水孔間隔填塞的理論分析與現場試驗

汪 偉， 彭定瀟， 黃毅偉

（1. 江西銅業集團有限公司， 江西 南昌 330001； 2. 江西銅業技術研究院有限公司， 江西 南昌 330001）

露天臺階爆破生產效率高、 經濟效益好， 在礦山、 鐵道、 公路、 水利水電等建設領域得到廣泛應用［1］。影響露天爆破效果的參數包括孔距、 排距、裝藥結構、 炮孔填塞、 起爆順序、 延期時間等［2-4］。其中， 炮孔填塞既是防止爆生氣體過早泄漏、 提高爆炸能量利用率的有效措施， 又是阻止爆破沖孔、降低飛石風險的主要手段。因此， 炮孔填塞對于露天臺階爆破非常重要［5］。國內外專家學者圍繞炮孔填塞開展了一系列研究。Cevizci［6］研發了一種新型的膠凝封堵技術， 與常規填塞方法相比， 提高了炸藥能量利用率， 炸藥單耗降低15%以上。Sharma［7］通過現場爆破試驗和指標分析， 證明有效的填塞能顯著改善破碎質量， 提升鏟裝設備運轉效率。張智宇等［8］針對不同粒徑巖屑抗剪性能及水孔填塞效果開展研究， 得出一定粒徑范圍內的巖屑顆粒能很好地解決露天水孔填塞爆破問題，經現場試驗證明， 可將沖孔率降低20%， 爆破大塊率降低8%。高文磊等［9］對不同填塞物的填塞效果進行對比分析， 得出炮孔在一特定長度區間時， 黏土填塞的作用時間最短、 碎石最長。郝亞飛等［10］通過LS-DYNA 模擬不同填塞長度對爆炸應力波作用的影響， 得出最優的填塞長度區間。以上研究雖然取得了一定成效， 但在炮孔填塞方面， 仍存在施工不便、 成本過高、 理論指導性不足等局限。考慮到爆破過程的復雜性， 仍需結合實際工程情況，深入開展炮孔填塞技術研究。

德興銅礦年采剝總量超過1 億t， 地處南方多雨地區， 每年3 月至7 月是大氣降雨補給的主要時段。該礦山進入深凹露天開采已有數十年， 在生產過程中常常面臨水孔爆破的情況。其不佳的填塞質量， 既導致爆炸應力和爆破作用時間快速下降， 影響破碎效果， 也更容易產生飛石沖孔等危害。德興銅礦在露天臺階爆破過程中， 為方便施工， 鉆孔產生的巖粉大多用于炮孔填塞。由于巖粉是松散物， 其內聚力和抗剪切力均較低， 對爆炸沖擊物的抵抗作用有限。特別是當孔內含水時，巖粉和水混合成泥漿， 進一步降低了巖粉與孔壁的摩擦力， 對爆炸沖擊物的抵抗更弱［11］。對此， 該礦山曾嘗試將鋪路用的碎石（粒徑20~30 mm）用于填塞炮孔， 其對爆炸沖擊物具有較好的低抗作用，但碎石的加工、 運輸、 填塞等工序復雜、 成本高，最終未能推廣應用。針對上述問題， 考慮利用空氣間隔器膨脹后對孔壁具有靜荷壓力的特點， 研究其用于炮孔（水孔）填塞的可行性， 以形成一種易施工、 成本低的炮孔填塞方法。

1 力學分析

根據生產廠家資料， 空氣間隔器充氣后的靜荷強度約為0.4 MPa（相當于4 倍大氣壓力）， 空氣間隔器的質量可忽略不計， 但其膨脹后可對孔壁產生較大壓力， 故使用間隔器填塞能否提高對爆炸沖擊物抵抗的關鍵， 在于間隔器與孔壁的摩擦力是否大于因此減少的干孔巖粉（水孔巖漿）的重力和摩擦力之和。圖1 為炮孔填塞受力分析模型。

圖1 炮孔填塞受力分析模型（a）無間隔器； （b）間隔器在填塞中段；（c）間隔器在填塞上段Fig.1 Force analysis model for borehole filling（a） No spacer； （b） Spacer in middle section of filling；（c） Spacer in upper section of filling

1）若使用一節空氣間隔器（充氣長度約0.6 m）。間隔器與孔壁的摩擦力見式（1）。

式中，F間為間隔器與孔壁的摩擦力，P為間隔器充氣后的靜荷強度， 取0.4 MPa；h間為一節間隔器高度， 取0.6 m；r為炮孔半徑， 取0.125 m；f1為空氣間隔器與孔壁的摩擦系數， 取0.1。計算得到一節空氣間隔器提供的摩擦力為18850 N。

2）若裝藥不變， 使用空氣間隔器將占據填塞空間， 同樣以一節間隔器為對象， 計算損失的0.6 m高度填塞物重力及摩擦力。分析如下：

①損失重力見式（2）：

式中，G為損失重力，ρ為填塞物密度（干孔取2500 kg/m3， 水孔取2000 kg/m3）；g為重力加速度，取9.8 N/kg。計算得到損失的重力為721 N（干孔）和576 N（水孔）。

②下部填塞物受上部填塞物的重力作用產生側向變形， 會對孔壁產生側向壓力， 這正是填塞物與孔壁產生摩擦力的原因。由巖石力學理論［12］可知， 側向應變與縱向應變往往呈一定的系數關系，故側向壓力等于垂直壓力（重力）乘以側向變形系數（λ取0.4），由此可計算間隔器與孔壁的摩擦力。摩擦力（干孔）見式（3）， 摩擦力（水孔）見式（4）：

式中，f2，f3分別為干孔和水孔填塞時與孔壁的摩擦系數， 分別取0.4 和0.1；h深取間隔器放置最大深度， 取8.5 m。 計算干孔和水孔填塞時最大摩擦力（最底部）為15701 N和7850 N。

3）經計算， 一節空氣間隔器提供的摩擦力（18850 N）大于因此損失的填塞物重力及摩擦力之和（干孔16422 N 和水孔8426 N）， 故從力學計算角度可以證明， 空氣間隔器填塞相較于以往的常規填塞對爆炸沖擊物的抵抗作用更強（尤其是水孔）。

2 數值模擬

力學計算初步論證了空氣間隔器填塞可提升炮孔填塞質量， 但計算時考慮的因素和條件較簡單， 需通過數值模擬分析進一步論證空氣間隔器填塞對爆破的影響， 以決定是否開展現場試驗。基于數值計算軟件， 設定常規工況（巖粉填塞）和試驗工況（空氣間隔器填塞）兩種爆破條件， 開展數值模擬分析。

模型尺寸（長×寬×高）為50 m×50 m×40 m， 選用Johnson-Holmquist材料模型， 起爆方式為孔底起爆。爆破載荷采用指數型衰減曲線， 根據文獻［13］， 峰值載荷取3000 MPa， 達峰時間取0.5 ms，持續時間取2 ms。模型四周為無反射邊界條件，底部為固定邊界條件。巖石材料參數取彈性模量為30 GPa、 密度為2.7 g/cm3、 泊松比為0.25， 炮孔取深度17.5 m（標準孔深）， 裝藥長度為9 m。在常規工況下巖粉填塞長度為8.5 m， 在試驗工況下，巖粉填塞長度為7.9 m、 空氣間隔器長度為0.6 m。爆破所產生的沖擊波經巖石粉碎區衰減后轉化為應力波， 隨著時間推移由近處往遠處傳播， 形成明顯的波陣面（見圖2）， 并發展為沿著巖體內部傳播的縱波、 橫波， 以及沿著巖體表面傳播的面波［13-14］， 應力波強度隨著傳播距離的增加而衰減。

圖2 應力波在巖體表面傳播Fig.2 Stress wave propagation on the surface of rock mass

圖3為兩種爆破工況下的應力波傳播特征（同一時刻）。在常規工況下， 應力波以明顯的柱狀波形式向外傳播。在試驗工況下， 應力波傳播受到間隔器（空氣）反射和緩沖影響， 不再呈規律性的柱狀波傳播。

圖3 不同工況下爆破時的應力波傳播特征（a）常規工況； （b）試驗工況Fig.3 Stress wave propagation characteristics during blasting under different working conditions（a） Conventional working condition； （b） Test condition

對比關鍵監測點的響應指標可知， 兩種工況下， 上部巖體初始應力波峰值相當（圖4）， 反映了同等的上部裝藥高度對臨近點的峰值作用強度相當。常規工況的爆破載荷曲線呈明顯的衰減趨勢， 試驗工況的爆破應力波因間隔器（空氣）的反射、 透射和緩沖作用， 且與自由面反射的應力波互相作用， 爆破載荷曲線不再呈現明顯的衰減趨勢，而是形成多輪應力波峰， 應力作用時間明顯增長。應力波的作用應當同時考慮應力峰值和作用時間， 故將應力值按時間路徑進行積分， 試驗工況的應力時間作用強度明顯高于常規工況。數值模擬分析表明， 空氣間隔器填塞能提高爆破能量利用率、 改善破碎效果。

圖4 巖體上部等效應力對比Fig.4 Comparison of equivalent stresses in the upper part of rock mass

綜合力學計算和數值模擬結果， 從理論上證明了將空氣間隔器用于炮孔填塞可以提升填塞質量、 改善爆破效果和安全狀況， 由此具備了開展現場試驗的可行性。

3 現場試驗

試驗地點位于江西銅業德興銅礦銅廠采區，該區域的炮孔內部水位普遍有幾米以上。常規工況完全采用巖粉填塞炮孔， 試驗工況使用空氣間隔器填塞炮孔。為便于效果對比， 使用空氣間隔器填塞的炮孔均位于爆區最南側（如圖5所示）， 爆區東側為壓碴、 南側為未爆破巖體。爆破過程中，除填塞段布置不同， 試驗工況與常規工況的其余參數條件保持一致。

圖5 爆破試驗區域（黃框內間隔器填塞）Fig.5 Blasting test area （filled with spacer in yellow box）

水孔用空氣間隔器見圖6， 空氣間隔器有2根拉繩［15］， 一根用于下放間隔器， 另一根用于間隔器到達指定位置時拉拔開啟充氣瓶。附有配重袋和塑料卡， 以防止間隔器在水中上浮。

圖6 水孔用空氣間隔器Fig.6 Spacer for water holes

現場操作先放入起爆器材， 按爆破設計進行裝藥， 下放橡膠桶分隔炸藥和巖粉； 再對炮孔填塞3~4 m 高度的巖粉， 然后放入空氣間隔器， 接觸到巖粉時拉拔充氣開關， 約30 s間隔器膨脹至孔壁直徑， 5 min 后充氣強度達到靜荷強度； 繼續充填巖粉至孔口， 進行連線起爆。

空氣間隔器用于炮孔填塞示意見圖7， 其關鍵特征在于用間隔器取代了一段巖粉， 實際充氣過程見圖8。

圖7 間隔器用于炮孔填塞示意圖Fig.7 Schematic diagram of spacer used for hole filling

圖8 間隔器在孔內充氣膨脹Fig.8 Spacer inflates and expands in the hole

對爆破全過程進行錄像， 現場通過提供間隔器連線確認充氣是否到位， 兩種工況的影像對比見圖9。可以看出， 使用間隔器填塞的區域在爆破過程中的沖孔個數和沖孔高度明顯小于對比區域。另外， 本次爆破中沖孔較為明顯的區域位于爆區南北兩側， 這與爆區側方既有壓碴， 又有未爆巖體的邊界條件有關。

圖9 爆破過程（a）爆破初期； （b）爆破末期Fig.9 Blasting process（a） Early stage of blasting； （b） Late stage of blasting

根據廠家的產品生產參數可知， 間隔器膨脹后長度約為0.6 m。表1 統計了填塞段實際形成的間隔高度， 由于第一次巖粉填塞后孔內仍然含水（水位高低不同）， 故間隔器充氣膨脹時會受浮力作用而上浮， 所形成的間隔高度大多超過0.6 m。特別是水位中等或較高的孔， 間隔器上浮更為明顯， 形成的間隔高度基本在1 m 以上。為解決這一問題， 需繼續加大水孔間隔器配重， 確保間隔器下放到位后塑料卡能夠卡住孔壁。

表1 填塞段間隔高度統計Table 1 Statistics of interval height of filling sections

除在填塞段使用空氣間隔器外， 對照區域和試驗區域的其他爆破參數均一致。爆堆效果見圖10， 傳爆無異常， 爆堆表面整體較為破碎， 無明顯大塊。爆堆隆起明顯， 有一定側后翻， 與側方既有壓碴， 又有未爆巖體的條件有關。

圖10 爆堆表面整體情況Fig.10 Overall surface condition of the explosive pile

通過卡車調度系統收集電鏟作業指標， 結果顯示， 試驗區電鏟臺效為2315 t/h， 較對比區（2096 t/h）提高了10.4%， 反映出填塞段使用間隔器提高了填塞質量， 并改善了爆破效果。

4 結 論

1）力學計算表明， 一節空氣間隔器提供的摩擦力（18850 N）大于因此損失的填塞物重力及摩擦力之和（干孔16422 N 和水孔8426 N）。由此可知，空氣間隔器填塞比常規填塞對爆炸沖擊物的抵抗作用更強（尤其是水孔）。

2）數值模擬表明， 常規工況的爆破載荷曲線呈明顯的衰減趨勢， 試驗工況的爆破應力波因間隔器（空氣）的反射、 透射和緩沖作用， 且與自由面反射的應力波互相作用， 爆破載荷曲線不再呈現明顯的衰減趨勢， 而是形成多輪應力波波峰， 應力作用時間明顯增長。將應力值按時間路徑進行積分， 試驗工況的應力時間作用強度明顯高于常規工況。由此可知， 將空氣間隔器用于填塞能提高爆破能量利用率、 改善破碎效果。

3）現場試驗結果表明， 使用間隔器填塞的炮孔（試驗區）在爆破過程中的沖孔個數和沖孔高度明顯小于對比區域。對比區電鏟臺效為2096 t/h，試驗區電鏟臺效為2315 t/h， 試驗區電鏟臺效較對比區提高了10.4%。由此可知， 在水孔填塞段中使用空氣間隔器明顯提高了填塞質量， 降低了爆破沖孔風險， 并改善了爆破效果。