北河地下礦山大塊控制劈裂爆破技術(shù)研究

胡智航 寧玉瀅 翁勝軍 趙建宇 徐振洋

（1.遼寧科技大學礦業(yè)工程學院，遼寧鞍山114051；2.遼寧省金屬礦產(chǎn)資源高效采選與利用工程技術(shù)研究中心，遼寧鞍山114051；3.五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦，河北武安056300）

地下礦山現(xiàn)場遺留大塊二次破碎常用的方法有鉆爆法、機械破碎法以及裸露藥包處理法。鉆爆法以及機械破碎法受設(shè)備限制，處理效率較低，對設(shè)備的鉆頭磨損較嚴重。裸露藥包爆破時缺少外部約束導(dǎo)致能量擴散破壞巷道巖壁，近年來已明令禁止在地下礦山使用。相對于裸露裝藥，聚能爆破因其具有聚能罩結(jié)構(gòu)，可使爆炸產(chǎn)生的約90%沖擊波能量向聚能方向匯聚［1］，有著能量利用率高、安全性高的特點，同時也可以節(jié)約前期打孔及裝藥成本［2］。

現(xiàn)有研究表明，聚能射流的輸出質(zhì)量決定了大塊破碎效果，起爆方式的差異性影響射流的頭部速度以及巖石爆破裂紋分布［3］。DEB等［4］利用光滑粒子流體動力學（SPH）程序分析了巖石破碎過程中爆炸應(yīng)力波的傳播方式。徐振洋等［5］根據(jù)SPH程序分析了聚能射流的端部速度衰減規(guī)律，找出了有利炸高區(qū)間并研究了均質(zhì)柱體的裂紋形態(tài)破裂趨勢，但未對非均質(zhì)大塊的實際破碎應(yīng)用進行深入研究。陳壽峰等［6］對比分析了聚能裝藥與普通裝藥的巖石破碎效果，試驗表明，聚能爆破后破碎深度要比普通裝藥破碎深度提升一倍以上，但僅從破碎深度進行了研究，未能進一步分析聚能爆破對破碎塊度的影響規(guī)律。楊仁樹等［7］發(fā)現(xiàn)利用聚能切縫藥包可以快速實現(xiàn)孔內(nèi)硬巖掘進，減少爆炸能量對圍巖的損傷，形成良好的爆破斷裂面。李清等［8］、羅勇等［9］的研究同樣表明，利用聚能技術(shù)可以實現(xiàn)巖石定向斷裂爆破。上述研究多側(cè)重于孔內(nèi)斷裂、切縫藥包以及巖巷周邊控制爆破，對大塊表面進行控制劈裂的研究涉及較少，并且未對大塊二次破碎效果、形態(tài)變化進行分析。本研究進一步分析聚能爆破對大塊控制劈裂的作用效果，在保證大塊二次破碎的前提下，調(diào)整聚能裝藥中炸高和炸藥單耗參數(shù)，研究大塊破碎塊度分布及劈裂形態(tài)的變化趨勢，總結(jié)炸高、炸藥單耗對破碎塊度以及劈裂形態(tài)的影響規(guī)律。

1 工程概況

北洺河鐵礦位于河北省武安市上團城村西側(cè)8 km，隸屬于五礦邯邢礦業(yè)有限公司。隨著生產(chǎn)的進行，地下巷道內(nèi)遺留鐵礦石大塊偏多，據(jù)統(tǒng)計在6#、12#采場內(nèi)大塊率在5.9%～13.45%范圍內(nèi)波動，嚴重影響了出礦效率?，F(xiàn)階段利用液壓破碎機進行二次破碎工作，每年處理大塊的費用高達數(shù)十萬元。為研究聚能爆破對大塊二次破碎的效果，本研究在該礦-140 m水平巷道內(nèi)進行爆破試驗。

2 聚能劈裂原理

炸藥爆炸能量及產(chǎn)物通過金屬罩匯聚于中心軸線形成高應(yīng)力集中區(qū)域，迫使爆炸能量及產(chǎn)物向低應(yīng)力區(qū)域擴散。聚能爆破匯聚而成的能量可分為位能及動能，用能量密度E來代表其能量的集中程度，公式為［10］：

式中，ρ、k、p和u分別代表爆轟波陣面中密度、多方指數(shù)、壓力及質(zhì)點速度。

聚能罩的形狀決定了金屬射流以及侵徹部位的形態(tài)，如圖1所示，使用面對稱聚能罩對大塊二次破碎時，金屬射流作用于大塊表面時會萌發(fā)裂紋，爆轟產(chǎn)物沿裂紋方向持續(xù)侵徹形成高應(yīng)力集中區(qū)使裂紋加速破裂，由金屬罩匯聚形成穩(wěn)定的金屬射流有利于侵徹大塊［11］，提升炸高會使侵徹深度增強，在大塊內(nèi)部形成貫通裂紋，達到劈裂大塊的目的。爆轟波的傳播特性促進了金屬射流的形成，加快爆炸裂紋的擴展速率［12-13］，應(yīng)力集中分布規(guī)律影響著大塊劈裂擴展方向以及最終形態(tài)［14］。

3 聚能劈裂試驗設(shè)計

3.1 聚能管設(shè)計

聚能罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響著聚能射流的輸出質(zhì)量，是決定聚能效果優(yōu)劣性的重要因素［15-16］。試驗中為達到劈裂大塊的目的使用面對稱聚能罩，將壁厚4 mm、直徑200 mm、長度500 mm的PVC管作為聚能管裝藥外殼，提高聚能管制作以及使用的便捷性，外側(cè)鐵皮不僅能減少非聚能方向能量的傳播，還可對炸高參數(shù)進行調(diào)控。聚能罩常用單質(zhì)金屬材質(zhì)，厚壁聚能罩可以提高切割裂縫的最終長度［17］，因此選擇厚度為0.3 mm紫銅材料制作聚能罩，聚能管實體模型如圖2所示。

3.2 聚能裝藥參數(shù)

聚能裝藥參數(shù)中炸藥性能、楔形罩頂角及炸高的選取決定了聚能射流的輸出性能以及大塊的破壞形態(tài)［10］。試驗選用的炸藥爆速范圍為2～3 km/s的工業(yè)炸藥，使用低爆速炸藥可有效節(jié)約施工成本，降低爆炸能量對地下硐室、周邊機械的危害程度。楔形罩頂角較大時會提升侵徹裂口范圍，頂角較小時會使射流端部速度增加從而提升侵徹深度，用于礦山大塊破碎時，使用大角度楔形罩效果較好［10］，因此試驗聚能罩角度選用60°。設(shè)置合理的炸高可強化射流侵徹性能，炸高過大或過小都無法達到最佳侵徹效果，在有利的炸高范圍以最低的高度h作為有利炸高的界限，經(jīng)驗公式為［10］

式中，L為聚能罩母線長為8 cm；α為楔形罩半角30°。根據(jù)式（2）得出有利炸高h約為3 cm。

3.3 試驗方案設(shè)計

為研究炸高、單耗對金屬射流侵徹深度以及大塊劈裂形態(tài)的影響，根據(jù)經(jīng)驗公式設(shè)計3種炸高分別為0、1h、2h，對比3種炸高時大塊的侵徹深度、劈裂寬度，歸納出劈裂大塊時選取炸高的基本原則；同時設(shè)計兩種單耗分別對破碎塊度、破碎形態(tài)進行統(tǒng)計分析，驗證降低炸藥單耗的可行性。由于鐵礦石硬度偏高，因此初始設(shè)計藥量偏大。試驗選用體積接近的大塊，并且起爆方式、固定方式等條件完全相同，以確保試驗結(jié)果的準確性，6組試驗參數(shù)如表1所示。

3.4 試驗步驟

聚能管二次破碎大塊試驗步驟為：①將炸藥、炮泥裝填至聚能管內(nèi)，導(dǎo)爆管一端引入炸藥內(nèi)部，另一端從預(yù)留的孔洞處導(dǎo)出；②根據(jù)大塊表面節(jié)理裂隙走勢選取聚能管的擺放位置，將聚能罩的軸線方向?qū)蚀髩K表面節(jié)理裂隙，有利于金屬射流激活大塊內(nèi)部固有缺陷，裝置上部覆蓋炮泥、碎石等負重物起到約束作用；③將聚能管一端延伸出的導(dǎo)爆管全部并聯(lián)，一次起爆。相比于傳統(tǒng)的機械破碎大塊方式，利用聚能裝置可快速批量處理大塊，提高工作效率。

4 試驗結(jié)果分析與討論

4.1 大塊劈裂形態(tài)分析

6組大塊均滿足破碎要求，選擇其中典型的破碎形態(tài)進行分析，如圖3所示。5#試驗大塊均質(zhì)程度較高，此類大塊處理簡單。從圖中可以看出大塊二次破碎程度較高，碎塊以爆源為中心環(huán)向分布在3 m范圍內(nèi)，碎塊尺寸大小不等，巷道內(nèi)壁無明顯裂紋產(chǎn)生。

如圖4所示，聚能管貼合在大塊表面，即無炸高時聚能爆破產(chǎn)生的金屬射流未能匯聚成最佳狀態(tài)便侵徹在大塊表面，導(dǎo)致劈裂面張開位移距離較大，爆炸應(yīng)力波與經(jīng)過自由面所產(chǎn)生的反射拉伸應(yīng)力波相互作用形成徑向分岔現(xiàn)象［14］，主裂紋由侵徹處向礦石兩端開裂，徑向裂紋在礦石端部擴展得較為明顯，這是由于爆炸過程中，爆炸能量會隨機地驅(qū)使臨近低應(yīng)力區(qū)域內(nèi)的裂紋擴展，而聚能爆破可以有效地實現(xiàn)裂紋的定向擴展。當主裂紋擴展至礦石端部時，隨著能量的耗散聚能效應(yīng)逐漸減弱，無法繼續(xù)控制主裂紋的擴展方向，殘余的能量開始隨機向低應(yīng)力區(qū)域內(nèi)擴散，形成并促進徑向裂紋的擴展。對比大塊破碎前后效果可以發(fā)現(xiàn)，聚能劈裂范圍與聚能罩擺放位置有關(guān)，在一定程度上體現(xiàn)出實現(xiàn)大塊控制劈裂的可行性。

圖5所示為其余大塊破碎情況。根據(jù)6組試驗爆破塊度及分布形態(tài)發(fā)現(xiàn)，單耗較低時碎塊數(shù)量少、體積大，多呈現(xiàn)劈裂形態(tài)；隨著炸藥單耗的提升，小碎塊數(shù)量明顯增加，說明聚能爆破產(chǎn)生的金屬射流優(yōu)先用于聚能方向侵徹，當爆炸能量充足時，會迫使多余能量向臨近的低應(yīng)力區(qū)域擴展，促進低應(yīng)力區(qū)域內(nèi)裂紋的擴展以及新斷裂面的產(chǎn)生，使大塊破碎程度驟增。

4.2 炸高對爆破塊度的影響

地下礦山大塊尺寸由鏟斗容積以及破碎站入口界定，北洺河鐵礦大塊尺寸要求限制在800 mm×800 mm以內(nèi)，各個范圍內(nèi)碎塊占比也決定了爆破效果的優(yōu)劣。高應(yīng)力區(qū)域內(nèi)被激活裂紋的數(shù)量以及能量在傳遞過程中對低應(yīng)力區(qū)域中裂紋的激活程度決定了爆破碎塊尺寸，爆破塊度分布及尺寸是評價爆破效果的重要指標［18-19］。為降低現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)收集難度，簡化統(tǒng)計方法，將大塊破碎后的體積用碎塊尺寸、數(shù)量代替，以20、40、60、80 cm 4個尺寸為邊界統(tǒng)計分類，爆破試驗選用的各大塊之間存在一定距離，以保證試驗結(jié)果的準確性。

隨著炸高增加，金屬射流受拉應(yīng)力影響被逐漸拉長，大幅增強了射流侵徹深度［20］，進而導(dǎo)致大塊的破碎效果不同。工程爆破過程中，可利用各區(qū)間內(nèi)碎塊平均尺寸作為指標評價炸高變化對大塊破碎的影響效果。非均質(zhì)大塊爆破破碎后的塊體形態(tài)各異，將碎塊最長棱設(shè)為長度，統(tǒng)計了各區(qū)間內(nèi)碎塊平均尺寸，結(jié)果如表2所示。無炸高時，由于金屬射流未匯聚至最佳狀態(tài)，在礦石表面侵徹處射流作用范圍增大，導(dǎo)致在劈裂面張開過程中消耗過多的能量，產(chǎn)生大量的小碎塊，其余碎塊主要分布在大尺寸區(qū)間內(nèi)。對比1#與3#試驗結(jié)果，聚能管在加入炸高后，大尺寸區(qū)間內(nèi)碎塊平均尺寸降低了9.9%，3#碎塊主要分布在中尺寸區(qū)間內(nèi)，有利的炸高使中尺寸范圍內(nèi)兩區(qū)間碎塊平均尺寸分別提升了45.7%和30.8%。隨著炸高的提升，爆破塊度分布情況逐漸由大尺寸區(qū)間向中尺寸區(qū)間轉(zhuǎn)變。炸藥單耗在0.65～0.8 kg/m3范圍內(nèi)、同等炸高條件下，單耗的變化對碎塊平均尺寸影響程度較低，可見，有利的炸高與爆破塊度合理匹配是節(jié)能降耗的有效途徑。

4.3 控制劈裂技術(shù)評價

根據(jù)圖4中2#大塊所呈現(xiàn)的劈裂形態(tài)以及裂紋的擴展情況可發(fā)現(xiàn)，金屬射流在礦石表面侵徹處形成高應(yīng)力集中區(qū)域，在礦石破壞過程中，主裂紋沿射流侵徹方向迅速擴展，當聚能效應(yīng)衰弱后徑向裂紋才開始擴展，說明應(yīng)力集中可對裂紋的擴展方向起到控制作用。

如圖6所示，4#大塊上表面有凹陷部分，金屬射流沿軸線方向?qū)Π枷莶课怀掷m(xù)侵徹，可以發(fā)現(xiàn)碎塊交叉對稱分布，說明大塊自身結(jié)構(gòu)的特異性更有利于射流對破碎形態(tài)的控制，同時有利的炸高使礦石內(nèi)部裂紋激活數(shù)量驟增，使破碎程度提升，碎塊也由軸向分布向交叉分布轉(zhuǎn)變。聚能罩本身形狀也決定了金屬射流的形態(tài)，試驗選用面對稱聚能罩，大塊破碎后多呈現(xiàn)對稱分布，合理利用上述因素可有效控制大塊的破碎形態(tài)。

5 結(jié) 論

（1）聚能爆破產(chǎn)生的金屬射流大多用于聚能方向的侵徹，導(dǎo)致碎塊數(shù)量少、體積大，呈現(xiàn)出劈裂形態(tài)；隨著炸藥單耗的提升，后續(xù)爆炸能量持續(xù)補充，會迫使多余能量向臨近的低應(yīng)力區(qū)域擴展，促進低應(yīng)力區(qū)域內(nèi)裂紋的擴展以及新斷裂面的產(chǎn)生，大塊破碎程度提升，碎塊環(huán)向分布在爆源中心。

（2）對比無炸高時，有利的炸高使大塊爆破后60～80 cm分布區(qū)間內(nèi)平均塊度降低10%左右，爆破塊度主要分布在20～60 cm區(qū)間內(nèi)，平均塊度大幅增加。同等炸高條件下，炸藥單耗的小幅度變化對各分布區(qū)間內(nèi)平均塊度的影響程度較小。

（3）利用聚能爆破可有效地實現(xiàn)對大塊的控制劈裂，金屬射流的形態(tài)決定了碎塊的分布方式，隨著炸高的提升，大塊內(nèi)部裂紋被激活數(shù)量驟增使破碎程度提高，碎塊的分布方式由軸向?qū)ΨQ向交叉對稱轉(zhuǎn)變。