基于礫巖爆破漏斗試驗的中深孔爆破參數(shù)研究*

丘浩禹，黃明清，游淳淋

（福州大學(xué)紫金地質(zhì)與礦業(yè)學(xué)院， 福建 福州 350108）

1 引言

金屬礦床地下開采一般采用爆破落礦的方式，爆破效果的好壞直接影響著礦山的回采效率和經(jīng)濟效益。爆破效果取決于炸藥自身特性及各項爆破參數(shù)，其中爆破參數(shù)主要由數(shù)值模擬法和物理試驗法等確定［1-2］。王子?。?］等基于數(shù)值模擬的耦合裝藥條件，對巷道掘進掏槽的爆破參數(shù)進行了研究；魯超［4］通過數(shù)值分析模擬等方法，對巖體力學(xué)參數(shù)展開了研究，優(yōu)化了太白金礦的爆破參數(shù)；南江［5］等通過建立數(shù)值模型，對大冶鐵礦爆破與邊坡的關(guān)系進行了研究；邱勝光［6］等基于爆破漏斗試驗，設(shè)計了紫金山地下采場合理的大直徑深孔爆破參數(shù)；文興［7］等通過爆破漏斗試驗，確定了阿舍勒銅礦崩礦的爆破參數(shù)，優(yōu)化了采場爆破的質(zhì)量；呂賢鵬［8］等根據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論，設(shè)計了一系列單孔爆破漏斗測試，對相關(guān)爆破參數(shù)進行了研究。通常，數(shù)值模擬法因成本低廉、不受場地限制等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于爆破參數(shù)的研究。然而，數(shù)值模擬法考慮的參數(shù)有限，無法全面地反映礦巖物理力學(xué)特性，故采用物理試驗法能夠得到更為理想的爆破參數(shù)。利文斯頓根據(jù)大量的爆破漏斗試驗，以能量平衡為基礎(chǔ)，從能量轉(zhuǎn)化和工程的角度，對爆破漏斗的產(chǎn)生和演變進行了分析，總結(jié)出了利文斯頓爆破漏斗理論，近年來被廣泛應(yīng)用于礦業(yè)生產(chǎn)中［9］。

薩熱克銅礦主要采用分段空場嗣后充填法采礦，礦塊沿礦體走向布置，礦塊長度 70～100 m，階段高度60 m，分段高15 m。由于礦山投產(chǎn)時間短，現(xiàn)有工程地質(zhì)條件及礦巖穩(wěn)定性研究不足，采場現(xiàn)行中深孔爆破參數(shù)與現(xiàn)有礦巖物理特性不相匹配，爆破效果不佳。為了得到薩熱克銅礦理想的爆破參數(shù)，本文將依據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論，在礦山礫巖巷道中設(shè)計單系列爆破漏斗試驗和變孔距多孔同段爆破漏斗試驗，根據(jù)試驗結(jié)果得出推薦的中深孔爆破參數(shù)，為分段空場嗣后充填法采礦過程中的爆破參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)。

2 試驗與方法

2.1 開采技術(shù)條件

薩熱克銅礦為沉積-變質(zhì)成礦，礦化受層位控制，巖層穩(wěn)定，近礦圍巖與礦層巖性一致，含礦層上盤為礫巖，厚10～30 m，下盤為砂礫巖、砂巖，厚30～50 m。巖石較為堅硬，單軸抗壓強度為70～110 MPa，f系數(shù)為7～11。試驗地點選取在2730 m分段101采場鑿巖道內(nèi)，巖石較為完整，無明顯斷層。

2.2 單系列爆破漏斗試驗

在試驗地點內(nèi)選擇一個平整的巷道側(cè)幫，采用YT28鉆機鑿8個淺孔，孔徑為40 mm，孔距為2.0 m，孔深分別為40 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm、90 cm、100 cm、120 cm，炮孔布置如圖1所示。自制?35mm×250mm的膨化硝銨炸藥藥卷，每卷重240 g，每孔內(nèi)裝一卷炸藥，藥卷一端置入25 g乳化炸藥作為起爆藥，將帶有起爆藥的一端朝里送入孔內(nèi)，未裝藥部分使用炮泥填塞。

圖1 單系列爆破漏斗試驗炮孔分布

2.3 變孔距多孔同段爆破漏斗試驗

試驗地點選擇在單系列爆破漏斗試驗的另一側(cè)幫壁，采用YT28鉆機鑿7個淺孔，孔徑為40 mm，孔距依次為40 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm、90 cm，以單系列爆破漏斗試驗得出的最佳深度為藥包裝藥深度，炮孔布置如圖2所示。藥卷參數(shù)及裝藥方式同單系列爆破漏斗試驗。

圖2 變孔距爆破漏斗試驗炮孔分布

2.4 爆破漏斗尺寸測量方法

2.4.1 爆破漏斗半徑

試驗后，不計入漏斗周圍巖石片落部分，勾勒出漏斗口的邊界線，以炮孔為中心點，豎直向上為起始方向，順時針間隔旋轉(zhuǎn)45°，旋轉(zhuǎn)8次，分別測量8個方位的漏斗半徑，取其平均值作為最終的漏斗半徑。

2.4.2 爆破漏斗深度

爆破后，以漏斗所在巷道側(cè)幫壁作為基準面，垂直該基準面向漏斗內(nèi)測得的最大深度，作為最終的漏斗深度。

2.4.3 爆破漏斗體積

采取垂直斷面法，以垂直炮孔軸線的平面作為基準面，按一定的等距離（20cm×20cm的網(wǎng)度）測得一組垂直于基準面的爆破漏斗深度輪廓線，得出各測點的爆破深度，算出漏斗各斷面面積，再根據(jù)體積公式計算漏斗體積。

其中漏斗各斷面的面積Si可由式（1）計算：

式中： Si為漏斗某斷面面積，m2； B為測點間距，本試驗為0.2m； Yi為第i點爆破深度，m。

其中漏斗體積V可由式（2）計算：

式中：V為爆破漏斗體積，m3； B為斷面間距，取0.2m；Si為漏斗某斷面面積，m2。

3 結(jié)果與討論

3.1 單系列爆破漏斗試驗

將8個炮孔的實測數(shù)據(jù)列于表1?？梢钥闯?，1至7號炮孔均形成有效爆破漏斗，礫巖的可爆性較好；當藥包埋深小于50.5 cm時，爆破漏斗的半徑、深度和體積均與埋深正相關(guān)；當藥包埋深等于50.5 cm時，爆破漏斗的半徑、深度和體積均達到最大值，最大爆破漏斗體積為101317 cm3；當藥包埋深大于50.5 cm時，爆破漏斗的半徑、深度和體積均與埋深負相關(guān)；當藥包埋深達到98.5 cm時，無法形成有效的爆破漏斗。

表1 單系列爆破漏斗試驗實測數(shù)據(jù)

基于最小二乘法原理，采用Origin軟件對試驗結(jié)果進行多項項擬合，得出爆破漏斗體積V、半徑R與藥包中心埋深l的關(guān)系式（3）～（4），進而繪制出爆破漏斗特征曲線圖3、圖4。

圖3 V-l特征曲線

圖4 R-l特征曲線

式中：V為爆破漏斗體積，cm3；R為爆破漏斗半徑，cm；l為藥包中心埋深，cm。

結(jié)合關(guān)系式和圖表，得出單系列爆破漏斗試驗的臨界埋深為98.5 cm，最佳埋深為47.0 cm，最佳埋深比為0.48，最大爆破漏斗體積0.109 m3，最大爆破漏斗半徑45.042 cm。

3.2 變孔距多孔同段爆破漏斗試驗

爆破后，將7個炮孔的輪廓線繪制在圖5中?？梢钥闯觯?、2、3、4、5號炮孔連通成槽；6、7號炮孔形成獨立的爆破漏斗。即當孔間距為40～70 cm時，炸藥能量在孔間較好地疊加，沿炮孔中心連線所形成的槽溝寬度和深度均較大；當孔間距為80～90 cm時，炸藥能量的疊加效果削弱，呈現(xiàn)出獨立的爆破漏斗，無法形成槽溝。

圖5 變孔距多孔同段爆破漏斗試驗實測圖

3.3 中深孔爆破參數(shù)優(yōu)化

薩熱克銅礦采用分段空場嗣后充填法采礦，基于單系列爆破漏斗試驗及變孔距多孔同段爆破漏斗試驗結(jié)果，根據(jù)爆破漏斗相似理論，推薦薩熱克銅礦中深孔爆破參數(shù)如下：

3.3.1 最佳孔間距

最佳孔間距［10］可由式（5）確定，計算得1.3～1.5 m。

式中：Rj為單系列爆破漏斗試驗最佳漏斗半徑，0.45 m；Q為單系列爆破漏斗試驗炮孔裝藥量，0.265 kg；Q0為中深孔爆破單層裝藥量，1.5 kg/m。

3.3.2 最大孔底距

根據(jù)變孔距多孔同段爆破漏斗試驗中形成槽溝的孔間距，并考慮尺寸效應(yīng)，得出中深孔爆破的最大孔底距，計算為1.19～2.8 m。由于薩熱克銅礦目前采用的2.6 m孔底距爆破效果較好，因此，此處選擇孔底距最大值2.8 m作為中深孔爆破孔底距。

3.3.3 炸藥單耗

根據(jù)單系列爆破漏斗試驗結(jié)果及其數(shù)據(jù)擬合，爆破漏斗體積最大時，炸藥單耗最低，為最優(yōu)工況。由式（6）可確定炸藥單耗為2.43 kg/m3。

式中：q為中深孔爆破炸藥單耗，kg/m3；Q為單系列爆破漏斗試驗炮孔裝藥量，0.265 kg；V為單系列爆破漏斗試驗最大漏斗體積，此處為0.109 m3。

3.3.4 最小抵抗線

最小抵抗線［11］可按式（7）選取，計算為1.824 m。工業(yè)生產(chǎn)時可以略提高，以1.9～2.0 m為宜，以探索炸藥單耗更低、爆破效果更好的參數(shù)值。

式中：D0為爆破漏斗試驗孔徑，40 mm；D為中深孔爆破炮孔直徑，76 mm；n為單系列爆破漏斗試驗中最佳埋深時的爆破作用指數(shù)，取0.96。

綜上，在單系列爆破漏斗試驗及變孔距多孔同段爆破漏斗試驗的基礎(chǔ)上，基于爆破漏斗相似理論，得到薩熱克銅礦分段空場嗣后充填法的中深孔爆破參數(shù)為：最佳孔間距1.3～1.5 m，最大孔底距2.8 m，炸藥單耗2.43 kg/m3，最小抵抗線1.9～2.0 m。

4 結(jié)論

（1）薩熱克銅礦礫巖可爆性較好，通過漏斗試驗可以得到理想的中深孔爆破參數(shù)。根據(jù)單系列爆破漏斗試驗數(shù)據(jù)及其擬合結(jié)果：藥包臨界埋深為98.5 cm，最佳埋深為47.0 cm，最佳埋深比為0.48，最大爆破漏斗體積0.109 m3，最大爆破漏斗半徑45.042 cm。

（2）變孔距多孔同段爆破漏斗試驗表明，孔間距的增大，不利于孔間炸藥能量的疊加，不利于槽溝的形成。同時，當孔間距為40～70 cm時，炮孔宜拉通成槽，槽溝的寬度和深度均較大。

（3）在單系列爆破漏斗試驗及變孔距多孔同段爆破漏斗試驗的基礎(chǔ)上，基于爆破漏斗相似理論，得到薩熱克銅礦礫巖中深孔爆破推薦參數(shù)為：最佳孔間距1.3～1.5 m，最大孔底距2.8 m，炸藥單耗2.43 kg/m3，最小抵抗線1.9～2.0 m。