VCR爆破中堵塞長度與抵抗線匹配關系研究

李小元，支偉，羅志華，史秀志，邱賢陽

(1.廣西中金嶺南礦業有限公司，廣西 來賓市 546100；2.中南大學，湖南 長沙 410083)

0 引言

VCR 爆破是以貫穿深孔進行礦山開采的深孔破巖爆破工藝。在VCR 爆破開采過程中，由于孔內堵塞長度與抵抗線之間不匹配，使得爆炸能量過多的浪費，容易出現塊度分布不均勻以及堵孔、沖孔等爆破危害，給礦山生產造成不必要的損失。國內外對堵塞長度與抵抗線的研究較多，梁禹，任少峰等[1?2]采用LS-DYNA 軟件對不同堵塞長度進行仿真模擬，通過有效應力對比分析得出孔內最佳堵塞長度；郝亞飛等[3]采用數值模擬的方式研究堵塞長度對爆破振動的影響，分析振動衰減規律，得出合理的堵塞長度；丁希平等[4]研究發現，臺階爆破堵塞區有效應力場隨堵塞長度的增加呈指數規律衰減；姜永恒等[5]針對某金礦大塊率高的問題，運用數值模擬軟件對采場扇形孔進行模擬，分析了巖體內部質點的有效應力峰值，確定中深孔爆破最優抵抗線和孔底距；何闖等[6]研究發現爆破振動受自由面與最小抵抗線共同影響；張智宇等[7]依據相似定律，進行混凝土模型試驗研究抵抗線對臺階爆破的影響，研究表明，爆堆的總質量及最大塊度尺寸隨著抵抗線的增大而增大。但對兩者之間存在的內在聯系的研究相對較少，基于此，本文通過牛頓第二定理和應力波理論推導兩者之間的合理數值關系，并將研究成果運用于現場試驗，以此得出堵塞長度與抵抗線之間的合理數值關系，為同類型采場提供理論指導。

1 孔壁應力演化過程分析

在軸向間隔徑向不耦合裝藥下，孔壁在爆破過程中所受的初始沖擊荷載為：

式中，ρ0為炸藥密度，kg/m3；Dc為炸藥爆速，m/s；K不耦合系數；n為反射沖擊波壓力增大系數。

根據Mises 屈服準則，如果巖石壓力超過其動態抗壓強度，則巖石發生粉碎性破壞，形成粉碎區。巖石動態抗壓強度根據式（2）確定[4]：

式中，σc為巖石靜態抗壓強度，Pa；σcd為巖石動態抗壓強度，Pa；εc為粉碎區加載應變率，取104s?1。

藥包起爆后，在炮孔孔壁周圍巖石形成粉碎區，結合式（2）可得其粉碎圈半徑Rc為：

式中，λ為側壓系數；μ為巖石泊松比；d為炮孔孔徑，m。

巖石破碎過程中，隨著堵塞物被壓實，巖體粉碎圈形成，爆生氣體以準靜態壓力作用于炮孔孔壁。此時爆生氣體的狀態方程為：

式中，p為爆生氣體壓力，Pa；V為爆生氣體體積，m3；γ為絕熱指數，一般取3。

爆生氣體膨脹體積增大主要由于堵塞物向孔外運動，與爆生氣體進入孔壁裂隙中，因其體積很小，可以忽略。結合式（4），孔壁壓力隨堵塞物位移的衰減規律為：

式中，pr為為孔壁的初始沖擊壓力，Pa；px為堵塞物位移x時的孔壁壓力，Pa；V0為粉碎圈形成后炮孔內的體積，m3；Vx為堵塞物位移x時炮孔內的體積，m3；D為粉碎圈直徑，m；d為炮孔直徑，m。

2 堵塞長度與抵抗線匹配關系分析

2.1 堵塞長度與抵抗線匹配關系理論推導

相關文獻將抵抗線定義為球狀藥包重心至自由面的垂直距離[8]，本文為方便分析數據，且與現場實際設計施工作業相匹配，因此將藥包底部至自由面的垂直距離視為抵抗線。

堵塞物雖是不連續松散體，但對于堵塞而言，研究的是堵塞物整體的變形和運動，堵塞物密度均勻，且在堵塞過程中，堵塞物已經被壓實，因此可忽略堵塞物運動過程中的壓縮過程，反將其運動當作剛體運動，堵塞物示意見圖1，其爆破深度為L+L1，半徑為r，上端堵塞長度為L2，抵抗線為L1，堵塞物中應力波傳播速度為C1P，孔內爆生氣的壓力為p。

圖1 裝藥結構示意

堵塞物向孔外運動時，所受推力為：

所受自身重力為：

所受孔壁摩檫力為：

結合上述公式，可以求得堵塞物在孔內的加速度為：

堵塞物沖出炮孔時間為：

當堵塞物完全沖出炮孔時，堵塞物運動長度為堵塞長度，因此有：

堵塞的作用是充分利用爆生氣體能量進行巖石破碎，從而獲得較好的爆破效果，因此，為充分發揮堵塞物的封堵作用，應該保證堵塞物不沖出孔口或堵塞物沖出孔口時，巖石槽腔破碎剛好完成。根據爆炸力學與應力波理論可知，巖體破碎所需要的時間td為：

式中，W為藥包重心到自由面的距離，m；Cp為巖石中縱波傳播速度，m/s。

炮孔堵塞需要滿足t=td，則：

2.2 現場計算實例

以南方某鉛鋅礦深孔爆破采場為例，依照上式進行理論計算。該采場炮孔直徑為110 mm，藥包直徑為90 mm，不耦合系數為1.22；堵塞物密度為1800 kg/m3，縱波波速為3600 m/s，炸藥爆速為4000 m/s，炸藥密度1250 kg/m3。分別取抵抗線為：0.8 m、0.9 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m，計算得出相應堵塞長度分別為0.83 m、0.91 m、0.978 m、1.05 m、1.12 m。由表1 可知，堵塞長度與抵抗線之間的匹配關系為L2=（0.94～1.04）L1。

表1 堵塞長度與抵抗線數值關系

該理論推導是建立在會形成爆破漏斗的前提下，堵塞長度計算公式考慮的因素較少，且僅適用于雙向堵塞，在現場施工時，會根據實際情況進行調整，從上述理論可知，在有爆破漏斗出現的前提下，抵抗線越大，所需的堵塞長度也隨之增長，但當抵抗線達到臨界值時，自由面沒有出現爆破漏斗，則該理論就不適用。

3 現場試驗

3.1 試驗采場簡介

3.1.1 采場概況

試驗采場位于該礦?320 中段，采場較為破碎，巖石內部含有褶曲。巖石內小構數量較多，且較破碎、滲水。

采場長度為46 m，寬為8 m，采場高度為30 m。布置4 排炮孔，排距為1.8～2.0 m，孔間距為2.2 m。炮孔直徑為110 mm。拉槽區列距為0.6～1.6 m，其他列距為2.0～2.2 m。采場拉槽區炮孔布置如圖2所示。

圖2 采場拉爆爆破示意

3.1.2 爆破試驗方案

在試驗采場拉槽區域進行3 次爆破對比試驗，3 次爆破試驗爆破范圍一致，爆破共計37 個炮孔。方案一（1.2～1.2）孔內采用條形藥卷（藥卷尺寸：R=90 mm，L=670 mm），底部留抵抗線1.2 m，每層裝藥1 條，堵塞1.2 m 河砂；方案二（1.0～1.0）孔內底部留抵抗線1.0 m，每層裝藥1 條，堵塞1.0 m 河砂；方案三（0.8～0.8）孔內底部留抵抗線0.8 m；每層裝藥1 條，堵塞0.8 m 河砂。孔內采用高精度微差導爆管雷管起爆，掏槽區域先起爆，邊幫孔后起爆。

圖3 為方案二的裝藥結構示意圖，方案一和方案三現場裝藥結構與方案二相似，均采用單層單條藥包進行裝藥。

圖3 方案二裝藥結構示意

3.2 爆破效果分析

由于是井下開采，需考慮炮煙問題，通常信息采集在爆破后隔天進入采場進行爆破效果拍照。因爆破開采順序是由上至下，所以在拍攝過程中，下部硐室爆破后頂板存在浮石，拍攝條件較差。而爆破對上部硐室影響相對較小。3 次爆破前后，上部硐室完好如初（見圖4），錨網沒有出現破壞，表明3 次爆破均沒有出現沖孔現象。同時，由圖5 可知，方案一大塊較多，與模型試驗塊度分布結果基本一致，方案二和方案三試驗塊度適中，方案三相對方案二塊度較粉。

圖4 爆破后上部硐室示意

圖5 爆堆示意

早期礦山所設計的爆破裝藥抵抗線與堵塞長度數值上不匹配，導致出現大塊、粉礦、沖孔等現象，而3 個方案的現場試驗對比結果表明，當堵塞長度等于抵抗線時，能夠有效避免沖孔危害，0.8～0.8 與1.0～1.0 試驗表明堵塞長度等于抵抗線時，能夠有效解決采場爆破存在的塊度問題。1.2～1.2試驗表明，爆堆塊度較大，但其爆破量大、炸藥單耗相對較小，適合井下黃鐵礦（廢石）開采。

4 結論

（1）炮孔孔壁壓力衰減速度隨堵塞長度與抵抗線的增大而減小，提高堵塞長度、抵抗線能增加爆生氣體在炮孔內作用時長；

（2）當堵塞長度與抵抗線的關系為L2=（0.94～1.04）L1時，能最大化利用爆炸能量，且不出現沖 孔-堵孔現象。同時現場試驗表明，當堵塞長度等于抵抗線時，爆破效果最好，且沒有出現沖孔、堵孔危害。

（3）本次現場試驗結果與理論分析結果基本一致，表明理論推導具有一定的科學性，能夠有效指導現場實際生產作業。