董二虎 郭連軍(遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

在露天臺(tái)階松動(dòng)爆破和臺(tái)階邊幫預(yù)裂爆破中，根據(jù)礦山三級(jí)儲(chǔ)量和礦山設(shè)計(jì)年生產(chǎn)量，選擇1種或2種類(lèi)型牙輪鉆機(jī)進(jìn)行多臺(tái)階爆破鉆孔布置作業(yè)。大孤山鐵礦到2017年1月份，1#鉆機(jī)到8#鉆機(jī)開(kāi)采水平由+48 m延伸至-319 m標(biāo)高，開(kāi)采縱深超過(guò)300 m，現(xiàn)有9臺(tái)已編號(hào)鉆機(jī)進(jìn)行露天臺(tái)階松動(dòng)爆破和臺(tái)階邊幫預(yù)裂爆破鉆孔作業(yè)。大礦爆破現(xiàn)場(chǎng)采準(zhǔn)參數(shù)：①臺(tái)階松動(dòng)爆破和邊幫預(yù)裂爆破炮孔直徑為250 mm；②臺(tái)階高度12 m，超深2.5～3.5 m；③不同臺(tái)階或相同臺(tái)階不同位置炮孔中水深度在0～15 m。爆破前多次測(cè)量炮孔發(fā)現(xiàn)水深度取值范圍在0～11 m，不同巖種不同水環(huán)境下炮孔孔底有不同深度的高品味磁鐵礦炮泥或混合巖巖碴；④炮孔深度測(cè)量時(shí)，一種方法是加配重的測(cè)繩，另一種是利用測(cè)桿。

露天金屬礦山尤其是深凹露天采坑，水對(duì)鑿巖爆破工作影響不可忽視。露天礦山生產(chǎn)能力比地采大得多，采準(zhǔn)切割和備采臺(tái)階多、鑿巖爆破工作量大、炸藥消耗量大。牙輪鉆布孔作業(yè)時(shí)炮孔反水影響鉆孔效率，水炮孔裝藥遇到炸藥密度與水密度相近時(shí)水量會(huì)影響炸藥沉降速度，相同巖種相同炸藥單耗時(shí)水孔和干孔的爆破效果也有所區(qū)別。露天采坑水的來(lái)源有自然降水降雪、地表匯水流入采坑和地下水滲入臺(tái)階，主要取決于區(qū)域性氣候條件和礦區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件。所以露天臺(tái)階擠壓松動(dòng)爆破、臺(tái)階臨時(shí)或最終境界邊幫預(yù)裂爆破前，準(zhǔn)確的炮孔水環(huán)境數(shù)據(jù)對(duì)裝藥工作尤為重要。

大孤山鐵礦為鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司主要礦山，臺(tái)階高度12 m，超深2～3.5 m。2017年1—2月，隨同該礦爆破經(jīng)理現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得知:3個(gè)礦山臺(tái)階松動(dòng)爆破炮孔深度在12～16 m，孔深加上超深以15.5 m為主，孔徑為250 mm。爆破裝藥工作前都要進(jìn)行炮孔驗(yàn)收審查工作，目的為裝藥提供準(zhǔn)確的炮孔狀態(tài)數(shù)據(jù)。而孔深測(cè)量面臨以下問(wèn)題和特點(diǎn)：①如何在孔口位置準(zhǔn)確快速獲得每個(gè)中深孔深度數(shù)據(jù)；②如何在孔口位置獲知孔網(wǎng)中每個(gè)炮孔含水與否以及水柱高度數(shù)據(jù)；③如果露天臺(tái)階炮孔含泥碴含水，裝藥炸藥陷入泥碴的深度是多少？

牙輪鉆布孔作業(yè)72 h后臺(tái)階采場(chǎng)開(kāi)始爆破裝藥工作。鉆孔72 h后炮孔水密度和孔底泥碴趨于穩(wěn)定，水對(duì)泥碴溶解量已趨于穩(wěn)定，孔底泥碴沉淀堆積穩(wěn)定，水與空氣界面和水泥碴界面歷歷可辨。

本文描述設(shè)計(jì)的流量尺結(jié)構(gòu)組成，闡述了操作及其測(cè)量原理。在露天臺(tái)階爆破中炮孔含泥碴含水時(shí)將炮孔深度、炮孔含水高度、空氣柱高度和孔底泥碴深度一次性在炮孔外流量尺上可讀出，可以統(tǒng)一收集炮孔水量數(shù)據(jù)。

1 流量尺結(jié)構(gòu)

1.1 要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

主要結(jié)構(gòu)：由刻度外管、法蘭、電磁流量管、封閉頭、轉(zhuǎn)換器、讀數(shù)端6部分組成。如圖1、圖2所示。

圖1 電磁流量管結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure model of electromagnetic flow tube1—?jiǎng)?lì)磁線圈；2—測(cè)量?jī)?nèi)管；3—電極；4—感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E

圖2 流量尺結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure model of flow calibration tube5—刻度外管和讀數(shù)端；6—電纜；7—法蘭或疊層連接；8—傳感器盒子；9—封閉頭；10—法蘭；11—刻度外管；12—外殼；13—連接螺紋；14—內(nèi)管截面；15—轉(zhuǎn)換器；16—電磁流量管；17—翻板進(jìn)水口

各結(jié)構(gòu)名稱(chēng)說(shuō)明如下。

1—?jiǎng)?lì)磁線圈：一般電磁流量管采用交變磁場(chǎng)，采用50 Hz工頻電源激勵(lì)產(chǎn)生。2—測(cè)量?jī)?nèi)管：被測(cè)導(dǎo)電性液體流動(dòng)通道，為了使勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁力線通過(guò)測(cè)量導(dǎo)管時(shí)磁通量被分流或短路，測(cè)量?jī)?nèi)管材料必須選用不導(dǎo)磁、低導(dǎo)電率、低導(dǎo)熱率且有一定機(jī)械強(qiáng)度的管料制成，一般用不導(dǎo)磁的不銹鋼、鋁、玻璃鋼、高強(qiáng)度塑料。3—電極：接收的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)與液體流速成正比，用非導(dǎo)磁的不銹鋼制備電極，與測(cè)量?jī)?nèi)管襯里平齊安裝在管道的直徑方向，保證測(cè)量?jī)?nèi)管壁面水力光滑。4—直徑D方向上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。5—刻度外管和讀數(shù)端：外管是具有一定強(qiáng)度帶有刻度的保護(hù)套管(封閉頭讀數(shù)為0，讀數(shù)端讀數(shù)為深度H)，采用導(dǎo)磁系數(shù)高的鐵磁材料，保護(hù)測(cè)量?jī)?nèi)管不被外部電磁場(chǎng)和環(huán)境所影響，讀數(shù)端保證內(nèi)管聯(lián)通大氣。6—屏蔽信號(hào)電纜：傳輸感應(yīng)電壓信號(hào)。7—法蘭或疊層連接：可以連接測(cè)量?jī)?nèi)管，使流量尺長(zhǎng)度滿(mǎn)足不同炮孔深度要求，適用于不同臺(tái)階高度，有利于運(yùn)送和組裝工作；另一種是連接傳感器流量管。選擇法蘭或疊層連接點(diǎn)焊技術(shù)聯(lián)結(jié)，法蘭接縫盡量少，保證連接處水力光滑、接縫處制作要緊密，盡量杜絕氣隙。8—傳感器盒子：傳輸電極感應(yīng)的電壓信號(hào)。9—封閉頭：封閉頭是空心倒圓錐形帶有過(guò)濾網(wǎng)的進(jìn)水結(jié)構(gòu)，當(dāng)流量尺直徑遠(yuǎn)小于炮孔直徑時(shí)，對(duì)流量尺施加壓力可測(cè)得水炮孔孔深H值(封閉頭到達(dá)泥碴最底部時(shí)刻度尺的讀數(shù)值)。10—法蘭：兩片法蘭盤(pán)之間加上密封墊，然后均勻分布螺栓緊固。11—刻度外管：外管采用導(dǎo)磁系數(shù)高的屏蔽材料，保護(hù)電磁流量管不被電磁場(chǎng)所影響。12、14—外殼和內(nèi)管截面。13—連接螺紋。15—轉(zhuǎn)換器：采用高性能微處理器，LCD顯示，參數(shù)設(shè)定可靠，編程方便。16—電磁流量管：內(nèi)裝有積算器，可計(jì)算正向總量，并具有電流、脈沖多種輸出方式。17—翻板進(jìn)水口：圓形翻板要求有一定厚度，邊緣卡有2層橡膠圈(當(dāng)翻板扣入進(jìn)水口橡膠圈可以起到密封水流的作用)。

1.2 結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

如圖1所示，分體式電磁流量管屬于電磁流量計(jì)的一種變形。傳感器流量管接入測(cè)量?jī)?nèi)管，轉(zhuǎn)換器位于讀數(shù)端，兩者由雙芯屏蔽信號(hào)電纜連接。轉(zhuǎn)換器可遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境，使電子部件調(diào)整、檢查和參數(shù)設(shè)定比較方便。外管磁導(dǎo)率比空氣大得多，屏蔽要求較高時(shí)，還可以采用多層屏蔽。

傳感器電磁流量管主要結(jié)構(gòu)部分：測(cè)量管、電極、勵(lì)磁線圈、鐵芯與殼體。主要用于測(cè)量?jī)?nèi)管中的導(dǎo)電液體和漿液中的體積流量(如水、污水、礦漿、各種酸堿鹽溶液、漿液)。適于露天臺(tái)階孔內(nèi)環(huán)境復(fù)雜直接觀測(cè)困難的條件。管長(zhǎng)與直徑之比至少應(yīng)為4∶1。以免端接效應(yīng)和磁力線穿透屏蔽體范圍。

傳感器電磁流量管的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。在電磁流量管中，測(cè)量?jī)?nèi)管的導(dǎo)電介質(zhì)相當(dāng)于法拉第試驗(yàn)中的導(dǎo)電桿，上下兩端兩個(gè)電磁線圈產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。當(dāng)有導(dǎo)電介質(zhì)流過(guò)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。產(chǎn)生的感應(yīng)電壓由管道內(nèi)兩側(cè)2個(gè)電極測(cè)量。測(cè)量?jī)?nèi)管通過(guò)不導(dǎo)電的內(nèi)襯(橡膠，特氟隆)實(shí)現(xiàn)與流體和測(cè)量電極的電磁隔離。

液體流動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)較弱，作業(yè)環(huán)境中的干擾因素對(duì)其影響大。讀數(shù)端轉(zhuǎn)換器的作用就是將感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)抑制主要干擾信號(hào)。其任務(wù)是把電極檢測(cè)感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)放大轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)。

2 操作及測(cè)量原理

測(cè)量原理如圖3、圖4所示。

圖3 炮孔空氣柱高度測(cè)量Fig.3 Height measurement of air column in holes18—?dú)庖悍纸缑妫?9—固液分界面以及流量尺位置

圖4 水孔深度及水柱高度測(cè)量Fig.4 Depth of bubble-hole and the height of water column20—刻度外管與測(cè)量?jī)?nèi)管之間的空腔

流量尺封閉頭進(jìn)入水面前保證進(jìn)水翻板處于打開(kāi)狀態(tài)，圓形翻板重心應(yīng)與形心不重合，使其在空氣和水柱中依靠重力維持打開(kāi)狀態(tài)。流量尺自然沉降到水面以下，轉(zhuǎn)換器開(kāi)始顯示累計(jì)流量(乘以直徑系數(shù)d等于炮孔水量q，乘以截面系數(shù)r等于水柱高度h)，直至受到炮孔底部水碴面反作用力f處于圖3所示位置(測(cè)量15 m干孔時(shí)流量尺封閉頭未全部陷入泥碴)，則有：孔口刻度尺讀數(shù)H1-水柱高度h=空氣柱高度L。人為施加給流量尺鉆進(jìn)泥碴的力F，則封閉頭進(jìn)水翻板受泥碴反作用力封閉進(jìn)水口，當(dāng)流量尺不再下降則孔口刻度H為水炮孔深度值，同時(shí)記錄泥碴深度l=H-H1。

將流量尺放入待測(cè)量水炮孔，測(cè)量原理及過(guò)程如下。

3 力學(xué)分析

設(shè)空氣壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1.013 25×105Pa)，g=9.8 N/kg，水的密度ρ=1.1×103kg/m3。刻度外管內(nèi)徑N與測(cè)量?jī)?nèi)管直徑D為可供選擇的已知參數(shù)，流量尺自重力記為G。設(shè)封閉頭受到的泥碴反作用力f與炸藥沉底后受到的反作用力相等，炸藥密度記為ρ1。計(jì)算數(shù)據(jù)說(shuō)明：孔深取15.5 m，最大水深h=15 m，炮孔直徑φ=0.25 m，取外管內(nèi)徑N=0.05 m、內(nèi)管直徑D=0.04 m，單孔裝藥質(zhì)量M=450 kg，重銨油密度ρ1在1.16～1.2 g/cm3，選取均值ρ1=1.18 g/cm3進(jìn)行計(jì)算。數(shù)據(jù)來(lái)源于大孤山鐵礦臺(tái)階爆破，單位采用國(guó)際單位制。得到以下公式：

；

(1)

w=8 466.59h(N2-D2)≤114.30，G=120 N；

(2)

(3)

W+f=Mg，F(xiàn)+G=w+f，

F=8 466.59h(N2-D2)+

?178.98 N≤F≤293.28 N；

(4)

式中，d為直徑系數(shù)；r為截面系數(shù)；w為流量尺所受到水的浮力，N；ρ為水的密度，1.1×103kg/m3；G為流量尺自身的重力，N；V為炮孔中下降深度H處的瞬時(shí)速度，m/s；F為進(jìn)入泥碴所需要施加的額外壓力，N；f為泥碴的反作用力，N；W為炸藥沉底后受到水的浮力，N；M為炮孔裝藥總質(zhì)量，kg。

不同測(cè)量?jī)?nèi)管直徑D下流量尺流量測(cè)量范圍如表1所示。

由式(1)確定直徑系數(shù)d、截面系數(shù)r。由式(3)確定流量尺下落瞬時(shí)速度V(V≤10 m/s)，15 m炮孔可放入1/3長(zhǎng)度再丟入炮孔中測(cè)量，如果臺(tái)階爆破水炮孔居多，可以調(diào)整N、D值后直接丟入炮孔進(jìn)行測(cè)量，深孔測(cè)量也可采取其他緩沖措施后測(cè)量。露天臺(tái)階爆破將炸藥沉降的極限深度作為孔深測(cè)量值時(shí)，可參考式(4)計(jì)算炮孔中流量尺自由下落后還需施加的外部壓力F值。

表1 流量范圍Table 1 Flow measurement range

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果

露天臺(tái)階擠壓爆破和臺(tái)階預(yù)裂爆破深孔內(nèi)部水環(huán)境復(fù)雜、觀測(cè)困難。從大孤山鐵礦現(xiàn)場(chǎng)取泥碴樣品，實(shí)驗(yàn)室模擬炮孔內(nèi)溫度規(guī)律，將水和泥碴按比例混合、靜置72 h后測(cè)定水溶解度和水密度與現(xiàn)場(chǎng)爆破前測(cè)定結(jié)果基本相同。測(cè)量拍照記錄,如圖5、圖6所示。

圖5 高品位磁鐵礦現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)Fig.5 Site measurement test of high grade magnetite.

圖6 片麻狀混合巖現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)Fig.6 Site measurement test of gneissic migmatite

試驗(yàn)驗(yàn)證片麻狀混合巖或高品位磁鐵礦礦巖泥碴在鉆孔水環(huán)境中混合成懸浮狀水泥漿，經(jīng)過(guò)鉆孔作業(yè)至臺(tái)階爆破之間的72 h沉淀。如圖5(a)、圖5(b)或圖6(e)、圖6(f)所示，鉆孔內(nèi)礦物巖碴幾乎不溶解于水，水漿的密度與同溫度下水的密度基本相等，孔內(nèi)水清澈透明，水與泥碴分界面清晰可見(jiàn)，水炮孔孔底泥碴松散系數(shù)并不比干孔泥碴松散系數(shù)小。驗(yàn)證了炮孔水碴環(huán)境能夠滿(mǎn)足流量尺封閉頭進(jìn)水翻板及時(shí)封閉，進(jìn)行有效測(cè)量的要求。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)快速準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)之間可互相驗(yàn)證。

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)

在大孤山鐵礦對(duì)28個(gè)炮孔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)。其中11個(gè)炮孔為-198 m臺(tái)階1周前打的預(yù)裂孔，5個(gè)為靠近-198 m臺(tái)階坡頂線的炮孔，3個(gè)為處理上臺(tái)階根底的邊角孔。在臺(tái)階以7.5 m×7 m的網(wǎng)絡(luò)選取9#牙輪鉆新布的9個(gè)炮孔?，F(xiàn)將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理如表2所示。

表2 大孤山鐵礦-198 m臺(tái)階測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement results of -198 m steps in Dagushan Iron Mine

注：巖種為片麻狀混合巖和高品位磁鐵礦，室外溫度為22.3 ℃；臺(tái)階邊孔為臺(tái)階爆破靠幫炮孔，臺(tái)階中央指臺(tái)階爆破中心孔。測(cè)量時(shí)間：2017年5月24日。

根據(jù)表2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到了帶數(shù)據(jù)標(biāo)記的折線圖(從略)。分析每個(gè)炮孔5種測(cè)量結(jié)果的分布情況。從數(shù)據(jù)分布總體上來(lái)看，孔內(nèi)空氣柱高度和含水深度變化幅度很大，即使同一臺(tái)階炮孔水深變化范圍也在0～12 m，同一臺(tái)階水炮孔多分布在臺(tái)階中間靠近預(yù)裂孔位置。而新鉆取的連續(xù)炮孔測(cè)量中，炮孔深度、水溫度和泥碴厚度數(shù)值變化幅度較小，折線圖趨于穩(wěn)定，炮孔水量分布比較集中。

6 結(jié) 論

(1)露天臺(tái)階松動(dòng)爆破和露天臺(tái)階預(yù)裂爆破中深孔環(huán)境復(fù)雜，孔內(nèi)情況難以直接觀測(cè)。含水炮孔會(huì)影響牙輪鉆鉆孔效率，臺(tái)階爆破裝藥遇到水炮孔會(huì)影響炸藥沉降速度，炮孔內(nèi)泥碴使得炸藥位置難以確認(rèn)，陷入泥碴的重銨油炸藥性能會(huì)有所改變(比如拒爆現(xiàn)象)，現(xiàn)場(chǎng)裝藥時(shí)甚至將已經(jīng)鉆好的炮孔用干碴進(jìn)行回填吸水。

(2)介紹了流量尺結(jié)構(gòu)組成和操作原理。作為一種新型的露天礦山炮孔測(cè)量技術(shù)，其操作簡(jiǎn)單，測(cè)量數(shù)據(jù)誤差較小，材料來(lái)源廣泛。為臺(tái)階爆破前裝藥提供準(zhǔn)確的炮孔狀態(tài)參數(shù)。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和試驗(yàn)論證，說(shuō)明了混合巖和磁鐵礦礦巖在水中溶解度極小，炮孔中水泥漿在沉淀72 h后密度接近同溫度下水的密度。水炮孔礦巖泥碴也可以比干孔泥碴堆積穩(wěn)定，在水壓力與水浮力雙重作用其下密度可以大于干孔泥碴。

(4)露天臺(tái)階現(xiàn)場(chǎng)孔深測(cè)量時(shí)選用的測(cè)繩并沒(méi)有精確的分度值，放繩和收繩操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，測(cè)繩無(wú)法精確讀取水深和泥碴高度，測(cè)繩測(cè)量的歷史數(shù)據(jù)孔深變化并不大，所以誤差較大。流量尺相比于測(cè)繩等更能適應(yīng)復(fù)雜的炮孔測(cè)量條件。

(5)根據(jù)文中提出流量尺的4個(gè)力學(xué)公式，可控制和計(jì)算流量尺自由下落的過(guò)程。通過(guò)這些公式也可模擬不同質(zhì)量的炸藥在水炮孔中的下落深度，以炸藥沉降位置作為孔深測(cè)量的一種新的參考。因?yàn)闇y(cè)量環(huán)境的特殊性，越深炮孔的測(cè)量對(duì)流量尺的流量范圍、封閉頭的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)表面的耐磨性要求更高，不同礦山不同測(cè)量環(huán)境對(duì)流量尺的尺寸要求也不相同。

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