露天礦臺階爆破水炮孔深度測量流量尺技術

董二虎 郭連軍(遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧 鞍山 114051)

在露天臺階松動爆破和臺階邊幫預裂爆破中，根據礦山三級儲量和礦山設計年生產量，選擇1種或2種類型牙輪鉆機進行多臺階爆破鉆孔布置作業。大孤山鐵礦到2017年1月份，1#鉆機到8#鉆機開采水平由+48 m延伸至-319 m標高，開采縱深超過300 m，現有9臺已編號鉆機進行露天臺階松動爆破和臺階邊幫預裂爆破鉆孔作業。大礦爆破現場采準參數：①臺階松動爆破和邊幫預裂爆破炮孔直徑為250 mm；②臺階高度12 m，超深2.5～3.5 m；③不同臺階或相同臺階不同位置炮孔中水深度在0～15 m。爆破前多次測量炮孔發現水深度取值范圍在0～11 m，不同巖種不同水環境下炮孔孔底有不同深度的高品味磁鐵礦炮泥或混合巖巖碴；④炮孔深度測量時，一種方法是加配重的測繩，另一種是利用測桿。

露天金屬礦山尤其是深凹露天采坑，水對鑿巖爆破工作影響不可忽視。露天礦山生產能力比地采大得多，采準切割和備采臺階多、鑿巖爆破工作量大、炸藥消耗量大。牙輪鉆布孔作業時炮孔反水影響鉆孔效率，水炮孔裝藥遇到炸藥密度與水密度相近時水量會影響炸藥沉降速度，相同巖種相同炸藥單耗時水孔和干孔的爆破效果也有所區別。露天采坑水的來源有自然降水降雪、地表匯水流入采坑和地下水滲入臺階，主要取決于區域性氣候條件和礦區地質、水文地質條件。所以露天臺階擠壓松動爆破、臺階臨時或最終境界邊幫預裂爆破前，準確的炮孔水環境數據對裝藥工作尤為重要。

大孤山鐵礦為鞍鋼集團礦業公司主要礦山，臺階高度12 m，超深2～3.5 m。2017年1—2月，隨同該礦爆破經理現場調研得知:3個礦山臺階松動爆破炮孔深度在12～16 m，孔深加上超深以15.5 m為主，孔徑為250 mm。爆破裝藥工作前都要進行炮孔驗收審查工作，目的為裝藥提供準確的炮孔狀態數據。而孔深測量面臨以下問題和特點：①如何在孔口位置準確快速獲得每個中深孔深度數據；②如何在孔口位置獲知孔網中每個炮孔含水與否以及水柱高度數據；③如果露天臺階炮孔含泥碴含水，裝藥炸藥陷入泥碴的深度是多少？

牙輪鉆布孔作業72 h后臺階采場開始爆破裝藥工作。鉆孔72 h后炮孔水密度和孔底泥碴趨于穩定，水對泥碴溶解量已趨于穩定，孔底泥碴沉淀堆積穩定，水與空氣界面和水泥碴界面歷歷可辨。

本文描述設計的流量尺結構組成，闡述了操作及其測量原理。在露天臺階爆破中炮孔含泥碴含水時將炮孔深度、炮孔含水高度、空氣柱高度和孔底泥碴深度一次性在炮孔外流量尺上可讀出，可以統一收集炮孔水量數據。

1 流量尺結構

1.1 要結構簡介

主要結構：由刻度外管、法蘭、電磁流量管、封閉頭、轉換器、讀數端6部分組成。如圖1、圖2所示。

圖1 電磁流量管結構Fig.1 Structure model of electromagnetic flow tube1—勵磁線圈；2—測量內管；3—電極；4—感應電動勢E

圖2 流量尺結構Fig.2 Structure model of flow calibration tube5—刻度外管和讀數端；6—電纜；7—法蘭或疊層連接；8—傳感器盒子；9—封閉頭；10—法蘭；11—刻度外管；12—外殼；13—連接螺紋；14—內管截面；15—轉換器；16—電磁流量管；17—翻板進水口

各結構名稱說明如下。

1—勵磁線圈：一般電磁流量管采用交變磁場，采用50 Hz工頻電源激勵產生。2—測量內管：被測導電性液體流動通道，為了使勵磁線圈產生的磁力線通過測量導管時磁通量被分流或短路，測量內管材料必須選用不導磁、低導電率、低導熱率且有一定機械強度的管料制成，一般用不導磁的不銹鋼、鋁、玻璃鋼、高強度塑料。3—電極：接收的感應電動勢信號與液體流速成正比，用非導磁的不銹鋼制備電極，與測量內管襯里平齊安裝在管道的直徑方向，保證測量內管壁面水力光滑。4—直徑D方向上的感應電動勢E。5—刻度外管和讀數端：外管是具有一定強度帶有刻度的保護套管(封閉頭讀數為0，讀數端讀數為深度H)，采用導磁系數高的鐵磁材料，保護測量內管不被外部電磁場和環境所影響，讀數端保證內管聯通大氣。6—屏蔽信號電纜：傳輸感應電壓信號。7—法蘭或疊層連接：可以連接測量內管，使流量尺長度滿足不同炮孔深度要求，適用于不同臺階高度，有利于運送和組裝工作；另一種是連接傳感器流量管。選擇法蘭或疊層連接點焊技術聯結，法蘭接縫盡量少，保證連接處水力光滑、接縫處制作要緊密，盡量杜絕氣隙。8—傳感器盒子：傳輸電極感應的電壓信號。9—封閉頭：封閉頭是空心倒圓錐形帶有過濾網的進水結構，當流量尺直徑遠小于炮孔直徑時，對流量尺施加壓力可測得水炮孔孔深H值(封閉頭到達泥碴最底部時刻度尺的讀數值)。10—法蘭：兩片法蘭盤之間加上密封墊，然后均勻分布螺栓緊固。11—刻度外管：外管采用導磁系數高的屏蔽材料，保護電磁流量管不被電磁場所影響。12、14—外殼和內管截面。13—連接螺紋。15—轉換器：采用高性能微處理器，LCD顯示，參數設定可靠，編程方便。16—電磁流量管：內裝有積算器，可計算正向總量，并具有電流、脈沖多種輸出方式。17—翻板進水口：圓形翻板要求有一定厚度，邊緣卡有2層橡膠圈(當翻板扣入進水口橡膠圈可以起到密封水流的作用)。

1.2 結構組成及特點

如圖1所示，分體式電磁流量管屬于電磁流量計的一種變形。傳感器流量管接入測量內管，轉換器位于讀數端，兩者由雙芯屏蔽信號電纜連接。轉換器可遠離現場惡劣環境，使電子部件調整、檢查和參數設定比較方便。外管磁導率比空氣大得多，屏蔽要求較高時，還可以采用多層屏蔽。

傳感器電磁流量管主要結構部分：測量管、電極、勵磁線圈、鐵芯與殼體。主要用于測量內管中的導電液體和漿液中的體積流量(如水、污水、礦漿、各種酸堿鹽溶液、漿液)。適于露天臺階孔內環境復雜直接觀測困難的條件。管長與直徑之比至少應為4∶1。以免端接效應和磁力線穿透屏蔽體范圍。

傳感器電磁流量管的工作原理是基于法拉第電磁感應定律。在電磁流量管中，測量內管的導電介質相當于法拉第試驗中的導電桿，上下兩端兩個電磁線圈產生恒定磁場。當有導電介質流過時，則會產生感應電壓。產生的感應電壓由管道內兩側2個電極測量。測量內管通過不導電的內襯(橡膠，特氟隆)實現與流體和測量電極的電磁隔離。

液體流動產生的感應電勢信號較弱，作業環境中的干擾因素對其影響大。讀數端轉換器的作用就是將感應電勢信號放大并轉換成統一的標準信號抑制主要干擾信號。其任務是把電極檢測感應電勢經放大轉換成統一的標準直流信號。

2 操作及測量原理

測量原理如圖3、圖4所示。

圖3 炮孔空氣柱高度測量Fig.3 Height measurement of air column in holes18—氣液分界面；19—固液分界面以及流量尺位置

圖4 水孔深度及水柱高度測量Fig.4 Depth of bubble-hole and the height of water column20—刻度外管與測量內管之間的空腔

流量尺封閉頭進入水面前保證進水翻板處于打開狀態，圓形翻板重心應與形心不重合，使其在空氣和水柱中依靠重力維持打開狀態。流量尺自然沉降到水面以下，轉換器開始顯示累計流量(乘以直徑系數d等于炮孔水量q，乘以截面系數r等于水柱高度h)，直至受到炮孔底部水碴面反作用力f處于圖3所示位置(測量15 m干孔時流量尺封閉頭未全部陷入泥碴)，則有：孔口刻度尺讀數H1-水柱高度h=空氣柱高度L。人為施加給流量尺鉆進泥碴的力F，則封閉頭進水翻板受泥碴反作用力封閉進水口，當流量尺不再下降則孔口刻度H為水炮孔深度值，同時記錄泥碴深度l=H-H1。

將流量尺放入待測量水炮孔，測量原理及過程如下。

3 力學分析

設空氣壓力為標準大氣壓(1.013 25×105Pa)，g=9.8 N/kg，水的密度ρ=1.1×103kg/m3?？潭韧夤軆葟絅與測量內管直徑D為可供選擇的已知參數，流量尺自重力記為G。設封閉頭受到的泥碴反作用力f與炸藥沉底后受到的反作用力相等，炸藥密度記為ρ1。計算數據說明：孔深取15.5 m，最大水深h=15 m，炮孔直徑φ=0.25 m，取外管內徑N=0.05 m、內管直徑D=0.04 m，單孔裝藥質量M=450 kg，重銨油密度ρ1在1.16～1.2 g/cm3，選取均值ρ1=1.18 g/cm3進行計算。數據來源于大孤山鐵礦臺階爆破，單位采用國際單位制。得到以下公式：

；

(1)

w=8 466.59h(N2-D2)≤114.30，G=120 N；

(2)

(3)

W+f=Mg，F+G=w+f，

F=8 466.59h(N2-D2)+

?178.98 N≤F≤293.28 N；

(4)

式中，d為直徑系數；r為截面系數；w為流量尺所受到水的浮力，N；ρ為水的密度，1.1×103kg/m3；G為流量尺自身的重力，N；V為炮孔中下降深度H處的瞬時速度，m/s；F為進入泥碴所需要施加的額外壓力，N；f為泥碴的反作用力，N；W為炸藥沉底后受到水的浮力，N；M為炮孔裝藥總質量，kg。

不同測量內管直徑D下流量尺流量測量范圍如表1所示。

由式(1)確定直徑系數d、截面系數r。由式(3)確定流量尺下落瞬時速度V(V≤10 m/s)，15 m炮孔可放入1/3長度再丟入炮孔中測量，如果臺階爆破水炮孔居多，可以調整N、D值后直接丟入炮孔進行測量，深孔測量也可采取其他緩沖措施后測量。露天臺階爆破將炸藥沉降的極限深度作為孔深測量值時，可參考式(4)計算炮孔中流量尺自由下落后還需施加的外部壓力F值。

表1 流量范圍Table 1 Flow measurement range

4 試驗驗證及結果

露天臺階擠壓爆破和臺階預裂爆破深孔內部水環境復雜、觀測困難。從大孤山鐵礦現場取泥碴樣品，實驗室模擬炮孔內溫度規律，將水和泥碴按比例混合、靜置72 h后測定水溶解度和水密度與現場爆破前測定結果基本相同。測量拍照記錄,如圖5、圖6所示。

圖5 高品位磁鐵礦現場測量試驗Fig.5 Site measurement test of high grade magnetite.

圖6 片麻狀混合巖現場測量試驗Fig.6 Site measurement test of gneissic migmatite

試驗驗證片麻狀混合巖或高品位磁鐵礦礦巖泥碴在鉆孔水環境中混合成懸浮狀水泥漿，經過鉆孔作業至臺階爆破之間的72 h沉淀。如圖5(a)、圖5(b)或圖6(e)、圖6(f)所示，鉆孔內礦物巖碴幾乎不溶解于水，水漿的密度與同溫度下水的密度基本相等，孔內水清澈透明，水與泥碴分界面清晰可見，水炮孔孔底泥碴松散系數并不比干孔泥碴松散系數小。驗證了炮孔水碴環境能夠滿足流量尺封閉頭進水翻板及時封閉，進行有效測量的要求。數據統計快速準確、數據之間可互相驗證。

5 現場測量數據

在大孤山鐵礦對28個炮孔進行了現場測量試驗。其中11個炮孔為-198 m臺階1周前打的預裂孔，5個為靠近-198 m臺階坡頂線的炮孔，3個為處理上臺階根底的邊角孔。在臺階以7.5 m×7 m的網絡選取9#牙輪鉆新布的9個炮孔。現將數據統計整理如表2所示。

表2 大孤山鐵礦-198 m臺階測量結果Table 2 Measurement results of -198 m steps in Dagushan Iron Mine

注：巖種為片麻狀混合巖和高品位磁鐵礦，室外溫度為22.3 ℃；臺階邊孔為臺階爆破靠幫炮孔，臺階中央指臺階爆破中心孔。測量時間：2017年5月24日。

根據表2的實測數據，得到了帶數據標記的折線圖(從略)。分析每個炮孔5種測量結果的分布情況。從數據分布總體上來看，孔內空氣柱高度和含水深度變化幅度很大，即使同一臺階炮孔水深變化范圍也在0～12 m，同一臺階水炮孔多分布在臺階中間靠近預裂孔位置。而新鉆取的連續炮孔測量中，炮孔深度、水溫度和泥碴厚度數值變化幅度較小，折線圖趨于穩定，炮孔水量分布比較集中。

6 結 論

(1)露天臺階松動爆破和露天臺階預裂爆破中深孔環境復雜，孔內情況難以直接觀測。含水炮孔會影響牙輪鉆鉆孔效率，臺階爆破裝藥遇到水炮孔會影響炸藥沉降速度，炮孔內泥碴使得炸藥位置難以確認，陷入泥碴的重銨油炸藥性能會有所改變(比如拒爆現象)，現場裝藥時甚至將已經鉆好的炮孔用干碴進行回填吸水。

(2)介紹了流量尺結構組成和操作原理。作為一種新型的露天礦山炮孔測量技術，其操作簡單，測量數據誤差較小，材料來源廣泛。為臺階爆破前裝藥提供準確的炮孔狀態參數。

(3)通過現場調研和試驗論證，說明了混合巖和磁鐵礦礦巖在水中溶解度極小，炮孔中水泥漿在沉淀72 h后密度接近同溫度下水的密度。水炮孔礦巖泥碴也可以比干孔泥碴堆積穩定，在水壓力與水浮力雙重作用其下密度可以大于干孔泥碴。

(4)露天臺階現場孔深測量時選用的測繩并沒有精確的分度值，放繩和收繩操作費時費力，測繩無法精確讀取水深和泥碴高度，測繩測量的歷史數據孔深變化并不大，所以誤差較大。流量尺相比于測繩等更能適應復雜的炮孔測量條件。

(5)根據文中提出流量尺的4個力學公式，可控制和計算流量尺自由下落的過程。通過這些公式也可模擬不同質量的炸藥在水炮孔中的下落深度，以炸藥沉降位置作為孔深測量的一種新的參考。因為測量環境的特殊性，越深炮孔的測量對流量尺的流量范圍、封閉頭的強度和結構表面的耐磨性要求更高，不同礦山不同測量環境對流量尺的尺寸要求也不相同。

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