大梁礦業(yè)中深孔爆破參數(shù)優(yōu)化研究

李艷剛，馬鴻錄，郭元華

(四川會東大梁礦業(yè)有限公司， 四川 會東縣 615205)

0 引言

目前，爆破仍然是國內(nèi)外礦巖石最主要的破碎方式之一，被廣泛應用于巷道和隧道掘進、露天井下采礦以及水利水電工程當中。爆破參數(shù)優(yōu)化在上述工程應用中屬于必不可少的科研方向，可以說只要提及“爆破”二字，必然會聯(lián)想到參數(shù)優(yōu)化這個話題，只有不斷試驗，不斷優(yōu)化，才能取得更加良好的爆破效果。具體需要優(yōu)化的參數(shù)主要由炮孔直徑（Φ）、長度（L）、孔距（a）、排距（W）以及裝藥結構和炮孔數(shù)量等組成。爆破震動、炸藥單耗（q）、爆破成本、被爆礦巖石的大塊率等指標的優(yōu)良程度與所選參數(shù)和被爆體的匹配程度息息相關[1-8]。1950年代由C.W.Livingston提出的爆破漏斗相關知識和系列試驗，恰好可以當做研究爆破參數(shù)的一項手段，其適用于井下和井上爆破，可為礦山安全、低成本采礦提供保障[9-10]。

1 工程概況

四川會東大梁礦業(yè)西部厚大礦體現(xiàn)用無底柱分段崩落法采礦，采場中段60 m，分段12 m，鑿巖進路間距9 m。崩落法采礦法的原理在于采礦后運用礦巖自身的不穩(wěn)定因素或者是通過人工干涉的手段把礦體四周的毛石崩落下來，以此來填充采空區(qū)，從而達到治理地壓的目的。目前爆破參數(shù)W為 1.5 m，a為 1.7±0.2 m，q為0.5 kg/t～0.6 kg/t，與礦巖實際情況不匹配，導致每排炮孔數(shù)量約為12～13個，炸藥單耗高、爆破震動大、爆破效果差。隨著原礦品位的逐漸降低，如果仍沿用原來的參數(shù)，勢必會降低礦山經(jīng)濟效益。因此，為探尋與西部礦體巖性匹配度高的優(yōu)良鑿爆參數(shù)以及適宜單次崩落的炮孔排數(shù)，形成西部礦體成套中深孔回采工藝，亟需開展爆破漏斗試驗。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，選擇在具有代表性的2004 m水平西部19～21線之間的10#鑿巖進路中開展單孔不同段別爆破試驗、多孔不同間距同段別爆破漏斗試驗、多角度炮孔爆破的斜臺階試驗，以期獲得大梁礦業(yè)中深孔的鑿爆參數(shù)。

2 爆破漏斗試驗

西部礦體采場內(nèi)使用Φ60 mm的鉆頭鉆鑿出直徑約 65 mm的中深孔。為了順利開展試驗，選擇YT-27氣腿式鑿巖機配合 Φ40 mm的鉆頭進行試驗，鑿出的炮孔直徑為42 mm。由于第1次在10#鑿巖巷道內(nèi)施工的1’～9’炮孔間距相隔太近，爆破后出現(xiàn)漏斗串通現(xiàn)象，只能重新施工炮孔，并將孔間距增大至2 m，總共施工了27個孔，其孔號分別為 1’～9’和 1＃～18＃。為了爆破后更容易區(qū)分爆下礦石堆，設計 1＃～18＃孔采用一淺一深的穿插式布置，孔深依次為：0.4 m，0.6 m，0.45 m，0.7 m，0.5 m，0.8 m，0.55 m，0.9 m，0.65 m循環(huán)2組，共有 18個炮孔。為了后期統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準確性，鑿巖地點選擇在巷道幫壁較為工整、沒有大斷層的位置，且鑿巖時應控制鉆桿與巷道側幫垂直。完成單孔不同段別爆破試驗后，開展鑿巖深度一樣的多孔不同間距同段別爆破漏斗試驗，同樣是2組炮孔，每組9個，鑿巖要求與單孔爆破一樣。炮孔深度由前期單孔試驗得出的藥包最佳埋深決定，相鄰孔之間的距離設計為單孔爆破后得出的最佳漏斗半徑的1.5倍、1.75倍、2倍、2.25倍、2.5倍以及2.75倍。多角度炮孔爆破試驗設置炮孔與巷道走向水平夾角為40°、45°、50°和55°，共4組，每組炮孔數(shù)均為1個，深1.8 m。

2.1 單漏斗試驗

單孔不同段別爆破試驗鉆鑿 1#～18#孔，共計18個，爆破試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。由表1可以看出，試驗情況下的大梁礦業(yè)2004 m水平19～21線西部巖體的臨界埋深為0.9 m，則可根據(jù)公式（1）求出應變能系數(shù)：

計算結果表明西部礦體在使用改性銨油炸藥情況時的可爆破性能一般。爆破后產(chǎn)生的漏斗體積（V）及其半徑（R）與藥包中心的埋置深度（l）為非線性關系，以最小二乘法原理為基礎，使用數(shù)據(jù)分析軟件 Matlab對爆破后得到的數(shù)據(jù)進行回歸分析，即可得出以下關系：

另外，將擬合出的3次多項式用曲線圖表示，見圖1～圖2，爆破后產(chǎn)生的大塊率（T）和l之間的關系曲線見圖3。

試驗表明，單個炮孔爆破后產(chǎn)生的最大漏斗體積最為理想，此時大塊率并不高，且爆下的礦巖石塊度規(guī)格比較勻稱，炸藥爆破性能發(fā)揮最好，藥包在該條件下的埋置深度最為理想。分析圖 1～圖 3可知，2004 m水平19～21線之間10#鑿巖進路內(nèi)的藥包最優(yōu)埋置深度約為0.48 m，爆下礦巖石中大于300 mm的塊度占比為29.45%，藥包中心的埋置深度比例為 0.56，漏斗半徑為 0.61 m，漏斗體積為0.101 m3。

圖1 試驗條件下V—l特征曲線

圖2 試驗條件下R—l特征曲線

圖3 試驗條件下T—l特征曲線

2.2 多孔同段漏斗試驗

多孔不同間距同段別爆破漏斗試驗地點依然選擇在2004 m水平19～21線之間的10#鑿巖進路內(nèi)進行。該項試驗設計2組炮孔，共計14個，試驗時的各項條件均以前期單漏斗爆破得出的最優(yōu)參數(shù)為準。所有炮孔使用相同段別的雷管同時起爆，爆破后統(tǒng)計各炮孔產(chǎn)生的漏斗體積大小以及漏斗形狀，以照片的形式記錄漏斗輪廓，導入 CAD中描出其輪廓，見圖 4，各項爆破試驗數(shù)據(jù)如表 2所示。

分析表2中的數(shù)據(jù)得出，當炮孔間距小時，炸藥起爆后產(chǎn)生的爆轟波會互相重疊，爆破效果較好，炮孔間一般是不會留有未爆破的原巖，但當炮孔間距逐漸增大時，爆轟能量互相重疊起來的程度會逐漸降低，炮孔間漸漸出現(xiàn)未爆破的原巖，當孔間距超過某個臨界值時，爆破后兩孔之間的溝槽就不復存在，但會出現(xiàn)三角原巖，最后形成單獨的漏斗。綜上，大梁礦業(yè)2004 m水平西部礦體多孔不同間距同段別爆破漏斗試驗炮孔距離宜為1.1 m～1.2 m，q為 0.42 kg/t～0.43 kg/t。

表1 單孔不同段別爆破試驗數(shù)據(jù)

圖4 多孔同段爆破炮孔布置與爆破效果

表2 多孔同段爆破試驗結果統(tǒng)計

2.3 斜臺階試驗

在大梁礦業(yè)2004 m水平西部19～21線之間的10#鑿巖進路內(nèi)鉆鑿4個直徑為Φ42 mm的斜孔，開展多角度炮孔爆破斜臺階試驗。炮孔內(nèi)裝人工加工的Φ37 mm卷裝藥，堵塞孔口后，采用孔底起爆方式爆破。爆破試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3。

表3 2004 m水平斜面臺階爆破試驗結果

現(xiàn)場爆破后發(fā)現(xiàn)，爆下礦石塊度較為勻稱，幾乎沒大塊，效果比較理想。因此，試驗條件下大梁礦業(yè)2004 m水平西部礦體最佳的w取0.82 m，此時每米炮孔中的裝藥量是0.879 kg。

3 中深孔爆破參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)前述的試驗，在扇形深孔爆破條件下爆破參數(shù)存在相似規(guī)律，如式（4）所示：

式中，Lx、Lb為代表a、w等各項鑿巖參數(shù)，m；qx、qb為代表實際爆破時和漏斗試驗時炮孔中每米裝藥量，kg/m。

爆破參數(shù)的線性參數(shù)與線裝藥密度的平方根成正比，因此可以在前期試驗結果的基礎之上，通過公式（4）計算獲得最佳炮孔排距a和孔底距w。

3.1 實際生產(chǎn)爆破時炮孔排距和孔底距計算

四川會東大梁礦業(yè)西部礦體采用無底柱分段崩落法采礦，在鑿巖進路內(nèi)鉆鑿上向扇形中深孔，爆破的排距則是最小抵抗線。根據(jù)多角度炮孔爆破斜臺階試驗，在礦體內(nèi)打Φ42 mm的孔，使用Φ37 mm的卷裝炸藥連續(xù)裝入炮孔，每米炮孔中裝藥量為0.879 kg，孔內(nèi)炸藥密度為0.818 t/m3。a最佳為1.1 m～1.2 m，孔底起爆時，w的平均值達到0.82 m。

現(xiàn)場實際應用時，采用改性銨油炸藥，Φ65 mm的孔每米炮孔裝藥量為 2.83 kg，孔內(nèi)炸藥密度為0.853 t/m3。

將大梁礦業(yè)井下試驗參數(shù)以及實際生產(chǎn)中采用改性銨油炸藥的每米裝藥量代入公式（4）計算，得到實際生產(chǎn)爆破時的a和w，見表4。

表4 實際生產(chǎn)爆破時的炮孔裝藥量和炮孔排距

3.2 中深孔爆破最佳參數(shù)推薦

選擇的試驗巷道中幫壁巖石在前期掘進爆破過程中受到了振動影響，存在一些裂隙，另外現(xiàn)場正式采礦時的巖石和試驗巷道內(nèi)的巖石可能也會有些不同，因此推薦大梁礦業(yè)西部礦體的各項鑿爆參數(shù)還需在試驗結果上調(diào)整。由于炮孔孔徑增加，導致炸藥在礦體內(nèi)集中分布，可能對爆破效果產(chǎn)生不良影響。寬孔距、小抗線的炮孔布置形式能夠使爆破能量均勻分布，故本次試驗研究推薦的爆破參數(shù)為：當炮孔孔徑為65 mm時，炮孔排距為1.4 m～1.6 m，炮孔孔底距為2.0 m～2.2 m，炸藥單耗為0.42 kg/t～0.45 kg/t。

利用試驗得出的爆破參數(shù)是一個范圍值，實際生產(chǎn)過程中，要根據(jù)具體采場作業(yè)條件、礦石巖性等因素對爆破參數(shù)進行合理調(diào)整，以達到最佳爆破效果。

4 結論

（1） 以破漏斗理論為基礎，在大梁礦業(yè)2004 m水平西部19～21線之間的10#鑿巖進路中開展爆破漏斗試驗，利用相似原理對試驗數(shù)據(jù)進行分析處理，得出了適合大梁礦業(yè)西部礦巖體中深孔爆破的a、w及q。

（2）通過研究得出，使用改性銨油炸藥時，在炮孔直徑Φ65 mm情況下與大梁礦業(yè)西部礦體相匹配的鑿爆參數(shù)為：a為2.0 m～2.2 m，w為1.4 m～1.6 m，q為 0.42 kg/t～0.45 kg/t。

（3）考慮到現(xiàn)場試驗位置與實際生產(chǎn)時的礦巖體可能不同，因此試驗得出的各項參數(shù)還需要在下一步的現(xiàn)場工業(yè)試驗中進行相應調(diào)整。