地下金屬礦山扇形中深孔爆破相似材料試驗研究

張貴銀

(中國黃金集團建設有限公司， 北京 100020)

地下礦山扇形中深孔爆破相似材料模擬試驗利用和礦巖力學性能相近的材料，制作幾何形狀類似的模型來模擬井下崩落礦巖，在相同的初始條件下，施加類似的邊界約束進行模擬試驗[1]，通過監測模型爆破效果，進一步分析扇形中心孔爆破規律，為改善井下掘進工藝、優化開采方法、研究回采順序提供了改進途徑。采用相似材料模擬試驗方法具有在試驗理論不明、作用機理和作用參數復雜的情況下，探索在現實難以觀測、難以定量研究事項的優點。通過幾何相似、運動相似、應力相似、動力相似和外力相似等相似理論，建立地下礦山扇形中深孔爆破模型，在一定程度上全面反映礦巖爆破破壞過程和受力狀態，以期對井下爆破設計提供參考。

1 相似理論原理

根據Kuznetsov提出的相似理論，以各因素分析為試驗手段建立相似材料試驗模型，來分析多因素對礦巖爆破效果的影響規律。現實建立的模型與礦山井下礦巖的相似程度及施加邊界條件決定了試驗的成功與否。按照相似理論，一般要求建立的模型（Ⅱ）與井下礦巖狀態（Ⅰ）之間滿足以下 5個相似條件[2]：

（1）幾何相似：

（2）運動相似：

（3）應力相似：

（4）動力相似：

由式（4）可推出：

（5）外力相似：

式中，l為模型幾何尺寸，m；t為運動時間，s；c為容重比值；F為動量，（kg·m）/s；m為質量，kg。

現實中建立的模型不僅要滿足上述5個相似條件，而且試驗前模型所處位置還必須滿足與井下礦巖賦存狀態類似的邊界條件。然而，在試驗中要滿足所有的相似準則是不可能的，也是沒有必要的。只要抓住物理過程的實質，滿足其主要的相似準則即可。結合井下采掘工程實際，模型滿足幾何相似、強度相似、應力相似是最為主要的[3-4]。因此綜合考慮模型初始條件和邊界條件相似的前提下，模型建立及模型位置應主要滿足幾何、強度及應力相似“三準則”。

2 室內相似材料模擬試驗

2.1 該礦中深孔爆破工藝問題分析

某礦7-2#礦脈屬深部厚礦體，淺部采用淺孔落礦干式嗣后充填采礦法，因采礦效率低下和作業安全性較低，考慮將采礦方法改為中深孔無底柱分段崩落采礦法，可大幅提高采場作業的安全性和落礦效率，但也帶來落礦大塊率高等困擾[5]。由于該礦生產系統中缺少井下二次破碎硐室，而采用箕斗提升又要求礦巖的尺度小于箕斗入料口，即塊度小于0.35 m，因此塊度大于0.35 m的礦石塊體需要在采場進行二次爆破[6]。二次爆破不僅炮煙污染采場作業環境，而且對出礦效率影響較大，因此，降低采礦扇形中深孔爆破產生的大塊率，對采場凈化與產能提高意義重大[7]，故對該礦扇形中深孔爆破機理進行相似材料模擬試驗研究迫在眉睫。

2.2 相似材料模擬試驗模型

根據礦巖不同的物理力學性質，選擇不同水灰比的水泥砂漿試塊進行扇形中深孔爆破試驗。用P·O 42.5水泥、河砂，配制3種不同灰砂比砂漿（見表1），制作試件尺寸為97 cm×30 cm ×60 cm，養護14 d備用。用Φ5 mm鋼筋預留炮孔，炮孔底部間距約9.3 cm。共制作3組試件，每組2個，組內設計爆破抵抗線為3 cm和7 cm。模擬試件幾何尺寸和炮孔布置如圖1所示。

表1 水泥砂漿模型配比參數

圖1 試件平面尺寸及炮孔布置

試件制作流程按照傳統的混凝土澆筑工藝進行，首先將配制的砂漿倒入用木板制作的試件模具中，再用鏟刀振動模具邊沿，當模具中砂漿面高度達到設計炮孔平面位置時，用Φ5 mm的鋼筋按照設計炮孔平面位置擺放，然后繼續澆筑直至達到模型寬度。在室溫下灑水養護12 h后，抽出預埋的Φ 5 mm鋼筋，留下鋼筋孔作為炮孔，繼續灑水濕養護2周左右，方可搬動并進行相似材料模擬爆破試驗。爆破后測量崩落體邊界并詳細記錄。

2.3 相似材料模擬試驗結果分析

本次共進行3組6個試件的爆破試驗，每次試驗都將試件中的9個炮孔同時起爆。爆破試驗效果如圖2所示，對應的爆破數據見表2。

根據表2和圖2可知，在炮孔孔底間距為9.3 cm和不同炮孔抵抗線的條件下，組內2個試件均從炮孔布置平面整齊崩落。并且不同炮孔抵抗線對斷面平整度影響較小。為了達到更好的爆破效果，進一步控制爆破大塊率，模擬中選擇炮孔抵抗線為3 cm，此時炮孔密集系數m=9.3/3=3.1。在上述模擬試驗條件下，炮孔密集系數m≤3.1的扇形中深孔同時起爆，可以達到在爆破后形成平整扇形面的目的。

表2 爆破試驗結果

圖2 破后揭露的試件端部崩落狀態實景

將同一配比模擬試件的爆破邊界連接起來，形成如圖3所示爆破界線。由圖3可知，孔底部分（曲線①）在爆破后試件被破壞成塊體，在孔口部位（曲線②）形成隔墻。故在炮孔孔底間距為9.3 cm、設計9個炮孔同時起爆的特定條件下，有效爆破界線受炮孔抵抗線影響較大，且抵抗線越大，有效爆破范圍越小，所以在礦山生產中需要謹慎選擇炮孔抵抗線，以便取得良好的爆破效果。

圖3 不同抵抗線模型有效爆破界線對比

3 扇形中深孔爆破機理分析

制作的試件基本上可視為各項同性的塊體，爆破能量傳遞較為線性，可認為當炮孔間距大于抵抗線2倍時，相鄰炮孔爆破應力波在達到自由面前，便會貫穿相鄰炮孔，故爆破破壞主要沿著設計扇形平面發展[8]。此外，根據組間、組內不同設計抵抗線的爆破效果及有效爆破界線可知，隨著配比試件強度的增大，受抵抗線影響的爆破破碎范圍差異也越明顯。可見，隨著試件強度的增大，爆破破壞方向對扇形炮孔的有效爆破范圍影響越大，且在試驗2、試驗3和試驗5中三個試件的爆破抵抗線同為3 cm時，爆破貫穿方向轉變存在滯后性，所以在扇形中深孔爆破中存在著破壞方向中的順勢效應[9]，該效應對爆破從初始向最終狀態轉變起到了延遲作用。在上述6個試件的爆破模擬試驗中，在模擬炮孔孔口間距平均為1.0 cm、孔底間距為9.3 cm的限定條件內，隨著抵抗線從3 cm增大至7 cm，爆破有效界線在縮小，但是隨3組試件強度變大，試件爆破破壞發展方向對爆破有效范圍影響越來越大。

根據圖3可知，試件（礦巖）的強度特性越弱，爆破效果越好，這說明爆炸產生的能量主要用于扇形面的劈裂貫穿，存續能量不足以繼續破壞礦巖致使其充分破碎進一步形成爆破大塊。爆破設計中應充分考慮礦巖性質和其破壞方向，選取合適的炸藥以達到理想的爆破效果。因此，在礦山井下采用扇形中深孔爆破設計時，應使炸藥長度方向的引爆點處于有效爆破狀態，且同時起爆的炮孔最短間距應大于設計抵抗線的2倍以上。

4 結論

通過扇形中深孔相似材料模擬試驗和爆破機理分析，可得出以下3個結論。

（1）通過對相似理論進行研究，提出了爆破相似材料模擬設計思路，在既定試驗條件下，炮孔密集系數不大于3.1的扇形炮孔，可以達到在爆破后形成平整扇形面的目的。

（2）爆破效果受到扇形炮孔對礦巖破壞方向的限制，隨著試件強度的增大，破壞方向對扇形炮孔的有效爆破范圍影響也越大，在扇形中深孔爆破中存在著破壞方向中的順勢效應。所以在設計扇形中深孔時，同時起爆的炮孔最短間距應大于設計抵抗線的2倍以上。

（3）試驗方案較好地適應了該金礦采準圍巖的可爆性，減輕了巷道支護與維護工作量，為無底柱分段崩落法的順利實施提供了技術保證。