多孔球狀藥包爆破成井方案優化

唐運堅，邱賢陽，羅俊森，韋永鋒，李林軍，史秀志

(1.廣西中金嶺南礦業有限責任公司， 廣西 來賓市 546100； 2.中南大學 資源與安全工程學院， 湖南 長沙 410083)

0 引言

天井普遍存在于國防和民用建筑以及礦山開采中，并且用途十分廣泛[1]，在天井掘進過程中，由于炮孔會受到多方面因素影響造成偏斜，對整個爆破成井造成許多不利影響[2-3]，而炮孔偏斜是無法避免的因素。針對炮孔偏斜產生的原因，李政等[4]指出炮孔在鉆進過程中，由于巖層誘偏影響以及鉆頭制造、定位測量誤差等原因，會導致炮孔在鉆鑿過程中發生偏斜。吳萬榮等[5]對鉆頭偏載進行力學分析，指出由于巖石的結構和性質的復雜多變性，在鉆頭鉆進過程中會導致鉆頭受力不均勻而產生偏斜，并給出了控制偏斜的措施，還有許多學者進行了研究[6-8]，其結論為深孔爆破技術提升提供了一定的參考依據。

目前面對炮孔偏斜常采用多孔球狀藥包爆破成井模式，球狀藥包爆破理論以利文斯頓爆破漏斗理論為依據，多孔球狀藥包爆破機理實際就是多個單孔球狀藥包的爆破累加過程，在實際的礦山生產中，受炮孔偏斜的影響，導致孔間距發生變化，會影響相鄰藥包間距與抵抗線大小之間的關系[9]。

（1）當相鄰藥包間距小于抵抗線時，應力波優先向相鄰炮孔方向傳播，兩個藥包傳播的應力波在炮孔中間發生疊加，并且在爆生氣體作用下，兩個炮孔之間的巖石破碎并貫通，此時由于多個炮孔應力波產生疊加，加強了破碎效果，同時將破碎巖石拋擲出去，形成了一個整體的爆破漏斗。

（2）當相鄰藥包間距大于抵抗線時，此時兩藥包能量優先從最小抵抗線方向傳播，兩孔之間的能量疊加效果減弱，同時由于相鄰裝藥孔之間的巖石厚度增加，導致炮孔之間無法貫通，各個藥包各自爆破成獨立的爆破漏斗，此時爆破效果與單個球狀藥包爆破效果相似。

安全高效的爆破成井法是每個礦山一直探尋的目標。在技術探索路上需要不斷地進行試驗，但現場試驗費時費力[10]。隨著計算機技術的發展，近幾年來數值模擬技術由于可以極大提高試驗效率，受到越來越多人的青睞[11-12]，本文擬采用數值模擬方法對多孔球狀藥包爆破成井進行模擬，研究不同炮孔偏斜對多孔球狀藥包爆破模式的爆破分層的影響，并開展現場試驗，結合模擬實驗和現場實驗結果，探究炮孔偏斜對多孔球狀爆破成井模式的影響。為其他類似礦山生產提供參考。

1 工程背景

盤龍鉛鋅礦位于廣西來賓市境內，礦區距離武宣縣城12 km，礦區鉛鋅礦體主要產于下泥盆統 上倫白云巖（D1sl）、碳酸鹽巖臺地相中，礦體頂、底板圍巖為上倫白云巖。礦區共圈定鉛鋅硫化礦體16個，其中2號礦體為主礦體，其次為2-1號礦體，其余多為單孔控制的零星礦體，2號礦體、2-1號礦體總體上走向一致，總體傾向為340°，傾角為77°～88°，平均為82°，零星礦體大多數都位于2號礦體上部的泥盆系上倫白云巖（D1sl）層間中，產狀受層位控制，其產狀與主礦體基本一致。目前主要開采鉛鋅礦，采用主副井以及多級斜井聯合開拓的地下開采方式，副井井口標高為64.07 m，采用大直徑深孔側向崩礦嗣后充填采礦法，采用炮孔直徑為110 mm，空孔直徑為165 mm為主的直孔掏槽。礦山中段高度為50 m，礦體賦存于-70～-80 m水平。采用T100高風壓環形潛孔鉆機進行鑿巖爆破，炮孔普遍存在偏斜現象。受炮孔偏斜影響，進行掏槽時常常出現爆破效果不佳和爆破高度不到位的現象，嚴重影響了礦山開采的效率，因此，有必要對掏槽爆破過程展開炮孔偏斜影響的研究。

2 爆破模擬方案及數值模型

2.1 材料參數選取

運用LS-DYNA有限元動力分析軟件，模擬整個爆破成井過程中不同偏斜率下多孔球狀藥包爆破成井模式的不同爆破高度的爆破效果。巖石模型采用常見的*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，炸藥選用內嵌的高能炸藥材料*MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_BURN以及狀態方程JWL，炸藥中間填塞炮泥，狀態方程選用*MA-T_SOIL_AND_ FORM，為直觀看出破碎區域，在材料模型中添加失效準則關鍵字MAT_ADD_EROSION來模擬爆破過程中的巖石破壞情況。

2.2 模型建立

在實際生產過程中，由于炮孔比較深，為保證成井質量往往會降低爆破高度以達到成井質量要求，此時，在豎直方向上，裝藥的底部和頂部由于長度比較短，可以近似看作直孔。而由于炮孔偏斜因素的作用改變了其與其他炮孔的水平距離，因此，在模擬時將只建立不同孔間距下的豎直炮孔而不考慮炮孔上下偏斜的情況，建立的模型如圖1所示。

圖1 模型布置及尺寸關系

由圖1可知，中間大孔孔徑為165 mm，外圈小孔為110 mm，為降低邊幫反射影響，模型尺寸建立為20 m×20 m×15 m的長方體，從底部往上裝藥，根據模型及裝藥高度不同，裝藥設置為兩分層，單次爆破成井高度分別為4 m、5 m、6 m三種，裝藥填塞間隔統一為1 m，如分層高度為2 m時，間隔1 m，裝藥1 m，分層高度為2.5 m時，裝藥間隔為1 m，裝藥長度為1.5 m。

2.3 模擬方案

由于炮孔偏斜的方向具有隨機性，當炮孔偏斜向外45°時為偏斜最極端的情況，因此本文針對這種情況展開模擬。根據偏斜率和孔深可以計算出對應位置的偏斜情況。計算偏斜距離時取炮孔全深50 m，水平偏斜距離則為（50×偏斜率），模擬方案見表1。由于外圈孔偏斜率對成井的影響小于內圈，因此只考慮內圈孔的偏斜情況，模擬時雙孔偏斜和四孔偏斜炮孔布置方式如圖2所示。

表1 模擬布孔方案

圖2 炮孔布置

根據分組建立模型，為確保巖石破碎后能順利拋出槽腔，將上下分層炸藥起爆時間延期，根據爆破效果將其余炮孔起爆延期時間設置為3 ms， 同時內層炸藥先響，外層后響，設置延期時間為3 ms，最底層內圈設置起爆時間為0 ms，總求解時間設置為15 ms，待爆破完成后，觀察模型失效 情況。

2.4 結果分析

為方便觀察到模型內部爆破效果，將模型縱剖面截開取前視圖，如圖3所示。當雙孔偏斜時，選擇一個炮孔偏斜以及一個炮孔正常視角，四孔偏斜時視角無差別，根據模型的前視圖，觀察各種偏斜率和分層高度下的模型模擬結果。

圖3 無偏斜下的1/2模型剖面

根據模型計算結果，將18組模型模擬計算結果的剖面圖進行統計，因篇幅有限，截取部分模型剖面，如圖4所示。

圖4 部分模型剖面

由圖4可知，當炮孔偏斜時，偏斜率越大，炮孔中心區域破碎效果隨分層高度增加而下降，當處于相同的偏斜率下，分層高度受偏斜率影響，偏斜越大，從底部自由面往上延伸破碎效果逐步減弱，這是因為靠近自由面處能夠利用的補償空間多。隨著炮孔深入，炮孔偏斜導致中心區域的4個裝藥孔間距加大，造成中心區域破碎不完全，巖石也不能及時排除槽腔，致使中心區域發生“擠死”現象，因此，從剖面圖上可以很清楚地看到整個爆破窿型是縮小的，同時當炮孔偏斜率比較小 時，由于對整體爆破的影響不大，當分層高度為2 m時，效果反而比3 m分層破碎效果弱，這是因為隨著分層增加，藥量也增加，同時在水平方向上偏斜不會對整體爆破成井造成較大干擾，因此，當炮孔偏斜較小時，應該盡可能考慮高分層，以進一步提高爆破效率。

為直觀體現不同分組時爆破成井模擬效果，對以上18組模型計算結果中的失效單元進行統計，其不同分組對應的失效單元數量見表2。

表2 失效單元數量統計

將炮孔偏斜率、分層高度、每米失效單元數進行整理，得到關系如圖5、圖6所示。

圖5 兩孔偏斜各參數關系

圖6 四孔偏斜各參數關系

從表2和圖5、圖6可以看出，當炮孔偏斜較小時，失效單元數量隨著爆破層高增加而增加。當炮孔偏斜不大或者偏斜數量較多，此時爆破分層高度與偏斜率呈相反趨勢，即爆破偏斜越大，爆破層高越低。當炮孔偏斜角度較大時，隨著偏斜加大，對爆破成井的影響也呈現相反趨勢，因為隨著炮孔偏斜率增大，炮孔水平方向投影的距離增大，由前面的破巖效果模擬結論可知，此時破巖效果會逐漸下降，每米失效單元數量整體與 偏斜率成正比，即偏斜率越大，平均作用到每米爆破失效的單元數量越小。結合內部爆破成井效果，綜合可以認為，偏斜越大，爆破的最優效果分層高度越低。這與實際生產過程中的情況一致，即當炮孔偏斜后，為保證爆破成井的質量，需要降低爆破分層高度，這是因為在爆破過程中，偏斜導致的水平孔間距發生變化，當爆破高度比較大時，增大了破巖難度，由于內部補償空間降低，導致槽腔破碎的巖石不能及時有效排出，高度越高，槽腔內部出現“擠死”的可能性越大，進而影響爆破成井效率。

3 現場試驗

結合數值模擬的結果，在礦山開展現場試驗，為簡化試驗流程和節約試驗成本，利用現有T100高風壓環形潛孔鉆機進行鑿巖爆破，礦山大直徑深孔側向崩礦嗣后充填采礦法采用炮孔直徑為110 mm，空孔直徑為165 mm的直孔掏槽，礦山中段高度為50 m。

試驗選在礦山現有生產中段-270中段的1號采場，回采范圍為-270 m分段至-229 m分段，礦房寬度為7 m，平均長度為36.7 m，高度為40 m，炮孔孔深平均為37 m。

在完成炮孔施工后對炮孔進行測量，結合炮孔頂部與底部的位置偏差計算炮孔偏斜距離，結果見表3，為直觀體現不同炮孔偏斜情況，將所測得數據結合礦山的實測炮孔方位將孔底與空孔炮孔位置進行投影，具體孔位對應如圖7所示。

表3 不同孔深的炮孔偏斜水平距離

圖7 炮孔投影平面

為直觀表示各平面的炮孔偏斜情況，利用炮孔偏斜數據標識出各平面炮孔位置，其中37 m、27 m、18 m、9 m、0 m的炮孔位置如圖8所示。

爆破設計在底部37 m孔深處，前后共進行3次爆破試驗，爆破高度共為11.5 m，其中兩次爆破試驗中，第一次爆破裝藥結構為1.1 m填塞，裝藥長度為1.5 m，分層高度為2.6 m，單次爆破高度為5.2 m，第二次爆破裝藥結構為0.7 m填塞，裝藥長度為1.5 m，單次爆破高度為4.3～4.4 m，每個藥包采用導爆管起爆，頂部堵塞2 m河沙防止沖孔，在孔底裝有水泥塞。水泥塞離自由面視爆破層高決定，為保證裝藥高度一致，水泥塞高度調節范圍為0.7～1.1 m，使用2#巖石乳化炸藥。裝藥結構如圖9所示。

圖8 不同孔深的炮孔底部投影

根據圖8孔位偏斜位置考慮炮孔偏斜的影響， 對炮孔起爆順序進行調整，為保證槽腔內部巖石有充分的破碎，確定起爆順序如圖10所示，內圈同層同時起爆,內圈與外圈間隔100 ms，上下層之間間隔200 ms，以保證巖石爆破能夠順利進行，圖 10中“#”表示雷管段位，共30段，每個段位間隔 25 ms。

圖9 裝藥結構

爆破后測量孔深，根據孔深數據在剖面圖中對孔深進行調整，并根據孔深數據推斷爆破硐室窿型，兩次爆破前后對比如圖11、圖12所示。

圖10 多孔球狀藥包掏槽起爆順序

圖11 第一次爆破

圖12 第二次爆破

根據爆破效果對比可知，當炮孔偏斜時，5.2 m 總分層高度爆破效果不理想，當降低爆破高度時，爆破效果有了很大改善，表明在爆破高度為4.4 m時炮孔偏斜影響較小，爆破效果較好。通過試驗結果表明，多孔球狀藥包爆破模式受分層高度影響較大，當爆破效果不理想時需要降低爆破高度以達到理想爆破效果。

4 結論

（1）通過模擬結果分析得出，偏斜率較低時爆破效果受偏斜影響較小，此時可以提高爆破分層高度，進而提升成井效率。

（2）在相同的偏斜率下，炮孔偏斜率越大，為達到爆破效果越需要降低爆破分層高度，以避免中心區域爆破不充分和排渣不及時導致整體爆破效果減弱。