李 蘭，張電吉，姚金蕊，張若飛，王正一(.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；.貴州開(kāi)磷集團(tuán)礦業(yè)總公司，貴州 開(kāi)陽(yáng) 55030)

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地下磷礦大直徑空孔桶形掏槽試驗(yàn)研究

李 蘭1，張電吉1，姚金蕊2，張若飛1，王正一1
(1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.貴州開(kāi)磷集團(tuán)礦業(yè)總公司，貴州 開(kāi)陽(yáng) 550302)

在磷礦的地下生產(chǎn)中，拉槽爆破是礦房回采前的一道工序，對(duì)生產(chǎn)的連續(xù)化機(jī)械化有重要影響的一道工序。為提高掏槽爆破安全性和效率，降低爆破器材消耗和循環(huán)鉆爆作業(yè)時(shí)間。經(jīng)過(guò)大量理論分析，改進(jìn)生產(chǎn)時(shí)使用的桶形直眼掏槽，增設(shè)直徑110mm的大直徑空孔，改善裝藥系數(shù)和炮孔堵塞。并以馬路坪礦下磷為工程背景進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，成功將該礦區(qū)的掏槽爆破循環(huán)進(jìn)尺由8m提高為14m，提高了爆破過(guò)程中人員和設(shè)備的安全性，降低了鉆孔長(zhǎng)度和炸藥單耗。證實(shí)了該方法在理論上和技術(shù)上的可行性，且經(jīng)濟(jì)效果顯著。

大直徑空孔；炮孔堵塞；裝藥系數(shù)；桶形掏槽；地下磷礦

拉槽爆破對(duì)回采程序及效率有直接影響，其合理性，對(duì)爆破效果、生產(chǎn)效率及采場(chǎng)的安全性也有不小的影響。由于拉槽爆破只有一個(gè)自由面，受巖石夾制作用大，循環(huán)進(jìn)尺低，尤其是在頂板及圍巖不穩(wěn)定的情況下，極容易引發(fā)頂板冒落，圍巖松動(dòng)等釀成事故[1]。實(shí)現(xiàn)一次掏槽不僅可以保障作業(yè)人員、設(shè)備安全，而且還能減少炸藥單耗，節(jié)約爆破成本提高爆破質(zhì)量。

近年來(lái)關(guān)于一次掏槽爆破的研究成果豐富，林大能和陳壽如[2]建立相應(yīng)的物理力學(xué)模型，對(duì)空孔直眼掏槽槽腔的形成過(guò)程進(jìn)行分析，探討了空孔與槽腔利用率、巖石力學(xué)參數(shù)與炸藥裝藥系數(shù)等之間的關(guān)系，提出槽腔尺寸的理論計(jì)算方法。汪海波等[3]利用有限元軟件對(duì)掏槽爆破后的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明大直徑空孔的增設(shè)不僅夠提高應(yīng)力波峰值延長(zhǎng)其作用時(shí)間，且?guī)r石破碎更均勻。周傳波、谷任國(guó)和羅學(xué)東[4]用非線性動(dòng)力有限元程序?qū)﹄p孔菱形等幾種掏槽方式進(jìn)行數(shù)值模擬，解決了堅(jiān)硬巖石一次爆破成井爆破參量確定的難題。田會(huì)禮等[5]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)用對(duì)復(fù)式桶形掏槽的破巖機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于完整性較好的堅(jiān)硬巖石，復(fù)式桶形直眼掏槽能取得更好的爆破效果。基于前人的相關(guān)研究，本研究的目的就是解決頂板不穩(wěn)定的地下磷礦拉槽爆破炸藥消耗大爆破效果差，頂板易冒落等問(wèn)題。

1 試驗(yàn)礦區(qū)工程地質(zhì)背景

貴州開(kāi)磷集團(tuán)馬路坪礦的生產(chǎn)能力為40萬(wàn)t/a，屬于緩傾斜中厚型礦體，礦體厚度3～8m，礦體傾角為20～40°。由于斷裂帶的錯(cuò)動(dòng)分為中磷及下磷兩盤，礦體呈均衡層狀?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在馬路坪礦下磷進(jìn)行，該礦為的緩傾斜厚大礦體，礦區(qū)頂板極不穩(wěn)定[6]。此賦存條件下礦體的開(kāi)采是一個(gè)難題，拉槽爆破作為回采前重要的準(zhǔn)備工序，進(jìn)行時(shí)也遇到了除由于地質(zhì)條件的束縛外爆破參數(shù)的設(shè)置問(wèn)題。此前生產(chǎn)中拉槽常存在需要兩至三次補(bǔ)炮才能實(shí)現(xiàn)切割槽拉穿到位的情況，裝藥系數(shù)和炮孔布置等參數(shù)的不合理設(shè)置不僅使炸藥單耗一直居高不下，還增加了施工人員和設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)。

基于本課題組針對(duì)該礦區(qū)進(jìn)行巖石可爆性分析研究結(jié)果表明該礦區(qū)巖石為中等穩(wěn)固[6]。階段高度40m，劃分為三個(gè)分段，每個(gè)分段高約13m。實(shí)驗(yàn)前，該礦區(qū)采用桶形直眼掏槽，所有炮孔一次打穿上下分層，無(wú)空孔，無(wú)孔口堵塞，裝藥系數(shù)約為0.9，每次拉槽距離為8m左右。

2 爆破參數(shù)優(yōu)化

改善爆破效果最直接有效的方式就是改進(jìn)爆破參數(shù)，由于爆破工藝和設(shè)備在礦山應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟和穩(wěn)定，在既定的工程條件下，改善爆破參數(shù)是理論和實(shí)際都能實(shí)現(xiàn)的方案。

2.1 大直徑空孔

所謂的空孔效應(yīng)是指爆破中空孔為礦巖破碎提供初始空間，且改變了空孔附近圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和爆破效果的現(xiàn)場(chǎng)。前人對(duì)直眼掏槽效率敏感因子的分析表明，空孔直徑是影響直眼掏槽爆破效果最顯著的因素[7-8]。更證實(shí)了空孔是直眼掏槽中能直接促進(jìn)巖石破碎、拋擲和槽腔形成的重要因子[9-10]。

原有的桶形直眼掏槽的方案，增設(shè)大直徑空孔將對(duì)爆破效果的改善有至關(guān)重要的作用。由于鉆孔設(shè)備的限制，增設(shè)直徑110mm的空孔。

2.2 炮孔堵塞和裝藥

雖然炮孔堵塞并不影響爆炸沖擊波的峰值，但對(duì)爆生氣體壓力的降低和作用時(shí)間有著重要的影響[11]。由于堵塞物與炮孔間的阻力延長(zhǎng)了炮孔內(nèi)高溫高壓的狀態(tài)和炸藥爆炸反應(yīng)的時(shí)間，得到了更充分的爆炸能，實(shí)現(xiàn)了炸藥能量的高效率應(yīng)用[12]。眾多針對(duì)炮孔堵塞長(zhǎng)度的研究表明：堵塞的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加空口的大塊率；過(guò)短會(huì)使得爆生氣體過(guò)早的沖出炮孔，起不到延長(zhǎng)其作用時(shí)間的目的；合理的炮孔堵塞長(zhǎng)度能有效提高爆破能量利用率，還能解決孔口礦巖過(guò)分破碎，巖石碎裂不均勻的問(wèn)題。堵塞的最佳長(zhǎng)度是堵塞物在炮孔中作用的時(shí)間和巖石破碎的時(shí)間相等[13]。由于炮孔堵塞，適當(dāng)降低了炮孔的裝藥系數(shù)，不僅合理利用了爆炸能量降低了無(wú)用功所占的比例，而且達(dá)到了降低炸藥單耗的目的。

炮孔最佳堵塞長(zhǎng)度由公式Ls=(0.63～0.88)W或Ls=(16.2～22.7)db推出為0.35～0.4m。優(yōu)化后的爆破方案，選擇將中心空孔一次打穿上下分層，其余炮孔預(yù)留1.7～2m，未打穿部分爆破中起堵塞作用，孔口裝藥完成后為防止孔口回藥采用炸藥袋堵塞，且采用30cm左右的發(fā)泡劑進(jìn)行堵塞。

根據(jù)巖石性質(zhì)查閱爆破手冊(cè)及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本爆破采用耦合裝藥[14]。掏槽孔裝藥系數(shù)0.9，輔助孔裝藥系數(shù)0.8，周邊孔裝藥系數(shù)0.6。

2.3 微差時(shí)間

理論實(shí)踐表明，增加被爆巖體的自由面對(duì)減少單耗作用顯著，且相關(guān)研究指出，每增加一個(gè)自由面，單耗可以降低約15%[15]。試驗(yàn)中采用空孔及微差爆破設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)增加自由面及降低單耗這一試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

所選取的微差爆破的微差時(shí)間應(yīng)保證先爆破的巖石在該時(shí)間內(nèi)破碎并脫離巖體，為后爆破的炮孔創(chuàng)造新的爆破自由面。綜合該礦區(qū)的巖石物理參數(shù)及數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)延期時(shí)間為50ms時(shí)，巖石應(yīng)力波的傳播和疊加作用使礦巖破碎效果更佳。

2.4 掏槽爆破參數(shù)確定

爆破參數(shù)的確定需要根據(jù)巖石參數(shù)確定，馬路坪礦下磷相關(guān)巖石參數(shù)，巖石堅(jiān)固性系數(shù)f=7，巖石碎脹系數(shù)K=1.7，掏槽孔半直徑d=0.06m，藥卷r=55mm，以1號(hào)巖石乳化炸藥耦合裝藥為前提，由應(yīng)力波破巖理論可得式(1)。

R2

(1)

爆炸裂隙圈半徑Rb=0.6m。

據(jù)爆破應(yīng)力波破巖理論分析得鉆孔R(shí)=0.04m，因此掏槽眼的圈徑應(yīng)為Φ≤2Rb，Φ≤1.2m。礦山的巖石碎脹系數(shù)為k=1.7。根據(jù)補(bǔ)償空間的理論來(lái)計(jì)算掏槽眼的間距，見(jiàn)式(2)。

(2)

得出a≤0.6m。一級(jí)掏槽孔與中心空孔的垂直距離為a1=0.6，二級(jí)掏槽孔與中心空孔的垂直距離為a2=1.2m。根據(jù)裂隙半徑的要求可以確定同級(jí)掏槽孔間的距離和個(gè)數(shù)，桶形掏槽方式裂隙半徑分別為0.6m，可得出一級(jí)掏槽孔至少需要4個(gè)，二級(jí)掏槽孔至少需要7個(gè)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定為8個(gè)。圖1為炮孔布置示意圖。

圖1 炮孔布置示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)理論分析結(jié)合該礦區(qū)的實(shí)際生產(chǎn)施工情況及擬定的試驗(yàn)方案，在馬路坪礦下磷3#盤區(qū)663分層的N2#礦房及0#礦房進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，礦體傾角分別為37°和41°礦巖類型屬中等穩(wěn)固，掏槽孔和輔助孔呈桶形分布，周邊孔呈75°倒梯形分布，掏槽孔1段，輔助孔5段，周邊孔9段，一次并聯(lián)起爆具體拉槽爆破步孔參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

試驗(yàn)結(jié)果均為一次拉穿，周邊孔由于炮孔傾角過(guò)爆破效果不甚理想，而后采用鐵絲串乳化炸藥解決最上排炮孔傾角較大易產(chǎn)生炮口回藥的問(wèn)題。

圖2為爆破現(xiàn)場(chǎng)的照片，N2#礦房實(shí)現(xiàn)拉槽14m，0#礦房拉槽距離15m，現(xiàn)場(chǎng)圖片顯示爆破效果達(dá)到預(yù)期，不僅實(shí)現(xiàn)一次拉槽成功，且礦巖塊度均勻，頂板和圍巖穩(wěn)定。

表1 3#盤區(qū)663分層N2#礦房爆破試驗(yàn)布孔參數(shù)

表2 3#盤區(qū)663分層0#礦房爆破試驗(yàn)布孔參數(shù)

圖2 N2#、0#礦房現(xiàn)場(chǎng)爆破現(xiàn)場(chǎng)圖

由表3看出，改進(jìn)后炸藥的消耗降低至原來(lái)的74%左右，一次掏槽爆破鉆孔長(zhǎng)度減少了50m左右。實(shí)際施工中一次炸藥用量很難統(tǒng)計(jì)，但對(duì)炸藥單耗的降低確實(shí)起到了非常顯著的作用。改進(jìn)后的爆破參數(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了高效安全的拉槽爆破，且經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表3 爆破參數(shù)改進(jìn)前后鉆孔長(zhǎng)度和炸藥用量對(duì)比

4 結(jié) 論

1)直眼掏槽中，大直徑空孔的實(shí)際作用非常明顯，不僅為掏槽爆破提供初始自由面，對(duì)槽腔巖石的破壞具有導(dǎo)向作用，且改變了空孔周圍巖石的應(yīng)力狀態(tài)，降低了由于圍巖夾制作用產(chǎn)生拒爆的可能性，有效的改善了爆破效果。

2)只打穿空孔，其余炮孔預(yù)留1～2m，不僅實(shí)現(xiàn)炮孔堵塞，也減少鉆孔長(zhǎng)度，提高了經(jīng)濟(jì)效益。改善裝藥系數(shù)和適當(dāng)?shù)呐诳锥氯粌H能增加爆轟波在炮孔內(nèi)的作用時(shí)間大大改善了破巖效果，而且對(duì)降低炸藥單耗的效果也非常明顯。

3)改進(jìn)后爆破參數(shù)能實(shí)現(xiàn)一次掏槽，減少了人員和設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，降低爆破成本和時(shí)間，為安全高效生產(chǎn)做出了顯著的貢獻(xiàn)。但該方案可能存在只適用于該礦區(qū)的地質(zhì)現(xiàn)象，應(yīng)做大量研究便于適時(shí)推廣，更大范圍的應(yīng)用必定能獲取更好的效益。

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Experimental study on large diameter cavity barrel shaped cutting blasting in underground phosphorite mine

LI Lan1，ZHANG Dian-ji1，YAO Jin-rui2，ZHANG Ruo-fei1，WANG Zheng-yi1

(1.School of Resources and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；2.Guizhou Kailin Group Mining Corp，Kaiyang 550302，China)

Cutting blasting is one important preparatory process for mining in the underground phosphorite mine production.The purpose of this experimental study is improving the cutting blasting efficiency，reducing consumption of blasting equipment and time of cycle drilling blasting，and accelerating the process of mining.After a lot of theoretical analysis，barrel shaped cutting blasting has been added one diameter 110mm empty cavity，and the loading factor and borehole stemming has been improved which been used in the production process.In the engineering background of MaLu-ping mine footwall，the field tests improved blasting distance improved from 8m to 14m，also reduced the length of borehole spacing and explosive consumption.It’s theoretical feasibility，technical feasibility and economic feasibility are confirmed by the test results.

large diameter cavity；borehole stemming；loading factor；barrel shaped cutting；underground phosphate ore

2015-02-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51474159)；武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：CX2014046)

李蘭(1990-)，女，四川綿陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)椴傻V工程。E-mail:982206183@qq.com。

TD353

A

1004-4051(2015)11-0139-03