周 宇，段應(yīng)明

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

0 引言

20世紀60年代初，高臺階拋擲爆破技術(shù)開始運用于美國McCoy Coal礦；20世紀80年代初，美澳等國逐步完善了該技術(shù)。在國內(nèi)，黑岱溝煤礦最早運用吊斗鏟配合拋擲爆破技術(shù)進行生產(chǎn)[1-2]，2003年該礦進行了拋擲爆破-拉斗鏟無運輸?shù)苟鸭夹g(shù)改造[3-7]，2007年實施了第一次拋擲爆破。拋擲爆破技術(shù)經(jīng)過不斷的改進[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)進度，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益。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)、延期時間、炮孔傾角等影響因素進行優(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表示拋射點至拋落點的水平距離，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

拋擲巖石進入拋物運動階段后，其有效拋擲距離越遠，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，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，計算分析炮孔傾斜角度對拋物運動的影響規(guī)律。

2.1 45°炮孔拋物運動計算分析

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

自由落體的瞬時速度計算公式為v=gt，位移的計算公式為

(1)

式中：△s為距離增量；g為重力加速度，計算時取10 m/s2；t為物體下落的時間。

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；拋物運動時間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°炮孔拋物運動計算分析

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°炮孔拋物運動計算分析

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°炮孔拋物運動計算分析

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小；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，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，有利于提高拋擲率。中后排松動區(qū)炮孔傾角為75°時，有利于增加爆堆沉降，改善爆堆形狀。

3 炮孔傾角設(shè)計

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

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°時的爆破設(shè)計方案如圖10所示。

圖10 炮孔傾角為65°時的爆破設(shè)計方案

3.2 炮孔傾角為65°～75°的組合拋擲爆破設(shè)計

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°時的組合拋擲爆破設(shè)計方案如圖11所示。

圖11 炮孔傾角為65°～75°時的組合拋擲爆破設(shè)計方案

圖12為炮孔傾角為65°～75°時的組合拋擲爆破設(shè)計方案的調(diào)整圖，根據(jù)圖中炮孔孔底分布計算相應(yīng)的炮孔負擔面積。

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

3.3 經(jīng)濟指標分析

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)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)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列孔計算，共計可節(jié)約64.9萬元。

4 結(jié)論

a.經(jīng)理論計算可知，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.因拋擲爆破機理復(fù)雜，還應(yīng)通過現(xiàn)場爆破試驗進一步論證炮孔傾角對拋擲效果的影響。