付宏寧,劉海洋,侯志永,匡正平,劉再道,楊 帆,馬云超,劉東銳,張為星

(1.中核韶關(guān)錦原鈾業(yè)有限公司,廣東 韶關(guān) 512329;2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410012)

裝藥爆破是開采硬巖礦山的主要方法,爆破設(shè)計與施工是礦山最重要的工作之一。爆破理論可有效指導(dǎo)設(shè)計與施工,但由于工程爆破的“瞬時性”“高危性”,理論研究尚不成熟,爆破參數(shù)的選擇主要采用基礎(chǔ)理論與工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的方法[1-2]。在爆破理論的發(fā)展過程中,利文斯頓爆破漏斗理論占有非常重要的位置,是用來確定爆破參數(shù)的基本方法,在硬巖礦山得到了廣泛應(yīng)用。

某鈾礦一直采用淺孔爆破開采,生產(chǎn)能力小,機(jī)械化程度低,同時對于破碎或貧礦的開采安全性差、經(jīng)濟(jì)性不合理。在礦山開展了深孔采礦試驗(yàn),但爆破參數(shù)主要采用由炮孔直徑推導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)值,爆破效果較差[3-4]。筆者基于爆破漏斗理論開展爆破漏斗試驗(yàn)選擇爆破參數(shù),以期提高爆破質(zhì)量。

1 試驗(yàn)原理

針對特定巖體和炸藥,通過開展小型單孔和多孔爆破漏斗試驗(yàn)、斜面臺階爆破漏斗試驗(yàn),獲取一定藥量藥包爆破的最佳埋深、漏斗半徑、孔間距、最小抵抗線及炸藥單耗。然后根據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論,推導(dǎo)大直徑深孔最佳的爆破參數(shù)[5-6]。利文斯頓指出在同一巖體中采用同一種炸藥爆破時,小型爆破漏斗試驗(yàn)和大直徑深孔爆破兩者的爆破漏斗參數(shù)滿足如下關(guān)系[7]:

(1)

式中,Rj0、Rj1分別為小型爆破漏斗試驗(yàn)(在藥包質(zhì)量為Q0和最佳埋深時)和大直徑深孔爆破(在藥包質(zhì)量為Q1和最佳埋深時)的最佳爆破漏斗半徑,m。通過爆破漏斗試驗(yàn)可得到最佳漏斗半徑,而爆破參數(shù)中的孔間距與單孔爆破漏斗半徑有關(guān),通常取爆破漏斗半徑的1.3～1.7倍,這就為求取大直徑深孔爆破的孔間距提供了方法[8]。

2 爆破漏斗試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)選擇

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇的主要要求:1)試驗(yàn)地點(diǎn)的礦巖條件應(yīng)與深孔爆破區(qū)的巖性基本一致;2)脈內(nèi)巷道且巷道通風(fēng)良好,巷道邊幫平整度較好,巷道可利用長度不小于20 m。

經(jīng)現(xiàn)場勘查,試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在南部礦段0 m中段0 m層脈內(nèi)巷道,2號勘探線附近(圖1)。該巷道主要服務(wù)于前期鑿巖及后期受礦,考慮到出礦結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,試驗(yàn)鉆孔盡可能布置在脈內(nèi)巷道與出礦進(jìn)路不相交的一側(cè)邊幫(即東側(cè)邊幫)。

圖1 試驗(yàn)地點(diǎn)平面布置圖Fig. 1 Layout plan of the test site

2.2 單孔爆破漏斗試驗(yàn)方案

2.2.1 炮孔參數(shù)及布置

為獲得特定礦巖內(nèi)炸藥量爆破的最佳埋深(爆破漏斗體積最大且爆破塊度均勻時的藥包中心埋深)及在最佳埋深時的最佳漏斗半徑,減小對既有巷道的破壞,單孔裝藥質(zhì)量設(shè)定為300 g,炮孔長度設(shè)為0.5～1.4 m,共施工10個炮孔。鑿巖后需現(xiàn)場測量實(shí)際炮孔深度,對于超深炮孔用炮泥調(diào)整到設(shè)計深度。最佳埋深一般與炸藥量的三分之一次方成正比[9]。

10個炮孔爆破后形成的漏斗互不干擾,孔口自由面平整且足夠大,鉆孔軸線垂直于幫壁,深孔和淺孔交替布置。相鄰炮孔間距設(shè)計為2.5 m,炮孔距巷道底板高度為1.2 m。采用YT-28鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔,所成炮孔直徑為40 mm。

2.2.2 裝藥及爆破

采用卷狀的2號巖石乳化炸藥,單卷裝藥質(zhì)量為300 g,藥卷長0.3 m、直徑32 mm,長徑比為9.4。由于長徑比過大,因此裝藥時將藥卷切成2等份,先后裝入孔中,擠出炸藥,縮小長徑比,以滿足球狀藥包的長徑比要求。

試驗(yàn)設(shè)計了10孔,準(zhǔn)備10卷乳化炸藥,每孔1卷,裝藥質(zhì)量為300 g。在裝藥前,用炮泥對超深炮孔進(jìn)行調(diào)整,然后插入雷管到藥卷內(nèi)并推入孔底,反向起爆;將炮孔的剩余長度填滿炮泥,以防爆破沖孔。

2.3 變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)方案

通過單孔爆破漏斗試驗(yàn)可得到藥包最佳埋深和最佳漏斗半徑。在此基礎(chǔ)上開展變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn),尋求藥包最佳埋深條件下的最佳孔間距,以及最佳孔間距與最佳漏斗半徑間的關(guān)系。在最佳孔間距時,達(dá)到爆破塊度均勻、兩孔間不留三角脊柱的爆破效果。

2.3.1 炮孔參數(shù)及布置

變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)的炮孔直徑為40 mm,炮孔深度與單孔爆破漏斗試驗(yàn)中藥包最佳埋深時對應(yīng)的炮孔深度一致,炮孔數(shù)量設(shè)計為5孔。根據(jù)單孔爆破漏斗試驗(yàn)得到的最佳漏斗半徑確定炮孔間距,可設(shè)計4個不同的數(shù)值,通常炮孔間距與最佳漏斗半徑的比為1.3～1.7。5孔的相鄰孔間距依次增大,孔口的平整自由面足夠大,鉆孔軸線垂直于幫壁,炮孔距巷道底板高為1.2 m。

2.3.2 裝藥及爆破

裝藥前對超深炮孔用炮泥調(diào)整到藥包最佳埋深對應(yīng)的炮孔深度,炸藥種類和裝藥量與單孔爆破漏斗試驗(yàn)相同。5個炮孔采用的雷管同段,孔底反向起爆;將炮孔的剩余長度填滿炮泥,以防爆破沖孔。

2.4 斜面臺階爆破漏斗試驗(yàn)方案

通過斜面臺階爆破漏斗試驗(yàn)可獲得最小抵抗線(即排距),利用斜面臺階最小抵抗線從小到大連續(xù)變化的特點(diǎn),觀察延長藥包爆破后漏斗的輪廓,以確定當(dāng)量藥包適宜的最小抵抗線[10]。

2.4.1 炮孔參數(shù)及布置

采用YT-28鉆機(jī)鑿巖,炮孔直徑為40 mm,炮孔深度為1.8 m。在巷道邊幫間設(shè)計2個斜面臺階爆破漏斗試驗(yàn)孔,其中1#炮孔與巷道幫壁成45°,距離巷道底板高為1.2 m;2#炮孔與巷道幫壁成30°,距離巷道底板高為1.2 m。

2.4.2 裝藥及爆破

炸藥種類與單孔爆破漏斗試驗(yàn)相同,為2號巖石乳化炸藥,采用連續(xù)柱狀不耦合裝藥,藥卷不用切開擠出炸藥,每孔設(shè)計5卷藥卷?？椎追聪蚱鸨?孔口堵塞長約300 mm的炮泥,以防爆破沖孔。

3 爆破漏斗試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單孔爆破漏斗試驗(yàn)

實(shí)際施工炮孔9個,孔深為0.7～1.1 m,所用鑿巖機(jī)受巷道空間限制,不能垂直巷道邊幫施工,孔軸線與巷道邊幫角度統(tǒng)一為70°?？咨羁刂撇涣?會導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離亂;而且需要用炮泥修正孔深,增加裝藥難度。所用藥包直徑32 mm、長0.3 m,長徑比較大;為了滿足球狀藥包的要求,將長徑比控制在6左右,裝藥時將藥包一分為二,在炮孔中擠出炸藥,裝藥長度縮減為0.2 m左右,形成耦合裝藥?；诂F(xiàn)有炮孔條件試驗(yàn),經(jīng)過現(xiàn)場測量、計算和統(tǒng)計后,得到單孔爆破漏斗試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 單孔爆破漏斗試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Single hole blasting crater test data

現(xiàn)場爆破效果一般,爆破大塊多,主要原因是礦巖節(jié)理裂隙發(fā)育,且巷道形成時間早、表層風(fēng)化嚴(yán)重,巖塊在爆破沖擊波作用下沿裂隙面脫落,爆生氣體沿裂隙面逸散,削弱爆破能量。

1#炮孔在裝藥時藥包擠壓過緊,出現(xiàn)了拒爆情況;2#炮孔藥包埋深較小,未形成明顯的漏斗,因此在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時,剔除1#、2#炮孔。單孔爆破漏斗試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理主要是基于最小二乘法擬合藥包中心埋深(L)與漏斗體積(V)、漏斗半徑(R)之間的數(shù)值曲線,尋找最大爆破漏斗體積對應(yīng)的藥包最佳埋深,該值即為變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)的藥包中心埋深;其次是得到藥包最佳埋深對應(yīng)的最佳漏斗半徑,該值決定了變孔距多孔同段爆破試驗(yàn)的孔間距范圍,一般孔間距取最佳漏斗半徑的1.3～1.7倍,具體數(shù)值需通過變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)確定。

采用四次多項式擬合爆破漏斗特征曲線(圖2～圖3)。對四次多項式求極大值,計算得到藥包的最佳埋深(Lj)=0.65 m,最佳漏斗半徑(Rj)=0.63 m。

圖2 爆破漏斗體積與藥包埋深關(guān)系Fig. 2 Relationship between the blasting crater volume and the depth of charge embedding

圖3 爆破漏斗半徑與藥包埋深關(guān)系Fig. 3 Relationship between the blasting crater radius and the depth of charge embedding

3.2 變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)

根據(jù)單孔爆破漏斗試驗(yàn)結(jié)果,將變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)的藥包埋深設(shè)定為0.65 m,試驗(yàn)炮孔間距取最佳漏斗半徑的1.3～1.7倍(即0.82～1.07 m),依次為0.8、0.9、1.0、1.1 m,以求得該小型爆破漏斗試驗(yàn)的最佳孔間距與最佳漏斗半徑的具體倍數(shù)。根據(jù)利文斯頓爆破漏斗試驗(yàn)原理,在同一巖體中采用同一種炸藥爆破時,小型爆破和大直徑深孔爆破兩者的最佳漏斗半徑之比等于兩者藥包(長徑比相等)藥量之比的三分之一次方;由于最佳孔間距與最佳漏斗半徑比為常數(shù),由此可先求得大直徑深孔爆破的最佳漏斗半徑,進(jìn)而再計算得到最佳孔間距。

爆破試驗(yàn)后重點(diǎn)觀測炮孔之間的溝槽或三角脊柱情況,當(dāng)炮孔間距較小時,孔間基本上不存在脊柱;但隨著炮孔間距離的增大,逐步形成脊柱。

現(xiàn)場4個炮孔的裝藥爆破試驗(yàn)結(jié)果見表2?？梢钥闯?孔1#和孔2#、孔2#和孔3#間都沿炮孔中心連線貫通,形成溝槽,孔間無脊柱,相鄰孔爆破能量疊加,溝槽深度略大于漏斗深度?？?#和孔4#的間距增加到1.0 m,孔間形成三角脊柱,溝槽中間深度降低近半。因此,本試驗(yàn)條件下的最大孔間距應(yīng)不大于1.0 m,最佳孔間距為0.9～1.0 m,最佳孔間距與最佳漏斗半徑比為1.43～1.59。

表2 變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of multi-hole blasting crater with variable hole spacing

3.3 斜面臺階爆破試驗(yàn)

斜面臺階爆破試驗(yàn)的目的是獲得最小抵抗線(炮孔排距),炮孔中心線與巷道邊幫斜交成一定角度,炮孔全長裝入炸藥并堵塞后,從孔口至孔底炸藥的最小抵抗線從小到大連續(xù)變化,巖塊會從炮孔的某一深度爆開,從該深度位置到原巷道邊幫的垂直距離即為最小抵抗線。

試驗(yàn)設(shè)計了2個炮孔,實(shí)際實(shí)施1個炮孔,實(shí)測孔深1.7 m、角度29°,裝藥長為1.2 m,堵塞長為0.3 m,藥包未能捅至孔底。現(xiàn)場測量殘留孔深為0.85 m,爆破孔深為0.85 m,計算得到最小抵抗線為0.41 m。

4 采場深孔爆破參數(shù)計算

4.1 孔間距計算

采場深孔爆破的孔間距由變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)結(jié)果換算而來。變孔距多孔同段爆破漏斗試驗(yàn)炮孔直徑為40 mm,藥包直徑32 mm,長0.3 m,裝藥質(zhì)量(Q0)為300 g;實(shí)際裝藥直徑35 mm、裝藥長0.2 m,長徑比為5.7。試驗(yàn)得到的最佳孔間距為0.9～1.0 m,最佳漏斗半徑為0.63 m,最佳孔間距與最佳漏斗半徑比為1.43～1.59。

采場深孔爆破炮孔直徑為65 mm,耦合裝藥,裝藥直徑為65 mm,當(dāng)藥包長徑比為5.7時,裝藥長為0.37 m,裝藥質(zhì)量(Q)為1.92 kg。

參考式(1)得到深孔爆破孔間距(a)的計算公式為

a=(1.43～1.59)×Rj×Q1/3×Q0-1/3。

(2)

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2),求得a=1.67～1.86 m,取1.7 m。

4.2 排間距計算

基于爆破相似定律,小型爆破漏斗試驗(yàn)和大直徑深孔爆破的最小抵抗線之比為兩者裝藥直徑之比。斜面臺階爆破試驗(yàn)實(shí)際裝藥直徑就是藥包直徑(32 mm),得到的最小抵抗線為0.41 m;而深孔爆破炮孔直徑為65 mm,耦合裝藥,裝藥直徑即為65 mm,可求得深孔爆破的最小抵抗線為0.84 m。根據(jù)礦山實(shí)際經(jīng)驗(yàn),該值顯然偏小,不適合作為深孔爆破參數(shù)的推薦值。

參考相關(guān)深孔爆破參數(shù)選取資料[11],可根據(jù)炮孔密集系數(shù)(孔間距與排距的比值)和孔間距計算排距。扇形布孔一般采用孔底密集系數(shù),取系數(shù)為1.0～1.3,代入孔間距(1.7 m),可計算得到排間距為1.3～1.7 m?？紤]到大孔距、小抵抗線爆破時能量分布更均勻,推薦深孔爆破排間距為1.3 m。

5 結(jié)論

采用深孔爆破回采優(yōu)選爆破參數(shù),單孔爆破漏斗試驗(yàn)得出藥包最佳埋深為0.65 m,最佳漏斗半徑為0.63 m;變孔距多孔同段爆破試驗(yàn)得出最佳孔間距為0.9～1.0 m,其與最佳漏斗半徑的比為1.43～1.59;斜面臺階爆破試驗(yàn)得出最佳的最小抵抗線為0.41 m。

基于爆破相似定律,計算得到直徑為65 mm深孔的最佳孔間距為1.7 m;考慮到斜面臺階爆破試驗(yàn)結(jié)果不理想,采用扇形布孔的孔底密集系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值計算后推薦深孔爆破排距為1.3 m。