炮孔傾角對拋擲爆破效果的影響分析*

周 宇，段應(yīng)明

(1.神華準(zhǔn)能集團(tuán)公司黑岱溝露天煤礦，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 010300;2.玉溪礦業(yè)有限公司，云南 玉溪 653405)

0 引言

20世紀(jì)60年代初，高臺階拋擲爆破技術(shù)開始運(yùn)用于美國McCoy Coal礦；20世紀(jì)80年代初，美澳等國逐步完善了該技術(shù)。在國內(nèi)，黑岱溝煤礦最早運(yùn)用吊斗鏟配合拋擲爆破技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)[1-2]，2003年該礦進(jìn)行了拋擲爆破-拉斗鏟無運(yùn)輸?shù)苟鸭夹g(shù)改造[3-7]，2007年實(shí)施了第一次拋擲爆破。拋擲爆破技術(shù)經(jīng)過不斷的改進(jìn)[8-9]，已比較成熟，其可將34%的爆破巖體直接拋擲至采空區(qū)，加快了生產(chǎn)進(jìn)度，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。但是拋擲爆破目前仍存在有效拋擲率偏低、爆堆沉降高度小、爆堆形狀差、爆破塊度不均勻、沖炮等一系列問題，仍需對孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥參數(shù)、延期時(shí)間、炮孔傾角等影響因素進(jìn)行優(yōu)化研究[10-13]。

有專家指出[14]，利用傾斜炮孔可提高拋擲量和拋擲距離，并能將40%～60%的覆蓋物拋到采空區(qū)，破碎和拋擲效果較好。本文以黑岱溝露天煤礦為工程背景，考查了炮孔傾角對拋擲爆破效果的影響，以獲得最佳炮孔傾角，為露天礦山爆破設(shè)計(jì)提供參考。

1 拋擲爆破基本參數(shù)

拋擲爆堆剖面如圖1所示。圖1中，拋擲距離L表示拋射點(diǎn)至拋落點(diǎn)的水平距離，偏移距離L偏移表示傾斜炮孔相對于垂直炮孔的傾斜偏移量，有效拋擲距離L有效=L-L偏移。有效拋擲率Ep表示直接拋至采空區(qū)無需倒堆的拋擲量體積與爆堆總體積的比值，即VⅠ/(VⅠ+VⅡ+VⅢ)。

采用高速攝影儀和微型雷達(dá)測得該礦拋擲爆破前排主拋擲孔拋射最大速度為30 m/s，中后排松動(dòng)孔拋射最大速度為10 m/s(見圖2)。

圖2 拋擲爆破主拋擲孔拋射最大速度

實(shí)測平均有效拋擲距離為110 m，平均沉降高度為15 m(見圖3)。

圖3 拋擲爆堆范圍

2 拋擲爆破參數(shù)理論分析

拋擲巖石進(jìn)入拋物運(yùn)動(dòng)階段后，其有效拋擲距離越遠(yuǎn)，則有效拋擲率和爆堆沉降越大，影響有效拋擲距離的因素有拋擲初始速度、位置和方向。根據(jù)最小抵抗線原理，藥包爆炸時(shí)，爆破作用首先沿著最小抵抗線即每排炮孔的法線方向使巖(土)產(chǎn)生破壞、隆起、鼓包或拋擲[15]。

拋擲初始速度與爆破參數(shù)、裝藥參數(shù)、巖石性質(zhì)有關(guān)，拋擲初始位置和方向與炮孔傾斜角度有關(guān)[16-17]。保持爆破參數(shù)、裝藥參數(shù)、巖石性質(zhì)等因素不變，即拋擲初始速度不變，計(jì)算分析炮孔傾斜角度對拋物運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律。

2.1 45°炮孔拋物運(yùn)動(dòng)計(jì)算分析

45°炮孔拋擲爆堆剖面如圖4所示。

圖4 45°炮孔拋擲爆堆剖面示意圖

自由落體的瞬時(shí)速度計(jì)算公式為v=gt，位移的計(jì)算公式為

(1)

式中：△s為距離增量；g為重力加速度，計(jì)算時(shí)取10 m/s2；t為物體下落的時(shí)間。

由圖4可知，前排巖石拋擲初始速度為30 m/s，則垂直分速度V2v=21.21 m/s，水平分速度V2h=21.21 m/s；拋物運(yùn)動(dòng)時(shí)間t=6.280 s，拋擲距離L=133.20 m，有效拋擲距離L有效=96.74 m；中后排巖石拋擲初始速度為10 m/s，則垂直分速度V1v=7.07 m/s，水平分速度V1h=7.07 m/s；t=2.577 s，L=18.22 m，L有效=16.78 m。

2.2 65°炮孔拋物運(yùn)動(dòng)計(jì)算分析

65°炮孔拋擲爆堆剖面如圖5所示。

圖5 65°炮孔拋擲爆堆剖面示意圖

由圖5可知，前排巖體拋射初始速度為30 m/s，拋擲距離為126.74 m，有效拋擲距離為110.42 m；中后排巖石拋射初始速度為10 m/s，拋擲距離為20 m，有效拋擲距離為3.68 m。

2.3 70°炮孔拋物運(yùn)動(dòng)計(jì)算分析

70°炮孔拋擲爆堆剖面如圖6所示。

圖6 70°炮孔拋擲爆堆剖面示意圖

由圖6可知，前排巖石拋射初始速度為30 m/s，拋擲距離為122.86 m，有效拋擲距離為110.12 m；中后排巖石拋射初始速度為10 m/s，拋擲距離為19.74 m，有效拋擲距離為7 m。

2.4 75°炮孔拋物運(yùn)動(dòng)計(jì)算分析

75°炮孔拋擲爆堆剖面如圖7所示。

圖7 75°炮孔拋擲爆堆剖面示意圖

由圖7可知，前排巖石拋射初始速度為30 m/s，拋擲距離為117.82 m，有效拋擲距離為108.44 m；中后排巖石拋射初始速度為10 m/s，拋擲距離為19.42 m，有效拋擲距離為10.04 m。

2.5 拋擲距離、有效拋擲距離與炮孔傾角的關(guān)系

前排巖石拋擲距離和有效拋擲距離隨炮孔傾角的變化關(guān)系如圖8所示。由圖8可知：前排巖石拋擲距離隨炮孔傾角的增大而減??；有效拋擲距離隨炮孔傾角的增大先增大后減小，炮孔傾角為65°～70°時(shí)，有效拋擲距離最大。

(a)拋擲距離 (b)有效拋擲距離

中后排巖石拋擲距離和有效拋擲距離隨炮孔傾角的變化關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，中后排巖石拋擲距離隨炮孔傾角的增大先增大后減小，有效拋擲距離隨炮孔傾角的增大而增大。

(a)拋擲距離 (b)有效拋擲距離

綜上可知，炮孔傾角對拋擲效果的影響分析應(yīng)從巖體拋射初始速度、拋射角度、拋射初始位置、垂直落高等方面入手。前3排主拋擲區(qū)炮孔傾角為65°～75°時(shí)，有利于提高拋擲率。中后排松動(dòng)區(qū)炮孔傾角為75°時(shí)，有利于增加爆堆沉降，改善爆堆形狀。

3 炮孔傾角設(shè)計(jì)

為兼顧爆破效果和邊坡穩(wěn)定，根據(jù)上述分析結(jié)果，拋擲炮孔傾角采用組合設(shè)計(jì)方案，即A排孔傾角為65°，B排孔傾角為70°，C-H排孔傾角均為75°，I排孔傾角為70°，J-Y排孔傾角均為65°，具體設(shè)計(jì)方案闡述如下。

3.1 炮孔傾角為65°的常規(guī)拋擲爆破設(shè)計(jì)

炮區(qū)寬85 m，孔距12 m，12排拋擲炮孔加1排預(yù)裂炮孔共13排炮孔，從前往后依次為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、Y排，排距依次為7、7、7、7、7、7、7、7、7、6、6、6、4 m。采用逐孔微差爆破，孔間延期9 ms，排間延期依次為330、330、280、280、220、220、220、220、220、180、180 ms。穿孔角度均為65°，抵抗線均為6.34 m。A排充填7 m，B-J排均充填6 m，K、L排均充填8 m。炮孔傾角65°時(shí)的爆破設(shè)計(jì)方案如圖10所示。

圖10 炮孔傾角為65°時(shí)的爆破設(shè)計(jì)方案

3.2 炮孔傾角為65°～75°的組合拋擲爆破設(shè)計(jì)

炮區(qū)寬85 m，孔距12 m，12排拋擲炮孔加1排預(yù)裂炮孔共13排炮孔，從前往后依次為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、Y排，排距依次為7、6、6、7、7、7、7、7、7、7、6.5、6.5、4 m。采用逐孔微差爆破，孔間延期9 ms，排間延期依次為330、330、280、280、220、220、220、220、220、180、180 ms。A排孔傾角為65°，B排孔傾角為70°，C-H排孔傾角均為75°，I排孔傾角為70°，J-Y排孔傾角均為65°。B排抵抗線頂部5.64 m，底部9.15 m，平均7.4 m；C排抵抗線頂部5.8 m，底部9.25 m，平均7.5 m；其余75°的正常排抵抗線均為6.76 m。A排充填7 m，B-J排充填6.5 m，K、L排充填8 m。炮孔傾角為65°～75°時(shí)的組合拋擲爆破設(shè)計(jì)方案如圖11所示。

圖11 炮孔傾角為65°～75°時(shí)的組合拋擲爆破設(shè)計(jì)方案

圖12為炮孔傾角為65°～75°時(shí)的組合拋擲爆破設(shè)計(jì)方案的調(diào)整圖，根據(jù)圖中炮孔孔底分布計(jì)算相應(yīng)的炮孔負(fù)擔(dān)面積。

由圖12可知：傾角65°時(shí)正常炮孔底部負(fù)擔(dān)面積S1=42 m2，傾角75°時(shí)I排炮孔只打?qū)嶋H孔長的一半，S2=36 m2，S3=60 m2，S4=30 m2；比較炮孔負(fù)擔(dān)面積可知，I排炮孔負(fù)擔(dān)面積S3比正常傾角65°炮孔負(fù)擔(dān)面積S1大，說明其比常規(guī)傾角爆破方量多，故I排孔設(shè)計(jì)是可行的。

3.3 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

臺階高40 m，65°炮孔長44.1 m，70°炮孔長42.6 m，75°炮孔長41.4 m。

方案1：炮孔傾角65°，每列孔(12個(gè))炮孔長度為529.2 m，裝藥長度為452.2 m。

方案2：炮孔傾角65°～75°，每列孔(12個(gè))炮孔長度為488.7 m，裝藥長度為407.2 m。

表1 2種方案成本對比

由表1可知，組合方案2比方案1每列孔節(jié)約成本16 232元，按每炮區(qū)40列孔計(jì)算，共計(jì)可節(jié)約64.9萬元。

4 結(jié)論

a.經(jīng)理論計(jì)算可知，在保證預(yù)留邊坡穩(wěn)定的前提下，優(yōu)化調(diào)整炮孔傾角不僅可以提高拋擲率、增加爆堆沉降高度，還能節(jié)約鉆孔和炸藥成本。

b.通過理論計(jì)算和參數(shù)優(yōu)化得出，65°～75°炮孔傾角的拋擲爆破效果最好。

c.因拋擲爆破機(jī)理復(fù)雜，還應(yīng)通過現(xiàn)場爆破試驗(yàn)進(jìn)一步論證炮孔傾角對拋擲效果的影響。