基準平面垂直斷面法在爆破漏斗試驗中的應用

鄧 琛，彭澤鋒，蔣志明，孫長坤，彭志華，鄧海軍

(1.長沙理工大學土木工程學院,長沙 410000;2.保山金廠河礦業有限公司,云南 保山 678000)

爆破漏斗理論及其試驗作為確定炸藥品種和單耗的依據及選擇合理爆破參數的基礎，在爆破實踐中獲得廣泛應用。試驗中很關鍵的一部分內容就是爆破漏斗體積的測量，傳統漏斗體積的測量方法主要包括體重法和辛卜生法，其中體重法存在測量勞動強度大且部分爆出礦巖因迸濺較遠而無法測量到的缺點，而辛卜生法則存在著測量時人為主觀因素影響大且實際可操作性較差等不足[1-4]。現針對以上不足利用基準平面垂直斷面法測量爆破漏斗體積，并首次應用隧道激光斷面儀，結合體積計算公式、3D Mine軟件建模分析處理數據。

1 基準平面垂直斷面法基本原理

1.1 爆破漏斗試驗理論

根據利文斯頓(C.W.Livingston)的爆破漏斗試驗研究，爆破巖石所需的能量與炸藥本身性能、質量及巖石特性密切相關。利文斯頓提出的彈性變形方程式：

(1)

或

(2)

式中：le為臨界埋深，m；E為彈性變形能系數；Q為炸藥質量，kg；lj為最佳埋深，m；Δj為最佳埋深比(Δj=lj/le)，對于特定的巖石和炸藥，Δj為常數。

采用柱狀連續裝藥時，根據立方根比例定律有：

(3)

式中：W1和W2為爆破抵抗線，m；q1和q2為裝藥時單位長度炮孔裝藥量，kg/m。

1.2 爆破漏斗斷面積測量

BJSD-3型隧道激光斷面儀在實現隧道開挖斷面測量時，其數據處理軟件主要是以隧道設計斷面為依據判定隧道的超欠挖。用于爆破漏斗體積測量時，普遍采用爆破漏斗體積測量——基準平面垂直斷面法(見圖1)。

圖1 基準平面垂直斷面法Fig.1 Reference plane with vertical section measurement method

采用BJSD-3型隧道激光斷面儀測量爆前巷道輪廓線與爆后爆破漏斗輪廓線時，重點是沿巷道中線的頂板布置與試驗炮孔正交的固定基準點。固定基準點的設立由測量人員正確放點后，采用手電鉆鉆孔并打入膨脹螺釘加以固定。固定基準點應布置于穩固堅實的整體巖石上，避免布置在浮石上造成測點損毀。

利用BJSD-3型隧道激光斷面儀在測量當前斷面(中央基準面)的基礎上可以測量前后方斷面的功能，可采用基準平面垂直斷面法測量爆前巷道斷面與爆后爆破漏斗斷面，求得各對應斷面爆前爆后的面積差后，即可按辛卜生法求得爆破漏斗體積。爆前爆后斷面測量主要程序為

①在各試驗炮孔巷道頂板對應固定基準點上掛線吊錘，架設三腳架初步確定儀器中心位置，留下隧道激光斷面儀微調空間；

②儀器上架調平，測頭向上標示激光點，微調機身對準頂板固定基準點后鎖定；

③儀器測頭調平照準相鄰炮孔吊錘掛線，建立通過巷道中線的基準平面后固定測盤鎖緊方位；

④儀器測頭回轉90°按設定測量角度與測點測角(一般為3°～5°，視儀器中心到炮孔孔口距離而定，測點間距相當于20 cm)測量當前斷面(中央基準面)。

根據預測爆破漏斗半徑的大小，一般前方與后方斷面各測6～8個。在掌上電腦設定儀器測量斷面間距(±20 cm)，分別測量前方與后方斷面，完成試驗炮孔爆前爆后斷面測量。

1.3 隧道激光斷面儀方位角設定

在CAD中繪制測點夾角關系(見圖2)，模擬測點機位與巷道位置關系，夾角為5°、6°時巷道壁相鄰激光掃描點間距分別為24.19、19.58 cm，為滿足按200 mm×200 mm網格測量要求，測量時選取隧道激光斷面儀相鄰激光夾角為5°。在機位為1.5 m(巷道高3 m)時，選取掃描角度范圍為50°～135°，激光掃描范圍可完全覆蓋爆破漏斗輪廓，同時在40 cm范圍內上下移動機位，激光掃描范圍依然完全覆蓋漏斗輪廓，故掃描范圍選擇合理。

圖2 測點夾角關系Fig.2 Relations between measuring points with different angles

1.4 爆破漏斗體積計算

隧道激光斷面儀測量過程儀器可實時顯示所測斷面的形狀及測量數據，并可事后通過比較爆前、爆后面積求得面積差Si，按辛卜生法計算求得各漏斗體積V[5], 其函數關系如下所示。

(4)

式中：Si為漏斗各斷面面積，m2；i=1,2,……,n；B為測點間距，B=0.2 m。

2 多種爆破漏斗體積測量方法對比

在使用體積計算公式以及建立3D Mine三維模型計算模型體積的同時，采用傳統體重法測量體積[6]。

1)傳統體重法：此方法原理簡單，易于理解和接受。但由于過程中需要出渣稱重，直接產生高強度勞動量，耗費大量人力和時間，效率低下。并且因試驗過程中常出現爆渣飛濺過遠、相鄰炮孔爆渣混合等現象，導致數據統計困難且試驗數據精度降低。常在分析塊度時采用此方法測量體積。

2)辛卜生法：方法原理簡單，計算復雜度一般，易于被人接受。但因試驗過程中實際操作網格劃分困難、人為主觀因素較大，測量費時、費力，且往往精度不高。

3)基準平面垂直斷面法：該法在巷道頂板布設基準點，結合隧道激光斷面儀對爆破漏斗斷面進行掃描測量，運用3D Mine對爆破漏斗進行實體建模計算體積，或用體積計算公式計算爆破漏斗。是一種具有操作獨立性強、精度高、勞動強度低、效率高、測量時間短等特點的爆破漏斗體積計算的一體化方法，比傳統體重法、辛卜生法等方法更具優越性。目前在爆破漏斗試驗中未見使用，值得推廣。

3 工程應用

3.1 工程概況

開展爆破漏斗試驗時，金廠河礦尚處于基建期，井下已形成開拓巷道，尚未進入井下開采。需通過爆破漏斗試驗推薦合理的鑿巖爆破參數，為礦山投產奠定堅實的技術基礎。

通過多次現場踏勘，于1 750 m水平15#采場底部切割巷道進行系列爆破漏斗試驗。其中1#～4#出礦進路對應區段礦體節理裂隙發育、較為破碎，而5#～9#出礦進路對應區段礦體致密堅硬、塊狀構造較完整。在兼顧考慮大直徑與中深孔爆破參數確定的前提下，鉆鑿φ110 mm與φ70 mm試驗炮孔在該區段礦體內開展爆破漏斗試驗。以φ110 mm孔徑為主，取得基本爆破漏斗試驗參數后，推薦大直徑與深孔爆破參數。

3.2 爆破漏斗體積測量

以單孔系列試驗中的5#炮孔為例，實測孔深1.55 m，孔徑105 mm，乳化炸藥裝藥量為4.6 kg，藥包實際長徑比為5.26，可將其視為球狀藥包，符合采用Livingston爆破漏斗理論進行試驗的基本要求[7]。

裝藥起爆前后(見圖3)，根據頂板基準點確定5#炮孔對應隧道激光斷面儀機位，激光掃描測量并記錄儀器頭距頂板距離，爆前為1.75 m，爆后為1.79 m，儀器頭在z軸方向上高差值ΔH為0.04 m；完成當前斷面(中央基準面)測量后，根據預估爆破漏斗半徑分別測量爆破漏斗前、爆后方斷面各7個。所有斷面文件導入PC端后，將爆后斷面沿z軸方向平移高差值-0.04 m，使得爆前、爆后儀器頭位置重疊，爆前、爆后斷面差集即為爆破漏斗斷面面積。

圖3 5#炮孔爆前爆后對比Fig.3 Comparison of 5# blasthole before and after blasting

算得各斷面面積后按公式即可得到爆破漏斗體積。并將所有斷面導入3D Mine中實體填充以建立爆破漏斗模型(見圖4)，軟件計算生成漏斗體積。

圖4 5#炮孔斷面面積計算及3DMine模型Fig.4 Calculation of 5# blasthole section area and 3D Mine model

3.3 計算方法比較

采用3種方法，分別算得5#、9#、11#炮孔對應爆破漏斗體積，并進行分析比較，計算結果如表2所示。

表1 3種爆破漏斗體積計算方法結果對比

辛卜生法與基準平面垂直斷面法的差值百分率小于5%。兩種計算方法均基于爆破漏斗剖面測量面積，辛卜生法是基于相鄰測量剖面面積按棱臺體進行計算，而基準平面垂直斷面法則將相鄰剖面之間按圓滑面進行封閉后求得體積，其計算求得的爆破漏斗體積偏小，但在測量計算誤差允許范圍內。因此，采用基準平面垂直斷面法計算爆破漏斗體積是高效可行的數據處理方法，可大大降低辛卜生法的計算工作量，且基準平面垂直斷面法采用3D Mine軟件所建立的爆破漏斗三維形態逼真直觀，利于后續研究分析。

對比基準平面垂直斷面法與爆渣總量換算法計算結果可知：其體積差值百分率均大于5%。盡管井下爆破漏斗試驗時采用隔孔爆破的形式，但每次爆破2～3個炮孔將不可避免孔間爆渣出現混雜，且有之前其他試驗炮孔遺留爆渣以及找頂撬毛巖塊混入的影響。除此之外，采用礦石平均體重而非其實際體重進行換算本身也造成一定的計算誤差。分析結果表明在井下爆破漏斗試驗中采用爆渣總量換算法值得商榷。

4 結語

采用基準平面垂直斷面法分析處理數據是一種高效、簡便、易行的爆破漏斗體積測量方法，適應地下爆破漏斗試驗的場地要求與試驗精度要求。由于體重法體積差值百分率大于5%，除了有對爆后礦石塊度分析的需要，一般不建議采用爆渣總量換算法用于爆破漏斗體積的換算。