沙溪銅礦爆破漏斗工業試驗研究

楊福波

(安徽銅冠(廬江)礦業有限公司, 安徽 廬江縣 231500)

沙溪銅礦礦體埋藏延深較大,同時具有規模大、品位低的特點。為保證礦山開采的經濟效益,須采用大規模高效采礦工藝回采礦體,大規模高效采礦工藝的核心是大直徑深孔落礦技術。由于沙溪銅礦為新建礦山,擬采用大直徑深孔爆破開采。爆破參數的確定是安全高效回采的重要前提之一,因此需要對沙溪銅礦典型礦巖進行爆破漏斗試驗。

本文通過單孔、變孔距雙孔爆破漏斗試驗,確定了炸藥單耗、孔網參數、抵抗線等爆破參數,為沙溪銅礦大直徑中深孔爆破參數設計提供依據。

1 爆破漏斗試驗基本方法

本研究主要包含兩個系列的試驗：

(1)小型單孔爆破漏斗試驗。通過該試驗的結果,可以繪制爆破漏斗特征曲線,求得單孔爆破藥包最佳埋深、最佳漏斗半徑和漏斗體積;

(2)變孔距多孔同段爆破試驗。通過該試驗的結果,可以尋求炮孔間距與最佳爆破漏斗半徑之間的關系。

在上述試驗結果的基礎上,通過利文斯頓爆破漏斗相似原理,可以確定大直徑中深孔爆破孔網參數。

1.1 試驗區域

爆破漏斗試驗區域的巖石必須能夠代表礦山采場開采礦巖。因此,在現場調查的基礎上,本次系列爆破漏斗試驗擬在鳳臺山礦段650中段6＃和6A＃線間的探礦巷內進行,為滿足試驗需求,該巷道刷幫至5.0 m寬。該區域穿脈礦石類型主要有石英閃長斑巖、粉砂巖、泥質粉砂巖,礦巖主要呈塊狀分布,完整性較好,巖體穩定性較好。

1.2 試驗方案

在單孔爆破漏斗試驗中,炮孔布設的原則為：不同炮孔爆破后形成的爆破漏斗互相不干擾,炮孔孔口平整且足夠大,炮孔軸線要垂直于頂板。此外,深孔和淺孔交替布置。設計單孔爆破漏斗試驗8組,孔深分別為0.8～2.2 m,相鄰炮孔間距為3.0 m。

通過單孔爆破漏斗試驗結果可以分析確定出藥包最佳埋深、爆破漏斗體積與漏斗半徑,為進一步實施雙孔同段爆破漏斗試驗提供基礎。試驗共設計5組,每組2個孔,孔間距分別為0.6,0.8,1.0,1.2,1.4 m,每組炮孔間距離保證3.0 m以上。

各次爆破漏斗試驗中均采用89 mm孔徑的炮孔,炸藥采用MRB型巖石乳化炸藥,藥卷直徑為85 mm,長度為40 cm(長徑比為5),單孔爆破漏斗試驗中單孔裝藥量為1.6 kg,雙孔同段爆破漏斗試驗中單孔裝藥量為2.0 kg。藥卷裝入炮孔,送至設計位置后,用炮泥堵塞炮孔,堵塞長度不小于600 mm。試驗采用非電毫秒雷管同時起爆不相鄰的4組試驗炮孔,且組間采用半秒延期系列導爆管雷管以減小組間爆破效果影響。炮孔布置及裝藥結構如圖1所示。

1.3 爆破漏斗半徑與體積量測

漏斗半徑：如圖2(a)所示,在爆破后,去除漏斗口周圍巖石碎片,圈定漏斗口邊界。以炮孔圓心為中心,間隔45°量取8個不同方位的漏斗半徑Ri,然后取其平均值作為漏斗半徑。

圖1 炮孔布置及裝藥結構

漏斗體積：如圖2(b)所示,以沿炮孔中心線且平行巷道頂底板的平面作為基準面。在爆破后,按20 cm×20 cm的網度測量巷道壁面和漏斗輪廓線距基準面的距離,求出各點的爆破深度,按拋物線法(即辛卜生法)計算求得漏斗各斷面的面積,最后按棱臺體求得漏斗體積。

圖2 爆破漏斗半徑和體積量測方法

2 爆破漏斗試驗結果與分析

2.1 單孔爆破漏斗試驗

8個炮孔單孔爆破漏斗試驗的結果見表1。

根據最小二乘法原理,對單孔爆破漏斗試驗結果進行6次項回歸分析,所得的爆破漏斗特性曲線如圖3所示。

圖3 爆破漏斗的特性曲線

表1 單孔爆破漏斗試驗結果

通過擬合曲線可以看出回歸曲線的相關性較好,并由此得到爆破漏斗半徑(R)與藥包埋深(L)之間的關系式以及單位炸藥爆破漏斗體積 (V/Q)與藥包埋深(L)之間的關系式分別為：

由式(1)和式(2),計算后得到式(1)最大值為(0.76,1.02);式(2)最大值為(0.75,0.44)。

綜上所述,單孔爆破漏斗試驗確定了最佳埋深為0.75 m,炸藥單耗為2.23 kg/m3,最佳漏斗半徑為1.02 m,最佳漏斗體積為0.71 m3,臨界埋深為2.0 m。

2.2 雙孔同段爆破漏斗試驗結果與分析

以單孔爆破漏斗試驗爆破中確定的最佳埋深為藥包埋深,進行了變孔距雙孔同段爆破漏斗試驗,以確定該條件下的最優孔間距,雙孔同段爆破漏斗試驗實測得到5組炮孔的相關數據如表2所示。

對雙孔同段爆破漏斗的單位炸藥爆破漏斗體積(V/Q)與孔間距(L),爆破漏斗半徑(R)與孔間距(L)進行回歸擬合分析,僅能得到單項數據之間的聯系,無法對爆破得到的各項參數進行綜合考慮和分析,因此本研究通過現場實測參數、漏斗幾何形狀與爆破塊度綜合數據,確定雙孔同段爆破最佳參數值。

在表2中,通過爆破漏斗半徑和單位炸藥爆破漏斗體積可初步排除第1組(由于炮孔堵塞問題或炸藥未完全起爆導致無漏斗形成),由于第5組爆破漏斗未貫穿,獨立存在,因此進一步排除第5組;

第2組、第3組和第4組試驗的現場爆破漏斗圖與爆堆圖如圖4所示。

對比圖中漏斗和塊度可以發現,第2組塊度均勻,漏斗較大;第3組塊度中等,有少許大塊,漏斗較大;第4組左下側有大塊,漏斗大,但兩孔中心連線上出現了未崩落的脊梁巖。綜上所述,結合爆破漏斗大小并考慮爆破塊度問題,應優選第2組爆破試驗參數,即雙孔同段爆破漏斗試驗最佳間距為0.8 m,炸藥單耗為3.0 kg/m3,最佳漏斗半徑為0.83 m,最佳漏斗體積為1.34 m3。

圖4 雙孔同段爆破漏斗試驗現場照片

表2 雙孔同段爆破漏斗試驗數據

3 大直徑深孔爆破參數確定

在現場多次爆破漏斗試驗的基礎上,得到了最佳埋深、最佳漏斗尺寸和炸藥單耗等爆破參數,根據利文斯頓爆破漏斗理論,以爆破能量平衡準則和相似性原理為依據,需進一步推導出適用于沙溪礦大直徑深孔爆破的諸多參數,為以后的大直徑深孔鑿巖、爆破設計提供科學依據。

3.1 應變能系數與最佳埋深比的確定

通過單孔爆破漏斗試驗可以確定沙溪銅礦礦巖的應變能系數E：

單孔爆破漏斗試驗進一步確定了沙溪銅礦礦巖的最佳埋深比Δj：

式中,Le為臨界埋深,m;E為應變能系數,對于特定的巖石與炸藥,應變能系數為常數;Q0為球狀藥包重量,kg;Lj0為最佳埋深,即爆破體積最大且爆破塊度均勻時的藥包中心埋深,m;Δj為最佳埋深比,對于特定的巖石和炸藥,Δj為常數。

由單孔爆破漏斗試驗結果分析可知,臨界埋深為2.0 m,最佳埋深為0.75 m,球狀藥包重量為 1.6 kg,將參數代入式(3)及式(4)得：應變能系數E為1.17,最佳埋深比Δj為0.37。

3.2 單層藥量參數計算

按球狀藥包計算,165 mm的孔徑,采用150 mm藥卷直徑,經計算,單層裝3條藥包,從而單層炸藥量Q1合計為27.0 kg,裝藥長度為1.2 m,利用爆炸幾何相似律可推導出單層藥包爆破最優參數：

式中,Lj1為大直徑深孔爆破藥包重量為Q1時的最佳埋深;Rj0為小型爆破漏斗試驗,當藥包重量為Q0時,且處于最佳埋深Lj0時的最佳漏斗半徑,m;Rj1為大直徑深孔爆破中,當藥包重量為Q1時,且處于最佳埋深Lj1時的最佳漏斗半徑,m;Vj0為小型爆破漏斗試驗在Q0、Lj0狀態時的爆破漏斗體積,m3;Vj1為大直徑深孔爆破在Q1、Lj1狀態時的爆破漏斗體積,m3。

由單孔爆破漏斗試驗結果分析可知,最佳漏斗半徑為1.02 m,最佳漏斗體積為0.71 m3,將參數代入式(5)、式(6)及式(7)得：在單層炸藥量Q1為27.0 kg的大直徑深孔爆破中,最佳埋深為1.92 m,最佳漏斗半徑為1.64 m,最佳漏斗體積為11.98 m3。單層藥包最優爆破參數如表3所示。

表3 單層藥包最優爆破參數

3.3 分層崩礦高度

據式(8)可得到實際生產爆破的裝藥分層高度：

由于最佳埋深為1.92 m,代入上式得到分層崩礦高度h為2.4 m。

3.4 炮孔間距與排間距確定

在單層藥包最佳抵抗線、最佳漏斗底圓半徑和最佳漏斗體積等參數的基礎上,進一步確定炮孔間距與排間距,孔間距與單孔爆破漏斗半徑有關,炮孔排間距與抵抗線有關。對于VCR大直徑深孔爆破,考慮到群藥包的結合作用,炮孔間距通常取爆破漏斗半徑的1.8～2.0倍。

根據單層藥量情況下,最佳漏斗半徑為1.64 m,因此,確定炮孔間距為1.64×(1.8～2.0),即3.0～3.3 m,考慮到實際裝藥的不耦合性,最終確定炮孔間距為3.0 m;根據大孔距小抵抗線爆破機理和爆破漏斗試驗結果,最終確定炮孔排距為2.8 m。

從而確定炮孔間距×排間距為3.0 m×2.8 m,滿足大孔距小抵抗線布孔原則。進一步結合線裝藥系數0.5,炸藥密度為1100 kg/m3,巖石密度為2.7 t/m3,計算得到炸藥單耗為0.39 kg/t。最優孔網參數如表4所示。

表4 最優孔網參數

4 結 論

(1)通過單孔爆破漏斗試驗,對試驗結果進行統計分析,并對爆破漏斗特性曲線進行6次項回歸,且回歸相關性好,結合回歸曲線下的6次多項式得到了MRB型巖石乳化炸藥在沙溪銅礦礦巖中的最佳埋深為0.75 m,炸藥單耗為2.23 kg/m3,最佳漏斗半徑為1.02 m,最佳漏斗體積為0.71 m3,臨界埋深為2.0 m。

(2)通過雙孔同段爆破漏斗試驗,對試驗結果進行統計分析,并對現場爆破漏斗效果進行對比分析,得出最優孔間距為0.8 m,最佳漏斗半徑為0.83 m,最 佳 漏 斗 體 積 為1.34 m3;炸 藥 單 耗 為3.0 kg/m3。

(3)根據現場爆破漏斗試驗結果,結合利文斯頓爆破漏斗相似原理,推薦沙溪銅礦大直徑深孔采用爆破參數為：單層裝藥為3條,裝藥長度為1.2 m,藥量合計為27.0 kg,最佳漏斗半徑為1.64 m,抵抗線為1.92 m,分層崩礦高度為2.4 m,孔網參數為3.0 m×2.8 m;炸藥單耗為0.39 kg/t。