含水炮孔臺階爆破漏斗試驗研究

王 浩，王建國，黃永輝，張智宇,4

(1.昆明理工大學公共安全與應急管理學院，昆明 650093；2.昆明理工大學國土資源與工程學院，昆明 650093；3.昆明理工大學電力工程學院，昆明 650093；4.云南省中-德藍色礦山與特殊地下空間開發利用重點實驗室, 昆明 650093)

隨著開采深度的不斷加深，大氣降水及裂隙水堆積、炮孔內積水嚴重[1]，爆破后大塊率高、根底多，原有臺階爆破參數與經驗公式法已不再可取。而臺階爆破是露天開采中重要的步驟，臺階爆破的關鍵因素在于合理的爆破參數。為保障礦山能安全、高效率開采，研究含水炮孔條件下臺階爆破參數已成為解決該問題的關鍵。諸多學者對含水炮孔爆破展開了較為深入的研究，吳志剛[2]提出水介質耦合鉆孔爆破法，通過爆破理論、室內試驗、數值模擬相結合對水介質耦合鉆孔爆破法進行研究；龔玖等[3]通過理論與室內爆破模型試驗，比較了空氣不耦合裝藥和水不耦合裝藥的能量利用率；姜濤等[4]通過AutoDyn對比炸藥爆轟波在空氣介質與水介質下對爆破物的沖量大小，分析得出影響裝藥量的主要因素；雷濤等[5]通過LS-DYNA軟件,建立爆破漏斗數值模型分析爆破漏斗成型過程;E.N.Sher等[6]基于脆性破壞理論建立了從爆炸中心向自由面擴展的動態計算模型；雖然部分學者[7-9]論證了水介質的優點，成功利用水介質能有效傳遞能量以及不可壓縮的特性，證明水介質用于爆破的可行性，但露天臺階的爆破漏斗試驗研究則多以干孔為主[10-14]，且多以數值模擬、模型試驗方法研究為主。

但數值模擬過于理想化，所得到的結果與實際工程應用存在一定誤差；模型試驗[15]則受限于模型尺寸效應，會直接影響到試驗結果的準確性。故作者以晉寧磷礦九號坑為背景，在現場開展特定的水孔爆破漏斗試驗，獲得水孔裝藥條件下的臺階爆破優化參數，以此改善露天礦含水炮孔爆破效果。

1 爆破漏斗理論

上世紀50年代，美國礦業學院利文斯頓(C.W. Livingston)通過不同種類圍巖的爆破漏斗試驗研究，發現一次爆破作用于圍巖的能量取決于巖體性質、炸藥性能、藥包大小和藥包埋深等因素,并以此提出了以能量平衡為準則的爆破漏斗理論[16]。當藥包埋置在地表以下足夠深時，炸藥所產生的能量作用于底部巖石中產生彈性變形破壞，無法對地表巖石造成破壞。若改變藥包埋置深度至足以使地表巖石發生破壞但未形成明顯漏斗，此時炸藥的埋深稱為臨界埋深。當炸藥量不變，繼續減小藥包埋深，藥包上方巖石呈沖擊式破壞，漏斗體積逐漸增大。當爆破漏斗體積增至最大時，沖擊式破壞的上限與炸藥能量最佳利用點吻合，此時炸藥埋深即為最佳埋深。若繼續減小埋深，爆破能量超出此埋深最佳破壞效應所需能量，漏斗體積減小。

利文斯頓彈性變形方程，即：

(1)

(2)

式中:Le為藥包臨界埋置深度，m；Eb為彈性變形系數；Q0為藥包質量，kg；Lj為藥包最佳埋置深度，m；Δ0為最佳埋深比,Δ0=Lj/Le，特定巖石種類其Δ0為實數。

2 爆破漏斗試驗

2.1 試驗準備

試驗地點選在巖體節理裂隙發育、積水較為集中的九號坑中部2120平臺。試驗選用山特維克φ150鉆機，6 m長帶有刻度的木棍以及5 m長卷尺一把，配噴漆，標記紙等。試驗與爆破施工采用1#巖石乳化炸藥，其具體參數如表1所示。

表1 1#號巖石乳化炸藥參數

2.2 試驗方案

首先進行單孔爆破漏斗試驗，相同藥量條件下起爆不同埋置深度L的炸藥，尋找最佳炸藥埋深Lj與最佳半徑Rmax；然后基于單孔爆破漏斗試驗所確定的最佳炸藥埋深，進行變孔距同段爆破試驗，確定最佳孔底距離d，利用布洛伯格相似法則[17]計算實際爆破作業最佳孔底距a及炸藥單耗q。最后在不同臺階斜面傾角下，采用單孔連續柱狀裝藥，根據斜面臺階最小抵抗線W變化特征，分析確定臺階爆破試驗最小抵抗線。

2.3 試驗結果統計

爆破后清理漏斗口附近碎巖，使用噴漆圈定漏斗輪廓，確定并標記炮孔圓心，按60°間隔量取6個不同角度的漏斗半徑，取平均值即為該漏斗的試驗半徑。選取漏斗底點為笛卡爾坐標系中心點，建立三維直角坐標系，測量爆破漏斗口及內壁若干點的相對坐標，將測量三維坐標帶入3Dmine數字化礦山軟件，生成漏斗模型，計算漏斗體積[18]。爆破漏斗試驗數據采集與體積計算如圖1所示。

圖1 爆破漏斗試驗數據采集與體積計算

3 爆破漏斗試驗分析

3.1 炮孔深度影響

為保證單孔爆破漏斗試驗結果的準確性，試驗選用與實際爆破漏斗相同的孔徑150 mm。試驗選用1#巖石乳化炸藥，線裝藥密度10 kg/m，單孔裝藥2 kg，為避免孔內水導致藥包浮動，將藥包固定在內徑為110 mm的PVC管內。設計孔深0.9～2.0 m，共計12個孔，各孔試驗結果如表2所示，每孔均為自然滿水狀態。為減少應力波疊加對相鄰炮孔爆破漏斗成型的影響，起爆方式為逐孔起爆，設計相鄰炮孔間距為5 m。

表2 水介質單孔爆破漏斗試驗結果

根據表2數據，繪制出藥包埋置深度與爆破漏斗半徑關系的擬合曲線(見圖2)；單位炸藥爆破體積特征曲線如圖3所示。

圖2 漏斗半徑與藥包埋深關系

圖3 單位炸藥爆破漏斗體積與藥包埋深關系

通過圖3可得到藥包埋深0.8～1.9 m時，單位炸藥爆破漏斗體積與藥包埋深擬合曲線呈中間高兩端低的形狀，爆破漏斗體積變化以L=1.1 m為轉折點，當藥包位于最佳埋深時，峰值點達到沖擊破裂帶上限，藥包能量利用率最高，所形成的爆破漏斗體積最大；圖2擬合曲線趨勢與圖3相同，在藥包埋深L=1.1 m時得最大爆破漏斗半徑值，得出最大半徑對應藥包埋置深度與最大漏斗體積藥包埋置深度相吻合。由圖2、圖3可得出單孔爆破漏斗試驗結果為:Lj=1.1 m、Le=1.8 m、Vmax=1.56 m3、Rmax=1.31 m、Δ0=0.57；根據公式(1)得巖體變形能系數為Eb=1.35。依據布洛伯格相似法則變形公式(3)得到孔深為1.2 m條件下實際單孔藥量為5.08 kg。實際生產中炮孔深度h=10 m，考慮壓榨系數1.42，換算后現場裝藥量為60 kg。

(3)

式中：r1為單孔爆破漏斗試驗藥包半徑，55 mm；r2為實際生產藥包半徑，75 mm；Q1、Q2分別為單孔爆破漏斗試驗藥量、孔深為1.2 m條件實際單孔藥量。

3.2 變孔距試驗

基于單孔系列爆破漏斗試驗確定的最佳藥包埋置深度，在九號坑中部2120平臺布置5組不同孔距試驗組，試驗設計孔距為上述試驗中最佳漏斗半徑的1.5、1.75、2.0、2.25、2.5倍進行取值[19]，得到試驗孔間距分別為1.8、2.1、2.4、2.7、3.0 m，試驗組間距為10 m，炮孔內為滿水狀態，各孔內裝填2 kg由內徑110 mm PVC管固定的1#巖石乳化炸藥，起爆方式為同段齊發。炮孔布置如圖4所示，爆破后試驗結果如表3所示。

圖4 變孔距同段爆破炮孔布置

表3 變孔距爆破漏斗試驗結果

由圖4可知，孔距α=2.7、3.0 m的2組炮孔爆破后，炮孔間存在明顯脊柱隔斷，爆破漏斗之間相互獨立且未連接成槽；孔距α=1.8、2.1、2.4 m的3組炮孔爆破后沿炮孔中心線貫穿連接成槽，統計有效爆破漏斗體積，得此次爆破最大貫穿溝槽體積的炸藥單耗q=0.32 kg/m3。試驗結果表明：當孔間距α≤2.4 m的3組炮孔爆破時，相鄰水孔爆破漏斗間有明顯貫穿現象，相鄰爆破漏斗重合較好，爆炸應力波有效疊加作用于巖石，即爆破漏斗最佳孔距α=1.8～2.4 m。依據變形布洛伯格相似法則公式(4)換算得到試適用實際生產孔距a=5.6～7.4 m。

(4)

式中：α、a分別為變孔距爆破漏斗試驗孔距、實際生產孔距，m；Q1、Q2分別為變孔距爆破漏斗試驗藥量、實際生產藥量。

圖5 水介質變孔距爆破漏斗效果

3.3 斜面臺階試驗

根據采場實際臺階斜面傾角范圍，確定試驗臺階斜面傾角分別為40°與50°，斜面臺階爆破炮孔布置如圖6所示，孔口抵抗線0.3 m，設計炮孔深度5 m，裝入加工后1#巖石乳化炸藥20 kg，裝藥長度為2 m，炮孔內均為滿水狀態。

圖6 試驗炮孔布置

2組試驗爆破后巖石塊度均勻、大塊巖石較少(見圖7)，符合試驗要求，40°與50°臺階斜面所得爆破漏斗深度分別為2.7、2.9 m，由于巖石破碎、拋擲主導方向沿最小抵抗線方向，此方向應力波最先達到自由面對巖石產生破壞，得到水孔爆破漏斗最佳抵抗線W=2.7～2.9 m。依據布洛伯格相似準則式(5)得用于實際生產最佳排距b=3.9～4.2 m。

圖7 臺階爆破試驗效果

(5)

式中：W1、W2為水孔斜面臺階試驗抵抗線與實際生產最小抵抗線，m；Q1、Q2為水孔斜面臺階試驗藥量與實際生產藥量。

4 臺階爆破應用

經相似定律換算后露天臺階水孔爆破最優參數為，孔距a=6 m，排距b=4 m，單孔藥量60 kg。根據系列含水炮孔爆破漏斗試驗換算結果，在孔內積水嚴重的九號坑中部2120平臺進行現場爆破試驗，臺階高度10 m，選用1#巖石乳化炸藥，炮孔深度10 m，孔徑為150 mm，裝藥高度4 m，裝藥方式為耦合裝藥。參數改進后爆破效果與改進前爆破效果對比如圖8所示，可見試驗爆破效果良好。為了量化改進后的爆破效果，統計反應爆破效果的相關指標，參數如表4所示，研究分析發現大塊率較改進前下降20.6%，塊度適中，爆堆松散程度良好，炸藥單耗由原先的0.33 kg/m3下降至0.25 kg/m3，采場開采成本降低、開采能力提高，礦山經濟效應得到明顯改善。

圖8 爆破前后效果對比

表4 現場試驗結果

5 結論

1)針對晉寧磷礦炮孔積水情況，選取2120平臺開展孔內滿水條件下單孔爆破漏斗試驗得到炸藥臨界埋置深度、最佳埋置深度、最佳埋深比、彈性變形能系數；將以上所得數據分別應用于變孔距爆破漏斗試驗、斜面臺階爆破試驗得到合理孔距、排距范圍值。將試驗參數換算后可以用于指導礦山生產。

2)將優化后爆破參數應用于現場爆破工程，統計分析發現大塊率較改進前下降20.6%，爆堆松散程度良好，塊度適中，炸藥單耗由原先的0.33 kg/m3下降至0.25 kg/m3。