鄧 琛，彭澤鋒，蔣志明，孫長坤，彭志華，鄧海軍

(1.長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院,長沙 410000;2.保山金廠河礦業(yè)有限公司,云南 保山 678000)

爆破漏斗理論及其試驗(yàn)作為確定炸藥品種和單耗的依據(jù)及選擇合理爆破參數(shù)的基礎(chǔ)，在爆破實(shí)踐中獲得廣泛應(yīng)用。試驗(yàn)中很關(guān)鍵的一部分內(nèi)容就是爆破漏斗體積的測量，傳統(tǒng)漏斗體積的測量方法主要包括體重法和辛卜生法，其中體重法存在測量勞動強(qiáng)度大且部分爆出礦巖因迸濺較遠(yuǎn)而無法測量到的缺點(diǎn)，而辛卜生法則存在著測量時人為主觀因素影響大且實(shí)際可操作性較差等不足[1-4]?，F(xiàn)針對以上不足利用基準(zhǔn)平面垂直斷面法測量爆破漏斗體積，并首次應(yīng)用隧道激光斷面儀，結(jié)合體積計(jì)算公式、3D Mine軟件建模分析處理數(shù)據(jù)。

1 基準(zhǔn)平面垂直斷面法基本原理

1.1 爆破漏斗試驗(yàn)理論

根據(jù)利文斯頓(C.W.Livingston)的爆破漏斗試驗(yàn)研究，爆破巖石所需的能量與炸藥本身性能、質(zhì)量及巖石特性密切相關(guān)。利文斯頓提出的彈性變形方程式：

(1)

或

(2)

式中：le為臨界埋深，m；E為彈性變形能系數(shù)；Q為炸藥質(zhì)量，kg；lj為最佳埋深，m；Δj為最佳埋深比(Δj=lj/le)，對于特定的巖石和炸藥，Δj為常數(shù)。

采用柱狀連續(xù)裝藥時，根據(jù)立方根比例定律有：

(3)

式中：W1和W2為爆破抵抗線，m；q1和q2為裝藥時單位長度炮孔裝藥量，kg/m。

1.2 爆破漏斗斷面積測量

BJSD-3型隧道激光斷面儀在實(shí)現(xiàn)隧道開挖斷面測量時，其數(shù)據(jù)處理軟件主要是以隧道設(shè)計(jì)斷面為依據(jù)判定隧道的超欠挖。用于爆破漏斗體積測量時，普遍采用爆破漏斗體積測量——基準(zhǔn)平面垂直斷面法(見圖1)。

圖1 基準(zhǔn)平面垂直斷面法Fig.1 Reference plane with vertical section measurement method

采用BJSD-3型隧道激光斷面儀測量爆前巷道輪廓線與爆后爆破漏斗輪廓線時，重點(diǎn)是沿巷道中線的頂板布置與試驗(yàn)炮孔正交的固定基準(zhǔn)點(diǎn)。固定基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)立由測量人員正確放點(diǎn)后，采用手電鉆鉆孔并打入膨脹螺釘加以固定。固定基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)布置于穩(wěn)固堅(jiān)實(shí)的整體巖石上，避免布置在浮石上造成測點(diǎn)損毀。

利用BJSD-3型隧道激光斷面儀在測量當(dāng)前斷面(中央基準(zhǔn)面)的基礎(chǔ)上可以測量前后方斷面的功能，可采用基準(zhǔn)平面垂直斷面法測量爆前巷道斷面與爆后爆破漏斗斷面，求得各對應(yīng)斷面爆前爆后的面積差后，即可按辛卜生法求得爆破漏斗體積。爆前爆后斷面測量主要程序?yàn)?/p>

①在各試驗(yàn)炮孔巷道頂板對應(yīng)固定基準(zhǔn)點(diǎn)上掛線吊錘，架設(shè)三腳架初步確定儀器中心位置，留下隧道激光斷面儀微調(diào)空間；

②儀器上架調(diào)平，測頭向上標(biāo)示激光點(diǎn)，微調(diào)機(jī)身對準(zhǔn)頂板固定基準(zhǔn)點(diǎn)后鎖定；

③儀器測頭調(diào)平照準(zhǔn)相鄰炮孔吊錘掛線，建立通過巷道中線的基準(zhǔn)平面后固定測盤鎖緊方位；

④儀器測頭回轉(zhuǎn)90°按設(shè)定測量角度與測點(diǎn)測角(一般為3°～5°，視儀器中心到炮孔孔口距離而定，測點(diǎn)間距相當(dāng)于20 cm)測量當(dāng)前斷面(中央基準(zhǔn)面)。

根據(jù)預(yù)測爆破漏斗半徑的大小，一般前方與后方斷面各測6～8個。在掌上電腦設(shè)定儀器測量斷面間距(±20 cm)，分別測量前方與后方斷面，完成試驗(yàn)炮孔爆前爆后斷面測量。

1.3 隧道激光斷面儀方位角設(shè)定

在CAD中繪制測點(diǎn)夾角關(guān)系(見圖2)，模擬測點(diǎn)機(jī)位與巷道位置關(guān)系，夾角為5°、6°時巷道壁相鄰激光掃描點(diǎn)間距分別為24.19、19.58 cm，為滿足按200 mm×200 mm網(wǎng)格測量要求，測量時選取隧道激光斷面儀相鄰激光夾角為5°。在機(jī)位為1.5 m(巷道高3 m)時，選取掃描角度范圍為50°～135°，激光掃描范圍可完全覆蓋爆破漏斗輪廓，同時在40 cm范圍內(nèi)上下移動機(jī)位，激光掃描范圍依然完全覆蓋漏斗輪廓，故掃描范圍選擇合理。

圖2 測點(diǎn)夾角關(guān)系Fig.2 Relations between measuring points with different angles

1.4 爆破漏斗體積計(jì)算

隧道激光斷面儀測量過程儀器可實(shí)時顯示所測斷面的形狀及測量數(shù)據(jù)，并可事后通過比較爆前、爆后面積求得面積差Si，按辛卜生法計(jì)算求得各漏斗體積V[5], 其函數(shù)關(guān)系如下所示。

(4)

式中：Si為漏斗各斷面面積，m2；i=1,2,……,n；B為測點(diǎn)間距，B=0.2 m。

2 多種爆破漏斗體積測量方法對比

在使用體積計(jì)算公式以及建立3D Mine三維模型計(jì)算模型體積的同時，采用傳統(tǒng)體重法測量體積[6]。

1)傳統(tǒng)體重法：此方法原理簡單，易于理解和接受。但由于過程中需要出渣稱重，直接產(chǎn)生高強(qiáng)度勞動量，耗費(fèi)大量人力和時間，效率低下。并且因試驗(yàn)過程中常出現(xiàn)爆渣飛濺過遠(yuǎn)、相鄰炮孔爆渣混合等現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)困難且試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度降低。常在分析塊度時采用此方法測量體積。

2)辛卜生法：方法原理簡單，計(jì)算復(fù)雜度一般，易于被人接受。但因試驗(yàn)過程中實(shí)際操作網(wǎng)格劃分困難、人為主觀因素較大，測量費(fèi)時、費(fèi)力，且往往精度不高。

3)基準(zhǔn)平面垂直斷面法：該法在巷道頂板布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，結(jié)合隧道激光斷面儀對爆破漏斗斷面進(jìn)行掃描測量，運(yùn)用3D Mine對爆破漏斗進(jìn)行實(shí)體建模計(jì)算體積，或用體積計(jì)算公式計(jì)算爆破漏斗。是一種具有操作獨(dú)立性強(qiáng)、精度高、勞動強(qiáng)度低、效率高、測量時間短等特點(diǎn)的爆破漏斗體積計(jì)算的一體化方法，比傳統(tǒng)體重法、辛卜生法等方法更具優(yōu)越性。目前在爆破漏斗試驗(yàn)中未見使用，值得推廣。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

開展爆破漏斗試驗(yàn)時，金廠河礦尚處于基建期，井下已形成開拓巷道，尚未進(jìn)入井下開采。需通過爆破漏斗試驗(yàn)推薦合理的鑿巖爆破參數(shù)，為礦山投產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

通過多次現(xiàn)場踏勘，于1 750 m水平15#采場底部切割巷道進(jìn)行系列爆破漏斗試驗(yàn)。其中1#～4#出礦進(jìn)路對應(yīng)區(qū)段礦體節(jié)理裂隙發(fā)育、較為破碎，而5#～9#出礦進(jìn)路對應(yīng)區(qū)段礦體致密堅(jiān)硬、塊狀構(gòu)造較完整。在兼顧考慮大直徑與中深孔爆破參數(shù)確定的前提下，鉆鑿φ110 mm與φ70 mm試驗(yàn)炮孔在該區(qū)段礦體內(nèi)開展爆破漏斗試驗(yàn)。以φ110 mm孔徑為主，取得基本爆破漏斗試驗(yàn)參數(shù)后，推薦大直徑與深孔爆破參數(shù)。

3.2 爆破漏斗體積測量

以單孔系列試驗(yàn)中的5#炮孔為例，實(shí)測孔深1.55 m，孔徑105 mm，乳化炸藥裝藥量為4.6 kg，藥包實(shí)際長徑比為5.26，可將其視為球狀藥包，符合采用Livingston爆破漏斗理論進(jìn)行試驗(yàn)的基本要求[7]。

裝藥起爆前后(見圖3)，根據(jù)頂板基準(zhǔn)點(diǎn)確定5#炮孔對應(yīng)隧道激光斷面儀機(jī)位，激光掃描測量并記錄儀器頭距頂板距離，爆前為1.75 m，爆后為1.79 m，儀器頭在z軸方向上高差值ΔH為0.04 m；完成當(dāng)前斷面(中央基準(zhǔn)面)測量后，根據(jù)預(yù)估爆破漏斗半徑分別測量爆破漏斗前、爆后方斷面各7個。所有斷面文件導(dǎo)入PC端后，將爆后斷面沿z軸方向平移高差值-0.04 m，使得爆前、爆后儀器頭位置重疊，爆前、爆后斷面差集即為爆破漏斗斷面面積。

圖3 5#炮孔爆前爆后對比Fig.3 Comparison of 5# blasthole before and after blasting

算得各斷面面積后按公式即可得到爆破漏斗體積。并將所有斷面導(dǎo)入3D Mine中實(shí)體填充以建立爆破漏斗模型(見圖4)，軟件計(jì)算生成漏斗體積。

圖4 5#炮孔斷面面積計(jì)算及3DMine模型Fig.4 Calculation of 5# blasthole section area and 3D Mine model

3.3 計(jì)算方法比較

采用3種方法，分別算得5#、9#、11#炮孔對應(yīng)爆破漏斗體積，并進(jìn)行分析比較，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 3種爆破漏斗體積計(jì)算方法結(jié)果對比

辛卜生法與基準(zhǔn)平面垂直斷面法的差值百分率小于5%。兩種計(jì)算方法均基于爆破漏斗剖面測量面積，辛卜生法是基于相鄰測量剖面面積按棱臺體進(jìn)行計(jì)算，而基準(zhǔn)平面垂直斷面法則將相鄰剖面之間按圓滑面進(jìn)行封閉后求得體積，其計(jì)算求得的爆破漏斗體積偏小，但在測量計(jì)算誤差允許范圍內(nèi)。因此，采用基準(zhǔn)平面垂直斷面法計(jì)算爆破漏斗體積是高效可行的數(shù)據(jù)處理方法，可大大降低辛卜生法的計(jì)算工作量，且基準(zhǔn)平面垂直斷面法采用3D Mine軟件所建立的爆破漏斗三維形態(tài)逼真直觀，利于后續(xù)研究分析。

對比基準(zhǔn)平面垂直斷面法與爆渣總量換算法計(jì)算結(jié)果可知：其體積差值百分率均大于5%。盡管井下爆破漏斗試驗(yàn)時采用隔孔爆破的形式，但每次爆破2～3個炮孔將不可避免孔間爆渣出現(xiàn)混雜，且有之前其他試驗(yàn)炮孔遺留爆渣以及找頂撬毛巖塊混入的影響。除此之外，采用礦石平均體重而非其實(shí)際體重進(jìn)行換算本身也造成一定的計(jì)算誤差。分析結(jié)果表明在井下爆破漏斗試驗(yàn)中采用爆渣總量換算法值得商榷。

4 結(jié)語

采用基準(zhǔn)平面垂直斷面法分析處理數(shù)據(jù)是一種高效、簡便、易行的爆破漏斗體積測量方法，適應(yīng)地下爆破漏斗試驗(yàn)的場地要求與試驗(yàn)精度要求。由于體重法體積差值百分率大于5%，除了有對爆后礦石塊度分析的需要，一般不建議采用爆渣總量換算法用于爆破漏斗體積的換算。