束狀孔雙分層孔內延期爆破試驗研究

崔新男，汪旭光，陳 何，馮盼學，張 華

(1. 中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2. 北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160；3.貴州省公安廳，貴陽 550001)

束狀孔當量球形藥包爆破技術是基于大直徑深孔采礦爆破技術并經過長期爆破實踐發展的一種全新爆破技術。其基本概念是：由N個間距3～8倍孔徑的密集平行深孔組成一束孔，束孔(直徑d)裝藥同時起爆，對周圍巖體的爆破作用視為一個更大直徑(等效直徑D)的炮孔的爆破作用[1]。N個直徑為d的束孔，其等效單孔直徑D的計算公式為：

D=N1/2·d

(1)

式中：D—等效單孔直徑；d—束孔直徑；N—孔數。

由于束孔爆破形成的合并應力場其波陣面具有一定厚度，應力波曲線出現多個峰值[2]，作用時間比等效單孔更長，分散裝藥也使得爆破粉碎區減小而裂隙區增大[3]，更大的裂隙區有利于增加爆破中遠區的爆破作用，在進行大量崩礦時具有采切工程量小、炸藥單耗小、大塊率低且爆破振動小等優點[4]。將其應用到井巷掘進作業中，進行束狀中深孔掏槽時，掏槽效果好，可顯著提高掘進效率[5]。

進行束狀孔爆破落礦時，通常采用一次性鉆鑿深孔，分層崩落的作業方式，每次爆破一個分層都會給束孔孔底造成破壞，不僅使孔底變得破碎、不規整，甚至會導致炮孔被碎石堵塞，進行下一分層爆破時必須對炮孔進行清理，繁重的清孔工作嚴重制約著爆破效率。使用合適的延期時間，將束狀孔爆破與孔內延期爆破相結合，實現一次爆破兩個甚至多個分層，使爆破效率得到成倍提高。為尋求合適的延期時間，本文進行了束孔爆破漏斗試驗，找出了最佳埋深，又進行了雙分層孔內延期爆破，當延期時間設定為50 ms或75 ms時，得到的爆破漏斗最大，實現了雙分層一次爆破，提高了束狀孔爆破效率。

1 束狀孔爆破漏斗試驗

為獲得束狀孔爆破最佳埋深，首先進行爆破漏斗試驗，試驗地點選為某礦山92號礦體+405水平T317、T318采場殘留礦柱。

1.1 試驗現場條件

92號礦體賦存于硅質巖中，巖石層理發育，垂直方向上，由上至下，大致可分為三層：上層以薄層狀硅質巖為主，夾鈣質硅質巖；中層為條帶狀、細條帶狀、塊狀硅質巖，夾泥質硅質巖；下層以致密塊狀硅質巖為主，少量硅質頁巖、灰巖互層。礦石及圍巖穩固性好，單軸抗壓強度78.49～95.42 MPa，普氏系數15～16，鑿巖性差。T317、T318采場為已廢棄采場，出礦穿道已經被廢石堵塞，可以在殘留的礦柱和運輸巷邊幫進行試驗，如圖1所示。

圖1 405水平炮孔布置圖Fig.1 The borehole pattern of the 405 level

1.2 試驗設計

為保證束孔平行度，在巷道邊幫或礦柱中打水平孔，4孔為一束，孔徑42 mm，孔間距210 mm，炮孔相互平行，距離巷道底板約1.2 m。孔深從0.4 m到1.4 m，共6組，為保證各組試驗不會相互影響，每束孔間隔3 m。束孔內裝入一包200 g乳化藥卷，藥卷長20 cm，為保證耦合裝藥，用炮棍擠壓藥卷，藥卷長度縮減到約15 cm，藥卷內裝入兩枚1段導爆管雷管，堵孔材料為鉆屑和自帶的黃土，孔口使用雙導爆索連接，再由一枚電雷管起爆，起爆雷管腳線與兩條主線相連，如圖2所示。

圖2 炮孔連線圖Fig.2 Boreholes link

1.3 結果分析

人員撤出并設置好警戒，進行爆破，結果如表1所示。

由爆破結果可知，當孔深為0.4 m和0.6 m時，炮孔無殘余，形成較大爆破漏斗；孔深為0.78和1.03 m時，炮孔未能完全爆破，形成爆破漏斗較小；當孔深為1.2 m和1.38 m時，發生了沖孔，未能形成爆破漏斗。進一步分析可知，臨界埋深為1.125 m，根據單位炸藥爆破的體積和實際埋深與臨界埋深之比的關系，爆破最佳埋深為0.525 m。

2 束狀孔雙分層孔內延期爆破試驗

依據爆破漏斗試驗所得最佳埋深，設計雙分層孔內延期爆破試驗，試驗地點選擇T317、T318采場運輸巷邊幫。

2.1 試驗設計

垂直巷道邊幫打孔，每束4孔，孔徑42 mm，孔距210 mm，孔深1.1 m。第一層裝乳化藥卷200 g，裝藥長度0.15 m，布置2發6段高精度導爆管雷管，藥包中心埋深0.525 m，第二層藥包中心埋深1.025 m，裝藥200 g，裝藥長度0.15 m，布置2發7段高精度導爆管雷管。

表1 爆破漏斗試驗結果

起爆后發現第一層沒有形成完整的爆破漏斗，漏斗深度僅0.4 m，各孔殘余孔深達0.7 m，第一層爆破漏斗直徑為1.10 m，漏斗直徑和深度均小于先前進行的爆破漏斗試驗結果。經過勘察發現雖同在T317、T318采場，但巷道邊幫巖石穩固性明顯強于殘留礦柱，巖石可爆性差，于是修改了試驗方案。鉆孔深度由1.1 m改為0.9 m，第一層藥包中心埋深改為0.375 m，裝藥200 g，布置2發6段高精度雷管，第二層加強裝藥，裝藥400 g，藥包中心埋深為0.75 m，4組試驗分別布置2發7段、8段、9段和10段高精度雷管。

2.2 結果分析

人員撤出并設置好警戒，依次進行爆破，爆破漏斗如圖3所示。

分別從4個方向測量兩層漏斗直徑、深度以及爆破后每個炮孔的殘余深度，計算漏斗體積，如表2所示。

圖3 爆破漏斗圖Fig.3 Blasting craters

延期時間/ms第一層漏斗直徑/m第一層漏斗深度/m第二層漏斗直徑/m第二層漏斗深度/m炮孔殘余孔深/m1#2#3#4#漏斗總體積/m3251.020.450.280.020.430.400.390.410.155500.950.450.320.050.400.390.350.380.164751.060.450.500.230.220.200.220.180.1791001.100.420.480.450.450.460.158

修改試驗方案后，第一層均可形成爆破漏斗，且漏斗直徑相當，可見裝藥參數是合適的，除延期時間為25 ms和100 ms的第一組和第四組沒有形成明顯的第二層爆破漏斗外，延期時間為50 ms和75 ms的第二組和第三組均形成了兩層爆破漏斗，其中第一層漏斗較大，第二層漏斗較小，這是由于第二層爆破的自由面是第一層爆破漏斗的底面，為倒立的圓臺形，只能形成與第一層漏斗形狀相似但半徑和深度都較小的爆破漏斗。25 ms延期時間過短，當第二層裝藥起爆時，第一層破碎的巖石尚未被拋離，導致第二層裝藥自由面條件更差，夾制作用強，無法形成爆破漏斗；而100 ms延期時間過長，第一層破碎的巖石已被拋離，第二層裝藥堵塞條件變差，爆生氣體從孔中溢出，導致沖孔，也無法形成爆破漏斗。試驗表明，束狀孔雙分層孔內延期爆破是可以實現的，孔內延期時間以50 ms或75 ms為宜，過小或過大均不利于第二層爆破漏斗的形成。

3 討論

本次試驗是在運輸巷邊幫和礦柱上進行的，只有一個自由面，相當于掌子面掏槽爆破，且沒有輔助空眼，巖石夾制作用較大，第二層雖然采用了加強裝藥，炮孔仍有殘留，且第二層形成的漏斗普遍較小，針對這些問題，考慮如下方法進行改進：

1)進行掌子面掏槽時，可在束孔中設計一個或多個空孔，增加爆破自由面。

2)由應力波的疊加原理可知，相鄰束孔之間藥包連線上應力波疊加作用較強，產生裂隙較密，且容易形成聯通的裂隙，因此，多束孔同時爆破時，藥包連線上的巖石被切割成塊，每束孔形成的漏斗會相連，第一層爆破之后形成的自由面將更接近于平面，有利于第二層形成正常的漏斗。

4 結論

本文先后進行了束狀孔爆破漏斗試驗和束狀孔雙分層孔內延期爆破試驗，主要結論如下：

1)束狀孔雙分層孔內延期爆破是可以實現的，選擇合適的延期時間至關重要，延期時間過長或過短均不能形成雙漏斗，對于高精度毫秒延期雷管，延期時間選擇50 ms或75 ms是合適的。

2)4組試驗裝藥參數相同，第一層漏斗形狀基本一致，說明應力波和爆生氣體都能起到作用，僅在第二層漏斗形狀上出現了比較大的差別，這說明第二層裝藥爆破作用不完全，應力波的作用通常為幾個毫秒，而本次試驗最短延期為25 ms，因而4組試驗應力波的作用是一致的，而爆生氣體對于能否形成爆破漏斗起關鍵性作用。