不同粒徑巖屑抗剪性能及水孔填塞效果研究

張智宇，張全龍，曾繼鵬，李 卓，黃永輝

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093；2.昆明理工大學云南省中-德藍色礦山與特殊地下空間開發(fā)利用重點實驗室，昆明 650093；3.云南華聯鋅銦股份有限公司，云南 文山663700；4.昆明理工大學公共安全與應急管理學院，昆明 650093；5.昆明理工大學電力工程學院，昆明 650500)

隨著國民經濟建設的高速發(fā)展，鉆爆法依然是金屬、煤炭等能源開采行業(yè)和大型水電、交通等基建行業(yè)的主流工藝，且向著綠色、節(jié)能、高效為目標的高科技化發(fā)展。其中填塞材料及填塞工藝作為保障工程爆破效果的關鍵工序之一，既關系到炸藥爆炸能的利用率和塊度、根底等爆破效果，還可能導致沖孔、飛石、噪音等爆破有害效應。當鉆爆作業(yè)通過有水巖層時，尤其是炮孔滿水情況，在飽和水狀態(tài)下填塞材料、填塞工藝及填塞體力學特性方面的研究是學術界和工程爆破施工單位公認的難題。

近年來國內外學者針對不同行業(yè)含水炮孔填塞材料和工藝開展了系列研究。國外SHARMA等[1]從能量利用率影響爆破效果的塊度出發(fā)，通過對不同填塞情況下的爆破塊體統計分析，得出合理的炮孔填塞能降低3%以上的大塊率；CEVIZCI[2]針對填塞材料開展了相關研究，研究了一種新開發(fā)的用于礦山和采石場表面爆破的灰泥封堵方法，并與常用的干鉆巖屑封堵方法進行了比較，研究結果表明前者可將單位體積巖石的爆破費用降低16%；SARHAN等[3]從臺階爆破巖石移動動能方面開展臺階爆破實驗研究，實驗結果表明炮孔填塞爆破巖石動能比不填塞多65%。國內在填塞物材料方面：康永全等[4]研制了以聚氨酯為基材的TK炮孔填塞劑，通過大量基礎性能研究和隧道現場工業(yè)性實驗，論證了其作為炮孔填塞材料可降低炸藥單耗；高文磊等[5]等通過研究填塞物的填塞作用、不同填塞物的填塞效果以及填塞效果不好造成的影響等方面，分析總結了填塞物對于炮孔爆破的效果及其優(yōu)點；吳慧等[6]以某隧道K116+140～K116+312段擴挖工程為實例，填塞材料選用黏土，先將水處理掉再進行填塞，取得一定爆破效果。在填塞物長度和運動方面：魏格平等[7]針對海木里露天煤礦6 m孔深，選取3種不同的填塞長度進行爆破實驗，其他爆破參數一致，通過觀察爆破效果的差異，認為該工況下合理的填塞長度為2.4 m；楊小林等[8]通過對耦合填塞裝藥、耦合無填塞裝藥和不耦合填塞結構模擬了爆炸應力波和爆生氣體的不同加載強度研究，得到了在不同爆破條件下和距爆點不同距離處巖石的爆破損傷規(guī)律；張志呈等[9]從炸藥爆炸對巖石模型破壞過程出發(fā)，分析了填塞物的運動方式，認為炮孔填塞能夠有效降低單位巖石所需炸藥量；武旭等[10]以集中裝藥藥量為依據，確定井巷掘進爆破及臺階深孔爆破等柱狀裝藥端部抵抗線及合理的填塞長度；羅勇等[11]利用爆破理論和應力波理論，對炮孔填塞物的作用機理及其在炮孔中運動過程進行了分析，推導了炮孔填塞長度的計算公式；孫英翔[12]利用BLASTER’S MAS軟件對填塞物沖出炮孔的過程進行追蹤，分析了填塞物在孔內的運動規(guī)律；張建平[13]對露天礦臺階爆破炮孔填塞長度及材料對爆破效果的影響作了簡要分析；黃新南[14]認為在溝槽爆破開挖中孔深在2 m以內炮孔，填塞長度不少于1.0～1.5 m；孔深2～3 m炮孔，填塞長度不少于1.5～1.8 m；孔深3 m以上炮孔，填塞長度不小于2.0～3.0 m。由上可見，前人相關研究主要集中在填塞材料、長度方面，對填塞材料粒徑大小對水孔填塞效果影響的研究鮮有涉及。

針對大型露天爆破工程，新材料的填塞物既增加成本又增加工作量，不符合工程實際，最佳填塞物依然為鉆孔巖屑。本文以華聯鋅銦露天礦山大量水孔臺階爆破工程為背景，開展了不同粒徑巖屑的剪切力學特性研究，同時對水孔不同粒徑巖屑的填塞效果進行了一系列爆破漏斗實驗，系統地研究了爆破漏斗體積及半徑隨粒徑大小的變化規(guī)律；該研究對水孔填塞爆破機理具有理論價值，為水孔填塞技術的應用提供了依據。

1 鉆孔巖屑顆粒分布規(guī)律及抗剪力學實驗

1.1 工程背景概況

云南華聯鋅銦有限公司礦山采場采用露天開采方式，由銅街、曼家寨兩采場構成。最主要的穿孔設備為3臺KY-250D牙輪鉆，鉆孔徑為250 mm，15 m臺階穿孔深度為17.5 m左右，10 m臺階穿孔深度為12 m，年穿孔量很大。炸藥采用2#巖石乳化炸藥，雷管采用數碼電子雷管；炮孔采用梅花型布孔，孔排距10 m×8 m，起爆方式采用逐孔起爆，單次爆破孔數高達數十至上百，爆破天數達5～6 d/周，爆破作業(yè)強度大。

曼家寨采場以西一帶為巖溶地貌，呈現“V”形溝谷，縱向斷層比較發(fā)育，巖層含水量大，低標高區(qū)域水量增加明顯，再加上雨水頻繁，主要特點是穿孔過程涌水量小，完成穿孔數小時后孔內積水嚴重，積水深度由0 m到滿孔各不相等，水孔率高，年均水孔率約35%。水孔填塞技術及質量是礦山露天爆破最為關鍵問題之一，亟待改進。

1.2 牙輪鉆孔巖屑粒徑分布規(guī)律

對礦山牙輪鉆在水孔區(qū)域大理巖層的穿孔過程進行跟蹤，通過系統分析研究后發(fā)現：巖屑顆粒飛出炮孔過程中具有一定的粒徑分級能力，細微顆粒在牙輪鉆風壓作用下飛散較遠，遇到并撞擊防塵板后落入防塵板正下方，而較粗顆粒落入炮孔較近邊緣或撞擊防塵板后反彈至炮孔較近邊緣，巖屑堆整體呈現出粒徑較大顆粒主要分布在炮孔周邊而細微顆粒分布在防塵擋板下方的形態(tài)(見圖1)。對巖屑堆長、短邊每0.1 m進行粒徑大于0.5 mm的顆粒比例連續(xù)取樣、統計分析，短邊方向距離炮孔中心0.7 m范圍外，粒徑大于0.5 mm的顆粒含量均低于10%；距離炮孔中心0.7 m范圍內，粒徑大于0.5 mm的顆粒占比較高，均在65%以上；長邊方向粒徑大于0.5 mm的顆粒分布范圍主要在距炮孔中心0.2～1.2 m范圍內(見圖2)。

圖1 牙輪鉆孔巖屑分布

圖2 粒徑大于0.5 mm的顆粒比例

1.3 力學強度實驗

大孔徑露天深孔臺階爆破填塞材料用量很大，針對水孔填塞問題，在操作簡單、物料和人工成本低廉的原則下，最佳方案就是針對巖屑開展研究；不同粒徑巖屑顆粒在注入水孔過程中，細微顆粒遇水融合成泥漿狀，起不到填塞效果，粒徑稍大顆粒則沉入孔底，可視為無黏性顆粒堆積體。從炮孔填塞機理方面可解釋為堆積體的抗剪力是阻止沖孔的主要原因，因此開展牙輪鉆孔巖屑粒徑分布規(guī)律及不同粒徑抗剪特性研究。

1)力學實驗原理。在爆破荷載作用過程中，巖屑顆粒填塞體的抗剪強度及摩擦力起主要作用，可借助摩爾庫侖準則進行分析。填塞體破壞類型表現為剪切破壞，其剪切面的各力同時滿足以下強度準則：

τ≥St=C+σtanφ

(1)

式中：St為填塞體抗剪強度；τ為剪切應力；σ為切面上的正應力；C為黏聚力；φ為內摩擦角。

摩爾庫倫準則可以采用圖解的方式通過摩爾極限應力表示，平面上的應力τ和σ均可通過最大主應力σ1及σ2所確定的圓來描述，式中的強度曲線為公切線，其斜率k=tanφ，在τ軸上的截距為C。

(2)

最大主應力表示如下：

(3)

此外，當填塞發(fā)生剪切破壞時，破裂面與軸向加載方向之間夾角為：

(4)

據以上公式抗剪強度可視作僅與內摩擦角φ及黏聚力C值有關，且摩擦力與內摩擦角φ有關。又據劉德峰等[15]對粒徑對稀土礦石剪切強度的影響規(guī)律研究揭示：同一正應力條件下，礦樣剪切強度受到粒徑影響，又跟砂土液化與砂土顆粒及其級配有關[16-17]。

2)大理巖屑顆粒CU實驗。實驗材料以云南華聯鋅銦礦露天采場爆破區(qū)域的大理巖屑為原料，對牙輪鉆孔巖屑現場篩分取樣發(fā)現，巖屑粒徑d分布在0～20 mm之間，分別取粒徑d<0.5 mm、0.5～1.0 mm、1.0～3.0 mm、3.0～5.0 mm、5.0～10.0 mm、10.0～15.0 mm、d>15.0 mm 7種粒徑范圍巖屑顆粒組進行實驗。巖屑顆粒現場篩分如圖3所示。

圖3 巖屑顆粒篩分

考慮到室內直剪儀的實驗條件，按照巖土工程勘察規(guī)范(GB 50021)僅選前3組開展CU實驗，每組進行了6次實驗，實驗結果如表1所示。

表1 巖屑顆粒CU實驗結果

3)實驗結果分析。由表1實驗結果可知，粒徑d<0.5 mm、0.5～1.0 mm、1.0～3.0 mm的3種巖屑顆粒黏聚力均值分別為81.65、13.15、4.80 kPa，黏聚力隨粒徑的增加呈非常明顯的下降趨勢，除粒徑d<0.5 mm巖屑顆粒外，幾乎可認為是無黏性顆粒；相反隨著粒徑的增加，內摩擦角分別為26.70°、29.68°和31.95°，呈增長趨勢。由公式(1)判定結果得知，在炸藥爆炸荷載下炮孔填塞質量得以保證的關鍵因素是填塞材料具有良好的抗剪性能，而爆炸時填塞體內應力在幾十兆帕，局部高達幾百兆帕，內摩擦角值φ的少量增加會產生很大的抗剪強度，相反對于僅為幾十千帕的C值的降低可以忽略不計，因此φ是決定填塞體強度和填塞質量的主要因素。在水孔填塞施工中需剔除細微粒徑巖屑顆粒體，在一定范圍內選擇較大粒徑的巖屑顆粒作為填塞材料能有效提高填塞質量，保證爆破效果。

2 水孔不同粒徑巖屑填塞效果的爆破漏斗實驗

2.1 實驗方案

爆破漏斗實驗中體積是爆破能量利用的直接體現，在巖石性質、炸藥性能、藥量、埋深等爆破參數不變的情況下，爆破漏斗體積越大，表明爆炸能用于巖石破碎的占比越高。為驗證不同粒徑巖屑顆粒體填塞效果的理論分析和抗剪強度力學實驗結果，在云南華聯鋅銦露天礦1060平臺開展不同粒徑填塞下爆破漏斗實驗，實驗巖性為大理巖，與力學實驗巖屑取自同一區(qū)域。鉆孔方面選用實際生產爆破所用型號DI500潛孔鉆機，孔徑148 mm，穿孔深度為0.65 m，孔距為2.0 m，排距為2.0 m，炮孔布置如圖4所示。為增加實驗結果準確性，除開展水孔7種粒徑填塞外，還分別設置無填塞、水填塞及干孔填塞，共計10種填塞方式的爆破漏斗實驗，除無填塞孔和干孔填塞以外，其余每孔均為自然滿水狀態(tài)。

圖4 現場炮孔布置

炸藥采用2#巖石乳化炸藥，松動爆破漏斗的裝藥量可按以下公式計算：

(5)

式中：Ks為松動爆破的炸藥單耗；Kb為標準爆破的炸藥單耗；W為最小抵抗線。

礦山生產松動爆破炸藥單耗為0.48 kg/m3，考慮實驗為研究填塞物沖孔對爆破效果的影響，選擇采用較大系數1/2作為藥量計算系數，通過計算后確定單孔裝藥量為0.207 kg，取0.2 kg。為盡量減少因裝藥量不等而產生的實驗誤差，采用電子秤對每孔用藥量進行精確稱量，采用電子雷管同時起爆。

2.2 實驗結果統計

實驗過程嚴格按照實驗方案實施，孔內含水條件采用先裝藥后注水，待水充滿炮孔且不再下滲后開始7種粒徑顆粒組巖屑填塞，按照礦山要求警戒后起爆，爆破后和清渣后的漏斗形態(tài)如圖5所示；清理漏斗口附近碎巖后，確定標記漏斗的圓心、底圓半徑、可見漏斗深度等參數并從多方位進行準確測量，繪制出10種爆破漏斗形態(tài)剖面(見圖6)；體積計算采用軟件3Dmine構建爆破漏斗三維模型，計算獲得每個爆破漏斗的體積，實驗結果如表2所示。

圖5 爆后漏斗

圖6 各填塞孔爆破漏斗形狀

表2 實驗漏斗參數

2.3 實驗結果分析

1)由圖6和表2可知，在各巖屑粒徑(<0.5 mm至>15.0 mm)顆粒填塞中，漏斗各參數整體呈現先增長后平穩(wěn)波動的變化趨勢，特別是在粒徑3.0 mm內的3種試驗參數呈現明顯的增大趨勢，漏斗體積由0.062 m3增加至0.197 m3，增加了69%；漏斗半徑由0.28 m增加至0.55 m，增加了49 %；漏斗可見深度由0.12 m增加至最大0.23 m后呈現數值不大的振蕩；以粒徑為橫坐標、爆破漏斗參數為縱坐標，采用origin數值分析軟件對實驗數據中較有代表性的爆破漏斗參數中的半徑R和體積V繪制成圖(見圖7)。

圖7 爆破漏斗參數與巖屑粒徑變化

2)爆破漏斗半徑方面，由圖7可知，當巖屑粒徑在1 mm≤d<3 mm時，爆破漏斗半徑達到峰值rmax=0.55 m；爆破漏斗半徑R隨巖屑顆粒粒徑d變化規(guī)律的擬合公式為

r=0.49-2.83×0.15d

(6)

式中：r為爆破漏斗半徑，m3；d為填塞粒徑，mm。相關度為95%。

3)爆破漏斗體積方面，同樣在巖屑顆粒粒徑為1 mm≤d<3 mm時，爆破漏斗體積達到峰值Vmax=0.197 m3，表明該粒徑填塞效果最好，炸藥爆炸能利用率達到最佳；爆破漏斗體積V隨巖屑顆粒粒徑d變化規(guī)律的擬合公式為

V=0.18-0.6×0.20d

(7)

式中：V為爆破漏斗體積，m3；d為填塞粒徑，mm。相關度95%。

3 不同粒徑對大塊率及沖孔率影響分析

將研究結果應用于現場實際水孔填塞爆破，為使現場實驗所用填塞料易于篩選，巖屑填塞粒徑值取1～3 mm，采用該粒徑值的巖屑填塞后水孔爆破效果如圖8、圖9所示，在爆破能量釋放瞬間，無明顯沖孔現象發(fā)生，且爆破后塊度分布均勻，可見爆破效果顯著提高。對改進后的水孔填塞爆破效果進行定量化分析，統計反映爆破效果的相關指標沖孔率及大塊率如圖10、圖11所示。

圖8 爆破能量釋放瞬間

圖9 爆破后塊度

圖10 沖孔率統計

圖11 大塊率統計

單次水孔填塞爆破沖孔率及單次爆破后大塊率均小于5%。相比傳統礦山水孔填塞工藝，采用該填塞工藝下的水孔沖孔率從27%下降至4.6%，大塊率下降了8%，可認為水孔爆破效果較理想，表明實驗結果應用于華聯鋅銦礦水孔爆破是有效的。

4 結語

1)牙輪鉆孔巖屑顆粒粒徑統計結果顯示：巖屑顆粒存在一定的分布規(guī)律，粒徑大于0.5 mm的顆粒占比高的區(qū)域主要集中在巖屑堆短邊方向距炮孔中心0.2～0.7 m范圍內，長邊方向距炮孔中心0.2～1.2 m范圍內，占比均在65%以上。

2)基礎力學實驗表明：潛孔鉆孔巖屑顆粒的內摩擦角隨著粒徑的增加呈現增長趨勢，相反黏聚力則呈現明顯下降趨勢，當粒徑在1 mm≤d<3 mm時，黏聚力僅為幾千帕，此時巖屑顆粒堆積體可視為無黏性堆積體。

3)爆破漏斗實驗表明：巖屑顆粒粒徑大小直接影響到水孔填塞效果，對7種不同粒徑巖屑顆粒水孔填塞的爆破漏斗試驗結果顯示，粒徑在1 mm≤d<3 mm時，爆破漏斗半徑和體積均達到最大值，為該工況下填塞最佳粒徑，兩者隨著粒徑的增加呈現指數非線性函數增長關系。

4)針對華聯鋅銦礦水孔填塞爆破，選擇1 mm≤d<3 mm的填塞料粒徑開展了大量生產實驗，實驗結果顯示，水孔沖孔率從27%下降至4.6%，大塊率下降了8%，證明采用一定粒徑范圍的巖屑顆粒作為水孔填塞材料既能很好改善填塞效果又不會增加額外成本。