吳春平

(北京礦冶研究總院，北京 100160)

地下爆破漏斗實驗方法研究

吳春平

(北京礦冶研究總院，北京 100160)

爆破漏斗實驗是獲取巖體爆破準(zhǔn)確參數(shù)的有效途徑，是爆破設(shè)計和施工的重要基礎(chǔ)。經(jīng)過多年的發(fā)展，利文斯頓爆破漏斗理論成為指導(dǎo)爆破漏斗實驗的普遍規(guī)律。爆破漏斗一般是在水平地面向下打垂直孔，然后按照設(shè)計參數(shù)進(jìn)行裝藥實驗。對于地下礦山或隧道爆破，除臺階爆破可以采用垂直孔進(jìn)行經(jīng)典的爆破漏斗實驗外，水平孔爆破、上向孔爆破和VCR法爆破都不宜使用標(biāo)準(zhǔn)的爆破漏斗實驗方法。為此，本文全面總結(jié)爆破漏斗實驗的基本原理，研究了地下爆破漏斗的類型、實驗步驟、參數(shù)的測量方法、實驗結(jié)果的分析方法，為地下爆破漏斗實驗研究提供了有益的參考。

爆破漏斗；地下爆破；爆破實驗；VCR法爆破；利文斯頓爆破漏斗理論

0 引 言

爆破漏斗實驗是獲取巖體爆破準(zhǔn)確參數(shù)的有效途徑，是爆破設(shè)計和施工的重要基礎(chǔ)。根據(jù)大量爆破漏斗實驗，美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的利文斯頓(C.W.Livingston)于1951年提出第一個科學(xué)的爆破漏斗理論，以后又做了多次完善[1]。

從經(jīng)典的利文斯頓爆破漏斗理論而言，爆破漏斗一般是在水平地面向下打垂直孔，然后按照設(shè)計參數(shù)進(jìn)行裝藥實驗。在地下礦山或隧道爆破，就采礦方法或隧道掘進(jìn)而言，有水平孔爆破、上向孔爆破和VCR法爆破；在大斷面巷道中，還有一部分采用臺階爆破。除臺階爆破可以打垂直孔進(jìn)行經(jīng)典的爆破漏斗實驗外，水平孔爆破、上向孔爆破和VCR法爆破都不宜使用標(biāo)準(zhǔn)的爆破漏斗實驗方法。為此，本文全面總結(jié)爆破漏斗實驗經(jīng)驗，研究了適用于地下爆破的爆破漏斗實驗類型、步驟、參數(shù)測量與結(jié)果分析方法。

1 爆破漏斗實驗基礎(chǔ)理論

1.1 爆破漏斗的幾何參數(shù)

爆破漏斗是指當(dāng)炸藥在巖石中爆炸產(chǎn)生外部作用時，除了將巖石破壞以外，還會將一部分破碎了的巖石拋擲，在地表形成漏斗狀爆坑[2]。為了準(zhǔn)確獲知礦巖的可爆性，需要做一系列爆破漏斗實驗，為爆破參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。爆破漏斗幾何參數(shù)如圖1所示[2]。

圖中的幾何參數(shù)主要有：①自由面AB，指被爆破的巖石與空氣接觸的面，又叫臨空面；②最小抵抗線W，是自藥包中心到自由面的最短距離；③爆破漏斗半徑r，是爆破漏斗的底圓半徑；④爆破作用半徑R，是藥包中心到爆破漏斗底圓圓周上任意一點的距離，也叫破裂半徑；⑤爆破漏斗深度D，是自爆破漏斗尖頂至自由面的最短距離；⑥爆破漏斗可見深度h，是自爆破漏斗中巖堆表面最低洼點到自由面的最短距離；⑦爆破漏斗張開角θ，是爆破漏斗的頂角。

1.2 利文斯頓爆破漏斗理論

利文斯頓根據(jù)大量的漏斗實驗，以能量平衡為準(zhǔn)則，從能量轉(zhuǎn)化和工程的角度，對爆破漏斗的產(chǎn)生和演變進(jìn)行了分析[1]。利文斯頓爆破漏斗理論認(rèn)為炸藥在巖體中爆炸時傳遞給巖石的能量取決于巖石性質(zhì)、藥包質(zhì)量和藥包埋深等因素，當(dāng)巖石性質(zhì)一定時，炸藥能量在巖石彈性變形、破碎、拋擲和對空氣做功上的消耗比例取決于炸藥的質(zhì)量和埋深[1-3]。利文斯頓爆破漏斗理論不僅表明了裝藥量和爆破漏斗的關(guān)系，還能確定不同巖石的可爆性，比較不同炸藥品種與巖石的匹配性。

巖石中彈性變形能和破碎能達(dá)到飽和狀態(tài)時，炸藥的埋置深度稱為臨界埋置深度Wc，此時炸藥量和埋置深度的關(guān)系表達(dá)見式(1)。

(1)

式中：Eb為變形能系數(shù)；m/kg1/3；Q為裝藥量，kg。

變形能系數(shù)Eb是衡量巖石可爆性的一個指標(biāo)。當(dāng)埋置深度減小到某一深度時，形成的爆破漏斗體積最大，此時的炸藥埋置深度稱為最佳埋置深度Wo。埋置深度W與臨界埋置深度Wc的比值為，表達(dá)式見式(2)。

(2)

(3)

實際應(yīng)用中，只要通過實驗求出巖石的變形能系數(shù)Eo和最佳深度比Δo，就可以優(yōu)選炸藥品種，對爆破參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計。為便于分析，常采用比例爆破漏斗體積V/Q、比例埋置深度W/Q1/3、比例爆破漏斗半徑r/Q1/3和深度比等參量研究爆破漏斗。爆破實驗后，一般采用縱坐標(biāo)為V/Q(m3/kg)，橫坐標(biāo)為炸藥埋置深度W(m)繪制爆破漏斗特性曲線；可用縱坐標(biāo)為比例埋置深度W/Q1/3(m/kg1/3)，橫坐標(biāo)為比例爆破漏斗半徑r/Q1/3(m/kg1/3)繪制爆破漏斗特性曲線。

2 爆破漏斗實驗基本方法

爆破漏斗實驗時，有集中(或球狀)藥包、柱狀藥包兩種形式。以長徑比小于6的短柱狀藥包視為集中(或球狀)藥包，長徑比大于6的為柱狀藥包[2]。爆破漏斗實驗分為單孔爆破漏斗實驗、寬孔距同段爆破漏斗實驗和斜面臺階爆破漏斗實驗3種形式[4]。除斜面臺階爆破漏斗實驗需要采用柱狀藥包進(jìn)行實驗外，其他兩種爆破漏斗在實驗時主要用集中(或球狀)藥包形式。

2.1 地下爆破漏斗的類型

通常情況下，爆破漏斗是在地表打垂直孔，然后進(jìn)行裝藥爆破，會形成如圖1所示漏斗形狀。在地下爆破條件下，爆破漏斗可以在巷道壁打水平孔，或在巷道頂板打上向孔，也可以在巷道底板打下向孔。根據(jù)上述爆破形式的不同，可以有多種爆破漏斗類型。

水平孔爆破漏斗幾何參數(shù)見圖2。如圖2所示，水平孔爆破漏斗與標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗的區(qū)別在于：因重力和爆破拋擲作用，前者爆破后形成的漏斗內(nèi)沒有破碎巖石殘渣，也就沒有爆破漏斗可見深度變量。

如圖3所示，在巷道頂板上進(jìn)行上向孔爆破漏斗實驗，或在巷道底板進(jìn)行大直徑深孔爆破漏斗實驗時，會形成一個反向爆破漏斗。爆破后先形成真漏斗，隨著時間的推移，巖石因為重力作用逐漸垮塌，如果沒有得到及時支護(hù)，冒落范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，得到一個擴(kuò)展的漏斗[5]。這也是垂直深孔漏斗爆破后退式采礦法(VCR，Vertical Crater Retreat)得以推廣的理論基礎(chǔ)[6]。

圖2 水平孔爆破漏斗幾何參數(shù)示意圖

圖3 反向爆破漏斗幾何參數(shù)示意圖

2.2 地下爆破漏斗實驗步驟

在進(jìn)行地下爆破漏斗實驗前，需要根據(jù)實際情況設(shè)計實驗步驟，然后選擇盡量平整的自由面進(jìn)行實驗。一般而言，需要進(jìn)行3種爆破漏斗實驗(以水平孔爆破漏斗實驗為例)。

2.2.1 單孔爆破漏斗實驗

在實驗前，應(yīng)根據(jù)巖石的力學(xué)性質(zhì)、炮孔直徑、炸藥品種等條件估算最小抵抗線，然后以此抵抗線為中值設(shè)計一組等差數(shù)列作為炮孔深度值(圖4中的L)。單孔爆破漏斗實驗時，除可記錄如圖1所示各個孔的爆破漏斗參數(shù)外，還可記錄爆破漏斗的體積、爆破后的巖石質(zhì)量等參數(shù)，從而判斷最佳埋置深度Wo和臨界埋置深度Wc，計算變形能系數(shù)Eo和最佳深度比等數(shù)值。如圖4所示，單孔爆破時尤其要注意，孔間距a要大于估算的最小抵抗線的2倍，以免相鄰炮孔互相影響。同時，各炮孔的藥量均相同，且長徑比小于6。

2.2.2 寬孔距同段爆破漏斗實驗

以單孔爆破漏斗實驗確定的最佳埋置深度為裝藥深度，同時以最佳埋置深度為孔間距b的中值，設(shè)計一組等差數(shù)列作為炮孔間距值(圖5中的L)，進(jìn)行寬孔距同段爆破漏斗實驗，以確定最大孔間距的參數(shù)范圍，從而為實際爆破的孔間距提供參考依據(jù)。爆破前各炮孔裝藥量與單孔爆破漏斗實驗相同，各炮孔以同段雷管起爆。寬孔距同段爆破實驗應(yīng)盡量保證孔底在同一直線上，以便形成炮孔連心線。

圖4 單孔爆破漏斗實驗示意圖

圖5 寬孔距同段爆破漏斗實驗示意圖

2.2.3 斜面臺階爆破漏斗實驗

利用斜面臺階爆破抵抗線連續(xù)變化的特點，以連續(xù)柱狀藥包的方式進(jìn)行單孔斜面臺階爆破，測量爆破的最大抵抗線Wmax，如圖6所示。一般來說，爆破前以單孔爆破漏斗實驗獲得的最佳埋置深度作為預(yù)估的爆破漏斗中心線長度的中值，設(shè)計斜面臺階爆破漏斗實驗的炮孔長度和炸藥裝填深度、堵塞長度。作為對比，一般進(jìn)行兩組斜面臺階爆破漏斗實驗。同時，為便于鉆孔施工和后續(xù)計算，炮孔與自由面AB的夾角α可設(shè)計為30°和45°。

圖6 斜面臺階爆破漏斗幾何參數(shù)示意圖

斜面臺階爆破后，用炮棍插入原孔中，使用卷尺測量爆開處抵抗線，取爆開處抵抗線的平均值為最大抵抗線Wmax。

2.3 爆破漏斗參數(shù)的測量方法

爆破漏斗實驗的成敗很大程度上取決于爆破漏斗參數(shù)能否準(zhǔn)確測量，因此測量方法的選擇十分重要，通常采用計算品位、礦量常用的垂直斷面法測量爆破漏斗參數(shù)[7]。需要準(zhǔn)備的測量工具包括：1.5 m直桿、10 m軟皮尺、5 m鋼卷尺、150 kg電子臺秤、鐵鍬、竹筐、炮棍、格篩(50 mm×50 mm、100 mm×100 mm、200 mm×200 mm等規(guī)格的柵格，根據(jù)爆破塊度大小確定)、噴漆、記錄本等。爆破前后按照如下方式進(jìn)行測量。

1)爆破前，用鋼卷尺分別測量炮孔直徑、炮孔深度、炸藥裝填深度、堵塞深度。

2)爆破后，用100 mm×100 mm或200 mm×200 mm規(guī)格的格篩覆蓋在爆破漏斗輪廓面上作為基準(zhǔn)自由面，按照100 mm×100 mm或200 mm×200 mm的網(wǎng)度測量基準(zhǔn)自由面和漏斗輪廓之間的距離，其差值即為各測點爆破深度，由此繪制爆破漏斗圓錐面的三維圖形。

3)以炮孔中心線為軸線，在基準(zhǔn)自由面上建立平面坐標(biāo)系，記錄爆破漏斗輪廓邊界底面每隔45°方向上8個點的坐標(biāo)，以及與底面平行且為漏斗深度一半的平面上相對應(yīng)的8個點坐標(biāo)，由此分別繪制爆破漏斗底圓邊界及中值斷面輪廓線。

4)扣除漏斗口周邊巖石片落部分，用噴漆和100 mm×100 mm或200 mm×200 mm的柵格圈定漏斗邊界，然后以炮孔中心線為軸線，每隔45°直接量取8個不同方位的漏斗邊界與軸線之間的距離，取其平均值作為爆破漏斗半徑。

5)采用50 mm×50 mm、100 mm×100 mm、200 mm×200 mm等規(guī)格的格篩對爆破后的碎石進(jìn)行篩分，然后用電子臺秤分別稱重，得到碎石的塊度級配特征、總質(zhì)量和大塊率等參數(shù)。

2.4 爆破漏斗實驗結(jié)果分析方法

爆破漏斗實驗參數(shù)測量后，還需要對爆破漏斗實驗結(jié)果進(jìn)行分析。借助CAD、3DMine、Dimine或Surpac等軟件，可以輕松、精確地處理實驗數(shù)據(jù)[8-9]，獲得需要的結(jié)果。

1)首先選擇上述軟件中的一種軟件，對照測量數(shù)據(jù)，將爆破漏斗形態(tài)以三維形式繪出。根據(jù)實際經(jīng)驗，以3Dmine、Dimine或Surpac等礦業(yè)類專用軟件更實用。

2)以3Dmine為例，采用樣條曲線構(gòu)建爆破漏斗各斷面輪廓后，各斷面面積可直接選擇相應(yīng)斷面輪廓的樣條曲線，在樣條曲線屬性框中查詢到的“面積”或“最佳面積”即為爆破漏斗對應(yīng)斷面的面積。

3)以3Dmine為例，爆破漏斗各斷面曲線和測點在軟件中確定后，可采用“實體”相關(guān)功能繪制爆破漏斗實體，再用“實體-實體體積”功能直接得出爆破漏斗體積。

4)再結(jié)合WPS表格或excel等軟件，即可繪制爆破漏斗特性曲線，從而分析變形能系數(shù)Eo和最佳深度比等數(shù)值。

5)根據(jù)爆破塊度篩分和稱重結(jié)果，分析爆破塊度級配特征、爆破能量利用率等指標(biāo)。

3 結(jié) 論

本文總結(jié)了爆破漏斗實驗的基本原理，研究了地下爆破漏斗的類型、實驗步驟、參數(shù)的測量方法、實驗結(jié)果的分析方法，為地下爆破漏斗實驗研究工作提供了一些參考方案。

1)為保證實驗成功，鉆孔前要根據(jù)巖石的性質(zhì)和爆破條件，事先預(yù)估炮孔深度和藥量等參數(shù)，再進(jìn)行相應(yīng)的實驗方案設(shè)計。

2)炮孔深度、偏斜率、炸藥埋置深度、堵塞長度要嚴(yán)格控制在設(shè)計值誤差范圍內(nèi)。

3)炮孔直徑較小時，實驗不容易形成爆破漏斗，要加強(qiáng)堵孔工作，可采用錨固劑等材料堵孔。炮孔直徑較大時，可使用濕度在18%～20%之間、比例為1∶3泥沙混合炮泥堵孔。

4)爆破碎石的篩分稱重花費時間較多，因此需要合理選擇格篩，一般以2個格篩進(jìn)行3級篩分比較合理，太多的格篩會加重工作強(qiáng)度。同時，格篩的孔徑也需要合理設(shè)計，應(yīng)根據(jù)預(yù)估的爆破塊度確定。

5)實驗結(jié)果的分析處理應(yīng)盡可能借助軟件工具，以提高分析的速度和精度。

致謝：在研究爆破漏斗實驗方法的過程中，作者得到了孫忠銘、陳何和王湖鑫等的無私指導(dǎo)和幫助，還得到北京礦冶研究總院礦山工程研究設(shè)計所的大力支持，在此一并表示感謝！

[1] 齊金鐸.現(xiàn)代爆破理論的發(fā)展階段[J].爆破，1996，13(4)：7-10.

[2] 汪旭光，等.爆破手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010：31-35.

[3] 王運敏.現(xiàn)代采礦手冊(上冊)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011：773-778.

[4] Ye Tuqiang.Field experiment for blasting crater[J].Journal of China University of Mining & Technology，2008，18(2)：224-228.

[5] 肖繼榮.球狀藥包漏斗爆破法[J].爆破器材，1983(4)：30-33.

[6] 孫忠銘，劉慶林，余斌，等.地下金屬礦山大直徑深孔采礦技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2014.

[7] 陳愛國.爆破漏斗試驗數(shù)據(jù)測定與計算機(jī)處理方法[J].長沙礦山研究院季刊，1988，8(3)：38-45.

[8] 孫永茂，王邦策.基于Dimine的爆破漏斗體積計算[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015(6)：208-209.

[9] 李曉暉，袁峰，張明明，等.基于Surpac的垂直斷面資源儲量估算方法研究與實現(xiàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2015，45(1)：156-165.

Study on blasting crater experimental methods for underground blasting

WU Chunping

(Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100160，China)

Blasting crater experiment is an efficient method to obtain blasting parameters.It is also an important basis of blasting design and operation.After developing for many years，C.W.Livingston law for blasting crater is a general guideline of blasting crater experiments.It is usually to drilling some vertical blasting holes in the level ground when blasting crater experiments are conducted.Then，the blasting crater experiments can be done with designing parameters.But the classical blasting crater experiments can not be carried out in underground blasting such as horizontal hole，up hole and Vertical Crater Retreat blasting，except for bench blasting.The blasting mentioned above are usually used in underground mines and tunnels.In order to provide functional blasting crater experimental methods for underground blasting，the basic principle of it was studied.Beyond，the types，procedure，measurement and analysis methods of underground blasting crater were also offered.The methods are beneficial for underground blasting.

blasting crater；underground blasting；blasting experiment；Vertical Crater Retreat blasting；C.W.Livingston law for blasting crater

2017-03-20 責(zé)任編輯：劉艷敏

“863”計劃主題項目“地下金屬礦智能采礦爆破技術(shù)與裝備”資助(編號：2011AA060405)

吳春平(1980-)，男，博士，E-mail：ahwucp@163.com。

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1004-4051(2017)07-0155-04