張貴銀

(中國(guó)黃金集團(tuán)建設(shè)有限公司， 北京 100020)

地下礦山扇形中深孔爆破相似材料模擬試驗(yàn)利用和礦巖力學(xué)性能相近的材料，制作幾何形狀類(lèi)似的模型來(lái)模擬井下崩落礦巖，在相同的初始條件下，施加類(lèi)似的邊界約束進(jìn)行模擬試驗(yàn)[1]，通過(guò)監(jiān)測(cè)模型爆破效果，進(jìn)一步分析扇形中心孔爆破規(guī)律，為改善井下掘進(jìn)工藝、優(yōu)化開(kāi)采方法、研究回采順序提供了改進(jìn)途徑。采用相似材料模擬試驗(yàn)方法具有在試驗(yàn)理論不明、作用機(jī)理和作用參數(shù)復(fù)雜的情況下，探索在現(xiàn)實(shí)難以觀測(cè)、難以定量研究事項(xiàng)的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、應(yīng)力相似、動(dòng)力相似和外力相似等相似理論，建立地下礦山扇形中深孔爆破模型，在一定程度上全面反映礦巖爆破破壞過(guò)程和受力狀態(tài)，以期對(duì)井下爆破設(shè)計(jì)提供參考。

1 相似理論原理

根據(jù)Kuznetsov提出的相似理論，以各因素分析為試驗(yàn)手段建立相似材料試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑏?lái)分析多因素對(duì)礦巖爆破效果的影響規(guī)律?，F(xiàn)實(shí)建立的模型與礦山井下礦巖的相似程度及施加邊界條件決定了試驗(yàn)的成功與否。按照相似理論，一般要求建立的模型（Ⅱ）與井下礦巖狀態(tài)（Ⅰ）之間滿(mǎn)足以下 5個(gè)相似條件[2]：

（1）幾何相似：

（2）運(yùn)動(dòng)相似：

（3）應(yīng)力相似：

（4）動(dòng)力相似：

由式（4）可推出：

（5）外力相似：

式中，l為模型幾何尺寸，m；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；c為容重比值；F為動(dòng)量，（kg·m）/s；m為質(zhì)量，kg。

現(xiàn)實(shí)中建立的模型不僅要滿(mǎn)足上述5個(gè)相似條件，而且試驗(yàn)前模型所處位置還必須滿(mǎn)足與井下礦巖賦存狀態(tài)類(lèi)似的邊界條件。然而，在試驗(yàn)中要滿(mǎn)足所有的相似準(zhǔn)則是不可能的，也是沒(méi)有必要的。只要抓住物理過(guò)程的實(shí)質(zhì)，滿(mǎn)足其主要的相似準(zhǔn)則即可。結(jié)合井下采掘工程實(shí)際，模型滿(mǎn)足幾何相似、強(qiáng)度相似、應(yīng)力相似是最為主要的[3-4]。因此綜合考慮模型初始條件和邊界條件相似的前提下，模型建立及模型位置應(yīng)主要滿(mǎn)足幾何、強(qiáng)度及應(yīng)力相似“三準(zhǔn)則”。

2 室內(nèi)相似材料模擬試驗(yàn)

2.1 該礦中深孔爆破工藝問(wèn)題分析

某礦7-2#礦脈屬深部厚礦體，淺部采用淺孔落礦干式嗣后充填采礦法，因采礦效率低下和作業(yè)安全性較低，考慮將采礦方法改為中深孔無(wú)底柱分段崩落采礦法，可大幅提高采場(chǎng)作業(yè)的安全性和落礦效率，但也帶來(lái)落礦大塊率高等困擾[5]。由于該礦生產(chǎn)系統(tǒng)中缺少井下二次破碎硐室，而采用箕斗提升又要求礦巖的尺度小于箕斗入料口，即塊度小于0.35 m，因此塊度大于0.35 m的礦石塊體需要在采場(chǎng)進(jìn)行二次爆破[6]。二次爆破不僅炮煙污染采場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，而且對(duì)出礦效率影響較大，因此，降低采礦扇形中深孔爆破產(chǎn)生的大塊率，對(duì)采場(chǎng)凈化與產(chǎn)能提高意義重大[7]，故對(duì)該礦扇形中深孔爆破機(jī)理進(jìn)行相似材料模擬試驗(yàn)研究迫在眉睫。

2.2 相似材料模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù)礦巖不同的物理力學(xué)性質(zhì)，選擇不同水灰比的水泥砂漿試塊進(jìn)行扇形中深孔爆破試驗(yàn)。用P·O 42.5水泥、河砂，配制3種不同灰砂比砂漿（見(jiàn)表1），制作試件尺寸為97 cm×30 cm ×60 cm，養(yǎng)護(hù)14 d備用。用Φ5 mm鋼筋預(yù)留炮孔，炮孔底部間距約9.3 cm。共制作3組試件，每組2個(gè)，組內(nèi)設(shè)計(jì)爆破抵抗線為3 cm和7 cm。模擬試件幾何尺寸和炮孔布置如圖1所示。

表1 水泥砂漿模型配比參數(shù)

圖1 試件平面尺寸及炮孔布置

試件制作流程按照傳統(tǒng)的混凝土澆筑工藝進(jìn)行，首先將配制的砂漿倒入用木板制作的試件模具中，再用鏟刀振動(dòng)模具邊沿，當(dāng)模具中砂漿面高度達(dá)到設(shè)計(jì)炮孔平面位置時(shí)，用Φ5 mm的鋼筋按照設(shè)計(jì)炮孔平面位置擺放，然后繼續(xù)澆筑直至達(dá)到模型寬度。在室溫下灑水養(yǎng)護(hù)12 h后，抽出預(yù)埋的Φ 5 mm鋼筋，留下鋼筋孔作為炮孔，繼續(xù)灑水濕養(yǎng)護(hù)2周左右，方可搬動(dòng)并進(jìn)行相似材料模擬爆破試驗(yàn)。爆破后測(cè)量崩落體邊界并詳細(xì)記錄。

2.3 相似材料模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

本次共進(jìn)行3組6個(gè)試件的爆破試驗(yàn)，每次試驗(yàn)都將試件中的9個(gè)炮孔同時(shí)起爆。爆破試驗(yàn)效果如圖2所示，對(duì)應(yīng)的爆破數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

根據(jù)表2和圖2可知，在炮孔孔底間距為9.3 cm和不同炮孔抵抗線的條件下，組內(nèi)2個(gè)試件均從炮孔布置平面整齊崩落。并且不同炮孔抵抗線對(duì)斷面平整度影響較小。為了達(dá)到更好的爆破效果，進(jìn)一步控制爆破大塊率，模擬中選擇炮孔抵抗線為3 cm，此時(shí)炮孔密集系數(shù)m=9.3/3=3.1。在上述模擬試驗(yàn)條件下，炮孔密集系數(shù)m≤3.1的扇形中深孔同時(shí)起爆，可以達(dá)到在爆破后形成平整扇形面的目的。

表2 爆破試驗(yàn)結(jié)果

圖2 破后揭露的試件端部崩落狀態(tài)實(shí)景

將同一配比模擬試件的爆破邊界連接起來(lái)，形成如圖3所示爆破界線。由圖3可知，孔底部分（曲線①）在爆破后試件被破壞成塊體，在孔口部位（曲線②）形成隔墻。故在炮孔孔底間距為9.3 cm、設(shè)計(jì)9個(gè)炮孔同時(shí)起爆的特定條件下，有效爆破界線受炮孔抵抗線影響較大，且抵抗線越大，有效爆破范圍越小，所以在礦山生產(chǎn)中需要謹(jǐn)慎選擇炮孔抵抗線，以便取得良好的爆破效果。

圖3 不同抵抗線模型有效爆破界線對(duì)比

3 扇形中深孔爆破機(jī)理分析

制作的試件基本上可視為各項(xiàng)同性的塊體，爆破能量傳遞較為線性，可認(rèn)為當(dāng)炮孔間距大于抵抗線2倍時(shí)，相鄰炮孔爆破應(yīng)力波在達(dá)到自由面前，便會(huì)貫穿相鄰炮孔，故爆破破壞主要沿著設(shè)計(jì)扇形平面發(fā)展[8]。此外，根據(jù)組間、組內(nèi)不同設(shè)計(jì)抵抗線的爆破效果及有效爆破界線可知，隨著配比試件強(qiáng)度的增大，受抵抗線影響的爆破破碎范圍差異也越明顯?？梢?jiàn)，隨著試件強(qiáng)度的增大，爆破破壞方向?qū)ι刃闻诳椎挠行П品秶绊懺酱?，且在試?yàn)2、試驗(yàn)3和試驗(yàn)5中三個(gè)試件的爆破抵抗線同為3 cm時(shí)，爆破貫穿方向轉(zhuǎn)變存在滯后性，所以在扇形中深孔爆破中存在著破壞方向中的順勢(shì)效應(yīng)[9]，該效應(yīng)對(duì)爆破從初始向最終狀態(tài)轉(zhuǎn)變起到了延遲作用。在上述6個(gè)試件的爆破模擬試驗(yàn)中，在模擬炮孔孔口間距平均為1.0 cm、孔底間距為9.3 cm的限定條件內(nèi)，隨著抵抗線從3 cm增大至7 cm，爆破有效界線在縮小，但是隨3組試件強(qiáng)度變大，試件爆破破壞發(fā)展方向?qū)Ρ朴行Х秶绊懺絹?lái)越大。

根據(jù)圖3可知，試件（礦巖）的強(qiáng)度特性越弱，爆破效果越好，這說(shuō)明爆炸產(chǎn)生的能量主要用于扇形面的劈裂貫穿，存續(xù)能量不足以繼續(xù)破壞礦巖致使其充分破碎進(jìn)一步形成爆破大塊。爆破設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮礦巖性質(zhì)和其破壞方向，選取合適的炸藥以達(dá)到理想的爆破效果。因此，在礦山井下采用扇形中深孔爆破設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使炸藥長(zhǎng)度方向的引爆點(diǎn)處于有效爆破狀態(tài)，且同時(shí)起爆的炮孔最短間距應(yīng)大于設(shè)計(jì)抵抗線的2倍以上。

4 結(jié)論

通過(guò)扇形中深孔相似材料模擬試驗(yàn)和爆破機(jī)理分析，可得出以下3個(gè)結(jié)論。

（1）通過(guò)對(duì)相似理論進(jìn)行研究，提出了爆破相似材料模擬設(shè)計(jì)思路，在既定試驗(yàn)條件下，炮孔密集系數(shù)不大于3.1的扇形炮孔，可以達(dá)到在爆破后形成平整扇形面的目的。

（2）爆破效果受到扇形炮孔對(duì)礦巖破壞方向的限制，隨著試件強(qiáng)度的增大，破壞方向?qū)ι刃闻诳椎挠行П品秶绊懸苍酱?，在扇形中深孔爆破中存在著破壞方向中的順?shì)效應(yīng)。所以在設(shè)計(jì)扇形中深孔時(shí)，同時(shí)起爆的炮孔最短間距應(yīng)大于設(shè)計(jì)抵抗線的2倍以上。

（3）試驗(yàn)方案較好地適應(yīng)了該金礦采準(zhǔn)圍巖的可爆性，減輕了巷道支護(hù)與維護(hù)工作量，為無(wú)底柱分段崩落法的順利實(shí)施提供了技術(shù)保證。