柱狀藥包爆炸應力場及在地下中深孔爆破中的應用＊

王德勝，龔 敏，王子學，張文哲

(北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

目前我國金屬露天礦的全部及地下礦的近85%采用中深孔爆破破碎礦巖，但中深孔爆破仍依托球形藥包爆破理論設計，存在不少無法克服的技術缺陷，特別是井下扇形炮孔爆破時孔底距與孔口距不等，炸藥在被爆破巖體內分布不均［1］;以球形集中爆轟理論設計確定的裝藥，使孔口部過渡破碎，孔易出現大塊或懸頂現象;在地下深部開采時，高地壓將以巷道、炮孔形成的內部空間為釋放自由面，特是遇軟弱、破碎的礦巖，常造成炮孔縮孔、錯孔、堵孔等破壞，致使中深孔裝藥困難，甚至無法裝藥。加球形藥包本身固有的爆轟特性，上向扇形孔同排多個群藥包爆破時，整體效果較差。針對集中藥包爆破理論的缺陷與指導中深孔爆破設計時的不符，提出了以柱狀裝藥為特征的條形藥包理論［2］，基本思就是利用中深孔炮孔長徑比大的特點，力求爆炸能量在巖體中均勻分布，從而實現效果好，效率高的破。遺憾的是，柱狀藥包爆破的理論研究目前還相當欠缺，許多技術問題沒有弄清楚，研究工作遠比形藥包復雜，理論研究難度大且進展緩慢，致使廣泛應用的柱狀藥包爆破設計沒有擺脫靠經驗的局面

1 柱狀藥包爆炸應力場的實驗

1.1 實驗模型設計

圖1 實驗模型設計圖Fig.1 Layout of experimental model

進行了3組實驗:2組采用柱狀藥包模型，1組采用集中藥包模型。2組柱狀藥包實驗的藥柱長度、線裝藥密度、裝藥量保持一致;且集中藥包的總藥量與柱狀藥包總藥量也相同。集中藥包直徑為10 mm;柱狀藥包直徑為6 mm，長為 4.2 cm，線裝藥密度為 3.45 g/m，裝藥量為 145 mg，炸藥為迭氮化鉛。

實驗模型尺寸為250 mm×250 mm×80 mm，取相同的剖面進行應力場分析。藥包布置如圖1所示;對于柱狀藥包，一組實驗從O點起爆、另一組實驗從O、F等2點同時起爆。數據分析時選取OA、EE剖面分別對藥包的軸線方向(端部)、中垂線方向進行研究。其中OA剖面取O點為原點，中垂線剖面原點在E點。3組實驗應力波傳播的記錄時間相同，分別為炸藥爆炸后 18、33、45、63 μs。

1.2 實驗結果及分析

1.2.1 實驗結果

如圖2～4是按實驗設計爆破后獲得的3組全息動光彈等差條紋圖。

圖2 集中爆破載荷動光彈等差條紋Fig.2 Dynamic photo-elasticity isochromatic fringe of globular charge denotation

圖3 單點起爆時的柱狀藥包動光彈等差條紋Fig.3 Dynamic photo-elasticity isochromatic fringe of linear charge detonated at one end

圖4 同時起爆時的柱狀藥包動光彈等差條紋Fig.4 Dynamic photo-elasticity isochromatic fringe of linear charge detonated synchronously at two ends

1.2.2 集中藥包與柱狀藥包中垂線方向上的應力場

中垂線剖面上的應力分布是爆破應力疊加效果最直接的體現，也是爆炸應力場全場最大應力分布的區段，因此有必要對中垂線方向上的應力條紋級次變化進行研究。

根據應力-光性定律，最大剪應力與激光條紋級數之間存在下列線性關系

式中:Nc為等差條紋級數;t為模型厚度;fσd為動態等差材料條紋值。

將3個爆破模型不同時刻的受力區間內的平均條紋級數(最大剪應力)、最大條紋級數讀出，畫成圖5以便直觀地反映模型中垂線方向上條紋級數Nc隨距離藥包中心距離d變化的情況。對比發現集中爆破載荷不僅在中垂線上受力區段最短，而且應力極值也最小。對于柱狀藥包，一端起爆模型在初期t1=18 μs時條紋級值最大的，為14.5級，同時起爆模型極值為11.5級?？傮w來看，一端起爆在爆炸應力波傳播的動態過程中維持了較高的應力值，同時起爆柱狀藥包雖然由于相向應力波的強烈迭加在33 μs達到全場的最大應力，但從維持較長時間高應力區考慮，顯然一端起爆效果較好。

圖5 EE剖面上條紋級次變化規律Fig.5 Fringe order distribution on EE profile

1.2.3 端部效應

將2種柱狀藥包與集中藥包模型軸線延長線的條紋級次變化進行對比，圖6給出了3個模型沿OA剖面等差條紋級數的變化規律。在記錄的任何時刻軸線相同位置處，集中爆破載荷的條紋級數明顯比2種柱狀藥包模型大得多。2種柱狀藥包模型的應力場總體相當且較低，并且隨時間變化小，且與起爆方式無關，始終存在端部方向應力場較其他方向顯著減弱的情況。而集中爆破載荷在同一半徑處應力場是相等的，因此端部方向較2種柱狀藥包的應力條紋級數高得多。這一點對巖石爆破可能是一個缺陷，但現場實驗正是利用這一特點以減少爆破對軟弱礦巖中孔口部位巷道眉線的破壞影響。

1.2.4 實驗結論

(1)對于中深孔爆破，以往將它簡化為集中爆破載荷處理是錯誤的，二者不僅在應力場動態分布及強度大小上有本質不同，而且即使對于柱狀藥包的不同起爆方式，應力波的傳播規律和應力分布也存在巨大的差別。

(2)中深孔爆破應力場作用的關鍵區域在中部:在爆破作用的主要時間內，集中藥包受力區間最小，柱狀藥包2種模型受力段差別不明顯，但同時起爆在爆破后期中部受力區間大于一端起爆的情況。平均應力條紋強度及各時刻條紋極值均以一端起爆最大，同時起爆柱狀藥包與集中爆破模型在相同量級。

(3)在柱狀藥包應力波傳播的初期(本模擬研究在起爆后33 μs)，即波陣面到達藥柱長度的2倍或3倍時應力場平均強度和應力峰值達到整個過程的最大值。集中載荷達到最大值的時間較前者晚，本研究在起爆后45 μs。

(4)集中爆破載荷由于應力波傳播的對稱性，沒有端部應力降低效應的產生。對于柱狀藥包，無論以何種方式起爆，端部效應現象始終存在，利用這一特點可以減小巷道的破壞。

(5)從全應力場的強度、均勻性綜合考慮，在采用柱狀藥包進行井下上向扇形中深孔爆破時，推薦使用孔底單點起爆柱狀藥包的方式。

圖6 OA剖面上條紋級次的變化規律Fig.6 Fringe order distribution on OA profile

2 現場應用實驗

采用扇形布孔方式的中深孔爆破是井下采礦爆破的主要方式，在實驗室內研究的基礎上，采用孔底起爆法［3-4］，結合寬孔距大密集系數m布孔［5-8］等配套技術，用爆破后不合格大塊率k和巷道眉線破壞距離L為評價指標，結合小官莊鐵礦的現場條件，確定了對炮孔排距w、孔底距a和起爆位置3個關鍵因素進行了不同參數水平的擬水平法正交實驗。共進行了9個組別計44排中深孔爆破實驗，爆破后跟班觀察、統計爆破效果，組中各排爆破效果取平均值作為該組實驗結果，現場實驗結果見表1。

在方差分析的基礎上，明確了影響中深孔爆破效果的關鍵因素，制定了改善爆破效果的技術措施，現場實驗結論如下:

(1)孔底起爆法:根據實驗研究結果，改變傳統的孔口起爆法而采用孔底起爆法，并結合技術參數正交實驗，對實驗結果的方差分析后，發現孔內起爆藥包的位置對爆破效果影響最顯著，不僅可以改善爆破效果，而且對巷道眉線破壞距離降低有利。

(2)改變柱狀藥包中部應力可使爆破礦巖破碎塊度均勻:實驗結果表明采用排距1.6 m、孔底距2.4～2.6 m，孔底密集系數1.5～1.7的孔網參數，并結合孔底起爆方式能較大幅度改善中深孔爆破破碎效果，提高采礦效率。

(3)利用端部效應減小巷道眉線破壞:根據實驗結果，充分利用孔底起爆時柱狀藥包爆炸壓力加強崩礦中、底部的破碎效果;在孔口加大中間炮孔不裝藥長度至5 m，兩翼炮邊孔1.5～3.5 m的措施，不僅可以改善爆破效果，同時可以大幅減小爆破對炮孔完整性的影響及巷道眉線破壞。

表1 中深孔爆破參數優化實驗結果Table 1 Experimental results of optimization of middle-depth hole blasting parameters

3 結語

在模型實驗對球形集中藥包和柱狀藥包對比研究的基礎上，明確了2種裝藥形式爆炸應力場的差異;對柱狀藥包不同起爆位置應力場特征的對比實驗，進一步深化了對柱狀藥包爆炸應力波傳播規律的認識。結合現場條件，利用柱狀藥包一端起爆時爆轟波的傳播特征，采用孔底起爆法，并配合寬孔底距大密集系數布孔，充分利用柱狀藥包中、底部應力場特點，大幅度改善了小官莊鐵礦井下高壓力、軟弱、破碎礦體上向扇形中深孔爆破效果，大塊率平均由7.5%降至(1.5～2.6)%，炸藥單耗從0.65 kg/t降至0.45 kg/t;有效降低了爆破成本，提高了礦石回收率。

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