地下礦山上向中深孔爆破回采眉線保護(hù)技術(shù)研究*

谷亞州，史秀志，霍曉鋒，邱賢陽，王衍海

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083)

分段鑿巖嗣后充填采礦法在國內(nèi)礦山應(yīng)用廣泛[1]，眉線是指在生產(chǎn)作業(yè)中將每步距爆破后所形成的回采巷道頂部的邊界線。無論在哪種應(yīng)力環(huán)境下，眉線都容易受到磨蝕、破壞，斷層、節(jié)理、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造是導(dǎo)致眉線破壞的主要原因，爆破工藝參數(shù)不合理是次要原因[2]。對于礦巖完整性較好的采場，眉線破壞的主要原因是爆破參數(shù)不合理，炮孔裝藥量偏大，孔口爆炸能量集中，后沖作用較大，進(jìn)而造成爆破對后排炮孔沖擊損傷嚴(yán)重。眉線破壞嚴(yán)重影響到了后一次爆破作業(yè)工作面的安全，對于采場后續(xù)安全回采造成不利影響，需要采取措施對眉線進(jìn)行控制及保護(hù)。

肖文芳通過采用微差爆破[3]，將扇形炮孔的扇面設(shè)計為前傾等方法保護(hù)眉線；魏大恩提出調(diào)整切割拉槽炮孔數(shù)目及排距[4]，優(yōu)化填塞長度，以保護(hù)眉線；涂旭東等通過優(yōu)化爆破參數(shù)及爆破網(wǎng)絡(luò)[5]，改善支護(hù)形式，使得眉線破壞率降低；某金礦采場眉線破壞情況如圖1所示，周宗紅等通過取消孔內(nèi)敷設(shè)的導(dǎo)爆索[6]，采用非電導(dǎo)爆管起爆，排內(nèi)炮孔采用微差爆破，減少同時起爆藥量，孔口交錯裝藥，減小孔口炸藥密度，以保護(hù)眉線。

圖 1 某金礦采場眉線破壞情況Fig. 1 The damage of the brow line in a gold mine stope

由以上研究可知最后一排炮孔的爆破參數(shù)對眉線保護(hù)效果影響最大，然而關(guān)于炮孔角度、孔口空氣墊層長度以及孔間距對眉線礦巖損傷影響的研究較少，且在現(xiàn)場生產(chǎn)實際中，這些爆破參數(shù)較為容易調(diào)整。因此，基于銅綠山礦井下采場上向中深孔爆破工程背景，通過爆破漏斗理論和LS-DYNA數(shù)值計算軟件分別對不同炮孔角度、不同空氣墊層長度和不同炮孔間距分別進(jìn)行分析，以眉線控制保護(hù)效果為依據(jù)，確定采場側(cè)崩爆破回采過程中最后一排炮孔的最優(yōu)爆破參數(shù)?；趦?yōu)化后的爆破參數(shù)，在銅綠山井下采場進(jìn)行了上向中深孔爆破試驗，為保護(hù)回采巷道眉線提供了有效的解決方案。

1 工程概況

在實際生產(chǎn)中，以切槽區(qū)域為自由面在側(cè)崩區(qū)進(jìn)行扇形中深孔爆破時眉線破壞嚴(yán)重，如圖2所示。試驗采場為銅綠山礦9310礦房采場，位于-485 m中段，采場礦巖完整性較好，沒有大裂隙帶穿過，可以作為試驗采場使用。作為高分層中深孔試驗采場，其回采范圍為從-485中段一分段到四分段，回采高度39 m，采場寬8 m，炮孔多為上向垂直炮孔，孔深為10 m左右，如圖3所示。

圖 2 銅綠山礦采場眉線破壞情況Fig. 2 The damage of brow line in Tonglushan Mine

圖 3 9310采場中深孔布置圖(單位：m)Fig. 3 Medium-length hole layout in the 9310 stope(unit:m)

2 爆破參數(shù)對眉線控制的影響機(jī)制

分段鑿巖嗣后充填采礦法在采場回采中側(cè)向崩礦時，常出現(xiàn)破碎礦巖塊度極不均勻以及爆破超出設(shè)計邊界等問題。因此需對現(xiàn)有扇形中深孔孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究以控制炸藥單耗，改善礦巖塊度，從而達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本的目的。此前已有許多學(xué)者對銅綠山礦采場的孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行了研究[7,8]，此處不再進(jìn)行深入研究，排距為1.4 m，炸藥離孔口自由面1.2 m，即孔口堵塞1.2 m。

由于炮孔孔底距離眉線位置較遠(yuǎn)，孔底裝藥對于眉線處礦巖爆破損傷較小，因此孔口附炸藥能量分布決定了眉線處圍巖爆破損傷，其作用機(jī)制可近似為孔口段球狀炸藥爆炸能量向孔口自由面釋放所形成的爆破漏斗。根據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論可知[9,10]，當(dāng)巖石性質(zhì)不變時，炸藥能量以及藥包位置決定了爆破漏斗的形態(tài)。因此，可以通過調(diào)整炸藥能量以及藥包位置，進(jìn)而達(dá)到控制眉線處圍巖損傷的目的。

2.1 炮孔角度對眉線完整性影響

對于最后一排炮孔，炮孔角度不同時，由于孔口炸藥的最小抵抗線向前移動，進(jìn)而造成爆破漏斗的前移，使得爆破窿形曲線與炮孔線之間的損傷破壞體積減少，減少了對眉線的破壞，如圖4所示。此外，垂直炮孔爆破時，前部自由面輪廓為直線型，孔口部分爆炸能量擴(kuò)散阻力較大，因此容易后沖，造成后部眉線破壞。傾斜炮孔起爆時，在孔口處更有利于能量的擴(kuò)散及作用于開挖區(qū)，更有利于眉線保護(hù)。

圖 4 不同角度孔口爆破漏斗機(jī)理分析Fig. 4 Mechanism analysis for blasting crater at the orifice of blast holes with different angles

2.2 孔口空氣墊層長度對眉線處礦巖損傷影響

炮孔孔口空氣墊層可以對爆炸沖擊能量產(chǎn)生緩沖效果[11]，進(jìn)而降低爆炸荷載峰值，延長其作用時間，改善孔口爆炸能量分布，形成的爆破漏斗較小，相當(dāng)于減弱拋擲爆破漏斗，有利于減少炮孔孔口附近巖體的損傷破壞，進(jìn)而保護(hù)眉線，如圖5、圖6所示。

圖 5 空氣墊層作用示意圖Fig. 5 Diagram of air decking action

圖 6 有無空氣墊層孔口爆破漏斗示意圖Fig. 6 Diagram of blasting crater with or without air decking

2.3 炮孔間距對眉線平整度影響

孔口無空氣墊層時，孔口處爆炸應(yīng)力荷載較大，單孔形成的爆破漏斗體積也較大，在孔口部位排炮孔之間的球狀藥包可以形成共同作用爆破漏斗，如圖7所示，而孔口采用空氣墊層時，空口壓力較小，增強(qiáng)了氣體的作用時間，減少了孔口附近巖體的爆破漏斗范圍，但也因此易造成相鄰炮孔孔口間的巖體難以完全貫通，各孔形成了各自獨立的爆破漏斗，如圖8所示，可能會產(chǎn)生留門簾的現(xiàn)象，為達(dá)到良好的爆破效果，需要對炮孔間距進(jìn)行優(yōu)化研究[12,13]。

圖 7 無空氣墊層時相鄰炮孔爆破漏斗圖Fig.7 Blasting crater for the adjacent blast holes without air decking

圖 8 有空氣墊層時相鄰炮孔爆破漏斗圖Fig. 8 Blasting crater for the adjacent blast holes with air decking

3 爆破參數(shù)優(yōu)化與分析

3.1 炮孔角度優(yōu)化研究

3.1.1 計算模型及材料參數(shù)

本節(jié)主要以巷道眉線的損傷破壞為研究對象，模型主要研究部分在于孔口部分，而受回采高度的大小影響較小，為了節(jié)約計算時間，僅以孔口附近3.2 m回采高度的巖石爆破為界進(jìn)行建模計算，其炮孔直徑為51 mm，排距為1.4 m，孔口堵塞為1.2 m，裝藥長度為2 m。模擬方案共5種，各方案炮孔角度分別為90°、85°、80°、75°、70°。計算模型尺寸為長6.0 m×寬0.01 m×高3.2 m(X向為長度方向，Y向為高度方向，Z向為寬度方向)，在模型上部(Y向)和左側(cè)(X向)設(shè)置無反射邊界條件，礦體右側(cè)和底部為自由面，具體模型實體圖及邊界條件如圖9所示，計算時長為1 ms，單位制采用kg-m-s。

圖 9 炮孔角度優(yōu)化數(shù)值模型圖(單位：m)Fig. 9 Numerical model for blast hole angle optimization(unit:m)

巖石模型選用混凝土本構(gòu)模型(MAT_RHT)。銅綠山礦礦巖密度為3300 kg/m3，彈性模量為32.5 GPa，泊松比0.25，單軸抗壓強(qiáng)度為70 MPa。炸藥選用井下爆破2號巖石乳化炸藥，材料本構(gòu)模型(*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN)[14]。在模擬中可用JWL炸藥狀態(tài)方程與炸藥模型共同施加爆破荷載，更精確地描述爆炸過程，其參數(shù)如表1所示。

表 1 炸藥材料參數(shù)

3.1.2 模擬結(jié)果分析

通過巖體的損傷分布圖觀察、分析側(cè)崩爆破后爆破效果以及巷道眉線的損傷破壞情況。在0.7 ms時刻，各方案側(cè)崩爆破作用下巖體的損傷破壞已基本完成。云圖中添加白色線代表臨爆排炮孔，以此分析損傷高度，如圖10所示。

圖 10 不同炮孔角度下側(cè)崩爆破損傷云圖(t=0.7 ms)Fig. 10 Rock damage for lateral blasting with different blast hole angles(t=0.7 ms)

將上述各個方案眉線處礦巖的損傷輪廓線繪制在同一圖中以更為直觀的對比各方案的優(yōu)劣，如圖11所示，并將各方案眉線損傷破壞長度統(tǒng)計如表2所示。臨爆排炮孔處的損傷高度在0.18～0.42 m之間，窿形線最陡處角度在40°左右，通過表2可以看出，五種方案均會造成后排眉線處礦巖的損傷破壞，隨著炮孔角度的減小，前排炮孔側(cè)崩爆破對眉線處的破壞作用逐步減少，眉線處礦巖損傷破壞長度逐步從2.4 m減少到1.37 m，對眉線的保護(hù)作用逐步增強(qiáng)。

圖 11 各方案眉線處礦巖損傷破壞輪廓圖Fig. 11 Outline of the rock damage zone at the brow region for the five schemes

表 2 各方案眉線處礦巖損傷破壞長度表

此外，對開挖區(qū)礦巖的破碎效果進(jìn)行了統(tǒng)計分析，各方案開挖區(qū)礦巖破碎巖體比例統(tǒng)計如表3所示。由此可見，隨著炮孔角度的減少，開挖區(qū)巖體的破碎程度更好，越有利于增強(qiáng)底部自由面效應(yīng)，增強(qiáng)破巖效果。

綜合以上眉線破壞程度以及開挖區(qū)礦巖破碎效果可知，越小的炮孔角度越有利于保護(hù)后排眉線的完整性以及增強(qiáng)開挖區(qū)破巖效果，能夠更好地發(fā)揮底部自由面效應(yīng)，因此在實際生產(chǎn)中單次爆破最后一排炮孔應(yīng)盡量選擇較小角度的炮孔，最優(yōu)的炮孔角度為70°。

表 3 各方案開挖區(qū)礦巖破碎巖體比例

3.2 孔口空氣墊層長度優(yōu)化研究

3.2.1 孔口堵塞長度理論計算

圖12為炮孔堵塞示意圖，L為炮孔裝藥長度，le為理想堵塞長度，l為裝藥點至球狀藥包的距離。炮孔堵塞長度為

(1)

上述計算公式是理論條件下得到的，現(xiàn)實中炮孔堵塞質(zhì)量、巖體可爆性并不完全相同，計算結(jié)果偏保守。因此實際堵塞長度ls需要增大[15,16]，須按下式來確定

ls=ble

(2)

式中，b為堵塞系數(shù)，即被爆礦巖與堵塞材料兩者可爆性的比值，該系數(shù)可簡化為兩者的體重比，巖石與堵塞炮泥的體重比為1.25，即b=1.25。

將b代入到公式2中并取整，得到孔口堵塞長度ls為1.5 m。

3.2.2 計算模型

以孔口附近3.2 m回采高度的巖石爆破為例進(jìn)行數(shù)值建模，其炮孔直徑為51 mm，炮孔角度為70°，排距為1.4 m，孔口堵塞高度為1.5 m，裝藥高度為1.7 m。模擬方案共4種，孔口空氣墊層長度分別為1.2 m、0.9 m、0.6 m、0.3 m。計算模型尺寸為長7.0 m×寬0.01 m×高3.2 m，具體模型實體圖及邊界條件如圖13所示。在0.7 ms時刻，各方案側(cè)崩爆破作用下巖體的損傷破壞已基本發(fā)育完成，損傷云圖如圖14所示。

圖 12 炮孔堵塞示意圖Fig. 12 The schematic illustration of stemming

圖 13 孔口空氣墊層長度優(yōu)化數(shù)值模型圖(單位：m)Fig. 13 Numerical model for the length optimization of air decking at the orifice(unit:m)

圖 14 不同空氣墊層長度下側(cè)崩爆破損傷云圖(t=0.7 ms)Fig. 14 Rock damage for lateral blasting with different air decking lengths(t=0.7 ms)

3.2.3 模擬結(jié)果分析

通過以上各方案的損傷分布圖可以看出，相比上節(jié)中無空氣墊層方案，有空氣墊層方案可以大大減少后排眉線破壞，且破壞范圍僅存在于孔口附近，孔底爆破漏斗范圍明顯縮小，明顯改善了孔口爆炸能量的分布形式，使得更多的爆炸能量能夠作用于開挖區(qū)，減少了對后排巖體的破壞。各方案的眉線損傷破壞長度均為1.37 m，臨爆排炮孔處的損傷高度僅在0.05 m左右。此外，當(dāng)采用0.3 m長度空氣墊層時，在堵塞物頂部左側(cè)的巖體具有明顯的損傷，說明空氣墊層長度較小，導(dǎo)致爆破能量依舊在堵塞物頂部集中分布，易對后排巖體造成破壞，進(jìn)而破壞眉線完整性，而其他三種方案均能保證炸藥能量的均勻分布，保證后部眉線較好的完整性，因此炮孔孔口處空氣墊層長度應(yīng)至少取0.6 m。

3.3 炮孔間距優(yōu)化研究

由上節(jié)模擬可以看出，孔口堵塞部分附近的礦巖損傷值較小，說明孔口附近礦巖破碎效果較差，易造成大塊率增多的問題，且后部眉線的損傷破壞區(qū)域仍然較大。

3.3.1 計算模型

以孔口附近3.2 m回采高度的巖石爆破為例進(jìn)行數(shù)值建模，其炮孔直徑為51 mm，炮孔角度為70°，排距為1.4 m，孔口堵塞高度為1.5 m，其中空氣墊層長度0.6 m，炮泥長度0.9 m，裝藥高度為1.7 m。模擬方案共3種，炮孔間距a分別為1.4 m、1.2 m、1.0 m。計算模型尺寸為長6.0 m×寬7.2 m×高3.2 m，具體模型實體圖及邊界條件如圖15所示。

圖 15 孔間距優(yōu)化數(shù)值模型圖(單位：m)Fig. 15 Numerical model of hole spacing optimization(unit:m)

3.3.2 模擬結(jié)果分析

通過t=1 ms時刻巖體的損傷分布圖觀察、分析側(cè)崩爆破后爆破效果以及巷道眉線的損傷破壞情況。

為了觀察爆破輪廓的光面效果，在最終時刻t=1.0 ms損傷云圖的基礎(chǔ)上，在炮孔連線處建立了剖面，如圖15所示，以分析爆破輪廓位置的巖石損傷。

為監(jiān)測孔間應(yīng)力情況，在炮孔連線剖面兩孔中間布置了4個監(jiān)測點以監(jiān)測各點爆炸荷載，各測點布置如圖所示，其中A、B、C、D各測點間的距離均為0.71 m，監(jiān)測點布置圖如圖16所示。

圖 16 孔間距優(yōu)化監(jiān)測點布置圖Fig. 16 Monitoring point layout for hole spacing optimization

在t=1.0 ms時刻，各方案側(cè)崩爆破作用下巖體的損傷破壞已基本發(fā)育完成，模型整體損傷云圖以及炮孔連線剖面損傷云圖如圖17所示。

將上述各方案中監(jiān)測點爆炸荷載峰值進(jìn)行統(tǒng)計，如表4所示。

圖 17 不同空氣墊層長度下側(cè)崩爆破損傷云圖(t=1 ms)Fig. 17 Rock damage for lateral blasting with different hole spacings(t=1 ms)

表 4 各方案監(jiān)測點爆炸荷載峰值

由和可知，a=1.4 m時，由于炮孔間距較大，孔口周圍巖體所受到的爆炸能量明顯不足，監(jiān)測點B爆炸荷載峰值為64.3 MPa，應(yīng)力值較低造成B點附近區(qū)域巖石難以破壞，進(jìn)而出現(xiàn)掛幫、眉線不平整等問題，此外在開挖區(qū)自由面附近，兩孔孔口間部分巖石損傷明顯較小，說明會有大塊產(chǎn)生；a=1.2 m時，開挖區(qū)自由面附近仍有部分巖石損傷破壞較小，易產(chǎn)生大塊，且監(jiān)測點B爆炸荷載峰值為74.1 MPa，相比a=1.4 m時提升15.24%，難以達(dá)到破巖要求，在炮孔連線剖面中孔口附近巖石仍舊有兩小塊區(qū)域巖石未發(fā)生破壞，仍會在眉線位置形成脊柱；a=1.0 m時，開挖區(qū)自由面附近巖石均能達(dá)到有效破壞，能夠達(dá)到較好的破碎效果，且監(jiān)測點B爆炸荷載峰值為94.72 MPa，相比a=1.2 m時提升27.13%，在炮孔連線剖面中孔口附近巖石爆破損傷值能夠達(dá)到0.6以上，能夠保證眉線處的平整。因此在孔口選用空氣墊層保護(hù)眉線的同時，為達(dá)到較好的爆破效果，最優(yōu)炮孔間距為1.0 m。

4 現(xiàn)場試驗

以銅綠山礦9310采場為試驗對象，在回采區(qū)進(jìn)行上向扇形中深孔炮孔布置。實際生產(chǎn)中炮孔深度為10 m左右，當(dāng)選用比80°更小角度的炮孔時，最后一排斜孔孔底易與前排垂直炮孔打穿，且過小的孔底距易造成炸藥能量浪費以及粉礦率的提高，因此炮孔角度設(shè)置為80°(向自由面方向傾斜)。其余爆破參數(shù)根據(jù)以上數(shù)值模擬研究結(jié)果確定。炮孔裝藥如圖15所示，前排炮孔裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)裝藥，孔口堵塞位置為1.2 m，后排炮孔孔口為不耦合裝藥，裝有0.6 m竹筒，堵塞位置為0.9 m，如圖18所示。

圖 18 側(cè)崩爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)Fig.18 Charge design for the lateral blasting(unit:m)

由圖19可知，可以看出爆后眉線平整，完整性較好，能夠保證后續(xù)裝藥作業(yè)安全。此外，頂板與兩幫完整性好、破壞小，且爆破塊度均勻，爆破效果良好。表明上向中深孔爆破回采中的孔網(wǎng)參數(shù)合理，且眉線控制爆破參數(shù)選用合理。

圖 19 現(xiàn)場爆破效果圖Fig. 19 The blasting effect in the field

5 結(jié)論

通過理論分析和LS-DYNA軟件模擬對最后一排炮孔不同炮孔角度、不同炮孔間距的爆破數(shù)值模型進(jìn)行計算分析，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗，得到以下結(jié)論：

(1)越小的炮孔角度越有利于保護(hù)后排眉線的完整性以及增強(qiáng)開挖區(qū)破巖效果，能夠更好地發(fā)揮底部自由面效應(yīng)，斜孔角度要結(jié)合現(xiàn)場的布孔情況確定。

(2)合理的空氣墊層長度，會改善孔口爆炸能量的分布形式，減少對后排巖體的破壞。

(3)在炮孔孔口采用空氣墊層時，較大的炮孔間距易導(dǎo)致相鄰炮孔難以形成共同爆破漏斗，為達(dá)到較好的爆破效果，應(yīng)適當(dāng)減少炮孔間距。

(4)現(xiàn)場試驗對采場側(cè)崩爆破中最后一排炮孔的最優(yōu)爆破參數(shù)(最優(yōu)炮孔角度為80°，最優(yōu)空氣墊層長度為0.6 m，最優(yōu)炮孔間距為1.0 m)進(jìn)行了驗證，爆后眉線完整性較好，爆破效果良好，表明該方案可以有效地控制及保護(hù)眉線。