新型空氣間隔器的研發與試驗研究

樓曉明, 王振昌, 黃小彬, 何永勝

(1.福州大學紫金礦業學院, 福建 福州　350116; 2.福州大學爆炸技術研究所, 福建 福州　350116)

0　引言

深孔爆破技術在現代金屬礦山開采中占據重要地位[1].在一定巖石和炸藥條件下, 采用分段間隔裝藥, 能夠有效降低炮孔壁的沖擊壓力峰值, 增加應力波作用時間, 減小爆破振動, 改善爆破效果.同時, 空氣間隔能夠減少炮孔裝藥量, 節約爆破成本[2].朱紅兵[3]等對空氣間隔裝藥結構及其爆破機理和實際應用進行的研究, 證實了以上結論.

在空氣間隔器現場應用方面, 田林凱等[4]將空氣間隔器應用于太鋼東山石灰石礦不同地質條件的爆破試驗中, 有效控制了臺階上部大塊； 郭可偉等[5]將空氣間隔器應用于黑山露天煤礦爆破中, 提高了爆破效果.此外, 通過在其他礦山爆破工程中的應用, 發現與傳統間隔器相比, 空氣間隔器具有儲存運輸方便、 安放準確度高和礦山爆破應用效果良好等優勢[6-7].目前, 市場上主要存在BJQ和BJK兩個系列的空氣間隔器, 礦山實際使用過程發現, 這兩個系列的空氣間隔器存在牽引繩和自充氣裝置不可回收, 導致成本高昂, 一般市價為40～60元； 當炮孔較深時, 間隔器還可能出現未下放至預定深度就已膨脹結束, 無法繼續下放等情況.基于上述缺點, 這兩個系列的空氣間隔器未能在國內礦山企業得到廣泛使用, 多數礦山采用巖粉間隔代替空氣間隔, 爆破效果較差； 或采用毛竹筒、 PVC管等代替空氣間隔器, 運輸成本較高.

礦山爆破工程急需一款價格合理、 操作簡便、 充氣時間及充氣后靜荷強度符合要求的空氣間隔器.通過室內實驗, 針對三種不同直徑的炮孔, 考慮裝填過程的沖擊作用, 得出裝填物對空氣間隔器的作用規律.在此基礎上, 設計一款使用方便、 價格低廉、 科學合理的炮孔裝藥間隔器, 并通過紫金山金銅礦地下大直徑深孔礦房的爆破工業試驗, 對該間隔器的使用效果進行驗證.

1　空氣間隔器力學實驗

1.1　實驗設計

實驗選用90、 110和160 mm的PVC-U管模擬相應直徑的炮孔, 同時, 選用平均粒徑約0.25～0.35 mm的細沙模擬炮孔裝填物(炸藥和堵塞物), 考慮沙子粘性系數對壓力作用規律的影響, 分別采用5%、 15%、 25%三種濕度的細沙進行實驗.同時, 為實現等間隔裝填沙子, 制作3個對應直徑、 長度為0.25 m的裝填容器.實驗數據的采集分別通過KD7016程控靜態應變儀和新源TCS-150型高精度電子臺秤兩種方案實現.

KD7016程控靜態應變儀具有15個應變測點和1個指定測力點, 內置由精密低溫漂電阻組成的內半橋, 并提供公共補償片的接線端子(每8個測點共用一對端子, 共兩對), 故每個測點都可獨立組成全橋、 半橋或1/4橋(需連接公共補償片).本次實驗共設置測點4個, 各測點均采用接公共補償片的1/4橋接法, 測量應變片和公共補償應變片的電阻值均為120 Ω.TCS-150高精度電子臺秤量程為0～150 kg, 分度值為50 g.實驗還需5 cm×5 cm×10 cm的大理石標準試件兩個.

實驗裝置前期準備: 1) 將標準試件表面打磨光滑, 置于PVC管底部, 用502膠水將4片測量應變片沿標準試件軸向緊密粘貼在4個側面上, 將公共補償片以相同方式緊密粘貼在另一標準試件上； 2) 在距PVC管下端處鉆鑿4個小孔, 測量應變片的兩極通過導線從小孔穿出與相應通道的A、 B接線柱連接, 并搭接各通道的B、 B’接線柱, 同時, 補償片的兩極通過導線與補償I區的兩個接線端子連接, 導線與應變儀接線柱連接處均做電焊處理.實驗設計裝置如圖1所示.

圖1　實驗設計裝置Fig.1　Experimental design device

1.2　實驗結果及討論

1.2.1實驗結果

依次選用直徑為90、 110和160 mm的PVC-U管模擬相應直徑炮孔條件, 以0.25 m為間隔, 逐次往炮孔內傾倒裝填物, 每次裝填完畢, 采集一組數據.通過計算, 可得到炮孔內不同裝填長度作用在PVC管底部端面的壓強.經過三種不同直徑PVC管、 三種不同濕度細沙的多次重復組合實驗, 合理剔除采集的異常實驗數據后, 對多組數據取平均值, 最終獲得兩種數據采集方案下, 空氣間隔器隨裝填高度變化的平均受力情況.實驗表明, 濕度對空氣間隔器受力變化影響極小, 可以忽略不計.以濕度為15%的細沙進行裝填時, 空氣間隔器的受力情況, 如圖2所示.根據所得曲線特性, 利用Origin軟件進行GaussCum非線性擬合, 可得到空氣間隔器隨炮孔直徑、 裝填高度變化的受力規律, 其基本形式如下：

(1)

式中：Y為間隔器所受壓強, Pa；X1為炮孔直徑, m；X2為裝填高度, m；A、B、C、D、E和Y0為控制參數, 其具體取值, 如表1所示.

圖2　三種直徑炮孔中間隔器隨裝填高度變化的受力曲線Fig.2　Force curves of three kinds of diameter hole with the change of filling height

KD7016A取值標準誤差B取值標準誤差C取值標準誤差校正相關系數平方304345.41.8545×10-60.262360.425630.085560.075210.98423D取值標準誤差E取值標準誤差Y0取值標準誤差校正相關系數平方1.102350.057450.821560.057841884.211187.457250.98423TCS-150A取值標準誤差B取值標準誤差C取值標準誤差校正相關系數平方301995.51.9397×10-60.261130.394770.088890.074270.98569D取值標準誤差E取值標準誤差Y0取值標準誤差校正相關系數平方1.101160.057130.812820.058641874.421188.787220.98569

圖3　空氣間隔器受力示意圖Fig.3　Force diagram of the air-spacer

在力學性能上, 可以將空氣間隔器簡化為不傳遞彎矩和切向力的薄殼[8], 其受力情況如圖3所示.空氣間隔器主要承受4方面的作用力, 包括上覆裝填段的壓力F1, 炮孔壁對間隔器的擠壓力F2, 炮孔底部裝填對間隔器的擠壓力F3和間隔器內部氣體對氣囊的壓力P.其中,F2、F3和P的數量級遠低于F1, 在確定間隔器強度極限時可以忽略不計, 而只考慮上覆裝填段的壓力F1這一主要因素.

上覆裝填段的壓力F1包括兩個方面, 一方面是由裝填物對空氣間隔器產生的直接壓力, 另一方面是每次裝填時裝填物對間隔器的沖擊壓力, 在確定空氣間隔器強度極限時, 只需考慮二者中較大的一方.為合理選擇空氣間隔器的厚度, 除裝填物對空氣間隔器的直接壓強外, 還需計算裝填物對間隔器的沖擊壓強, 并將兩者進行對比.

1.2.2沖擊受力分析

實驗中關注的裝填物沖擊力, 為沖擊過程中裝填物與空氣間隔器相互作用荷載的最大值.假定沖擊過程中的裝填物為均質球體, 裝藥結構為底部空氣間隔裝藥.根據沖量定理, 在考慮裝填物反彈和自重情況下, 可以建立裝填物垂直沖擊空氣間隔器上表面的最大沖擊力計算模型.基于前述假定和考慮, 依據裝填物沖擊過程中的受力和速度變化情況, 可建立裝填物沖擊過程沿間隔器上表面法向的沖量方程[9].間隔器上表面的法向恢復系數為

(2)

式中：vbn為裝填物與間隔器碰撞前的入射速度沿上表面的法向分量, m·s-1；van為裝填物與間隔器碰撞后的反彈速度沿上表面的法向分量, m·s-1；en為法向恢復系數, 可參見文獻 [10]取值, 本次實驗取en=0.10.

由沖量定理可得：

(3)

式中：m為裝填物質量, t；Fn(t)為裝填物重力的法向分量, kN；fn(t)為沖擊過程中裝填物的法向沖擊力, kN.

在式(3)中,fn(t)為隨時間變化的量, 在沖擊開始時為0, 在裝填物速度的法向分量為0時達到最大

圖4　沖擊力放大系數取值曲線Fig.4　Value curve of impact force amplification factor

值, 然后隨著裝填物的反彈又迅速減小, 在裝填物離開沖擊斜面時為0.研究中關心的是fn(t)的最大值, 而Fn(t)則是不隨時間改變的量, 即：

Fn(t)=mgcosα

(4)

式中：g為重力加速度, 取9.81 m·s-2；α為碰撞斜面的傾角, (°), 本次研究α=0°。

若假定最大沖擊力為平均沖擊力的k倍[3], 則有：

(5)

由式(3)～(5)可得：

(6)

即有：

(7)

鑒于文獻 [11]給出的沖擊過程歷時計算方法與實際符合較好, 本文亦采用該公式, 即：

(8)

式中：h為緩沖層厚度, m；H為落高, m.

在式(8)中, 落高H實際反映的是沖擊速度對沖擊過程歷時的影響, 但在一般斜碰撞中, 裝填物并非處于自由落體狀態, 故需要將式(8)中的H用等效的裝填物速度法向分量替換[10].由經典自由落體運動公式可得：

(9)

將式(9)代入式(8), 可得到對應于等價沖擊速度下的沖擊過程歷程[8], 即：

(10)

1.2.3討論

1) 直接作用壓強換算.由圖2可知, 直徑為90、 110和160 mm的炮孔中上覆裝填物對空氣間隔器產生的直接壓強, 最終都逐漸趨于一個極限值.根據細沙的密度與乳化炸藥密度的數量關系, 并根據兩組實驗數據非線性擬合所得規律公式, 取二者平均值, 可得到實際炮孔裝填時, 上覆裝填物對空氣間隔器產生的直接壓強分別為3.22、 3.95和7.05 kPa(注： 細沙密度ρ沙=1 500 kg·m-3)

2) 沖擊力計算.紫金山金銅礦地下大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法中, 炮孔深度為47 m, 孔口裝填長度為3 m, 孔底裝填長度為2 m.如為底部空氣間隔裝藥, 則裝填物的最大落高為41 m, 由式(9)可得：vbn= 28.36 m·s-1.

實際上, 裝填物在下落過程中會與孔壁發生碰撞摩擦, 導致該速度明顯減小, 則裝填物的最大沖擊力也隨之減小, 但為保證間隔器厚度選取合理, 考慮最大的沖擊速度更為合適.以長度為0.25 m、 密度為1 200 kg·m-3的乳化炸藥卷的質量, 作為每次裝填時裝填物的質量, 研究中對耦合裝藥的情況進行計算； 同時, 沖擊過程中間隔器緩沖層厚度為0.1 m.計算可得, 90、 110和160 mm三種直徑的炮孔中, 每次裝填時裝填物對空氣間隔器的最大沖擊力分別為：F1n max=17.04 kN;F2n max=25.59 kN;F3n max=51.93 kN.根據P=F/S,可以計算得到90、 110和160 mm三種直徑的炮孔中, 每次裝填時裝填物對空氣間隔器的最大沖擊壓強分別為：P1n max= 2.75 MPa;P2n max= 2.69 MPa;P3n max= 2.58 MPa.

3) 對比分析.將實驗所得的直接壓強值與計算得到的沖擊壓強值進行比較, 以及利用式(1)、 (7)和(10)計算得到各種常見炮孔直徑下, 裝填物對空氣間隔器產生的直接壓強和沖擊壓強, 如表2所示.可以發現, 在各種常見炮孔直徑下, 裝填物對空氣間隔器產生的沖擊壓強也均遠大于實驗所得直接壓強, 因此, 在確定空氣間隔器的強度極限時, 僅需考慮其所承受的裝填物瞬間沖擊壓強.

表2　不同直徑炮孔中裝填物的沖擊壓強

2　空氣間隔器設計

圖5　新型空氣間隔器設計平面圖Fig.5　Design plan of the new type of air-spacer

為解決前言所述問題, 設計的空氣間隔器采取孔外快速充氣的方式, 依靠裝填物重力下放至指定位置, 從而大幅節省牽引繩和自充氣裝置的成本, 并提高間隔器安放的準確率.該間隔器的構造包括密閉氣袋、 充氣口、 氣塞和孔外充氣裝置.其中, 密閉氣袋的充氣直徑和長度不定, 可根據工程中炮孔的直徑、 深度及空氣間隔長度任意調整； 充氣口和氣塞置于密閉氣袋的一端.根據現場裝藥條件, 還可決定是否在間隔器的另一端設置重物袋, 其深度為0.1 m, 與密閉氣袋通過高溫壓合連接.新型炮孔裝藥空氣間隔器設計平面圖如圖5所示.

經過市場調研, 并與相關廠商和專業人士溝通, 最終采用聚氯乙烯混合材料作為空氣間隔器的氣袋材料.該氣袋材料柔而韌, 耐腐蝕, 且密封性能好.當氣袋厚度達到0.2 mm時, 充氣后, 其靜荷強度能保持在15 MPa以上, 遠大于裝藥時上覆裝填物對空氣間隔器產生的沖擊壓強, 且足以克服不光滑炮孔壁的刮擦作用.制作的新型炮孔裝藥空氣間隔器, 如圖6所示.

3　現場工業試驗

紫金山金銅礦深部采礦-50 m至0 m中段17#礦房礦體內細微裂隙和節理較發育, 主要以IV～V級圍巖為主, 普氏巖石硬度系數f=8～14.礦房采用大直徑深孔爆破進行回采, 原設計均采用連續裝藥爆破, 爆破振動和炸藥單耗均較大, 粉礦較多, 不易鏟裝； 同時, 由于爆破振動過大, 影響后續爆破炮孔裝藥, 爆破成本較高.

本次現場試驗爆破區域長為60.5 m, 寬為15 m, 第一次爆破孔深27 m.爆區內共布置18排127個炮孔, 其中正常孔、 邊界孔和四周掏槽孔均采用空氣間隔裝藥, 中心掏槽孔采用連續裝藥, 確定爆破網絡及炮孔裝藥結構如圖7～8所示.

圖7　爆破試驗網絡圖Fig.7　Network diagram of blasting test

圖8　爆破試驗炮孔裝藥結構示意圖Fig.8　Charge structure diagram of blasting test

試驗共使用新型炮孔裝藥間隔器1 600 支, 單支充氣過程僅需5 s, 強度足夠, 未出現安放不到位和漏氣等情況.爆破時, 振動較小, 爆破后, 爆堆巖石塊度均勻且較小, 需二次破碎礦石量占比大幅降低, 礦石易于鏟裝.本次試驗爆破所使用空氣間隔器每支單價為3元, 總成本4 000 元, 但節省乳化炸藥12 089 kg, 炸藥單耗較未采用空氣間隔裝藥時降低20.37%.按市價估算, 單個礦房共節約爆破成本10.13 萬元, 詳見表3.

表3　連續裝藥與空氣間隔裝藥爆破成本對比表

4　結語

1) 根據室內實驗結果, 在一定范圍內, 不同直徑炮孔內空氣間隔器所受上覆裝填段直接壓強隨裝填長度的增加而增大, 但當裝填物達到某一長度時, 該壓強逐漸趨于一個極限值, 并通過非線性擬合得到了空氣間隔器隨炮孔直徑和裝填高度變化的受力規律.

2) 新型空氣間隔器材料及安全厚度均由嚴格的力學實驗和行業標準確定, 當密閉氣袋厚度達到0.2 mm時, 充氣后靜荷強度能保持在15 MPa以上, 遠大于裝填物對空氣間隔器產生的最大沖擊壓強, 且足以克服不光滑炮孔壁的刮擦作用.

3) 新型空氣間隔器采取孔外充氣的方式, 借助重物下拉安放至指定位置, 節省了牽引繩和自充氣裝置的成本, 單個間隔器成本僅為3元, 較市場上在售的空氣間隔器降低90%以上, 同時, 提高了間隔器安放的準確率.