基于礫巖爆破漏斗試驗的中深孔爆破參數研究*

丘浩禹，黃明清，游淳淋

（福州大學紫金地質與礦業學院， 福建 福州 350108）

1 引言

金屬礦床地下開采一般采用爆破落礦的方式，爆破效果的好壞直接影響著礦山的回采效率和經濟效益。爆破效果取決于炸藥自身特性及各項爆破參數，其中爆破參數主要由數值模擬法和物理試驗法等確定［1-2］。王子琛［3］等基于數值模擬的耦合裝藥條件，對巷道掘進掏槽的爆破參數進行了研究；魯超［4］通過數值分析模擬等方法，對巖體力學參數展開了研究，優化了太白金礦的爆破參數；南江［5］等通過建立數值模型，對大冶鐵礦爆破與邊坡的關系進行了研究；邱勝光［6］等基于爆破漏斗試驗，設計了紫金山地下采場合理的大直徑深孔爆破參數；文興［7］等通過爆破漏斗試驗，確定了阿舍勒銅礦崩礦的爆破參數，優化了采場爆破的質量；呂賢鵬［8］等根據利文斯頓爆破漏斗理論，設計了一系列單孔爆破漏斗測試，對相關爆破參數進行了研究。通常，數值模擬法因成本低廉、不受場地限制等優點被廣泛應用于爆破參數的研究。然而，數值模擬法考慮的參數有限，無法全面地反映礦巖物理力學特性，故采用物理試驗法能夠得到更為理想的爆破參數。利文斯頓根據大量的爆破漏斗試驗，以能量平衡為基礎，從能量轉化和工程的角度，對爆破漏斗的產生和演變進行了分析，總結出了利文斯頓爆破漏斗理論，近年來被廣泛應用于礦業生產中［9］。

薩熱克銅礦主要采用分段空場嗣后充填法采礦，礦塊沿礦體走向布置，礦塊長度 70～100 m，階段高度60 m，分段高15 m。由于礦山投產時間短，現有工程地質條件及礦巖穩定性研究不足，采場現行中深孔爆破參數與現有礦巖物理特性不相匹配，爆破效果不佳。為了得到薩熱克銅礦理想的爆破參數，本文將依據利文斯頓爆破漏斗理論，在礦山礫巖巷道中設計單系列爆破漏斗試驗和變孔距多孔同段爆破漏斗試驗，根據試驗結果得出推薦的中深孔爆破參數，為分段空場嗣后充填法采礦過程中的爆破參數設計提供依據。

2 試驗與方法

2.1 開采技術條件

薩熱克銅礦為沉積-變質成礦，礦化受層位控制，巖層穩定，近礦圍巖與礦層巖性一致，含礦層上盤為礫巖，厚10～30 m，下盤為砂礫巖、砂巖，厚30～50 m。巖石較為堅硬，單軸抗壓強度為70～110 MPa，f系數為7～11。試驗地點選取在2730 m分段101采場鑿巖道內，巖石較為完整，無明顯斷層。

2.2 單系列爆破漏斗試驗

在試驗地點內選擇一個平整的巷道側幫，采用YT28鉆機鑿8個淺孔，孔徑為40 mm，孔距為2.0 m，孔深分別為40 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm、90 cm、100 cm、120 cm，炮孔布置如圖1所示。自制?35mm×250mm的膨化硝銨炸藥藥卷，每卷重240 g，每孔內裝一卷炸藥，藥卷一端置入25 g乳化炸藥作為起爆藥，將帶有起爆藥的一端朝里送入孔內，未裝藥部分使用炮泥填塞。

圖1 單系列爆破漏斗試驗炮孔分布

2.3 變孔距多孔同段爆破漏斗試驗

試驗地點選擇在單系列爆破漏斗試驗的另一側幫壁，采用YT28鉆機鑿7個淺孔，孔徑為40 mm，孔距依次為40 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm、90 cm，以單系列爆破漏斗試驗得出的最佳深度為藥包裝藥深度，炮孔布置如圖2所示。藥卷參數及裝藥方式同單系列爆破漏斗試驗。

圖2 變孔距爆破漏斗試驗炮孔分布

2.4 爆破漏斗尺寸測量方法

2.4.1 爆破漏斗半徑

試驗后，不計入漏斗周圍巖石片落部分，勾勒出漏斗口的邊界線，以炮孔為中心點，豎直向上為起始方向，順時針間隔旋轉45°，旋轉8次，分別測量8個方位的漏斗半徑，取其平均值作為最終的漏斗半徑。

2.4.2 爆破漏斗深度

爆破后，以漏斗所在巷道側幫壁作為基準面，垂直該基準面向漏斗內測得的最大深度，作為最終的漏斗深度。

2.4.3 爆破漏斗體積

采取垂直斷面法，以垂直炮孔軸線的平面作為基準面，按一定的等距離（20cm×20cm的網度）測得一組垂直于基準面的爆破漏斗深度輪廓線，得出各測點的爆破深度，算出漏斗各斷面面積，再根據體積公式計算漏斗體積。

其中漏斗各斷面的面積Si可由式（1）計算：

式中： Si為漏斗某斷面面積，m2； B為測點間距，本試驗為0.2m； Yi為第i點爆破深度，m。

其中漏斗體積V可由式（2）計算：

式中：V為爆破漏斗體積，m3； B為斷面間距，取0.2m；Si為漏斗某斷面面積，m2。

3 結果與討論

3.1 單系列爆破漏斗試驗

將8個炮孔的實測數據列于表1。可以看出，1至7號炮孔均形成有效爆破漏斗，礫巖的可爆性較好；當藥包埋深小于50.5 cm時，爆破漏斗的半徑、深度和體積均與埋深正相關；當藥包埋深等于50.5 cm時，爆破漏斗的半徑、深度和體積均達到最大值，最大爆破漏斗體積為101317 cm3；當藥包埋深大于50.5 cm時，爆破漏斗的半徑、深度和體積均與埋深負相關；當藥包埋深達到98.5 cm時，無法形成有效的爆破漏斗。

表1 單系列爆破漏斗試驗實測數據

基于最小二乘法原理，采用Origin軟件對試驗結果進行多項項擬合，得出爆破漏斗體積V、半徑R與藥包中心埋深l的關系式（3）～（4），進而繪制出爆破漏斗特征曲線圖3、圖4。

圖3 V-l特征曲線

圖4 R-l特征曲線

式中：V為爆破漏斗體積，cm3；R為爆破漏斗半徑，cm；l為藥包中心埋深，cm。

結合關系式和圖表，得出單系列爆破漏斗試驗的臨界埋深為98.5 cm，最佳埋深為47.0 cm，最佳埋深比為0.48，最大爆破漏斗體積0.109 m3，最大爆破漏斗半徑45.042 cm。

3.2 變孔距多孔同段爆破漏斗試驗

爆破后，將7個炮孔的輪廓線繪制在圖5中。可以看出，1、2、3、4、5號炮孔連通成槽；6、7號炮孔形成獨立的爆破漏斗。即當孔間距為40～70 cm時，炸藥能量在孔間較好地疊加，沿炮孔中心連線所形成的槽溝寬度和深度均較大；當孔間距為80～90 cm時，炸藥能量的疊加效果削弱，呈現出獨立的爆破漏斗，無法形成槽溝。

圖5 變孔距多孔同段爆破漏斗試驗實測圖

3.3 中深孔爆破參數優化

薩熱克銅礦采用分段空場嗣后充填法采礦，基于單系列爆破漏斗試驗及變孔距多孔同段爆破漏斗試驗結果，根據爆破漏斗相似理論，推薦薩熱克銅礦中深孔爆破參數如下：

3.3.1 最佳孔間距

最佳孔間距［10］可由式（5）確定，計算得1.3～1.5 m。

式中：Rj為單系列爆破漏斗試驗最佳漏斗半徑，0.45 m；Q為單系列爆破漏斗試驗炮孔裝藥量，0.265 kg；Q0為中深孔爆破單層裝藥量，1.5 kg/m。

3.3.2 最大孔底距

根據變孔距多孔同段爆破漏斗試驗中形成槽溝的孔間距，并考慮尺寸效應，得出中深孔爆破的最大孔底距，計算為1.19～2.8 m。由于薩熱克銅礦目前采用的2.6 m孔底距爆破效果較好，因此，此處選擇孔底距最大值2.8 m作為中深孔爆破孔底距。

3.3.3 炸藥單耗

根據單系列爆破漏斗試驗結果及其數據擬合，爆破漏斗體積最大時，炸藥單耗最低，為最優工況。由式（6）可確定炸藥單耗為2.43 kg/m3。

式中：q為中深孔爆破炸藥單耗，kg/m3；Q為單系列爆破漏斗試驗炮孔裝藥量，0.265 kg；V為單系列爆破漏斗試驗最大漏斗體積，此處為0.109 m3。

3.3.4 最小抵抗線

最小抵抗線［11］可按式（7）選取，計算為1.824 m。工業生產時可以略提高，以1.9～2.0 m為宜，以探索炸藥單耗更低、爆破效果更好的參數值。

式中：D0為爆破漏斗試驗孔徑，40 mm；D為中深孔爆破炮孔直徑，76 mm；n為單系列爆破漏斗試驗中最佳埋深時的爆破作用指數，取0.96。

綜上，在單系列爆破漏斗試驗及變孔距多孔同段爆破漏斗試驗的基礎上，基于爆破漏斗相似理論，得到薩熱克銅礦分段空場嗣后充填法的中深孔爆破參數為：最佳孔間距1.3～1.5 m，最大孔底距2.8 m，炸藥單耗2.43 kg/m3，最小抵抗線1.9～2.0 m。

4 結論

（1）薩熱克銅礦礫巖可爆性較好，通過漏斗試驗可以得到理想的中深孔爆破參數。根據單系列爆破漏斗試驗數據及其擬合結果：藥包臨界埋深為98.5 cm，最佳埋深為47.0 cm，最佳埋深比為0.48，最大爆破漏斗體積0.109 m3，最大爆破漏斗半徑45.042 cm。

（2）變孔距多孔同段爆破漏斗試驗表明，孔間距的增大，不利于孔間炸藥能量的疊加，不利于槽溝的形成。同時，當孔間距為40～70 cm時，炮孔宜拉通成槽，槽溝的寬度和深度均較大。

（3）在單系列爆破漏斗試驗及變孔距多孔同段爆破漏斗試驗的基礎上，基于爆破漏斗相似理論，得到薩熱克銅礦礫巖中深孔爆破推薦參數為：最佳孔間距1.3～1.5 m，最大孔底距2.8 m，炸藥單耗2.43 kg/m3，最小抵抗線1.9～2.0 m。