基于爆破漏斗試驗(yàn)的VCR一次成井爆破實(shí)踐

胡桂英 鄭文強(qiáng)

(宏大爆破有限公司巴基斯坦塔爾煤田項(xiàng)目部)

某大型礦山由原來的地下開采轉(zhuǎn)為露天開采，先前長時(shí)間地下開采遺留了許多規(guī)模大、錯(cuò)綜復(fù)雜的地下空區(qū)，成為目前礦山生產(chǎn)的重大安全隱患，影響著臺(tái)階工作面人員和設(shè)備設(shè)施的安全。在空區(qū)頂板厚度能滿足穩(wěn)定性要求前，如何安全有效地治理采空區(qū)，避免采空區(qū)坍塌造成危害是礦山企業(yè)必須解決的技術(shù)難題。經(jīng)過研究決定，擬采用VCR爆破形成充填天井，用廢石充填采空區(qū)。

對(duì)于VCR一次成井爆破技術(shù)而言，選擇與巖石性質(zhì)與炸藥特性相匹配的孔網(wǎng)參數(shù)是爆破成功的關(guān)鍵，而爆破漏斗試驗(yàn)是確定其參數(shù)的基本方法[1]。美國礦業(yè)學(xué)院的C.W.Livingston通過一系列的爆破漏斗試驗(yàn)，并基于能量平衡理論，于上世紀(jì)50年代，提出了爆破漏斗理論[2]。在同種巖石條件下，根據(jù)C.W.Livingston爆破漏斗理論確定應(yīng)變能系數(shù)、最佳埋深、最佳孔距等參數(shù)，再根據(jù)立方根比例定律，計(jì)算爆破漏斗試驗(yàn)參數(shù)，從而得到實(shí)際爆破參數(shù)。

目前，爆破漏斗試驗(yàn)在巖石爆破參數(shù)的確定中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得良好的應(yīng)用效果[3-12]。本文借鑒已有的研究，在該礦區(qū)進(jìn)行爆破漏斗試驗(yàn)，為VCR一次成井爆破參數(shù)確定提供依據(jù)，并最終實(shí)施成井工程。

1 爆破漏斗試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)

C.W.Livingston爆破漏斗理論是學(xué)習(xí)研究爆破現(xiàn)象的重要理論，主要是爆破產(chǎn)生的能量使需要的巖體破壞。爆破漏斗試驗(yàn)的主要方法是保持炸藥包的重量不變，通過改變炸藥的埋深確定爆破后的漏斗體積。地表巖石恰好發(fā)生破壞并產(chǎn)生隆起，炸藥包的埋深稱為臨界埋深。臨界深度與裝藥量之間的關(guān)系為

Le=EQ1/3，

(1)

式中,Q為裝藥量，kg；Le為是臨界埋深，m；E為應(yīng)變能系數(shù)，m/kg1/3,當(dāng)炸藥和巖石性能一定時(shí)，應(yīng)變能系數(shù)E是一個(gè)常數(shù)。

最佳埋深與裝藥量的關(guān)系為

La=Δ0EQ1/3,

(2)

式中,Δ0為最佳埋深比，即最佳埋深與臨界埋深的比值；La為最佳埋深，m；其他符號(hào)意義同前。

根據(jù)C.W.Livingston彈性應(yīng)變方程的演變過程，同一巖性，相同性質(zhì)炸藥，大直徑和小直徑之間的相似關(guān)系為

La/Lb=(Qa/Qb)1/3，

(3)

ra/rb=(Qa/Qb)1/3，

(4)

式中，Qa為爆破漏斗試驗(yàn)的裝藥量，kg；Qb為實(shí)際工程的裝藥量，kg；La為爆破漏斗試驗(yàn)的最佳埋深，m；Lb為實(shí)際工程的最佳埋深，m；ra為爆破漏斗試驗(yàn)的漏斗半徑，m；rb為實(shí)際工程的漏斗半徑，m。

2 爆破漏斗現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 鉆孔參數(shù)

首先采用鏟車清理臺(tái)階工作面浮渣，保證平整，為了保證相鄰爆破漏斗之間不受影響，根據(jù)國內(nèi)類似礦山的試驗(yàn)結(jié)果，炮孔垂直自由面布置，采用潛孔鉆機(jī)鉆鑿φ140 mm炮孔，鉆孔深度為100～200 mm，共20個(gè)炮孔，相鄰炮孔間距為1.5 m。測(cè)量儀器采用3 m鋼圈尺。爆破前在臺(tái)階面畫好100 mm×100 mm網(wǎng)格。

2.2 裝藥爆破

基于鉆孔的質(zhì)量，選取19個(gè)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。采用礦山現(xiàn)行使用的2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm，長200 mm，質(zhì)量為200 g/卷，每個(gè)炮孔試驗(yàn)裝藥量為3 kg。對(duì)個(gè)別較深的炮孔，裝藥前用炮泥做一定調(diào)整。炸藥裝入炮孔后，用炮棍壓實(shí)，并量取埋深值，再在孔口堵塞巖粉，并搗鼓密實(shí)。采用非電毫秒雷管起爆孔內(nèi)導(dǎo)爆索起爆系統(tǒng)。

2.3 爆破漏斗試驗(yàn)結(jié)果及分析

爆破后，在地表出現(xiàn)爆破漏斗，通過人工開挖，形成了一個(gè)一定直徑和深度的爆坑。用卷尺測(cè)量出各爆破漏斗的爆破深度，按辛卜生法求出各個(gè)爆破漏斗斷面面積si，爆破漏斗體積V計(jì)算公式為[11]

(5)

式中，V為爆破漏斗的體積，m3；B為測(cè)點(diǎn)之間距離，m；si為爆破漏斗的各斷面面積，m2。

經(jīng)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，19個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)成功爆破漏斗有14個(gè)，其他5個(gè)由于埋深過大，未爆破成功。各炮孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果見表1。

由表1可知，當(dāng)炸藥埋深為1.91 m時(shí)，地面剛剛鼓包隆起，確定該礦區(qū)在2#巖石乳化炸藥爆破作用下的臨界埋深Le為1.91 m，根據(jù)式(1)，計(jì)算出的應(yīng)變能系數(shù)E為1.32 m/kg1/3。利用回歸分析對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出爆破漏斗體積與炸藥埋深的特征曲線,見圖1。

當(dāng)爆破漏斗體積最大時(shí)，炸藥的埋深為最佳埋深，此時(shí)爆破炸藥單耗最小。由圖1可以看出，當(dāng)炸藥裝藥量為3 kg時(shí)，炸藥最佳埋深為1.07 m，根據(jù)式(2)可以計(jì)算出最佳埋深比為0.56。在最佳埋深時(shí)，爆破漏斗半徑由下式計(jì)算：

(6)

式中,V0為爆破漏斗的最大體積，m3；Lc為炸藥裝藥長度，m；r0為爆破漏斗半徑，m；其他符號(hào)意義同前。

爆破漏斗最大體積為2.1 m3，可以算出爆破漏斗半徑r0= 1.32 m。

表1 單孔爆破漏斗試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

圖1 爆破漏斗體積與炸藥埋深的特征曲線

3 工程應(yīng)用

礦區(qū)以矽卡巖型礦巖為主，其巖體致密且堅(jiān)硬，硬度系數(shù)為14～16，巖體松散系數(shù)約1.5，巖層穩(wěn)固性好，能滿足一次爆破成井試驗(yàn)的要求。試驗(yàn)地點(diǎn)空區(qū)位于1 352 m水平以下32 m，根據(jù)空區(qū)掃描分析，該采空區(qū)長36.9 m，寬24.2 m，高12 m。

根據(jù)礦區(qū)現(xiàn)有鑿巖設(shè)備，選用牙輪鉆機(jī)鉆φ250 mm 炮孔。根據(jù)單孔爆破漏斗試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及利文斯頓彈性應(yīng)變方程的演變過程，確定分層高度為3 m，炮孔間距為2 m。參照國內(nèi)外VCR 爆破效果，藥包長徑比確定為4。分層裝藥長度為1 m，分層裝藥量為54 kg。為減少巖石的夾制性，采用圓形布孔方式，內(nèi)外布置2層炮孔，設(shè)計(jì)天井?dāng)嗝鏋?.8 m×6.8 m。炮孔布置見圖2。

圖2 炮孔布置

爆破采用2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為90 mm，質(zhì)量為3 kg/卷，共設(shè)置9個(gè)爆破分層，分層間微差時(shí)間確定為200 ms。爆破時(shí)充分利用上下2個(gè)自由面，其中，第8分層為2個(gè)裝藥層，起爆順序?yàn)榈?分層→第2分層→第3分層→第4分層→第5分層→第6分層→第7分層和第9分層→第8分層(2層藥柱同時(shí)起爆)。裝藥結(jié)構(gòu)見圖3。

主要消耗材料為2#巖石乳化炸藥、澳瑞凱導(dǎo)爆管雷管、鐵絲、導(dǎo)爆索等，見表2。

爆破后形成了一個(gè)通達(dá)采空區(qū)的天井，井壁光滑，達(dá)到了預(yù)期的效果，說明本次現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)成功。爆破后的成井效果見圖4。

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)

?90mm乳化炸藥/kg澳瑞凱數(shù)碼雷管/發(fā)起爆器/發(fā)數(shù)碼雷管起爆器材/套膠帶/卷7000168144210編織袋/個(gè)測(cè)繩/根細(xì)鐵絲/m鉗子/把炮泥/袋5035002若干

注：編織袋為堵塞、裝藥用，測(cè)繩為50 m規(guī)格。

圖4 爆破后的成井效果

4 結(jié) 語

(1)由爆破漏斗試驗(yàn)得出裝藥量為3kg時(shí)，臨界埋深為1.91 m，最佳埋深為1.07 m，爆破漏斗最大體積為2.1 m3，漏斗半徑為1.32 m。

(2)根據(jù)相似定理，爆破漏斗試驗(yàn)獲得的參數(shù)結(jié)合礦山實(shí)際，推算出VCR一次成井爆破參數(shù)為分層高度3 m，炮孔間距2 m，分層裝藥長度1 m，分層裝藥量54 kg。

(3)將利文斯頓爆破漏斗理論運(yùn)用于一次成井爆破參數(shù)確定中，通過在成井附近進(jìn)行一系列爆破漏斗試驗(yàn)，最后確定了VCR一次成井爆破的參數(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)一次成井爆破，取得了良好的效果。

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