束状孔双分层孔内延期爆破试验研究

崔新男，汪旭光，陈 何，冯盼学，张 华

(1. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2. 北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；3.贵州省公安厅，贵阳 550001)

束状孔当量球形药包爆破技术是基于大直径深孔采矿爆破技术并经过长期爆破实践发展的一种全新爆破技术。其基本概念是：由N个间距3～8倍孔径的密集平行深孔组成一束孔，束孔(直径d)装药同时起爆，对周围岩体的爆破作用视为一个更大直径(等效直径D)的炮孔的爆破作用[1]。N个直径为d的束孔，其等效单孔直径D的计算公式为：

D=N1/2·d

(1)

式中：D—等效单孔直径；d—束孔直径；N—孔数。

由于束孔爆破形成的合并应力场其波阵面具有一定厚度，应力波曲线出现多个峰值[2]，作用时间比等效单孔更长，分散装药也使得爆破粉碎区减小而裂隙区增大[3]，更大的裂隙区有利于增加爆破中远区的爆破作用，在进行大量崩矿时具有采切工程量小、炸药单耗小、大块率低且爆破振动小等优点[4]。将其应用到井巷掘进作业中，进行束状中深孔掏槽时，掏槽效果好，可显著提高掘进效率[5]。

进行束状孔爆破落矿时，通常采用一次性钻凿深孔，分层崩落的作业方式，每次爆破一个分层都会给束孔孔底造成破坏，不仅使孔底变得破碎、不规整，甚至会导致炮孔被碎石堵塞，进行下一分层爆破时必须对炮孔进行清理，繁重的清孔工作严重制约着爆破效率。使用合适的延期时间，将束状孔爆破与孔内延期爆破相结合，实现一次爆破两个甚至多个分层，使爆破效率得到成倍提高。为寻求合适的延期时间，本文进行了束孔爆破漏斗试验，找出了最佳埋深，又进行了双分层孔内延期爆破，当延期时间设定为50 ms或75 ms时，得到的爆破漏斗最大，实现了双分层一次爆破，提高了束状孔爆破效率。

1 束状孔爆破漏斗试验

为获得束状孔爆破最佳埋深，首先进行爆破漏斗试验，试验地点选为某矿山92号矿体+405水平T317、T318采场残留矿柱。

1.1 试验现场条件

92号矿体赋存于硅质岩中，岩石层理发育，垂直方向上，由上至下，大致可分为三层：上层以薄层状硅质岩为主，夹钙质硅质岩；中层为条带状、细条带状、块状硅质岩，夹泥质硅质岩；下层以致密块状硅质岩为主，少量硅质页岩、灰岩互层。矿石及围岩稳固性好，单轴抗压强度78.49～95.42 MPa，普氏系数15～16，凿岩性差。T317、T318采场为已废弃采场，出矿穿道已经被废石堵塞，可以在残留的矿柱和运输巷边帮进行试验，如图1所示。

图1 405水平炮孔布置图Fig.1 The borehole pattern of the 405 level

1.2 试验设计

为保证束孔平行度，在巷道边帮或矿柱中打水平孔，4孔为一束，孔径42 mm，孔间距210 mm，炮孔相互平行，距离巷道底板约1.2 m。孔深从0.4 m到1.4 m，共6组，为保证各组试验不会相互影响，每束孔间隔3 m。束孔内装入一包200 g乳化药卷，药卷长20 cm，为保证耦合装药，用炮棍挤压药卷，药卷长度缩减到约15 cm，药卷内装入两枚1段导爆管雷管，堵孔材料为钻屑和自带的黄土，孔口使用双导爆索连接，再由一枚电雷管起爆，起爆雷管脚线与两条主线相连，如图2所示。

图2 炮孔连线图Fig.2 Boreholes link

1.3 结果分析

人员撤出并设置好警戒，进行爆破，结果如表1所示。

由爆破结果可知，当孔深为0.4 m和0.6 m时，炮孔无残余，形成较大爆破漏斗；孔深为0.78和1.03 m时，炮孔未能完全爆破，形成爆破漏斗较小；当孔深为1.2 m和1.38 m时，发生了冲孔，未能形成爆破漏斗。进一步分析可知，临界埋深为1.125 m，根据单位炸药爆破的体积和实际埋深与临界埋深之比的关系，爆破最佳埋深为0.525 m。

2 束状孔双分层孔内延期爆破试验

依据爆破漏斗试验所得最佳埋深，设计双分层孔内延期爆破试验，试验地点选择T317、T318采场运输巷边帮。

2.1 试验设计

垂直巷道边帮打孔，每束4孔，孔径42 mm，孔距210 mm，孔深1.1 m。第一层装乳化药卷200 g，装药长度0.15 m，布置2发6段高精度导爆管雷管，药包中心埋深0.525 m，第二层药包中心埋深1.025 m，装药200 g，装药长度0.15 m，布置2发7段高精度导爆管雷管。

表1 爆破漏斗试验结果

起爆后发现第一层没有形成完整的爆破漏斗，漏斗深度仅0.4 m，各孔残余孔深达0.7 m，第一层爆破漏斗直径为1.10 m，漏斗直径和深度均小于先前进行的爆破漏斗试验结果。经过勘察发现虽同在T317、T318采场，但巷道边帮岩石稳固性明显强于残留矿柱，岩石可爆性差，于是修改了试验方案。钻孔深度由1.1 m改为0.9 m，第一层药包中心埋深改为0.375 m，装药200 g，布置2发6段高精度雷管，第二层加强装药，装药400 g，药包中心埋深为0.75 m，4组试验分别布置2发7段、8段、9段和10段高精度雷管。

2.2 结果分析

人员撤出并设置好警戒，依次进行爆破，爆破漏斗如图3所示。

分别从4个方向测量两层漏斗直径、深度以及爆破后每个炮孔的残余深度，计算漏斗体积，如表2所示。

图3 爆破漏斗图Fig.3 Blasting craters

延期时间/ms第一层漏斗直径/m第一层漏斗深度/m第二层漏斗直径/m第二层漏斗深度/m炮孔残余孔深/m1#2#3#4#漏斗总体积/m3251.020.450.280.020.430.400.390.410.155500.950.450.320.050.400.390.350.380.164751.060.450.500.230.220.200.220.180.1791001.100.420.480.450.450.460.158

修改试验方案后，第一层均可形成爆破漏斗，且漏斗直径相当，可见装药参数是合适的，除延期时间为25 ms和100 ms的第一组和第四组没有形成明显的第二层爆破漏斗外，延期时间为50 ms和75 ms的第二组和第三组均形成了两层爆破漏斗，其中第一层漏斗较大，第二层漏斗较小，这是由于第二层爆破的自由面是第一层爆破漏斗的底面，为倒立的圆台形，只能形成与第一层漏斗形状相似但半径和深度都较小的爆破漏斗。25 ms延期时间过短，当第二层装药起爆时，第一层破碎的岩石尚未被抛离，导致第二层装药自由面条件更差，夹制作用强，无法形成爆破漏斗；而100 ms延期时间过长，第一层破碎的岩石已被抛离，第二层装药堵塞条件变差，爆生气体从孔中溢出，导致冲孔，也无法形成爆破漏斗。试验表明，束状孔双分层孔内延期爆破是可以实现的，孔内延期时间以50 ms或75 ms为宜，过小或过大均不利于第二层爆破漏斗的形成。

3 讨论

本次试验是在运输巷边帮和矿柱上进行的，只有一个自由面，相当于掌子面掏槽爆破，且没有辅助空眼，岩石夹制作用较大，第二层虽然采用了加强装药，炮孔仍有残留，且第二层形成的漏斗普遍较小，针对这些问题，考虑如下方法进行改进：

1)进行掌子面掏槽时，可在束孔中设计一个或多个空孔，增加爆破自由面。

2)由应力波的叠加原理可知，相邻束孔之间药包连线上应力波叠加作用较强，产生裂隙较密，且容易形成联通的裂隙，因此，多束孔同时爆破时，药包连线上的岩石被切割成块，每束孔形成的漏斗会相连，第一层爆破之后形成的自由面将更接近于平面，有利于第二层形成正常的漏斗。

4 结论

本文先后进行了束状孔爆破漏斗试验和束状孔双分层孔内延期爆破试验，主要结论如下：

1)束状孔双分层孔内延期爆破是可以实现的，选择合适的延期时间至关重要，延期时间过长或过短均不能形成双漏斗，对于高精度毫秒延期雷管，延期时间选择50 ms或75 ms是合适的。

2)4组试验装药参数相同，第一层漏斗形状基本一致，说明应力波和爆生气体都能起到作用，仅在第二层漏斗形状上出现了比较大的差别，这说明第二层装药爆破作用不完全，应力波的作用通常为几个毫秒，而本次试验最短延期为25 ms，因而4组试验应力波的作用是一致的，而爆生气体对于能否形成爆破漏斗起关键性作用。