基于爆破漏斗試驗在馬坑鐵礦VCR成井爆破技術中的應用

王志東

（福建馬坑礦業股份有限公司）

馬坑鐵礦主要采用大直徑深孔階段礦房嗣后充填法，采場寬度為15 m［1］，回采高度約為66 m，共布置2個水平，分別為上部大直徑孔鑿巖水平及下部出礦水平；上部大直徑鑿巖硐室布置垂直向下的46 m深的大直徑深孔，下部出礦水平布置上向20 m高的扇形中深孔，切割天井高度與回采高度一致，高位溜井的施工如采用常規方法，則工人作業條件差、通風困難、效率低、安全管理難度大，切割天井的施工質量及速度好壞，嚴重影響著礦山穩定生產。為解決此難題，馬坑鐵礦擬采用VCR 成井爆破技術，該方法回采水平少、單次崩礦量大，為實現大型設備機械化生產創造有利條件，大大地提高了礦山的生產能力。以利文斯頓爆破漏斗理論為基礎進行了單孔爆破漏斗試驗，并根據其分析結論確定出VCR成井爆破的鑿巖爆破參數。

1 工程概況

該礦山礦體頂底板圍巖及礦體夾石總體上穩固性較好，屬塊狀堅硬或中硬巖層。礦石結構緊密，為塊狀構造。主礦體下盤底板臨近F2′斷層，傾向北西，傾角約85°，次生構造發育，斷層附近裂隙較發育，巖體較破碎，局部會出現裂隙淋水現象。礦體及相鄰圍巖的普氏系數在10～16。主要礦體和圍巖物理力學性質如表1所示。

2 單孔爆破漏斗試驗

2.1 利文斯頓漏斗理論

根據利文斯頓漏斗理論，爆破能量是守恒的，炸藥釋放的能量與裝藥量成正比，其藥包最佳埋置深度d0與藥包質量G之間有如下關系［2］

式中，d0為藥包最佳埋深，m；Δ0為藥包最佳埋深比，即藥包最佳埋深d0與極限埋深d的比值；E為彈性變形系數；G為藥包質量，kg。

2.2 試驗方案設計

2.2.1 炮孔布置

該試驗礦山平巷，采用水平爆破漏斗方案，即在巷道壁上鑿水平孔進行試驗。設計單孔相鄰炮孔間距3 m，炮孔垂直于巷道壁的巖面。考慮到磁鐵礦巖體與矽卡化（夾石較多）低品位礦石巖體的性質略有區別，本次試驗分磁鐵礦石巖體（以下簡稱磁鐵礦體）和夾石低品位礦石巖體（以下簡稱夾巖礦體）2組，并且每組采用不同藥量進行試驗。夾石低品位巖體中分別在巷道兩側壁布置8 個孔，共16 個試驗鉆孔，孔號1～16。磁鐵礦巖體中同樣在巷道兩側壁布置8個孔，孔號17～32，試驗炮孔布置如圖1所示［3］。

2.2.2 裝藥參數設置

試驗鉆孔直徑為42 mm，炸藥為2 號巖石乳化炸藥（藥卷直徑32 mm，長度350 mm，質量300 g/支）。單孔爆破漏斗試驗裝藥量分2種形式，一種是孔內裝半支炸藥，藥包長度17.5 cm、質量150 g（由35 cm 標準炸藥裁取一半）、直徑32 mm 的2#巖石乳化炸藥，藥包長徑比為5.47；另一種裝藥方式為孔內裝整支炸藥，藥包長22 cm（由35 cm 標準炸藥拆裝填滿整個炮孔）、質量300 g、直徑42 mm 的2#巖石乳化炸藥，藥包長徑比為5.24。2 種形式的藥包長徑比均不大于6，可視作球狀藥包。裝藥順序：用高壓風對炮孔吹洗→用塑料管裝填藥包→用炮泥封堵孔口。起爆方式采用毫秒導爆管雷管孔底反向起爆，為避免相鄰試驗炮孔相互影響，每次爆破炮孔需相隔至少10 m。

2.2.3 試驗操作步驟

試驗具體操作步驟：①鉆孔前將壁面浮石清理干凈，使其平整；②為收集、測量爆破下來的巖塊，將試驗場地巷道底板的碎石鏟除，必要時鋪上一層廢舊風筒布或編織布，排除雜物干擾，以便獲得準確的測量結果［4］；③炮孔深度和角度應嚴格按照設計施工；④裝藥爆破。

2.3 單孔爆破漏斗試驗結果及分析

單孔爆破漏斗孔深及漏斗半徑測量結果如表2所示。根據實測結果計算得出各個孔的爆破漏斗深度D、抵抗線W、平均漏斗半徑R、爆破作用指數n 等值，根據表2 所測爆破漏斗底面8 個方向的r值，運用3Dmine 軟件，采用樣條曲線構建爆破漏斗底面及截面輪廓，求出面積值，代入漏斗深度D值，繪制實體，再利用實體體積功能得出爆破漏斗體積值。并經計算得出表3所示爆破漏斗參數計算值。

本次試驗藥量設置了150 g 和300 g 2種，并分別針對磁鐵礦體和夾巖礦體進行試驗，故而對結果分別進行分析。

在圍巖巖體中，藥量為150 g 的炮孔，其中5 號孔表面未有剝巖破壞，孔深接近的14 號孔有130 mm 的表面剝巖，為準確起見，藥包極限埋置深度取兩孔藥包的平均埋置深度值。在圍巖巖體中，藥量為300 g的7 號炮孔孔口有20 mm 的剝落，并產生微小裂隙。可以認為該孔藥包埋深為極限埋深值，同理可得出磁鐵礦體的極限埋深值。根據公式（1）可計算出2種藥量下礦、巖體中的變形能系數。以150 g、300 g 2種藥量下的極限埋深和變形能系數如表4所示。

注：漏斗深為21 mm意為自由面未剝落，圓錐體尖在炮孔內約為21 mm深。

根據試驗結果，對藥包埋深W、爆破漏斗體積V、比例爆破漏斗體積V/G、比例埋置深度W/G1/3、比例爆破漏斗半徑r/G1/3等參量分析［5］，最終得出夾巖礦體藥包最佳埋深為0.52 m，最佳深度比Δ0為0.51；磁鐵礦體藥包最佳埋深為0.48 m，最佳深度比Δ0為0.53；綜合最佳比例體積為0.41；綜合最佳比例埋深為0.72；綜合最佳比例半徑為0.81。

3 VCR成井爆破技術參數的確定

馬坑鐵礦VCR 成井鑿巖設備為KQG-150 型高壓環形潛孔鉆機，鉆孔直徑為150 mm，根據以上試驗結果，最終采用的爆破漏斗試驗參數：最佳深度比Δ0為0.53；綜合最佳比例體積為0.41；綜合最佳比例埋深為0.72；綜合最佳比例半徑為0.81。依據單位炸藥量爆破漏斗體積公式（2）可得在礦體中2#巖石乳化炸藥不同藥量的最佳埋深和極限埋深的理論計算值。

注：表格里序號14與5、20與21的極限埋深及變形能系數為兩個孔號的平均值。

式中，b為比例埋深；V為爆破漏斗體積，m3；Q為裝藥量，kg。

計算得出不同藥量下炸藥最佳埋深設計值和極限埋深設計值，見表5、表6。

4 工程應用

工程應用地點位于礦體下盤運輸巷附近的18～90 m 水平13-2#，直徑為3.5 m 的圓形溜井，井深64.5 m，KQG-150 型高氣壓環形潛孔鉆機，采用的成孔直徑為150 mm，該溜井的工程地質條件與試驗地點類似，成井方式采用VCR成井爆破技術，在90 m水平向下施工直徑150 mm 的炮孔，利用以上爆破漏斗試驗成果，在90 m 水平裝藥，以天井下端空間為自由面，從下往上依次爆破，每次設計爆破高度為2.26 m。

4.1 鑿巖參數的確定

根據以上爆破漏斗試驗，單孔裝藥量為24 kg 的形成的漏斗半徑約為2.3 m，考慮2%的孔偏斜率（井深64.5 m，孔底偏差可能達1.3 m 左右）及掏槽爆破的夾制作用，設計掏槽孔間距為0.3～0.5倍的漏斗半徑（0.7～1.2 m），周邊眼間距取0.4～0.5 倍的漏斗半徑（0.9～1.2 m）。最終選取的布孔形式為中間一個裝藥孔，在半徑為0.7m 左右的圓圈上布置3 個裝藥孔（孔間距為1.2 m），在半徑為1.75 m 左右的圓圈上（與里圈裝藥圈間距1.05 m）布置8 個裝藥孔（孔間距為1.2 m），共計布置13個裝藥孔。炮孔布置見圖2。

4.2 裝藥結構參數的確定

采用的炸藥為2 號巖石乳化炸藥，其直徑為130 mm，長度42 cm，質量6 kg/支。裝藥結構為耦合連續裝藥，每支藥卷在直徑150 mm 孔內可裝32 cm 高度。根據以上爆破漏斗試驗，選取每次單孔裝藥24 kg（4支2 號巖石乳化炸藥卷），單孔炸藥長度1.26 m，孔底采用水泥預制塊堵塞，填塞0.5 m以上的巖粉，為確保爆破效果，孔底不裝藥長度控制在0.7～1 m之，最長不超過1.4 m，孔口堵塞長度為1.5 m 左右的巖粉，選取的藥包最佳埋深為2.26 m。裝藥結構詳見圖3。

4.3 裝藥連線

孔內炸藥采用導爆索連接，導爆索引出孔外—各個孔的導爆索通過毫秒導爆管雷管（雙發雷管）連接，各個孔的毫秒導爆管雷管按魚刺狀連接在主導爆索上，起爆雷管綁在主導爆索。

4.4 應用效果

經過26 次的爆破，將64.5 m 的高位溜井爆破成功，溜井壁與最外圈炮孔連線相似，井口為近似圓形，與設計基本一致，達到預期的效果。利用爆破漏斗試驗結果在VCR 成井爆破技術中成功應用，爆破技術參數見表7。

5 結論

（1）通過爆破漏斗試驗，得到藥包最佳埋置深度及對應的爆破漏斗半徑，經單位炸藥量爆破漏斗體積公式換算后，得到最佳深度比Δ0為0.53，綜合最佳比例體積為0.41，綜合最佳比例埋深為0.72，綜合最佳比例半徑為0.81，并應用于VCR 成井爆破中，確定出2#巖石乳化炸藥不同藥量的最佳埋深和極限埋深的理論計算值。

（2）在工程應用過程中，應考慮炮孔偏斜率及掏槽爆破存在的夾制作用，經爆破漏斗試驗及工業試驗得出，掏槽孔間距取0.3～0.5 倍的漏斗半徑，周邊眼間距取0.4～0.5倍的漏斗半徑，孔底不裝藥長度控制在0.7～1 m，每次裝藥高度為1.26 m是可行的。