水孔間隔填塞的理論分析與現(xiàn)場試驗

汪 偉， 彭定瀟， 黃毅偉

（1. 江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司， 江西 南昌 330001； 2. 江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司， 江西 南昌 330001）

露天臺階爆破生產(chǎn)效率高、 經(jīng)濟(jì)效益好， 在礦山、 鐵道、 公路、 水利水電等建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1］。影響露天爆破效果的參數(shù)包括孔距、 排距、裝藥結(jié)構(gòu)、 炮孔填塞、 起爆順序、 延期時間等［2-4］。其中， 炮孔填塞既是防止爆生氣體過早泄漏、 提高爆炸能量利用率的有效措施， 又是阻止爆破沖孔、降低飛石風(fēng)險的主要手段。因此， 炮孔填塞對于露天臺階爆破非常重要［5］。國內(nèi)外專家學(xué)者圍繞炮孔填塞開展了一系列研究。Cevizci［6］研發(fā)了一種新型的膠凝封堵技術(shù)， 與常規(guī)填塞方法相比， 提高了炸藥能量利用率， 炸藥單耗降低15%以上。Sharma［7］通過現(xiàn)場爆破試驗和指標(biāo)分析， 證明有效的填塞能顯著改善破碎質(zhì)量， 提升鏟裝設(shè)備運轉(zhuǎn)效率。張智宇等［8］針對不同粒徑巖屑抗剪性能及水孔填塞效果開展研究， 得出一定粒徑范圍內(nèi)的巖屑顆粒能很好地解決露天水孔填塞爆破問題，經(jīng)現(xiàn)場試驗證明， 可將沖孔率降低20%， 爆破大塊率降低8%。高文磊等［9］對不同填塞物的填塞效果進(jìn)行對比分析， 得出炮孔在一特定長度區(qū)間時， 黏土填塞的作用時間最短、 碎石最長。郝亞飛等［10］通過LS-DYNA 模擬不同填塞長度對爆炸應(yīng)力波作用的影響， 得出最優(yōu)的填塞長度區(qū)間。以上研究雖然取得了一定成效， 但在炮孔填塞方面， 仍存在施工不便、 成本過高、 理論指導(dǎo)性不足等局限。考慮到爆破過程的復(fù)雜性， 仍需結(jié)合實際工程情況，深入開展炮孔填塞技術(shù)研究。

德興銅礦年采剝總量超過1 億t， 地處南方多雨地區(qū)， 每年3 月至7 月是大氣降雨補給的主要時段。該礦山進(jìn)入深凹露天開采已有數(shù)十年， 在生產(chǎn)過程中常常面臨水孔爆破的情況。其不佳的填塞質(zhì)量， 既導(dǎo)致爆炸應(yīng)力和爆破作用時間快速下降， 影響破碎效果， 也更容易產(chǎn)生飛石沖孔等危害。德興銅礦在露天臺階爆破過程中， 為方便施工， 鉆孔產(chǎn)生的巖粉大多用于炮孔填塞。由于巖粉是松散物， 其內(nèi)聚力和抗剪切力均較低， 對爆炸沖擊物的抵抗作用有限。特別是當(dāng)孔內(nèi)含水時，巖粉和水混合成泥漿， 進(jìn)一步降低了巖粉與孔壁的摩擦力， 對爆炸沖擊物的抵抗更弱［11］。對此， 該礦山曾嘗試將鋪路用的碎石（粒徑20~30 mm）用于填塞炮孔， 其對爆炸沖擊物具有較好的低抗作用，但碎石的加工、 運輸、 填塞等工序復(fù)雜、 成本高，最終未能推廣應(yīng)用。針對上述問題， 考慮利用空氣間隔器膨脹后對孔壁具有靜荷壓力的特點， 研究其用于炮孔（水孔）填塞的可行性， 以形成一種易施工、 成本低的炮孔填塞方法。

1 力學(xué)分析

根據(jù)生產(chǎn)廠家資料， 空氣間隔器充氣后的靜荷強度約為0.4 MPa（相當(dāng)于4 倍大氣壓力）， 空氣間隔器的質(zhì)量可忽略不計， 但其膨脹后可對孔壁產(chǎn)生較大壓力， 故使用間隔器填塞能否提高對爆炸沖擊物抵抗的關(guān)鍵， 在于間隔器與孔壁的摩擦力是否大于因此減少的干孔巖粉（水孔巖漿）的重力和摩擦力之和。圖1 為炮孔填塞受力分析模型。

圖1 炮孔填塞受力分析模型（a）無間隔器； （b）間隔器在填塞中段；（c）間隔器在填塞上段Fig.1 Force analysis model for borehole filling（a） No spacer； （b） Spacer in middle section of filling；（c） Spacer in upper section of filling

1）若使用一節(jié)空氣間隔器（充氣長度約0.6 m）。間隔器與孔壁的摩擦力見式（1）。

式中，F(xiàn)間為間隔器與孔壁的摩擦力，P為間隔器充氣后的靜荷強度， 取0.4 MPa；h間為一節(jié)間隔器高度， 取0.6 m；r為炮孔半徑， 取0.125 m；f1為空氣間隔器與孔壁的摩擦系數(shù)， 取0.1。計算得到一節(jié)空氣間隔器提供的摩擦力為18850 N。

2）若裝藥不變， 使用空氣間隔器將占據(jù)填塞空間， 同樣以一節(jié)間隔器為對象， 計算損失的0.6 m高度填塞物重力及摩擦力。分析如下：

①損失重力見式（2）：

式中，G為損失重力，ρ為填塞物密度（干孔取2500 kg/m3， 水孔取2000 kg/m3）；g為重力加速度，取9.8 N/kg。計算得到損失的重力為721 N（干孔）和576 N（水孔）。

②下部填塞物受上部填塞物的重力作用產(chǎn)生側(cè)向變形， 會對孔壁產(chǎn)生側(cè)向壓力， 這正是填塞物與孔壁產(chǎn)生摩擦力的原因。由巖石力學(xué)理論［12］可知， 側(cè)向應(yīng)變與縱向應(yīng)變往往呈一定的系數(shù)關(guān)系，故側(cè)向壓力等于垂直壓力（重力）乘以側(cè)向變形系數(shù)（λ取0.4），由此可計算間隔器與孔壁的摩擦力。摩擦力（干孔）見式（3）， 摩擦力（水孔）見式（4）：

式中，f2，f3分別為干孔和水孔填塞時與孔壁的摩擦系數(shù)， 分別取0.4 和0.1；h深取間隔器放置最大深度， 取8.5 m。 計算干孔和水孔填塞時最大摩擦力（最底部）為15701 N和7850 N。

3）經(jīng)計算， 一節(jié)空氣間隔器提供的摩擦力（18850 N）大于因此損失的填塞物重力及摩擦力之和（干孔16422 N 和水孔8426 N）， 故從力學(xué)計算角度可以證明， 空氣間隔器填塞相較于以往的常規(guī)填塞對爆炸沖擊物的抵抗作用更強（尤其是水孔）。

2 數(shù)值模擬

力學(xué)計算初步論證了空氣間隔器填塞可提升炮孔填塞質(zhì)量， 但計算時考慮的因素和條件較簡單， 需通過數(shù)值模擬分析進(jìn)一步論證空氣間隔器填塞對爆破的影響， 以決定是否開展現(xiàn)場試驗。基于數(shù)值計算軟件， 設(shè)定常規(guī)工況（巖粉填塞）和試驗工況（空氣間隔器填塞）兩種爆破條件， 開展數(shù)值模擬分析。

模型尺寸（長×寬×高）為50 m×50 m×40 m， 選用Johnson-Holmquist材料模型， 起爆方式為孔底起爆。爆破載荷采用指數(shù)型衰減曲線， 根據(jù)文獻(xiàn)［13］， 峰值載荷取3000 MPa， 達(dá)峰時間取0.5 ms，持續(xù)時間取2 ms。模型四周為無反射邊界條件，底部為固定邊界條件。巖石材料參數(shù)取彈性模量為30 GPa、 密度為2.7 g/cm3、 泊松比為0.25， 炮孔取深度17.5 m（標(biāo)準(zhǔn)孔深）， 裝藥長度為9 m。在常規(guī)工況下巖粉填塞長度為8.5 m， 在試驗工況下，巖粉填塞長度為7.9 m、 空氣間隔器長度為0.6 m。爆破所產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)巖石粉碎區(qū)衰減后轉(zhuǎn)化為應(yīng)力波， 隨著時間推移由近處往遠(yuǎn)處傳播， 形成明顯的波陣面（見圖2）， 并發(fā)展為沿著巖體內(nèi)部傳播的縱波、 橫波， 以及沿著巖體表面?zhèn)鞑サ拿娌ǎ?3-14］， 應(yīng)力波強度隨著傳播距離的增加而衰減。

圖2 應(yīng)力波在巖體表面?zhèn)鞑ig.2 Stress wave propagation on the surface of rock mass

圖3為兩種爆破工況下的應(yīng)力波傳播特征（同一時刻）。在常規(guī)工況下， 應(yīng)力波以明顯的柱狀波形式向外傳播。在試驗工況下， 應(yīng)力波傳播受到間隔器（空氣）反射和緩沖影響， 不再呈規(guī)律性的柱狀波傳播。

圖3 不同工況下爆破時的應(yīng)力波傳播特征（a）常規(guī)工況； （b）試驗工況Fig.3 Stress wave propagation characteristics during blasting under different working conditions（a） Conventional working condition； （b） Test condition

對比關(guān)鍵監(jiān)測點的響應(yīng)指標(biāo)可知， 兩種工況下， 上部巖體初始應(yīng)力波峰值相當(dāng)（圖4）， 反映了同等的上部裝藥高度對臨近點的峰值作用強度相當(dāng)。常規(guī)工況的爆破載荷曲線呈明顯的衰減趨勢， 試驗工況的爆破應(yīng)力波因間隔器（空氣）的反射、 透射和緩沖作用， 且與自由面反射的應(yīng)力波互相作用， 爆破載荷曲線不再呈現(xiàn)明顯的衰減趨勢，而是形成多輪應(yīng)力波峰， 應(yīng)力作用時間明顯增長。應(yīng)力波的作用應(yīng)當(dāng)同時考慮應(yīng)力峰值和作用時間， 故將應(yīng)力值按時間路徑進(jìn)行積分， 試驗工況的應(yīng)力時間作用強度明顯高于常規(guī)工況。數(shù)值模擬分析表明， 空氣間隔器填塞能提高爆破能量利用率、 改善破碎效果。

圖4 巖體上部等效應(yīng)力對比Fig.4 Comparison of equivalent stresses in the upper part of rock mass

綜合力學(xué)計算和數(shù)值模擬結(jié)果， 從理論上證明了將空氣間隔器用于炮孔填塞可以提升填塞質(zhì)量、 改善爆破效果和安全狀況， 由此具備了開展現(xiàn)場試驗的可行性。

3 現(xiàn)場試驗

試驗地點位于江西銅業(yè)德興銅礦銅廠采區(qū)，該區(qū)域的炮孔內(nèi)部水位普遍有幾米以上。常規(guī)工況完全采用巖粉填塞炮孔， 試驗工況使用空氣間隔器填塞炮孔。為便于效果對比， 使用空氣間隔器填塞的炮孔均位于爆區(qū)最南側(cè)（如圖5所示）， 爆區(qū)東側(cè)為壓碴、 南側(cè)為未爆破巖體。爆破過程中，除填塞段布置不同， 試驗工況與常規(guī)工況的其余參數(shù)條件保持一致。

圖5 爆破試驗區(qū)域（黃框內(nèi)間隔器填塞）Fig.5 Blasting test area （filled with spacer in yellow box）

水孔用空氣間隔器見圖6， 空氣間隔器有2根拉繩［15］， 一根用于下放間隔器， 另一根用于間隔器到達(dá)指定位置時拉拔開啟充氣瓶。附有配重袋和塑料卡， 以防止間隔器在水中上浮。

圖6 水孔用空氣間隔器Fig.6 Spacer for water holes

現(xiàn)場操作先放入起爆器材， 按爆破設(shè)計進(jìn)行裝藥， 下放橡膠桶分隔炸藥和巖粉； 再對炮孔填塞3~4 m 高度的巖粉， 然后放入空氣間隔器， 接觸到巖粉時拉拔充氣開關(guān)， 約30 s間隔器膨脹至孔壁直徑， 5 min 后充氣強度達(dá)到靜荷強度； 繼續(xù)充填巖粉至孔口， 進(jìn)行連線起爆。

空氣間隔器用于炮孔填塞示意見圖7， 其關(guān)鍵特征在于用間隔器取代了一段巖粉， 實際充氣過程見圖8。

圖7 間隔器用于炮孔填塞示意圖Fig.7 Schematic diagram of spacer used for hole filling

圖8 間隔器在孔內(nèi)充氣膨脹Fig.8 Spacer inflates and expands in the hole

對爆破全過程進(jìn)行錄像， 現(xiàn)場通過提供間隔器連線確認(rèn)充氣是否到位， 兩種工況的影像對比見圖9?？梢钥闯?， 使用間隔器填塞的區(qū)域在爆破過程中的沖孔個數(shù)和沖孔高度明顯小于對比區(qū)域。另外， 本次爆破中沖孔較為明顯的區(qū)域位于爆區(qū)南北兩側(cè)， 這與爆區(qū)側(cè)方既有壓碴， 又有未爆巖體的邊界條件有關(guān)。

圖9 爆破過程（a）爆破初期； （b）爆破末期Fig.9 Blasting process（a） Early stage of blasting； （b） Late stage of blasting

根據(jù)廠家的產(chǎn)品生產(chǎn)參數(shù)可知， 間隔器膨脹后長度約為0.6 m。表1 統(tǒng)計了填塞段實際形成的間隔高度， 由于第一次巖粉填塞后孔內(nèi)仍然含水（水位高低不同）， 故間隔器充氣膨脹時會受浮力作用而上浮， 所形成的間隔高度大多超過0.6 m。特別是水位中等或較高的孔， 間隔器上浮更為明顯， 形成的間隔高度基本在1 m 以上。為解決這一問題， 需繼續(xù)加大水孔間隔器配重， 確保間隔器下放到位后塑料卡能夠卡住孔壁。

表1 填塞段間隔高度統(tǒng)計Table 1 Statistics of interval height of filling sections

除在填塞段使用空氣間隔器外， 對照區(qū)域和試驗區(qū)域的其他爆破參數(shù)均一致。爆堆效果見圖10， 傳爆無異常， 爆堆表面整體較為破碎， 無明顯大塊。爆堆隆起明顯， 有一定側(cè)后翻， 與側(cè)方既有壓碴， 又有未爆巖體的條件有關(guān)。

圖10 爆堆表面整體情況Fig.10 Overall surface condition of the explosive pile

通過卡車調(diào)度系統(tǒng)收集電鏟作業(yè)指標(biāo)， 結(jié)果顯示， 試驗區(qū)電鏟臺效為2315 t/h， 較對比區(qū)（2096 t/h）提高了10.4%， 反映出填塞段使用間隔器提高了填塞質(zhì)量， 并改善了爆破效果。

4 結(jié) 論

1）力學(xué)計算表明， 一節(jié)空氣間隔器提供的摩擦力（18850 N）大于因此損失的填塞物重力及摩擦力之和（干孔16422 N 和水孔8426 N）。由此可知，空氣間隔器填塞比常規(guī)填塞對爆炸沖擊物的抵抗作用更強（尤其是水孔）。

2）數(shù)值模擬表明， 常規(guī)工況的爆破載荷曲線呈明顯的衰減趨勢， 試驗工況的爆破應(yīng)力波因間隔器（空氣）的反射、 透射和緩沖作用， 且與自由面反射的應(yīng)力波互相作用， 爆破載荷曲線不再呈現(xiàn)明顯的衰減趨勢， 而是形成多輪應(yīng)力波波峰， 應(yīng)力作用時間明顯增長。將應(yīng)力值按時間路徑進(jìn)行積分， 試驗工況的應(yīng)力時間作用強度明顯高于常規(guī)工況。由此可知， 將空氣間隔器用于填塞能提高爆破能量利用率、 改善破碎效果。

3）現(xiàn)場試驗結(jié)果表明， 使用間隔器填塞的炮孔（試驗區(qū)）在爆破過程中的沖孔個數(shù)和沖孔高度明顯小于對比區(qū)域。對比區(qū)電鏟臺效為2096 t/h，試驗區(qū)電鏟臺效為2315 t/h， 試驗區(qū)電鏟臺效較對比區(qū)提高了10.4%。由此可知， 在水孔填塞段中使用空氣間隔器明顯提高了填塞質(zhì)量， 降低了爆破沖孔風(fēng)險， 并改善了爆破效果。