，一次成井的核心是在爆破過程中通過時間段劃分不斷創(chuàng)造補償空間。經(jīng)計算，18 m切割井爆破時間段以1.5 s為宜，各時間段內(nèi)的起爆時間按照微差理論計算以25 ms為宜。