丘浩禹，黃明清，游淳淋

（福州大學(xué)紫金地質(zhì)與礦業(yè)學(xué)院， 福建 福州 350108）

1 引言

金屬礦床地下開(kāi)采一般采用爆破落礦的方式，爆破效果的好壞直接影響著礦山的回采效率和經(jīng)濟(jì)效益。爆破效果取決于炸藥自身特性及各項(xiàng)爆破參數(shù)，其中爆破參數(shù)主要由數(shù)值模擬法和物理試驗(yàn)法等確定［1-2］。王子?。?］等基于數(shù)值模擬的耦合裝藥條件，對(duì)巷道掘進(jìn)掏槽的爆破參數(shù)進(jìn)行了研究；魯超［4］通過(guò)數(shù)值分析模擬等方法，對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)展開(kāi)了研究，優(yōu)化了太白金礦的爆破參數(shù)；南江［5］等通過(guò)建立數(shù)值模型，對(duì)大冶鐵礦爆破與邊坡的關(guān)系進(jìn)行了研究；邱勝光［6］等基于爆破漏斗試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了紫金山地下采場(chǎng)合理的大直徑深孔爆破參數(shù)；文興［7］等通過(guò)爆破漏斗試驗(yàn)，確定了阿舍勒銅礦崩礦的爆破參數(shù)，優(yōu)化了采場(chǎng)爆破的質(zhì)量；呂賢鵬［8］等根據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論，設(shè)計(jì)了一系列單孔爆破漏斗測(cè)試，對(duì)相關(guān)爆破參數(shù)進(jìn)行了研究。通常，數(shù)值模擬法因成本低廉、不受場(chǎng)地限制等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于爆破參數(shù)的研究。然而，數(shù)值模擬法考慮的參數(shù)有限，無(wú)法全面地反映礦巖物理力學(xué)特性，故采用物理試驗(yàn)法能夠得到更為理想的爆破參數(shù)。利文斯頓根據(jù)大量的爆破漏斗試驗(yàn)，以能量平衡為基礎(chǔ)，從能量轉(zhuǎn)化和工程的角度，對(duì)爆破漏斗的產(chǎn)生和演變進(jìn)行了分析，總結(jié)出了利文斯頓爆破漏斗理論，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于礦業(yè)生產(chǎn)中［9］。

薩熱克銅礦主要采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ú傻V，礦塊沿礦體走向布置，礦塊長(zhǎng)度 70～100 m，階段高度60 m，分段高15 m。由于礦山投產(chǎn)時(shí)間短，現(xiàn)有工程地質(zhì)條件及礦巖穩(wěn)定性研究不足，采場(chǎng)現(xiàn)行中深孔爆破參數(shù)與現(xiàn)有礦巖物理特性不相匹配，爆破效果不佳。為了得到薩熱克銅礦理想的爆破參數(shù)，本文將依據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論，在礦山礫巖巷道中設(shè)計(jì)單系列爆破漏斗試驗(yàn)和變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出推薦的中深孔爆破參數(shù)，為分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ú傻V過(guò)程中的爆破參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)與方法

2.1 開(kāi)采技術(shù)條件

薩熱克銅礦為沉積-變質(zhì)成礦，礦化受層位控制，巖層穩(wěn)定，近礦圍巖與礦層巖性一致，含礦層上盤為礫巖，厚10～30 m，下盤為砂礫巖、砂巖，厚30～50 m。巖石較為堅(jiān)硬，單軸抗壓強(qiáng)度為70～110 MPa，f系數(shù)為7～11。試驗(yàn)地點(diǎn)選取在2730 m分段101采場(chǎng)鑿巖道內(nèi)，巖石較為完整，無(wú)明顯斷層。

2.2 單系列爆破漏斗試驗(yàn)

在試驗(yàn)地點(diǎn)內(nèi)選擇一個(gè)平整的巷道側(cè)幫，采用YT28鉆機(jī)鑿8個(gè)淺孔，孔徑為40 mm，孔距為2.0 m，孔深分別為40 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm、90 cm、100 cm、120 cm，炮孔布置如圖1所示。自制?35mm×250mm的膨化硝銨炸藥藥卷，每卷重240 g，每孔內(nèi)裝一卷炸藥，藥卷一端置入25 g乳化炸藥作為起爆藥，將帶有起爆藥的一端朝里送入孔內(nèi)，未裝藥部分使用炮泥填塞。

圖1 單系列爆破漏斗試驗(yàn)炮孔分布

2.3 變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在單系列爆破漏斗試驗(yàn)的另一側(cè)幫壁，采用YT28鉆機(jī)鑿7個(gè)淺孔，孔徑為40 mm，孔距依次為40 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm、90 cm，以單系列爆破漏斗試驗(yàn)得出的最佳深度為藥包裝藥深度，炮孔布置如圖2所示。藥卷參數(shù)及裝藥方式同單系列爆破漏斗試驗(yàn)。

圖2 變孔距爆破漏斗試驗(yàn)炮孔分布

2.4 爆破漏斗尺寸測(cè)量方法

2.4.1 爆破漏斗半徑

試驗(yàn)后，不計(jì)入漏斗周圍巖石片落部分，勾勒出漏斗口的邊界線，以炮孔為中心點(diǎn)，豎直向上為起始方向，順時(shí)針間隔旋轉(zhuǎn)45°，旋轉(zhuǎn)8次，分別測(cè)量8個(gè)方位的漏斗半徑，取其平均值作為最終的漏斗半徑。

2.4.2 爆破漏斗深度

爆破后，以漏斗所在巷道側(cè)幫壁作為基準(zhǔn)面，垂直該基準(zhǔn)面向漏斗內(nèi)測(cè)得的最大深度，作為最終的漏斗深度。

2.4.3 爆破漏斗體積

采取垂直斷面法，以垂直炮孔軸線的平面作為基準(zhǔn)面，按一定的等距離（20cm×20cm的網(wǎng)度）測(cè)得一組垂直于基準(zhǔn)面的爆破漏斗深度輪廓線，得出各測(cè)點(diǎn)的爆破深度，算出漏斗各斷面面積，再根據(jù)體積公式計(jì)算漏斗體積。

其中漏斗各斷面的面積Si可由式（1）計(jì)算：

式中： Si為漏斗某斷面面積，m2； B為測(cè)點(diǎn)間距，本試驗(yàn)為0.2m； Yi為第i點(diǎn)爆破深度，m。

其中漏斗體積V可由式（2）計(jì)算：

式中：V為爆破漏斗體積，m3； B為斷面間距，取0.2m；Si為漏斗某斷面面積，m2。

3 結(jié)果與討論

3.1 單系列爆破漏斗試驗(yàn)

將8個(gè)炮孔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)列于表1。可以看出，1至7號(hào)炮孔均形成有效爆破漏斗，礫巖的可爆性較好；當(dāng)藥包埋深小于50.5 cm時(shí)，爆破漏斗的半徑、深度和體積均與埋深正相關(guān)；當(dāng)藥包埋深等于50.5 cm時(shí)，爆破漏斗的半徑、深度和體積均達(dá)到最大值，最大爆破漏斗體積為101317 cm3；當(dāng)藥包埋深大于50.5 cm時(shí)，爆破漏斗的半徑、深度和體積均與埋深負(fù)相關(guān)；當(dāng)藥包埋深達(dá)到98.5 cm時(shí)，無(wú)法形成有效的爆破漏斗。

表1 單系列爆破漏斗試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

基于最小二乘法原理，采用Origin軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)項(xiàng)擬合，得出爆破漏斗體積V、半徑R與藥包中心埋深l的關(guān)系式（3）～（4），進(jìn)而繪制出爆破漏斗特征曲線圖3、圖4。

圖3 V-l特征曲線

圖4 R-l特征曲線

式中：V為爆破漏斗體積，cm3；R為爆破漏斗半徑，cm；l為藥包中心埋深，cm。

結(jié)合關(guān)系式和圖表，得出單系列爆破漏斗試驗(yàn)的臨界埋深為98.5 cm，最佳埋深為47.0 cm，最佳埋深比為0.48，最大爆破漏斗體積0.109 m3，最大爆破漏斗半徑45.042 cm。

3.2 變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)

爆破后，將7個(gè)炮孔的輪廓線繪制在圖5中?？梢钥闯觯?、2、3、4、5號(hào)炮孔連通成槽；6、7號(hào)炮孔形成獨(dú)立的爆破漏斗。即當(dāng)孔間距為40～70 cm時(shí)，炸藥能量在孔間較好地疊加，沿炮孔中心連線所形成的槽溝寬度和深度均較大；當(dāng)孔間距為80～90 cm時(shí)，炸藥能量的疊加效果削弱，呈現(xiàn)出獨(dú)立的爆破漏斗，無(wú)法形成槽溝。

圖5 變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)實(shí)測(cè)圖

3.3 中深孔爆破參數(shù)優(yōu)化

薩熱克銅礦采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ú傻V，基于單系列爆破漏斗試驗(yàn)及變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)爆破漏斗相似理論，推薦薩熱克銅礦中深孔爆破參數(shù)如下：

3.3.1 最佳孔間距

最佳孔間距［10］可由式（5）確定，計(jì)算得1.3～1.5 m。

式中：Rj為單系列爆破漏斗試驗(yàn)最佳漏斗半徑，0.45 m；Q為單系列爆破漏斗試驗(yàn)炮孔裝藥量，0.265 kg；Q0為中深孔爆破單層裝藥量，1.5 kg/m。

3.3.2 最大孔底距

根據(jù)變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)中形成槽溝的孔間距，并考慮尺寸效應(yīng)，得出中深孔爆破的最大孔底距，計(jì)算為1.19～2.8 m。由于薩熱克銅礦目前采用的2.6 m孔底距爆破效果較好，因此，此處選擇孔底距最大值2.8 m作為中深孔爆破孔底距。

3.3.3 炸藥單耗

根據(jù)單系列爆破漏斗試驗(yàn)結(jié)果及其數(shù)據(jù)擬合，爆破漏斗體積最大時(shí)，炸藥單耗最低，為最優(yōu)工況。由式（6）可確定炸藥單耗為2.43 kg/m3。

式中：q為中深孔爆破炸藥單耗，kg/m3；Q為單系列爆破漏斗試驗(yàn)炮孔裝藥量，0.265 kg；V為單系列爆破漏斗試驗(yàn)最大漏斗體積，此處為0.109 m3。

3.3.4 最小抵抗線

最小抵抗線［11］可按式（7）選取，計(jì)算為1.824 m。工業(yè)生產(chǎn)時(shí)可以略提高，以1.9～2.0 m為宜，以探索炸藥單耗更低、爆破效果更好的參數(shù)值。

式中：D0為爆破漏斗試驗(yàn)孔徑，40 mm；D為中深孔爆破炮孔直徑，76 mm；n為單系列爆破漏斗試驗(yàn)中最佳埋深時(shí)的爆破作用指數(shù)，取0.96。

綜上，在單系列爆破漏斗試驗(yàn)及變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于爆破漏斗相似理論，得到薩熱克銅礦分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǖ闹猩羁妆茀?shù)為：最佳孔間距1.3～1.5 m，最大孔底距2.8 m，炸藥單耗2.43 kg/m3，最小抵抗線1.9～2.0 m。

4 結(jié)論

（1）薩熱克銅礦礫巖可爆性較好，通過(guò)漏斗試驗(yàn)可以得到理想的中深孔爆破參數(shù)。根據(jù)單系列爆破漏斗試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其擬合結(jié)果：藥包臨界埋深為98.5 cm，最佳埋深為47.0 cm，最佳埋深比為0.48，最大爆破漏斗體積0.109 m3，最大爆破漏斗半徑45.042 cm。

（2）變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)表明，孔間距的增大，不利于孔間炸藥能量的疊加，不利于槽溝的形成。同時(shí)，當(dāng)孔間距為40～70 cm時(shí)，炮孔宜拉通成槽，槽溝的寬度和深度均較大。

（3）在單系列爆破漏斗試驗(yàn)及變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于爆破漏斗相似理論，得到薩熱克銅礦礫巖中深孔爆破推薦參數(shù)為：最佳孔間距1.3～1.5 m，最大孔底距2.8 m，炸藥單耗2.43 kg/m3，最小抵抗線1.9～2.0 m。