李小元,支偉,羅志華,史秀志,邱賢陽
(1.廣西中金嶺南礦業(yè)有限公司,廣西 來賓市 546100;2.中南大學(xué),湖南 長沙 410083)
VCR 爆破是以貫穿深孔進(jìn)行礦山開采的深孔破巖爆破工藝。在VCR 爆破開采過程中,由于孔內(nèi)堵塞長度與抵抗線之間不匹配,使得爆炸能量過多的浪費(fèi),容易出現(xiàn)塊度分布不均勻以及堵孔、沖孔等爆破危害,給礦山生產(chǎn)造成不必要的損失。國內(nèi)外對(duì)堵塞長度與抵抗線的研究較多,梁禹,任少峰等[1?2]采用LS-DYNA 軟件對(duì)不同堵塞長度進(jìn)行仿真模擬,通過有效應(yīng)力對(duì)比分析得出孔內(nèi)最佳堵塞長度;郝亞飛等[3]采用數(shù)值模擬的方式研究堵塞長度對(duì)爆破振動(dòng)的影響,分析振動(dòng)衰減規(guī)律,得出合理的堵塞長度;丁希平等[4]研究發(fā)現(xiàn),臺(tái)階爆破堵塞區(qū)有效應(yīng)力場隨堵塞長度的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減;姜永恒等[5]針對(duì)某金礦大塊率高的問題,運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)采場扇形孔進(jìn)行模擬,分析了巖體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的有效應(yīng)力峰值,確定中深孔爆破最優(yōu)抵抗線和孔底距;何闖等[6]研究發(fā)現(xiàn)爆破振動(dòng)受自由面與最小抵抗線共同影響;張智宇等[7]依據(jù)相似定律,進(jìn)行混凝土模型試驗(yàn)研究抵抗線對(duì)臺(tái)階爆破的影響,研究表明,爆堆的總質(zhì)量及最大塊度尺寸隨著抵抗線的增大而增大。但對(duì)兩者之間存在的內(nèi)在聯(lián)系的研究相對(duì)較少,基于此,本文通過牛頓第二定理和應(yīng)力波理論推導(dǎo)兩者之間的合理數(shù)值關(guān)系,并將研究成果運(yùn)用于現(xiàn)場試驗(yàn),以此得出堵塞長度與抵抗線之間的合理數(shù)值關(guān)系,為同類型采場提供理論指導(dǎo)。
在軸向間隔徑向不耦合裝藥下,孔壁在爆破過程中所受的初始沖擊荷載為:
式中,ρ0為炸藥密度,kg/m3;Dc為炸藥爆速,m/s;K不耦合系數(shù);n為反射沖擊波壓力增大系數(shù)。
根據(jù)Mises 屈服準(zhǔn)則,如果巖石壓力超過其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度,則巖石發(fā)生粉碎性破壞,形成粉碎區(qū)。巖石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度根據(jù)式(2)確定[4]:
式中,σc為巖石靜態(tài)抗壓強(qiáng)度,Pa;σcd為巖石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度,Pa;εc為粉碎區(qū)加載應(yīng)變率,取104s?1。
藥包起爆后,在炮孔孔壁周圍巖石形成粉碎區(qū),結(jié)合式(2)可得其粉碎圈半徑Rc為:
式中,λ為側(cè)壓系數(shù);μ為巖石泊松比;d為炮孔孔徑,m。
巖石破碎過程中,隨著堵塞物被壓實(shí),巖體粉碎圈形成,爆生氣體以準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用于炮孔孔壁。此時(shí)爆生氣體的狀態(tài)方程為:
式中,p為爆生氣體壓力,Pa;V為爆生氣體體積,m3;γ為絕熱指數(shù),一般取3。
爆生氣體膨脹體積增大主要由于堵塞物向孔外運(yùn)動(dòng),與爆生氣體進(jìn)入孔壁裂隙中,因其體積很小,可以忽略。結(jié)合式(4),孔壁壓力隨堵塞物位移的衰減規(guī)律為:
式中,pr為為孔壁的初始沖擊壓力,Pa;px為堵塞物位移x時(shí)的孔壁壓力,Pa;V0為粉碎圈形成后炮孔內(nèi)的體積,m3;Vx為堵塞物位移x時(shí)炮孔內(nèi)的體積,m3;D為粉碎圈直徑,m;d為炮孔直徑,m。
相關(guān)文獻(xiàn)將抵抗線定義為球狀藥包重心至自由面的垂直距離[8],本文為方便分析數(shù)據(jù),且與現(xiàn)場實(shí)際設(shè)計(jì)施工作業(yè)相匹配,因此將藥包底部至自由面的垂直距離視為抵抗線。
堵塞物雖是不連續(xù)松散體,但對(duì)于堵塞而言,研究的是堵塞物整體的變形和運(yùn)動(dòng),堵塞物密度均勻,且在堵塞過程中,堵塞物已經(jīng)被壓實(shí),因此可忽略堵塞物運(yùn)動(dòng)過程中的壓縮過程,反將其運(yùn)動(dòng)當(dāng)作剛體運(yùn)動(dòng),堵塞物示意見圖1,其爆破深度為L+L1,半徑為r,上端堵塞長度為L2,抵抗線為L1,堵塞物中應(yīng)力波傳播速度為C1P,孔內(nèi)爆生氣的壓力為p。
圖1 裝藥結(jié)構(gòu)示意
堵塞物向孔外運(yùn)動(dòng)時(shí),所受推力為:
所受自身重力為:
所受孔壁摩檫力為:
結(jié)合上述公式,可以求得堵塞物在孔內(nèi)的加速度為:
堵塞物沖出炮孔時(shí)間為:
當(dāng)堵塞物完全沖出炮孔時(shí),堵塞物運(yùn)動(dòng)長度為堵塞長度,因此有:
堵塞的作用是充分利用爆生氣體能量進(jìn)行巖石破碎,從而獲得較好的爆破效果,因此,為充分發(fā)揮堵塞物的封堵作用,應(yīng)該保證堵塞物不沖出孔口或堵塞物沖出孔口時(shí),巖石槽腔破碎剛好完成。根據(jù)爆炸力學(xué)與應(yīng)力波理論可知,巖體破碎所需要的時(shí)間td為:
式中,W為藥包重心到自由面的距離,m;Cp為巖石中縱波傳播速度,m/s。
炮孔堵塞需要滿足t=td,則:
以南方某鉛鋅礦深孔爆破采場為例,依照上式進(jìn)行理論計(jì)算。該采場炮孔直徑為110 mm,藥包直徑為90 mm,不耦合系數(shù)為1.22;堵塞物密度為1800 kg/m3,縱波波速為3600 m/s,炸藥爆速為4000 m/s,炸藥密度1250 kg/m3。分別取抵抗線為:0.8 m、0.9 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m,計(jì)算得出相應(yīng)堵塞長度分別為0.83 m、0.91 m、0.978 m、1.05 m、1.12 m。由表1 可知,堵塞長度與抵抗線之間的匹配關(guān)系為L2=(0.94~1.04)L1。
表1 堵塞長度與抵抗線數(shù)值關(guān)系
該理論推導(dǎo)是建立在會(huì)形成爆破漏斗的前提下,堵塞長度計(jì)算公式考慮的因素較少,且僅適用于雙向堵塞,在現(xiàn)場施工時(shí),會(huì)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,從上述理論可知,在有爆破漏斗出現(xiàn)的前提下,抵抗線越大,所需的堵塞長度也隨之增長,但當(dāng)?shù)挚咕€達(dá)到臨界值時(shí),自由面沒有出現(xiàn)爆破漏斗,則該理論就不適用。
3.1.1 采場概況
試驗(yàn)采場位于該礦?320 中段,采場較為破碎,巖石內(nèi)部含有褶曲。巖石內(nèi)小構(gòu)數(shù)量較多,且較破碎、滲水。
采場長度為46 m,寬為8 m,采場高度為30 m。布置4 排炮孔,排距為1.8~2.0 m,孔間距為2.2 m。炮孔直徑為110 mm。拉槽區(qū)列距為0.6~1.6 m,其他列距為2.0~2.2 m。采場拉槽區(qū)炮孔布置如圖2所示。
圖2 采場拉爆爆破示意
3.1.2 爆破試驗(yàn)方案
在試驗(yàn)采場拉槽區(qū)域進(jìn)行3 次爆破對(duì)比試驗(yàn),3 次爆破試驗(yàn)爆破范圍一致,爆破共計(jì)37 個(gè)炮孔。方案一(1.2~1.2)孔內(nèi)采用條形藥卷(藥卷尺寸:R=90 mm,L=670 mm),底部留抵抗線1.2 m,每層裝藥1 條,堵塞1.2 m 河砂;方案二(1.0~1.0)孔內(nèi)底部留抵抗線1.0 m,每層裝藥1 條,堵塞1.0 m 河砂;方案三(0.8~0.8)孔內(nèi)底部留抵抗線0.8 m;每層裝藥1 條,堵塞0.8 m 河砂??變?nèi)采用高精度微差導(dǎo)爆管雷管起爆,掏槽區(qū)域先起爆,邊幫孔后起爆。
圖3 為方案二的裝藥結(jié)構(gòu)示意圖,方案一和方案三現(xiàn)場裝藥結(jié)構(gòu)與方案二相似,均采用單層單條藥包進(jìn)行裝藥。
圖3 方案二裝藥結(jié)構(gòu)示意
由于是井下開采,需考慮炮煙問題,通常信息采集在爆破后隔天進(jìn)入采場進(jìn)行爆破效果拍照。因爆破開采順序是由上至下,所以在拍攝過程中,下部硐室爆破后頂板存在浮石,拍攝條件較差。而爆破對(duì)上部硐室影響相對(duì)較小。3 次爆破前后,上部硐室完好如初(見圖4),錨網(wǎng)沒有出現(xiàn)破壞,表明3 次爆破均沒有出現(xiàn)沖孔現(xiàn)象。同時(shí),由圖5 可知,方案一大塊較多,與模型試驗(yàn)塊度分布結(jié)果基本一致,方案二和方案三試驗(yàn)塊度適中,方案三相對(duì)方案二塊度較粉。
圖4 爆破后上部硐室示意
圖5 爆堆示意
早期礦山所設(shè)計(jì)的爆破裝藥抵抗線與堵塞長度數(shù)值上不匹配,導(dǎo)致出現(xiàn)大塊、粉礦、沖孔等現(xiàn)象,而3 個(gè)方案的現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明,當(dāng)堵塞長度等于抵抗線時(shí),能夠有效避免沖孔危害,0.8~0.8 與1.0~1.0 試驗(yàn)表明堵塞長度等于抵抗線時(shí),能夠有效解決采場爆破存在的塊度問題。1.2~1.2試驗(yàn)表明,爆堆塊度較大,但其爆破量大、炸藥單耗相對(duì)較小,適合井下黃鐵礦(廢石)開采。
(1)炮孔孔壁壓力衰減速度隨堵塞長度與抵抗線的增大而減小,提高堵塞長度、抵抗線能增加爆生氣體在炮孔內(nèi)作用時(shí)長;
(2)當(dāng)堵塞長度與抵抗線的關(guān)系為L2=(0.94~1.04)L1時(shí),能最大化利用爆炸能量,且不出現(xiàn)沖 孔-堵孔現(xiàn)象。同時(shí)現(xiàn)場試驗(yàn)表明,當(dāng)堵塞長度等于抵抗線時(shí),爆破效果最好,且沒有出現(xiàn)沖孔、堵孔危害。
(3)本次現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致,表明理論推導(dǎo)具有一定的科學(xué)性,能夠有效指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)。