陳 何 萬(wàn)串串 王湖鑫

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京102628；2.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京102628）

自2002年開(kāi)始，礦冶科技集團(tuán)有限公司（原北京礦冶研究總院）進(jìn)行了基于束狀孔等效直徑條件下的球形藥包漏斗爆破大量落礦技術(shù)的試驗(yàn)研究與應(yīng)用，包括束狀孔爆破應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)光彈試驗(yàn)、束狀孔爆破等效應(yīng)力場(chǎng)水下模擬研究等，初步揭示了束狀孔爆破的機(jī)理特性和工藝應(yīng)用條件，同時(shí)論證了依據(jù)束狀孔等效直徑概念及利文斯頓漏斗爆破理論實(shí)現(xiàn)束狀孔當(dāng)量球形藥包漏斗爆破的可行性。該項(xiàng)爆破技術(shù)先后在冬瓜山銅礦、大紅山銅礦、六苴銅礦等礦山進(jìn)行了大規(guī)模應(yīng)用試驗(yàn)，取得了良好的爆破技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)［1-3］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者采用多種手段深入研究了束狀孔爆破機(jī)理，并進(jìn)行了多種工程效果分析評(píng)價(jià)。陳何等［4］基于束狀孔當(dāng)量球形藥包爆破技術(shù)與束狀孔變抵抗線爆破技術(shù)研發(fā)了束狀孔大量高效采礦技術(shù)，在華錫集團(tuán)銅坑礦細(xì)脈帶礦體回采中得到了成功應(yīng)用，并對(duì)該項(xiàng)采礦技術(shù)在礦山采空區(qū)安全高效治理、階段大量連續(xù)開(kāi)采、露天轉(zhuǎn)地下平穩(wěn)過(guò)渡等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望。史秀志等［5］對(duì)束狀孔當(dāng)量球形藥包爆破技術(shù)在冬瓜山銅礦開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)爆破漏斗試驗(yàn)，得出等效束狀孔爆破效果明顯優(yōu)于大孔爆破，并給出了相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。崔新男等［6］對(duì)束狀孔和等效單孔爆破作用過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果顯示束狀孔爆破在爆破近區(qū)過(guò)粉碎程度低，中遠(yuǎn)區(qū)能量較大，整體爆破效果好。上述研究成果均未涉及束狀孔當(dāng)量球形藥包爆破漏斗的模型分析，對(duì)于束狀孔爆破作用機(jī)理未進(jìn)行深入研究，無(wú)法定量化表征束狀孔爆破作用效果。本研究通過(guò)引入高斯曲線漏斗試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析束狀孔?dāng)量球形藥包爆破的單位炸藥爆炸釋放能量、藥包埋深、炸藥能量利用率等指標(biāo)，為束狀孔爆破效果評(píng)價(jià)提供定量化表征方法。

1 爆破漏斗試驗(yàn)方案

本研究爆破漏斗試驗(yàn)方案包括當(dāng)量大孔爆破漏斗試驗(yàn)、束狀孔當(dāng)量球形藥包爆破漏斗試驗(yàn)等內(nèi)容。

1.1 礦山巖石力學(xué)參數(shù)

本研究分別在4座礦山開(kāi)展了束狀孔當(dāng)量球形藥包爆破漏斗試驗(yàn)，各礦山巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)材料

束狀孔爆破炸藥選用礦山生產(chǎn)常用的乳化硝銨炸藥、多孔粒狀銨油炸藥和膨化硝銨炸藥等。乳化硝銨炸藥爆速4 500 m/s，密度1.05～1.10 g/cm3；多孔粒狀銨油炸藥爆速2 800 m/s，密度0.9～0.93 g/cm3；膨化硝銨炸藥爆速3 200 m/s，密度0.95～1.00 g/cm3。束狀孔爆破試驗(yàn)材料見(jiàn)表2。

1.3 炮孔布置

試驗(yàn)在巷道頂板或側(cè)幫進(jìn)行。束狀孔孔徑d0為38～45 mm，每束4～5個(gè)孔，孔間距190～225 mm。炮孔布置如圖1、圖2所示。

炮孔采用連續(xù)耦合裝藥，束狀孔當(dāng)量球形藥包長(zhǎng)度l=6D0（D0為當(dāng)量大孔直徑），設(shè)計(jì)采用不同藥包埋深進(jìn)行試驗(yàn)，裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.4 起爆網(wǎng)絡(luò)

每個(gè)束狀孔內(nèi)均采用1段瞬發(fā)非電雷管起爆，于孔口處與2發(fā)電雷管捆扎一起，各束間電雷管串聯(lián)，一次起爆?？變?nèi)炸藥采用非電雷管直接起爆。

2 爆破漏斗試驗(yàn)結(jié)果

2.1 爆破漏斗試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了1#～6#不同深度的束狀孔。試驗(yàn)采用直徑32 mm的藥卷，單個(gè)藥卷長(zhǎng)20 cm，質(zhì)量200 g。每個(gè)單孔共裝2.5卷藥，總長(zhǎng)0.5 m，總質(zhì)量0.5 kg。按設(shè)計(jì)的埋深將藥包裝入炮孔中，并填塞、封堵炮孔。爆破試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

爆破后采用三維激光掃描儀對(duì)漏斗形狀進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量［7-8］，測(cè)量數(shù)據(jù)建模結(jié)果如圖4所示。

本研究繪制的爆破漏斗體積V與藥包埋深W的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可知：爆破臨界埋深LN=2.15 m，最佳埋深Wj=0.75 m，此時(shí)爆破所形成的漏斗體積最大，該漏斗體積為0.69 m3，由礦巖密度4 000 kg/m3、束狀孔裝藥藥量2.5 kg可算出，炸藥單耗q=0.906 kg/t。

最佳埋深對(duì)應(yīng)的爆落礦巖粒級(jí)組成見(jiàn)表4。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析

藥包埋深比計(jì)算公式為

式中，W為藥包埋深，m；LN為藥包臨界埋深，m。

單位炸藥爆破體積用V/Q表示，其中V為爆破漏斗體積，m3；Q為藥包炸藥量，kg。當(dāng)藥包埋深為0時(shí)，Δ=0，V=0。當(dāng)藥包埋深為臨界埋深時(shí)，Δ=1，V=0。為了獲得爆破漏斗全曲線，將藥包埋深為0與藥包臨界埋深兩個(gè)數(shù)據(jù)加入本研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，如表5所示。

3 爆破漏斗模型與數(shù)據(jù)分析

3.1 束狀孔當(dāng)量球形藥包爆破漏斗特征

與當(dāng)量大孔集中藥包爆破相比，束狀孔爆破的主要特點(diǎn)在于，束狀孔內(nèi)各藥包由于鄰近布置，改變了藥包形狀、分布形式、裝藥結(jié)構(gòu)等，從而改變了爆炸作用于巖體的應(yīng)力分布［9-10］。束狀孔爆破應(yīng)力波為多峰值應(yīng)力波，其爆破近區(qū)的爆破壓力遠(yuǎn)低于當(dāng)量大孔，過(guò)粉碎破碎巖石消耗的能量低，其破碎巖石形成的爆破漏斗體積較大。大量試驗(yàn)表明，束狀孔爆破漏斗體積隨埋深變化的基本規(guī)律仍與當(dāng)量大孔一致。

當(dāng)準(zhǔn)靜壓力對(duì)新邊界的作用大于巖石抗壓強(qiáng)度，且應(yīng)力波在邊界的反射拉伸破壞半徑與埋深相等時(shí)，爆破漏斗為正漏斗，爆破體積最大，埋深為藥包的最佳埋深。隨著埋深減小，表面逐漸出現(xiàn)漏斗狀巖石破裂區(qū)，漏斗逐漸擴(kuò)大，爆轟氣體準(zhǔn)靜壓力也參與到漏斗的形成過(guò)程中，在聯(lián)合作用下，漏斗頂角擴(kuò)大至90°，體積達(dá)到最大；當(dāng)埋深進(jìn)一步減小時(shí)，漏斗頂角變得越來(lái)越大，由于反射拉伸破壞導(dǎo)致巖石過(guò)快破壞，使爆轟氣體短時(shí)間泄漏，準(zhǔn)靜壓力有效作用能量下降，爆破漏斗體積變小。藥包處于臨界埋深時(shí)，應(yīng)力波在邊界的反射拉伸破壞半徑為0。此時(shí)，炸藥爆炸能量中的塑性波能量全部轉(zhuǎn)化為彈性能量，被巖石全部吸收。

3.2 束狀孔爆破漏斗模型

3.2.1 爆破漏斗試驗(yàn)曲線

3.2.2 高斯函數(shù)擬合

假設(shè)隨藥包埋深變化的爆破漏斗體積變化為正態(tài)分布，則爆破漏斗曲線可用高斯函數(shù)［11-12］進(jìn)行擬合：

式（2）中，a表示高斯函數(shù)的極值，爆破漏斗擬合曲線中表示最大單位炸藥爆破體積；參數(shù)b表示高斯函數(shù)的對(duì)稱(chēng)軸位置，曲線中表示藥包的最佳埋深比Δj；c表示高斯函數(shù)曲線的陡峭程度，c越小表示曲線越陡，c越大表示曲線越平緩，曲線中表示炸藥能量利用效率的集中程度。

在不同的埋深區(qū)間[ ]x1,x2內(nèi)，高斯函數(shù)曲線的積分值代表該范圍內(nèi)破碎巖石的總量，反映不同爆破形式的炸藥能量利用效率。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)爆破漏斗試驗(yàn)數(shù)據(jù)，高斯函數(shù)曲線擬合參數(shù)見(jiàn)表6。

由表6可知：第4組試驗(yàn)值明顯偏離其余5組試驗(yàn)值，主要是由于試驗(yàn)礦段較破碎，巖體力學(xué)參數(shù)變化較大所致，因此試驗(yàn)組別之間的分析不采用該組數(shù)據(jù)。

如圖7所示，影響參數(shù)a的主要因素為單位炸藥爆炸釋放的能量及巖體性質(zhì)；第2、第6組試驗(yàn)在相同礦山進(jìn)行，第6組試驗(yàn)采用高能量密度炸藥，a值最大；第2組試驗(yàn)采用普通乳化炸藥爆破，a值偏小。

巖石抗拉強(qiáng)度σs與a值的關(guān)系如圖8所示。分析該圖可知：抗拉強(qiáng)度越低的巖石a值越大，可爆破性越好。

不同試驗(yàn)組別的參數(shù)b取值如圖9所示。由該圖可知：5組試驗(yàn)的最佳埋深比Δj為0.39～0.49。

參數(shù)c表征炸藥爆炸能量的有效利用率，由圖10可知：第6組c值最小，即束狀孔爆破的約束條件更好，炸藥能量利用效率更集中。

3.4 束狀孔爆破最佳埋深參數(shù)計(jì)算

由漏斗爆破高斯函數(shù)模型（式（2））可知，當(dāng)藥包處于最佳埋深比b=Δj時(shí)，最大單位炸藥爆破體積VmaxQ=a。文獻(xiàn)［13］研究表明：藥包埋深與炸藥能量利用率之間存在比例關(guān)系［13］，通過(guò)爆破漏斗試驗(yàn)得出藥包極限埋深，從而求出最佳埋深Wj：

臨界埋深計(jì)算公式為

從而有：

漏斗試驗(yàn)得到的爆破特征參數(shù)見(jiàn)表7。束狀孔當(dāng)量球形藥包爆破的最佳埋深比b為0.394～0.525時(shí)，應(yīng)變能系數(shù)E為0.945～1.785。

在相同的巖石、炸藥條件下，不同炮孔數(shù)束狀孔的爆破參數(shù)可由漏斗爆破高斯函數(shù)模型（式（2）、式（4）和式（6））計(jì)算。

1個(gè)?165 mm炮孔（裝藥長(zhǎng)度le＝0.99 m）的爆破參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

4個(gè)?165 mm炮孔組成的束狀孔（裝藥長(zhǎng)度le＝1.98 m）計(jì)算的爆破參數(shù)見(jiàn)表9。

5個(gè)?165 mm炮孔組成的束孔（裝藥長(zhǎng)度le＝2.21 m）爆破參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表10。

一束由n個(gè)炮孔組成的束孔的藥包最佳埋深計(jì)算公式為

式中，ρ0為炸藥密度，kg/m3；le為藥包長(zhǎng)度，m；D0為當(dāng)量大孔直徑，m。

當(dāng)le=6D0，ρ0=1 000 kg/m3時(shí)，有：

將上述測(cè)量方法在某礦山進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，結(jié)果如圖11所示。束狀孔爆破后，采用三維激光掃描儀進(jìn)行了精確測(cè)量，得到了每次爆破漏斗體積。針對(duì)不同埋深條件的束狀孔爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用高斯模型可擬合出爆破漏斗曲線，為進(jìn)一步評(píng)價(jià)束狀孔爆破效果提供了定量化表征方法。

4 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展束狀孔當(dāng)量球形藥包爆破漏斗試驗(yàn)，建立了束狀孔藥包埋深與爆破漏斗體積的關(guān)系模型，采用高斯函數(shù)對(duì)不同藥包埋深比的爆破漏斗曲線進(jìn)行擬合，得到了束狀孔爆破漏斗的高斯函數(shù)關(guān)系式，通過(guò)定量化擬合爆破漏斗試驗(yàn)曲線，計(jì)算其特征參數(shù)，為科學(xué)計(jì)算束狀孔爆破相關(guān)指標(biāo)提供了有效手段。研究得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)不同埋深條件下束狀孔當(dāng)量球形藥包爆破漏斗試驗(yàn)，建立了漏斗爆破高斯函數(shù)模型，分析了單位炸藥爆炸釋放能量、巖石抗拉強(qiáng)度、藥包埋深、炸藥能量利用率等指標(biāo)對(duì)束狀孔當(dāng)量球形藥包爆破作用的影響，為束狀孔爆破效果評(píng)價(jià)提供了定量化表征方法。

（2）根據(jù)束狀孔當(dāng)量球形藥包爆破漏斗試驗(yàn)及漏斗爆破高斯函數(shù)模型，開(kāi)展了4個(gè)及5個(gè)炮孔組成束狀孔的爆破參數(shù)計(jì)算，確定了束狀孔爆破時(shí)藥包最佳埋深，為束狀孔爆破設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

（3）本研究提供了一種用于表征束狀孔當(dāng)量球形藥包爆破漏斗特征的高斯函數(shù)模型方法，但對(duì)于精確化測(cè)量爆破漏斗體積需要進(jìn)一步創(chuàng)新測(cè)量手段，提高測(cè)量精度，進(jìn)一步提升束狀孔爆破特征參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性與可靠性。