基于爆破漏斗試驗的VCR一次成井爆破實踐

2018-05-09 08:02:32胡桂英鄭文強

現代礦業 2018年4期

胡桂英鄭文強

(宏大爆破有限公司巴基斯坦塔爾煤田項目部)

某大型礦山由原來的地下開采轉為露天開采，先前長時間地下開采遺留了許多規模大、錯綜復雜的地下空區，成為目前礦山生產的重大安全隱患，影響著臺階工作面人員和設備設施的安全。在空區頂板厚度能滿足穩定性要求前，如何安全有效地治理采空區，避免采空區坍塌造成危害是礦山企業必須解決的技術難題。經過研究決定，擬采用VCR爆破形成充填天井，用廢石充填采空區。

對于VCR一次成井爆破技術而言，選擇與巖石性質與炸藥特性相匹配的孔網參數是爆破成功的關鍵，而爆破漏斗試驗是確定其參數的基本方法[1]。美國礦業學院的C.W.Livingston通過一系列的爆破漏斗試驗，并基于能量平衡理論，于上世紀50年代，提出了爆破漏斗理論[2]。在同種巖石條件下，根據C.W.Livingston爆破漏斗理論確定應變能系數、最佳埋深、最佳孔距等參數，再根據立方根比例定律，計算爆破漏斗試驗參數，從而得到實際爆破參數。

目前，爆破漏斗試驗在巖石爆破參數的確定中得到了廣泛的應用，并取得良好的應用效果[3-12]。本文借鑒已有的研究，在該礦區進行爆破漏斗試驗，為VCR一次成井爆破參數確定提供依據，并最終實施成井工程。

1 爆破漏斗試驗的理論基礎

C.W.Livingston爆破漏斗理論是學習研究爆破現象的重要理論，主要是爆破產生的能量使需要的巖體破壞。爆破漏斗試驗的主要方法是保持炸藥包的重量不變，通過改變炸藥的埋深確定爆破后的漏斗體積。地表巖石恰好發生破壞并產生隆起，炸藥包的埋深稱為臨界埋深。臨界深度與裝藥量之間的關系為

Le=EQ1/3，

(1)

式中,Q為裝藥量，kg；Le為是臨界埋深，m；E為應變能系數，m/kg1/3,當炸藥和巖石性能一定時，應變能系數E是一個常數。

最佳埋深與裝藥量的關系為

La=Δ0EQ1/3,

(2)

式中,Δ0為最佳埋深比，即最佳埋深與臨界埋深的比值；La為最佳埋深，m；其他符號意義同前。

根據C.W.Livingston彈性應變方程的演變過程，同一巖性，相同性質炸藥，大直徑和小直徑之間的相似關系為

La/Lb=(Qa/Qb)1/3，

(3)

ra/rb=(Qa/Qb)1/3，

(4)

式中，Qa為爆破漏斗試驗的裝藥量，kg；Qb為實際工程的裝藥量，kg；La為爆破漏斗試驗的最佳埋深，m；Lb為實際工程的最佳埋深，m；ra為爆破漏斗試驗的漏斗半徑，m；rb為實際工程的漏斗半徑，m。

2 爆破漏斗現場試驗

2.1 鉆孔參數

首先采用鏟車清理臺階工作面浮渣，保證平整，為了保證相鄰爆破漏斗之間不受影響，根據國內類似礦山的試驗結果，炮孔垂直自由面布置，采用潛孔鉆機鉆鑿φ140 mm炮孔，鉆孔深度為100～200 mm，共20個炮孔，相鄰炮孔間距為1.5 m。測量儀器采用3 m鋼圈尺。爆破前在臺階面畫好100 mm×100 mm網格。

2.2 裝藥爆破

基于鉆孔的質量，選取19個點進行試驗。采用礦山現行使用的2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm，長200 mm，質量為200 g/卷，每個炮孔試驗裝藥量為3 kg。對個別較深的炮孔，裝藥前用炮泥做一定調整。炸藥裝入炮孔后，用炮棍壓實，并量取埋深值，再在孔口堵塞巖粉，并搗鼓密實。采用非電毫秒雷管起爆孔內導爆索起爆系統。

2.3 爆破漏斗試驗結果及分析

爆破后，在地表出現爆破漏斗，通過人工開挖，形成了一個一定直徑和深度的爆坑。用卷尺測量出各爆破漏斗的爆破深度，按辛卜生法求出各個爆破漏斗斷面面積si，爆破漏斗體積V計算公式為[11]

(5)

式中，V為爆破漏斗的體積，m3；B為測點之間距離，m；si為爆破漏斗的各斷面面積，m2。

經計算和統計，19個試驗點成功爆破漏斗有14個，其他5個由于埋深過大，未爆破成功。各炮孔試驗數據及結果見表1。

由表1可知，當炸藥埋深為1.91 m時，地面剛剛鼓包隆起，確定該礦區在2#巖石乳化炸藥爆破作用下的臨界埋深Le為1.91 m，根據式(1)，計算出的應變能系數E為1.32 m/kg1/3。利用回歸分析對試驗數據進行處理，得出爆破漏斗體積與炸藥埋深的特征曲線,見圖1。

當爆破漏斗體積最大時，炸藥的埋深為最佳埋深，此時爆破炸藥單耗最小。由圖1可以看出，當炸藥裝藥量為3 kg時，炸藥最佳埋深為1.07 m，根據式(2)可以計算出最佳埋深比為0.56。在最佳埋深時，爆破漏斗半徑由下式計算：

(6)

式中,V0為爆破漏斗的最大體積，m3；Lc為炸藥裝藥長度，m；r0為爆破漏斗半徑，m；其他符號意義同前。

爆破漏斗最大體積為2.1 m3，可以算出爆破漏斗半徑r0= 1.32 m。

表1 單孔爆破漏斗試驗數據及結果

圖1 爆破漏斗體積與炸藥埋深的特征曲線

3 工程應用

礦區以矽卡巖型礦巖為主，其巖體致密且堅硬，硬度系數為14～16，巖體松散系數約1.5，巖層穩固性好，能滿足一次爆破成井試驗的要求。試驗地點空區位于1 352 m水平以下32 m，根據空區掃描分析，該采空區長36.9 m，寬24.2 m，高12 m。

根據礦區現有鑿巖設備，選用牙輪鉆機鉆φ250 mm 炮孔。根據單孔爆破漏斗試驗數據以及利文斯頓彈性應變方程的演變過程，確定分層高度為3 m，炮孔間距為2 m。參照國內外VCR 爆破效果，藥包長徑比確定為4。分層裝藥長度為1 m，分層裝藥量為54 kg。為減少巖石的夾制性，采用圓形布孔方式，內外布置2層炮孔，設計天井斷面為6.8 m×6.8 m。炮孔布置見圖2。

圖2 炮孔布置

爆破采用2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為90 mm，質量為3 kg/卷，共設置9個爆破分層，分層間微差時間確定為200 ms。爆破時充分利用上下2個自由面，其中，第8分層為2個裝藥層，起爆順序為第1分層→第2分層→第3分層→第4分層→第5分層→第6分層→第7分層和第9分層→第8分層(2層藥柱同時起爆)。裝藥結構見圖3。

主要消耗材料為2#巖石乳化炸藥、澳瑞凱導爆管雷管、鐵絲、導爆索等，見表2。

爆破后形成了一個通達采空區的天井，井壁光滑，達到了預期的效果，說明本次現場爆破試驗成功。爆破后的成井效果見圖4。