某露天礦山不同粒徑巖屑對(duì)爆破水孔填塞效果實(shí)踐

錢旭林，張畢書，張進(jìn)濤，韓金潮，周其江

(1.云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司，云南 文山州 663701；2.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650031)

關(guān)健詞：不同粒徑；巖屑；爆破；水孔；填塞

云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司的主要生產(chǎn)礦場(chǎng)銅街-曼家寨采場(chǎng)（下面簡(jiǎn)稱銅曼采場(chǎng)）位于云南省馬關(guān)縣都龍鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座含鋅﹑錫﹑銦﹑銅﹑鐵等元素的多金屬礦山，礦山現(xiàn)主要采用牙輪鉆﹑潛孔鉆聯(lián)合穿孔，電鏟﹑挖掘機(jī)組合開挖，礦用卡車運(yùn)輸，推土機(jī)﹑膠帶聯(lián)合排土的陡幫組合露天開采工藝。礦山近年來，露天礦山年采剝總量已突破1600萬m3，隨著開采的深入，礦巖爆破比例已達(dá)到年采剝總量90%以上。礦山目前開采高程范圍為910m～1340m，礦山地質(zhì)條件較為復(fù)雜，自東向西大體以片巖﹑矽卡巖﹑大理巖等狀態(tài)分布。采場(chǎng)上部1080m以上臺(tái)階高度為15m，穿孔深度17.5m；1080m以下臺(tái)階高度為10m，穿孔深度約12m。因礦山巖層含水較豐富，導(dǎo)致爆區(qū)炮孔水孔較多，常年爆破炮孔水孔率為30%，雨季時(shí)爆破炮孔水孔明顯增多。在日常生產(chǎn)爆破時(shí)，由于填塞質(zhì)量等問題，水孔沖孔嚴(yán)重，常年沖孔率達(dá)25%左右，最高時(shí)沖孔率可達(dá)60%，致使爆破能量流失嚴(yán)重，導(dǎo)致爆破效果不理想，因此，在此礦山的生產(chǎn)過過程中對(duì)爆破展開相關(guān)的研究是很有必要的。

在實(shí)際生產(chǎn)爆破的過程中，為改善水孔爆破效果，施工時(shí)發(fā)現(xiàn)在采用不同粒徑巖屑對(duì)爆破水孔填塞后其爆破效果是不同的，因此開展了針對(duì)不同粒徑巖屑對(duì)爆破水孔填塞問題進(jìn)行了探究。

1 礦山水孔爆破及充填技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 礦區(qū)爆破概況

（1）穿孔現(xiàn)狀

銅曼采場(chǎng)目前穿孔設(shè)備主要由3臺(tái)KY-250D（Ф250mm）牙輪鉆機(jī)及2臺(tái)型號(hào)分別為DI500（Ф152mm）﹑L8-D65（Ф178mm）潛孔鉆機(jī)組成。生產(chǎn)中上部的15m臺(tái)階穿孔深度為17.5m，下部采礦10m臺(tái)階的穿孔深度為12m，礦山目前年穿孔量已超過30萬米以上。詳情見表1：采場(chǎng)2021年穿孔量表。

表1 采場(chǎng)2021年穿孔量表

（2）爆破器材現(xiàn)狀

炸藥：目前礦山使用的是2#巖石乳化炸藥，由委爆外破公司直接采購(gòu)運(yùn)達(dá)爆破現(xiàn)場(chǎng)并組織實(shí)施爆破，其主要性能指標(biāo)如表2。

表2 2#巖石乳化炸藥性能指標(biāo)

起爆具：起到爆轟波放大的作用，提高雷管對(duì)炸藥引爆能力，減少拒爆的概率。

雷管：隨著爆破工藝的更新，目前礦山已全面使用數(shù)碼電子雷管進(jìn)行起爆。

氣體間隔器：礦山正在使用的氣體間隔器為按壓式氣體間隔器，其型號(hào)為150mm﹑200mmMTi氣體間隔器。主要用于間隔裝藥，提高藥柱高度，增進(jìn)爆破質(zhì)量。

（3）孔網(wǎng)及穿爆現(xiàn)狀

目前礦山已全面采用數(shù)碼電子雷管進(jìn)行逐孔起爆方式，孔網(wǎng)為參數(shù)主要為：牙輪鉆機(jī)10m×8m﹑11m×7m；潛孔鉆機(jī)7m×5m﹑6m×8m等，實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)按照爆區(qū)巖性及所使用的鉆機(jī)設(shè)備進(jìn)行靈活調(diào)整。因采場(chǎng)地形及礦體產(chǎn)狀決定了礦山施工作業(yè)面條件規(guī)模有限，無法實(shí)施較大規(guī)模的爆破，從而進(jìn)一步導(dǎo)致礦山年爆破作業(yè)強(qiáng)度增大，周爆破天數(shù)達(dá)5～6天。

1.2 水孔填塞現(xiàn)狀

（1）水孔填塞現(xiàn)狀

目前，采場(chǎng)年穿孔量達(dá)3萬個(gè)以上，穿孔過程中產(chǎn)出的巖屑基本上可以滿足炮孔填塞用量，因此，礦山主要使用炮孔巖屑作為炮孔主要填塞料。礦山炮孔填塞長(zhǎng)度牙輪鉆孔：5.0～6.5m，潛孔鉆孔：4.0～5.0m，礦山水孔填塞時(shí)填塞體多為水飽和狀態(tài)，主要呈固～液兩相狀態(tài)。

（2）爆破效果

銅曼采場(chǎng)爆破時(shí)水孔沖孔現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，如圖1所示。生產(chǎn)中礦山對(duì)采場(chǎng)爆破沖孔進(jìn)行了專門統(tǒng)計(jì)，總體上的沖孔率統(tǒng)計(jì)情況見圖2。

圖1 水孔爆破沖孔圖

圖2 2019年某時(shí)段水孔爆破水孔沖孔率

從圖2中可以看出，銅曼采場(chǎng)水孔爆破沖孔率平均為25%。爆破施工作業(yè)中，水孔因?yàn)椴获詈涎b藥，線裝藥密度不均衡，在爆破中易發(fā)生沖孔現(xiàn)象，造成爆破能量流失較大，較高的水孔沖孔率使爆破效果惡化，導(dǎo)致采剝時(shí)，常出現(xiàn)巖根及大塊，礦山生產(chǎn)效率及采剝成本受到一定影響。爆破時(shí)有水炮孔裝藥量不均衡，產(chǎn)生較高的水孔沖孔率主要會(huì)給采場(chǎng)生產(chǎn)帶來以下困擾：

（1）礦山含水豐富區(qū)域因水孔分布不規(guī)律，爆破沖孔會(huì)致使水孔爆區(qū)整體爆破質(zhì)量變差，產(chǎn)生一定大塊，臺(tái)階大塊巖石將直接影響生產(chǎn)鏟裝效率﹑導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加；

（2）爆破沖孔易產(chǎn)生飛石，而礦山電鏟﹑牙輪鉆機(jī)等大型用電設(shè)備電纜線長(zhǎng)度有限，避炮及移動(dòng)困難，容易發(fā)生設(shè)備安全事故，或避炮較遠(yuǎn)導(dǎo)致大型用電設(shè)備移動(dòng)占用時(shí)間較長(zhǎng)影響生產(chǎn)鏟裝效率，增加生產(chǎn)成本。

2 不同粒徑巖屑對(duì)爆破水孔的填塞效果探索

2.1 不同粒徑巖屑對(duì)爆破水孔填塞效果的爆破漏斗試驗(yàn)

2.1.1 爆破漏斗試驗(yàn)方案

（1）試驗(yàn)方案

要據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)銅曼采場(chǎng)炮孔巖屑的研究，其炮孔巖屑由0～25mm不同粒徑顆粒不等含量組成。本試驗(yàn)將以不同粒徑等級(jí)顆粒分別作為水孔填塞料，模擬生產(chǎn)爆破區(qū)域水孔填塞進(jìn)行相應(yīng)的爆破漏斗試驗(yàn)，并輔以高速攝影儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)拍攝捕捉。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后，對(duì)比不同粒徑顆粒填塞炮孔試驗(yàn)的爆破漏斗體積及其爆破漏斗參數(shù)變化，結(jié)合高速攝影儀捕捉填塞物沖出孔口情況，來分析不同粒徑等級(jí)顆粒填塞爆破水孔的效果情況，找到適宜銅曼采場(chǎng)使用的粒徑顆粒用于爆區(qū)水孔填塞。

首先，將炮孔填塞料對(duì)象分為：①水填塞；②＜0.5mm粒徑巖屑；③0.5～1.0mm粒徑巖屑；④1.0～3.0mm粒徑巖屑；⑤3.0～5.0mm粒徑巖屑；⑥5.0～10.0mm粒徑巖屑；⑦10.0～15.0mm粒徑巖屑；⑧＞15.0mm粒徑巖屑；⑨干巖屑；⑩不作填塞10個(gè)類別，填塞過程中為盡可能確保試驗(yàn)環(huán)境與現(xiàn)場(chǎng)爆破環(huán)境相同，故先將各炮孔中先充滿水后再按設(shè)計(jì)編號(hào)填入不同類別填塞料以模擬水孔填塞料的真實(shí)飽和狀態(tài)。

（2）捕捉拍攝方法

項(xiàng)目試驗(yàn)中，捕捉拍攝將采用由中國(guó)大恒有限公司北京圖像視覺技術(shù)公司生產(chǎn)的高速攝影儀，如圖3示。試驗(yàn)用高速攝影儀最大采集量可達(dá)四萬余幀，最大拍攝時(shí)長(zhǎng)可達(dá)3分20余秒，能滿足對(duì)爆破起爆全過程的捕捉攝影。

圖3 高速攝影儀

2.1.2 試驗(yàn)開展步驟

（1）穿孔布孔

項(xiàng)目試驗(yàn)時(shí)為便于操作且不影響礦山生產(chǎn)爆破，現(xiàn)場(chǎng)主要采用礦山型號(hào)DI500的5#潛孔鉆機(jī)穿孔，鉆機(jī)孔徑為Φ152mm，試驗(yàn)場(chǎng)地為XX平臺(tái)，試驗(yàn)與生產(chǎn)爆破將同步進(jìn)行起爆。現(xiàn)場(chǎng)考慮場(chǎng)到地條件及攝影布局等因素影響，確定爆破試驗(yàn)穿孔深度為0.6m，孔距為2.0m，排距為2.0m，試驗(yàn)采用梅花形布孔，設(shè)計(jì)布孔及編號(hào)如圖4所示，現(xiàn)場(chǎng)穿孔情況如圖5所示。

圖4 試驗(yàn)孔布置圖

圖5 現(xiàn)場(chǎng)穿孔情況圖

（2）裝藥

試驗(yàn)炸藥單耗確定：本次試驗(yàn)將與XX平臺(tái)生產(chǎn)爆破同時(shí)進(jìn)行，所用炸藥為2#巖石乳化炸藥，因試驗(yàn)巖性與生產(chǎn)爆破平臺(tái)巖性相同，都屬于矽卡巖區(qū)域，根據(jù)礦山在長(zhǎng)期的生產(chǎn)松動(dòng)爆破中對(duì)矽卡巖的炸藥單耗取值經(jīng)驗(yàn)看，現(xiàn)場(chǎng)所用炸藥單耗較為符合實(shí)際，此次試驗(yàn)采用生產(chǎn)爆破炸藥單耗設(shè)計(jì)值確定為0.48kg/m3。

藥量計(jì)算：試驗(yàn)通常使用標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破漏斗試驗(yàn)，通過折算方法以確定松動(dòng)爆破的炸藥單耗，實(shí)驗(yàn)表明松動(dòng)爆破的炸藥單耗Ks約為標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破炸藥單耗Kb的1/3～1/2。故松動(dòng)爆破的裝藥量可按以下公式計(jì)算：

由上述已確定試驗(yàn)區(qū)爆破炸藥單耗0.48kg/m3，考慮試驗(yàn)對(duì)填塞物沖出炮孔口情況進(jìn)行捕捉拍攝，現(xiàn)場(chǎng)適當(dāng)加大試驗(yàn)單耗至0.49kg/m3。現(xiàn)場(chǎng)10個(gè)爆破設(shè)計(jì)孔實(shí)際每孔試驗(yàn)藥量為0.2kg，總用藥量為2kg。

（3）填塞

試驗(yàn)時(shí)為盡量真實(shí)模擬爆破現(xiàn)場(chǎng)水孔填塞試驗(yàn)，為使爆破水孔填塞料處于水飽和狀態(tài)，試驗(yàn)孔裝藥完畢后將向爆破孔內(nèi)灌水至滿口，后依次按設(shè)計(jì)填入設(shè)計(jì)類別填塞料，為使起爆時(shí)填塞料仍處于水飽和狀態(tài)，起爆前將需對(duì)炮孔再次補(bǔ)水。

（4）起爆網(wǎng)路及起爆順序選擇

試驗(yàn)采用數(shù)碼電子雷管對(duì)網(wǎng)路進(jìn)行起爆，為準(zhǔn)確對(duì)比填塞物沖出孔口速度及避免逐孔起爆后對(duì)相鄰孔的破壞影響，設(shè)計(jì)的10個(gè)試驗(yàn)孔起爆時(shí)間設(shè)置為同時(shí)起爆。

2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果

（1）爆破漏斗情況

爆破后，試驗(yàn)孔全部完成起爆，無盲炮，其爆破漏斗效果如圖6。

圖6 爆后漏斗圖

經(jīng)清渣后對(duì)爆破漏斗參數(shù)進(jìn)行量測(cè)及計(jì)算，其結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)孔爆破漏斗參數(shù)表

在爆破漏斗試驗(yàn)中，須對(duì)爆破漏斗各參數(shù)值作出量測(cè)并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，爆破漏斗及其各參數(shù)如圖7所示。

圖7 爆破漏斗示意圖

最終爆破漏斗參數(shù)如下表：

2.1.4 數(shù)據(jù)分析

2.1.4.1 不同填塞料顆粒粒徑及密度對(duì)水孔填塞效果的影響規(guī)律

試驗(yàn)共形成10個(gè)爆破漏斗孔，其填塞料飽和密度隨顆粒粒徑變化如圖8示。試驗(yàn)經(jīng)過清渣﹑量測(cè)后，爆破漏斗參數(shù)隨填塞顆粒的變化關(guān)系如下圖9示。

圖8 水孔填塞料密度隨顆粒變化圖

（1）不同填塞料密度對(duì)水孔填塞效果的影響規(guī)律

由圖9可知，由空氣﹑水及巖屑填塞結(jié)果可以看出，爆破漏斗參數(shù)如體積v﹑半徑r及深度D等重要漏斗參數(shù)隨填塞料密度的增大而增加，隨著密度增大趨勢(shì)的減緩其增加有所減緩。其次，在巖石性質(zhì)﹑炸藥性能﹑埋置深度及填塞長(zhǎng)度相同情況下，巖屑顆粒的填塞效果最好，水填塞次之，空氣填塞最差。

圖9 爆破漏斗參數(shù)隨顆粒變化趨勢(shì)圖

顯然，對(duì)于炮孔的填塞來說，填塞體在孔內(nèi)受到藥包爆炸能量豎直向上的作用，與重力作用方向相反，填塞體密度越大，其重力越大，填塞體抑制爆炸能量逸出孔口能力越強(qiáng)。

圖中干填塞時(shí)，其填塞料密度小于水孔填塞料密度，但其漏斗各參數(shù)大于水孔參數(shù)，這是因?yàn)楦商钊现写嬖诳紫稓怏w，氣體具有可壓縮性，且爆炸應(yīng)力在干填料中透射率較低，從而導(dǎo)致填塞顆粒與孔壁間摩擦性能降低，導(dǎo)致其抑制爆炸能量逸出孔口能力減弱。

（2）不同填塞顆粒粒徑對(duì)水孔填塞效果的影響規(guī)律

填塞料密度在一定程度上影響著水孔的填塞效果，密度較大的填塞料，其水孔填塞效果要好于密度較小的填塞料。

而從圖9中可以看出，填塞料顆粒粒徑從＜0.5mm開始逐漸增大至＞15.0mm時(shí)，其密度變化量較小，其爆破漏斗各參數(shù)變化較大；

水孔填塞中，填塞顆粒粒徑由＜0.5mm至0.5～1.0mm時(shí)，爆破漏斗體積v﹑半徑r及深度D明顯增大；

當(dāng)顆粒粒徑為0.5～1.0mm開始至＞15mm時(shí)，爆破漏斗半徑r及深度D明顯趨于相等，爆破漏斗體積V繼續(xù)增大，在1.0～3.0mm時(shí)達(dá)到最大值，而后降到0.5～1.0mm時(shí)水平，而在爆破漏斗體積在1.0～3.0mm時(shí)達(dá)到最大值。

由上述可得出，在填塞顆粒密度變化較小時(shí)，粒徑＜0.5mm顆粒填塞水孔，其爆破漏斗參數(shù)明顯小于粒徑＞0.5mm的各粒徑等級(jí)顆粒填塞水孔的爆破漏斗參數(shù)，而其它各等級(jí)粒徑顆粒填塞水孔其爆破漏斗各參數(shù)趨于相同。從而得出，在銅曼礦山對(duì)爆破水孔進(jìn)行充填時(shí)，水孔填塞料粒徑不宜小于0.5mm。

2.1.4.2 水孔不同粒徑顆粒填塞料逸出孔口規(guī)律

本次試驗(yàn)在高速攝影儀的拍攝下，能清晰看出填塞料沖出孔口情形，不同粒徑顆粒填塞水孔隨時(shí)間沖出孔口的情況如圖10所示。

圖10 沖出物隨時(shí)間沖出高度趨勢(shì)圖

從圖中可以看出，試驗(yàn)炮孔在起爆后，沖出物隨填塞顆粒粒徑的增大，其沖出高度逐漸降低。在同一時(shí)刻下，水填塞﹑空氣填塞及＜0.5mm顆粒填塞的水孔，其填塞物在起爆后5ms內(nèi)已全部沖出孔口，其沖出高度在同一時(shí)刻明顯高于其它試驗(yàn)炮孔，而＞0.5mm等級(jí)顆粒的水孔填塞物則在15ms后方相繼沖出孔口，時(shí)間晚了將近10ms左右。

在藥量﹑埋深等相同情況下，粒徑＞0.5mm的顆粒，在水孔填塞中抑制逸出炮孔能力明顯強(qiáng)于水及粒徑＜0.5mm的顆粒，說明了粒徑＞0.5mm的顆粒填塞時(shí)更利于水孔爆破能量的儲(chǔ)存利用，粒徑＜0.5mm的顆粒及水填塞因填塞物過早逸出孔口，不利于爆破能量的儲(chǔ)存利用，降低了爆破能量的相對(duì)作用時(shí)間。

綜上分析，從試驗(yàn)炮孔填塞物沖出炮孔高度﹑時(shí)間及速度等方面可以看出，水及粒徑＜0.5mm的顆粒填塞爆破水孔時(shí)，其填塞效果較差，不利于爆破能量的吸收利用，從而導(dǎo)致爆破效果受到影響。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)通過對(duì)不同粒徑巖屑填塞有水炮孔而產(chǎn)生的不同爆破漏斗試驗(yàn)，并采用高速攝影對(duì)試驗(yàn)炮孔的抓捕拍攝及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量統(tǒng)計(jì)的方法，系統(tǒng)的研究了不同粒徑大小對(duì)爆破區(qū)域含水炮孔填塞作用的影響，研究得出以下結(jié)論可用于指導(dǎo)爆破區(qū)域水孔填塞工藝：

（1）隨著不同粒徑顆粒填塞體含水率的增加，炮孔填塞體呈泥流狀形態(tài)，此過程中粘聚力變小，而抗剪強(qiáng)度及填塞體與炮孔壁的摩擦力與內(nèi)摩擦角有關(guān)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著炮孔填塞顆粒粒徑的增大其內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，可初步判定：隨著炮孔填塞顆粒體的增大，對(duì)含水炮孔中的填塞作用將增強(qiáng)。同時(shí)，試驗(yàn)中高速攝影數(shù)據(jù)分析結(jié)果也表明在藥量﹑埋深等相同的情況下，隨著炮孔填塞顆粒體顆粒粒徑的增大，其填塞作用增強(qiáng)，有利于提高爆破區(qū)域有水炮孔的爆破質(zhì)量。

（2）爆破漏斗參數(shù)體積V﹑半徑R及深度D等參數(shù)總體上隨含水炮孔填塞料密度的增大而增加，但隨著密度增大趨勢(shì)的減緩其增加亦有所減緩。在巖石性質(zhì)﹑炸藥性能﹑埋置深度及填塞長(zhǎng)度相同情況下，采用巖屑顆粒﹑水及空氣填塞水孔時(shí)，巖屑顆粒填塞效果最好，水填塞次之，空氣填塞最差。

（3）在填塞顆粒密度變化較小情況下，粒徑＜0.5mm顆粒填塞水孔，其爆破漏斗參數(shù)明顯小于粒徑＞0.5mm的各粒徑等級(jí)顆粒填塞水孔的漏斗參數(shù)，而其它各等級(jí)粒徑顆粒填塞的水孔其爆破漏斗各參數(shù)趨于相等。可得出，銅曼采場(chǎng)爆破區(qū)域針對(duì)爆破水孔填塞料粒徑的選擇不宜＜0.5mm。