露天中深孔小藥卷爆破除水研究

尹彥波，周科平，彭文慶，高峰

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露天中深孔小藥卷爆破除水研究

尹彥波1, 2，周科平1，彭文慶3，高峰1

(1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙，410083；2. 長沙礦山研究院 安全技術(shù)中心，湖南 長沙，410012；3. 湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭，411201)

基于在露天中深孔爆破過程中，炮孔內(nèi)積水會引起諸如裝藥困難、拒爆及爆破效果不理想，而采用人工除水及空壓機(jī)“吹水”等傳統(tǒng)除水方法又效率太低的問題，提出小藥卷爆破除水方案。通過建立理論模型，確定除水藥卷藥量的合理范圍，并利用LS-DYNA數(shù)值模擬驗(yàn)證此除水方案的合理性。研究結(jié)果表明：采用合適藥量的小藥卷爆破進(jìn)行露天中深孔除水的方法，降水幅度達(dá)85%以上，而且剩余水墊層的作用可使爆破炸藥消耗量降低7%以上。

藥卷爆破除水；中深孔；理論模型；數(shù)值模擬

當(dāng)前，我國很多露天金屬礦山采用中深孔爆破的方法進(jìn)行崩礦。在礦山開采、鑿巖爆破過程中，受地形及天氣的影響，炮孔積水問題較多，特別是在一些裂隙水補(bǔ)給豐富及南方多雨地區(qū)，這一現(xiàn)象更加嚴(yán)重。雖然水壓控制爆破技術(shù)利用水密度大、不可壓縮性的特性，可以達(dá)到改善爆破效果、降低爆破炸藥單耗和控制爆破危害[1?2]，但在實(shí)際操作過程中，該技術(shù)存在以下問題。

1) 裝藥困難。炮孔積水，礦山只能采用防水炸藥如乳化炸藥、水膠炸藥等。由于此類炸藥較為黏結(jié)，通常采用蠟紙或塑料卷裝，而卷裝質(zhì)量差異造成塑料袋內(nèi)不同程度地含有空氣，導(dǎo)致藥卷密度不一，一般為0.90~1.30 g/cm3。而炮孔積水中懸浮了一定量的巖屑，混合物的密度也為1.00~1.30 g/cm3，在裝藥過程中藥卷難以下沉。多數(shù)礦山采用人工搗壓或者自然靜置的方法使其下沉，常引起藥卷變形或破壞而堵孔、炸藥靜置時間過長失效而拒爆、裝藥不到位等問題，對爆破效果影響極大。

2) 易產(chǎn)生拒爆。一方面，由于積水炮孔存在懸浮巖屑，在炸藥電解質(zhì)的作用下造成不均勻沉降。先沉入孔底的藥卷與銜接藥卷之間存在大量含泥塵礫，使得炮孔的孔徑變小或者變形，導(dǎo)致藥卷被卡住，這樣容易造成兩藥卷之間有一段無藥間隔，若間隔距離超過炸藥在水介質(zhì)中的殉爆距離，則會造成底部藥卷產(chǎn)生拒爆。另一方面，不排除由于炸藥或雷管質(zhì)量缺陷，久置于水介質(zhì)中失效而產(chǎn)生拒爆現(xiàn)象。

3) 爆破效果不理想。由于炮孔內(nèi)存在與炸藥密度相近的混合介質(zhì)，炸藥難以沉入孔底，造成底部炸藥爆力不足以克服底盤抵抗線的阻力，容易造成底部破碎效果不良，甚至出現(xiàn)根底。若礦山采用巖粉堵孔，巖粉遇水易形成泥漿，則導(dǎo)致填塞物與炮孔之間的摩擦力降低，爆破時能量過早外泄，甚至產(chǎn)生沖孔現(xiàn)象，使爆破效果變差[3]。

可見，有效解決露天含水中深孔水處理問題對于礦山穩(wěn)定生產(chǎn)至關(guān)重要。目前，我國大多礦山采取以下方法對水炮孔進(jìn)行處理[3]：1) 采用空壓機(jī)進(jìn)行“吹水”。受限于空壓機(jī)的機(jī)動性，此方法僅適合于部分淺孔水處理，且效率較低。2) 人工排水。用潛水泵抽或用吹水專用設(shè)備進(jìn)行處理。該處理方法費(fèi)時費(fèi)力且收效甚微。3) 采用水壓控制爆破如間隔裝藥技術(shù)。這些方法操作較繁瑣，加上礦山爆破工人接受能力較低，倘若使用不當(dāng)，效果適得其反。4) 將藥卷捆綁在竹片上然后整體下放，這種方法應(yīng)用于淺孔尚可，對于中深孔操作極其繁瑣、復(fù)雜。為此，針對露天含水中深孔水處理難題，提出小藥卷爆破除水方案，利用小藥包爆破進(jìn)行“沖水”。本文作者以理論分析為基礎(chǔ)，確定除水藥卷藥量的合理范圍，并從數(shù)值模擬的角度驗(yàn)證此除水方案的合理性。

1 理論模型

炮孔中的藥包爆炸后，孔內(nèi)高溫高壓膨脹氣體迅速地向外傳播，對周圍水介質(zhì)產(chǎn)生壓縮作用，激起沖擊波，橫向?qū)ε诳妆趲r石產(chǎn)生破壞作用，徑向推動炸藥上部水柱往孔口運(yùn)動。因此，采用小藥包除水處理方法，必須要求藥包爆炸產(chǎn)生的爆力不能破壞孔壁的完整性，又要盡可能將水柱推出孔外。研究時，為不失一般性，假定小藥包爆炸時處于孔底，水柱整體抬升，忽略水柱與孔壁之間的黏滯作用。小藥卷爆炸“沖水”模型如圖1所示[4?5](其中，為炮孔深度，m；為孔內(nèi)水深中，m)。

圖1 含水炮孔及藥卷位置示意圖

1.1 藥卷藥量的上限

由于水具有不可壓縮性、黏滯性和導(dǎo)熱性等特性，進(jìn)而使得爆炸能量耗散，在傳播過程中，沖擊波的波速和峰值壓力隨距離的增大而衰減。炸藥在有水炮孔中發(fā)生爆炸后，沖擊波沿著炮孔軸線傳播到孔壁并發(fā)生反射和透射，且對周圍巖石產(chǎn)生破壞作用[6?9]。

陳士海等[10]提出按照廣義的Mises條件作為巖石的動力破壞準(zhǔn)則。在某靜水壓力作用下，當(dāng)剪應(yīng)力超過按照該靜水壓力下屈服條件計(jì)算得到的屈服值時，巖石則發(fā)生破壞。因此，可以利用廣義的Mises條件作為未破壞材料剪切強(qiáng)度的準(zhǔn)則：

圓柱形藥卷爆炸后，當(dāng)爆轟波到達(dá)爆轟產(chǎn)物與水的分界面時，會發(fā)生透射和反射。當(dāng)高溫高壓的爆轟產(chǎn)物撞擊周圍的水時，會形成沖擊波。當(dāng)沖擊波傳播到孔壁時，其波陣面上的壓力(孔壁入射沖擊波峰值)為[11?12]

將式(3)和(4)代入式(2)，有

利用小藥卷爆炸沖能除水，必須確保其最大沖擊壓力不大于按照廣義的Mises條件表述的強(qiáng)度準(zhǔn)則，即

經(jīng)推理，可以得出藥包爆炸不對孔壁產(chǎn)生破壞作用的藥量上限為

1.2 藥卷藥量的下限

沖擊波在炮孔中縱向傳播時壓縮水介質(zhì)，能量衰減，峰值壓力降低。沖擊波峰值壓力隨距離衰減變化也存在如下指數(shù)關(guān)系：

2 數(shù)值驗(yàn)證

小藥卷爆破除水方案實(shí)施簡便、靈活，易被工人接受，但若炸藥量控制不好，容易導(dǎo)致炮孔坍塌而堵孔。為此，基于上述理論分析，得到小藥卷爆破除水的藥量范圍，利用LS-DYNA數(shù)值分析驗(yàn)證理論分析的合理性。

2.1 屈服極限及藥量計(jì)算

根據(jù)礦山實(shí)際情況確定除水藥卷的藥量。炮孔孔徑為120 mm，孔深為20 m，孔徑為60 mm，炮孔的含水體積分?jǐn)?shù)為10%~65%，計(jì)算按照最大值(65%)選取，即按13 m計(jì)算，參數(shù)如表1所示。將表1中參數(shù)代入式(1)，可以求出花崗巖的動應(yīng)力屈服極限1()為2.02 GPa；將相關(guān)參數(shù)分別代入式(10)和(15)，可以求出藥量的取值范圍為：800≤C≤1 800 g。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.2 幾何模型

考慮到模型的對稱性，本次模擬以1/4含水炮孔為例進(jìn)行分析。模型根據(jù)炮孔實(shí)際尺寸建立；模型左邊界及前邊界施加對稱邊界條件，下邊界、后邊界以及右邊界施加無反射邊界條件，模型的上邊界為自由邊界條件[13?14]，見圖2。

(a) 模型示意圖；(b) 邊界條件

2.3 物理模型

對于小藥卷除水方案，炮孔中的水為耦合介質(zhì)，所以，在數(shù)值模擬中需定義水和巖石的材料模型。水是一種流體材料，LS-DYNA中可以采用關(guān)鍵字“*MAT_NULL”作為流體材料的模型。對于水來說，由于其具有一定的黏性以及不可壓縮性，LS-DYNA中可選擇*EOS_GRUNEISEN描述水在高壓狀態(tài)下的狀態(tài)方程，具體參數(shù)見表2(其中：0，1，2和3為常數(shù)；w為初始密度；0為Gruneisen系數(shù)；為對0的一階體積修正系數(shù)；為初始內(nèi)能；為初始相對體積)。

炸藥模型的選擇對計(jì)算結(jié)果也有很大影響，*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 可作為高能炸藥材料模型，并且選擇*EOS_JWL狀態(tài)方程模擬乳化炸藥爆炸的過程。炸藥參數(shù)及狀態(tài)方程參數(shù)見表3。表3中：，，1，2及均為與炸藥相關(guān)的材料常數(shù)；v為初始質(zhì)量內(nèi)能(GPa)；和為質(zhì)量內(nèi)能(GPa)；1和2為爆破作用半徑(m)；為最小抵抗線長度(m)。

表2 水的材料參數(shù)

表3 炸藥參數(shù)

模型設(shè)置為3部分：Part 1設(shè)定為巖體材料，Part 2為炸藥，Part 3為水(不耦合介質(zhì))，模型之間的流固耦合關(guān)鍵字為“*CONSTRAINED_LAGRANGE_ IN_SOLID”，利用此關(guān)鍵字將炸藥和空氣等流體物質(zhì)與巖體等固體材料進(jìn)行耦合。

2.4 數(shù)值模擬

爆破除水方案中選用的小藥卷直徑為60 mm，長度為300 mm，質(zhì)量為1 kg。數(shù)值驗(yàn)證中選取單節(jié)藥卷和兩節(jié)藥卷分別進(jìn)行模擬[15?16]。

采用Misses強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則進(jìn)行分析。當(dāng)巖體的等效應(yīng)力達(dá)到屈服極限時，巖體中產(chǎn)生塑性屈服單元，通過關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION 將屈服單元刪除，模擬炮孔壁破壞；爆破時間總時間為2 000 μs。炮孔壁上的Von-Mises應(yīng)力分布見圖3，監(jiān)測點(diǎn)的Von-Mises應(yīng)力曲線見圖4。

從圖3可見：隨著時間延長，炮孔壁上的Von-Mises應(yīng)力逐漸減小。從圖4可見：在整個爆破過程中，單藥卷爆破的峰值應(yīng)力均低于圍巖的屈服極限，即小于花崗巖的動應(yīng)力屈服極限2.02 GPa，故炮孔壁不發(fā)生破壞；對于雙藥卷爆破，在爆破后的一小段時間內(nèi)(90~130 μs)，孔壁的峰值應(yīng)力超過了圍巖的屈服極限，120 μs時炮孔壁上的應(yīng)力峰值達(dá)2.267 GPa，大于花崗巖的動應(yīng)力屈服極限，故可判斷炮孔壁由于爆破作用發(fā)生了破壞。在圖3(e)，(f)，(g)和(h)中也可以看出孔壁的破壞現(xiàn)象。

(a) 單藥卷，500 μs；(b) 單藥卷，1 000 μs；(c) 單藥卷，1 500 μs；(d) 單藥卷，2 000 μs；(e) 雙藥卷，500 μs；(f) 雙藥卷，1 000 μs；(g) 雙藥卷，1 500 μs；(h) 雙藥卷，2 000 μs

(a) 單藥卷；(b) 雙藥卷

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某礦山地貌屬于低山丘陵地形，起伏較大，大部分巖石裸露，主要成分為花崗巖，材質(zhì)堅(jiān)硬，中等風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，有較豐富的地下水。選用Roc L6?25型液壓潛孔鉆機(jī)打垂直炮孔，孔深為20 m，孔徑為120 mm，炮孔的含水體積分?jǐn)?shù)為10%~65%。由于炮孔中含有水，裝藥問題一直困擾著該礦山的正常生產(chǎn)。礦山先后采用多種方法對水炮孔進(jìn)行處理，均未取得很好的效果。針對這一難題，LU等[16]提出小藥卷爆破除水方案，選用單節(jié)藥卷爆破除水，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，以驗(yàn)證該水方案的可行性。

3.2 施工工藝

1) 由于露天礦水文地質(zhì)條件隨著開采水平的延深而發(fā)生變化，特別是在一些深凹露天礦中，炮孔的涌水量隨著深度的增加而不斷增大，因此，利用小藥卷除水以后必須準(zhǔn)確測量孔內(nèi)水的深度，避免由于裝藥時忽略殘留補(bǔ)給水的影響而產(chǎn)生根底或拒爆等 現(xiàn)象。

2) 若殘留補(bǔ)給水過多，則需進(jìn)行二次除水處理，確保裝藥順利。在實(shí)際除水操作過程中，主要觀察“沖水”水花及傾聽小藥卷爆炸時的聲音。若水花散開、零星，爆炸聲音清脆，則表明除水徹底，可以裝藥，否則進(jìn)行二次處理。

3) 在使用防水炸藥裝藥過程中，應(yīng)先將炸藥藥卷弄直，令其順炮孔自由下放；切忌采取砸、擠、擲等不合理裝藥方式，并注意聆聽炸藥落底聲音，待前藥卷到位后方可繼續(xù)裝藥；若不能確定前藥卷是否到位，則必須進(jìn)行測量，以免藥卷卡孔產(chǎn)生間隔而導(dǎo)致部分藥卷拒爆。

4) 裝藥完成以后，應(yīng)盡早起爆。

3.3 安全事項(xiàng)

1) 在進(jìn)行除水工作前，藥卷的火雷管與炸藥必須分開，并將導(dǎo)火索及火雷管存放在專用爆破器材保險箱內(nèi)。

2) 為防止除水藥卷拒爆，要求采用雙發(fā)火雷管進(jìn)行引爆。

3) 在制作除水藥卷的過程中，采場內(nèi)嚴(yán)禁出現(xiàn)明火，以免引發(fā)小藥卷的意外爆炸，甚至引起整個采場范圍內(nèi)炸藥的大規(guī)模爆炸。

4) 在除水過程中，炮孔孔口嚴(yán)禁堆放炸藥，以免誤爆。距離炮孔方圓50 m范圍內(nèi)作好警戒工作，防止沖出的細(xì)小巖塊砸傷人員及設(shè)備。

3.4 除水效果

通過現(xiàn)場實(shí)測，采用小藥卷爆破除水后炮孔水位基本降到10%左右，炸藥在重力作用下能自由下落至孔底，裝藥效果十分理想。炮孔水沒有完全排干，主要有以下幾方面的原因：1) 由于水具有黏滯性，在小藥卷爆破抬升過程中附著孔壁，而后析出回流；2) 沖出炮孔的部分水分在重力作用下下落或回流孔內(nèi)； 3) 礦山地下水、裂隙水補(bǔ)給。但只要裝藥到位，部分水介質(zhì)墊層使得炸藥能量分布更合理，降低了直接作用在孔壁巖石上的初始壓力，可以達(dá)到改善爆破效果、降低爆破單耗的目的。炸藥消耗量的降低幅度可由下式計(jì)算[17?18]：

4 結(jié)論

1) 提出了小藥卷爆破除水方案，建立了理論模型和數(shù)值分析模型。

2) 獲取了除水小藥卷藥量C的合理選取范圍為：800≤C≤1 800 g。

3) 單藥卷爆破時，炮孔壁的Von-Mises應(yīng)力峰值小于花崗巖的屈服極限，炮孔壁不發(fā)生破壞；雙藥卷爆破時，炮孔壁局部發(fā)生破壞。

4) 小藥卷爆破方法除水效果明顯。經(jīng)1次爆破除水后，試驗(yàn)炮孔含水體積分?jǐn)?shù)從65%左右降到10%，降幅達(dá)85%。

5) 采用所提出的方案起到了降低炸藥消耗量、改善爆破效果的作用。以20 m炮孔深度、65%含水體積分?jǐn)?shù)為例，炸藥消耗量降低幅度為7%。

6) 從技術(shù)及工藝上介紹了小藥卷爆破除水注意事項(xiàng)。小藥卷爆破除水研究方法在工程實(shí)際應(yīng)用過程中簡單有效，對指導(dǎo)露天中深孔炮孔水處理具有參考價值。

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(編輯 陳燦華)

Study on small explosive volumes blasting drainage of medium-length borehole in opencast

YIN Yanbo1, 2, ZHOU Keping1, PENG Wenqing3, GAO Feng1

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Center of Safety Technology, Changsha Institute of Mining Research, Changsha 410012, China;3. School of Energy and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

The water-bearing borehole can cause a series of problems in the process of medium-length bore blasting in opencast such as the difficulty in loading explosive power, misfire and poor effect etc, and the efficiency of the traditional methods of removing water, such as artificial drainage, air compressor and so on, is very low. Aiming at these problems in deep hole of opencast, the precept of small explosive volumes blasting drainage was put forward. By establishing theoretical model, the reasonable range of the selected dose was obtained. The reasonableness of drainage scheme was verified by numerical simulation using LS-DYNA. The results show that using the measurement of the optimal dose of small explosive cartridge blasting drainage can effectively make precipitation range increase to 85% and the consumption of blasting explosives reduce by more than 7% due to the surplus bottom water cushion.

explosive cartridge blasting drainage; medium-length bore; theoretical model; numerical simulation

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.09.027

TD804

A

1672?7207(2018)09?2323?07

2017?10?15；

2017?12?22

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016JJ2053)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474252) (Project(2016JJ2053) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(51474252) supported by the National Natural Science Foundation of China)

尹彥波，博士研究生，高級工程師，從事爆破及礦山安全數(shù)字化理論與技術(shù)、采礦方法與工藝、礦山地壓災(zāi)害預(yù)警技術(shù)研究；E-mail: yyb@cimr.com.cn