大梁礦業(yè)中深孔爆破參數(shù)優(yōu)化研究

李艷剛，馬鴻錄，郭元華

(四川會東大梁礦業(yè)有限公司， 四川 會東縣 615205)

0 引言

目前，爆破仍然是國內(nèi)外礦巖石最主要的破碎方式之一，被廣泛應(yīng)用于巷道和隧道掘進(jìn)、露天井下采礦以及水利水電工程當(dāng)中。爆破參數(shù)優(yōu)化在上述工程應(yīng)用中屬于必不可少的科研方向，可以說只要提及“爆破”二字，必然會聯(lián)想到參數(shù)優(yōu)化這個話題，只有不斷試驗(yàn)，不斷優(yōu)化，才能取得更加良好的爆破效果。具體需要優(yōu)化的參數(shù)主要由炮孔直徑（Φ）、長度（L）、孔距（a）、排距（W）以及裝藥結(jié)構(gòu)和炮孔數(shù)量等組成。爆破震動、炸藥單耗（q）、爆破成本、被爆礦巖石的大塊率等指標(biāo)的優(yōu)良程度與所選參數(shù)和被爆體的匹配程度息息相關(guān)[1-8]。1950年代由C.W.Livingston提出的爆破漏斗相關(guān)知識和系列試驗(yàn)，恰好可以當(dāng)做研究爆破參數(shù)的一項(xiàng)手段，其適用于井下和井上爆破，可為礦山安全、低成本采礦提供保障[9-10]。

1 工程概況

四川會東大梁礦業(yè)西部厚大礦體現(xiàn)用無底柱分段崩落法采礦，采場中段60 m，分段12 m，鑿巖進(jìn)路間距9 m。崩落法采礦法的原理在于采礦后運(yùn)用礦巖自身的不穩(wěn)定因素或者是通過人工干涉的手段把礦體四周的毛石崩落下來，以此來填充采空區(qū)，從而達(dá)到治理地壓的目的。目前爆破參數(shù)W為 1.5 m，a為 1.7±0.2 m，q為0.5 kg/t～0.6 kg/t，與礦巖實(shí)際情況不匹配，導(dǎo)致每排炮孔數(shù)量約為12～13個，炸藥單耗高、爆破震動大、爆破效果差。隨著原礦品位的逐漸降低，如果仍沿用原來的參數(shù)，勢必會降低礦山經(jīng)濟(jì)效益。因此，為探尋與西部礦體巖性匹配度高的優(yōu)良鑿爆參數(shù)以及適宜單次崩落的炮孔排數(shù)，形成西部礦體成套中深孔回采工藝，亟需開展爆破漏斗試驗(yàn)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，選擇在具有代表性的2004 m水平西部19～21線之間的10#鑿巖進(jìn)路中開展單孔不同段別爆破試驗(yàn)、多孔不同間距同段別爆破漏斗試驗(yàn)、多角度炮孔爆破的斜臺階試驗(yàn)，以期獲得大梁礦業(yè)中深孔的鑿爆參數(shù)。

2 爆破漏斗試驗(yàn)

西部礦體采場內(nèi)使用Φ60 mm的鉆頭鉆鑿出直徑約 65 mm的中深孔。為了順利開展試驗(yàn)，選擇YT-27氣腿式鑿巖機(jī)配合 Φ40 mm的鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)，鑿出的炮孔直徑為42 mm。由于第1次在10#鑿巖巷道內(nèi)施工的1’～9’炮孔間距相隔太近，爆破后出現(xiàn)漏斗串通現(xiàn)象，只能重新施工炮孔，并將孔間距增大至2 m，總共施工了27個孔，其孔號分別為 1’～9’和 1?！?8＃。為了爆破后更容易區(qū)分爆下礦石堆，設(shè)計 1?！?8?？撞捎靡粶\一深的穿插式布置，孔深依次為：0.4 m，0.6 m，0.45 m，0.7 m，0.5 m，0.8 m，0.55 m，0.9 m，0.65 m循環(huán)2組，共有 18個炮孔。為了后期統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，鑿巖地點(diǎn)選擇在巷道幫壁較為工整、沒有大斷層的位置，且鑿巖時應(yīng)控制鉆桿與巷道側(cè)幫垂直。完成單孔不同段別爆破試驗(yàn)后，開展鑿巖深度一樣的多孔不同間距同段別爆破漏斗試驗(yàn)，同樣是2組炮孔，每組9個，鑿巖要求與單孔爆破一樣。炮孔深度由前期單孔試驗(yàn)得出的藥包最佳埋深決定，相鄰孔之間的距離設(shè)計為單孔爆破后得出的最佳漏斗半徑的1.5倍、1.75倍、2倍、2.25倍、2.5倍以及2.75倍。多角度炮孔爆破試驗(yàn)設(shè)置炮孔與巷道走向水平夾角為40°、45°、50°和55°，共4組，每組炮孔數(shù)均為1個，深1.8 m。

2.1 單漏斗試驗(yàn)

單孔不同段別爆破試驗(yàn)鉆鑿 1#～18#孔，共計18個，爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。由表1可以看出，試驗(yàn)情況下的大梁礦業(yè)2004 m水平19～21線西部巖體的臨界埋深為0.9 m，則可根據(jù)公式（1）求出應(yīng)變能系數(shù)：

計算結(jié)果表明西部礦體在使用改性銨油炸藥情況時的可爆破性能一般。爆破后產(chǎn)生的漏斗體積（V）及其半徑（R）與藥包中心的埋置深度（l）為非線性關(guān)系，以最小二乘法原理為基礎(chǔ)，使用數(shù)據(jù)分析軟件 Matlab對爆破后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，即可得出以下關(guān)系：

另外，將擬合出的3次多項(xiàng)式用曲線圖表示，見圖1～圖2，爆破后產(chǎn)生的大塊率（T）和l之間的關(guān)系曲線見圖3。

試驗(yàn)表明，單個炮孔爆破后產(chǎn)生的最大漏斗體積最為理想，此時大塊率并不高，且爆下的礦巖石塊度規(guī)格比較勻稱，炸藥爆破性能發(fā)揮最好，藥包在該條件下的埋置深度最為理想。分析圖 1～圖 3可知，2004 m水平19～21線之間10#鑿巖進(jìn)路內(nèi)的藥包最優(yōu)埋置深度約為0.48 m，爆下礦巖石中大于300 mm的塊度占比為29.45%，藥包中心的埋置深度比例為 0.56，漏斗半徑為 0.61 m，漏斗體積為0.101 m3。

圖1 試驗(yàn)條件下V—l特征曲線

圖2 試驗(yàn)條件下R—l特征曲線

圖3 試驗(yàn)條件下T—l特征曲線

2.2 多孔同段漏斗試驗(yàn)

多孔不同間距同段別爆破漏斗試驗(yàn)地點(diǎn)依然選擇在2004 m水平19～21線之間的10#鑿巖進(jìn)路內(nèi)進(jìn)行。該項(xiàng)試驗(yàn)設(shè)計2組炮孔，共計14個，試驗(yàn)時的各項(xiàng)條件均以前期單漏斗爆破得出的最優(yōu)參數(shù)為準(zhǔn)。所有炮孔使用相同段別的雷管同時起爆，爆破后統(tǒng)計各炮孔產(chǎn)生的漏斗體積大小以及漏斗形狀，以照片的形式記錄漏斗輪廓，導(dǎo)入 CAD中描出其輪廓，見圖 4，各項(xiàng)爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 2所示。

分析表2中的數(shù)據(jù)得出，當(dāng)炮孔間距小時，炸藥起爆后產(chǎn)生的爆轟波會互相重疊，爆破效果較好，炮孔間一般是不會留有未爆破的原巖，但當(dāng)炮孔間距逐漸增大時，爆轟能量互相重疊起來的程度會逐漸降低，炮孔間漸漸出現(xiàn)未爆破的原巖，當(dāng)孔間距超過某個臨界值時，爆破后兩孔之間的溝槽就不復(fù)存在，但會出現(xiàn)三角原巖，最后形成單獨(dú)的漏斗。綜上，大梁礦業(yè)2004 m水平西部礦體多孔不同間距同段別爆破漏斗試驗(yàn)炮孔距離宜為1.1 m～1.2 m，q為 0.42 kg/t～0.43 kg/t。

表1 單孔不同段別爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 多孔同段爆破炮孔布置與爆破效果

表2 多孔同段爆破試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計

2.3 斜臺階試驗(yàn)

在大梁礦業(yè)2004 m水平西部19～21線之間的10#鑿巖進(jìn)路內(nèi)鉆鑿4個直徑為Φ42 mm的斜孔，開展多角度炮孔爆破斜臺階試驗(yàn)。炮孔內(nèi)裝人工加工的Φ37 mm卷裝藥，堵塞孔口后，采用孔底起爆方式爆破。爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3。

表3 2004 m水平斜面臺階爆破試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場爆破后發(fā)現(xiàn)，爆下礦石塊度較為勻稱，幾乎沒大塊，效果比較理想。因此，試驗(yàn)條件下大梁礦業(yè)2004 m水平西部礦體最佳的w取0.82 m，此時每米炮孔中的裝藥量是0.879 kg。

3 中深孔爆破參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)前述的試驗(yàn)，在扇形深孔爆破條件下爆破參數(shù)存在相似規(guī)律，如式（4）所示：

式中，Lx、Lb為代表a、w等各項(xiàng)鑿巖參數(shù)，m；qx、qb為代表實(shí)際爆破時和漏斗試驗(yàn)時炮孔中每米裝藥量，kg/m。

爆破參數(shù)的線性參數(shù)與線裝藥密度的平方根成正比，因此可以在前期試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)之上，通過公式（4）計算獲得最佳炮孔排距a和孔底距w。

3.1 實(shí)際生產(chǎn)爆破時炮孔排距和孔底距計算

四川會東大梁礦業(yè)西部礦體采用無底柱分段崩落法采礦，在鑿巖進(jìn)路內(nèi)鉆鑿上向扇形中深孔，爆破的排距則是最小抵抗線。根據(jù)多角度炮孔爆破斜臺階試驗(yàn)，在礦體內(nèi)打Φ42 mm的孔，使用Φ37 mm的卷裝炸藥連續(xù)裝入炮孔，每米炮孔中裝藥量為0.879 kg，孔內(nèi)炸藥密度為0.818 t/m3。a最佳為1.1 m～1.2 m，孔底起爆時，w的平均值達(dá)到0.82 m。

現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用時，采用改性銨油炸藥，Φ65 mm的孔每米炮孔裝藥量為 2.83 kg，孔內(nèi)炸藥密度為0.853 t/m3。

將大梁礦業(yè)井下試驗(yàn)參數(shù)以及實(shí)際生產(chǎn)中采用改性銨油炸藥的每米裝藥量代入公式（4）計算，得到實(shí)際生產(chǎn)爆破時的a和w，見表4。

表4 實(shí)際生產(chǎn)爆破時的炮孔裝藥量和炮孔排距

3.2 中深孔爆破最佳參數(shù)推薦

選擇的試驗(yàn)巷道中幫壁巖石在前期掘進(jìn)爆破過程中受到了振動影響，存在一些裂隙，另外現(xiàn)場正式采礦時的巖石和試驗(yàn)巷道內(nèi)的巖石可能也會有些不同，因此推薦大梁礦業(yè)西部礦體的各項(xiàng)鑿爆參數(shù)還需在試驗(yàn)結(jié)果上調(diào)整。由于炮孔孔徑增加，導(dǎo)致炸藥在礦體內(nèi)集中分布，可能對爆破效果產(chǎn)生不良影響。寬孔距、小抗線的炮孔布置形式能夠使爆破能量均勻分布，故本次試驗(yàn)研究推薦的爆破參數(shù)為：當(dāng)炮孔孔徑為65 mm時，炮孔排距為1.4 m～1.6 m，炮孔孔底距為2.0 m～2.2 m，炸藥單耗為0.42 kg/t～0.45 kg/t。

利用試驗(yàn)得出的爆破參數(shù)是一個范圍值，實(shí)際生產(chǎn)過程中，要根據(jù)具體采場作業(yè)條件、礦石巖性等因素對爆破參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，以達(dá)到最佳爆破效果。

4 結(jié)論

（1） 以破漏斗理論為基礎(chǔ)，在大梁礦業(yè)2004 m水平西部19～21線之間的10#鑿巖進(jìn)路中開展爆破漏斗試驗(yàn)，利用相似原理對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出了適合大梁礦業(yè)西部礦巖體中深孔爆破的a、w及q。

（2）通過研究得出，使用改性銨油炸藥時，在炮孔直徑Φ65 mm情況下與大梁礦業(yè)西部礦體相匹配的鑿爆參數(shù)為：a為2.0 m～2.2 m，w為1.4 m～1.6 m，q為 0.42 kg/t～0.45 kg/t。

（3）考慮到現(xiàn)場試驗(yàn)位置與實(shí)際生產(chǎn)時的礦巖體可能不同，因此試驗(yàn)得出的各項(xiàng)參數(shù)還需要在下一步的現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)中進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。