VCR爆破中堵塞长度与抵抗线匹配关系研究

2021-08-08李小元支伟罗志华史秀志邱贤阳

采矿技术 2021年4期

李小元，支伟，罗志华，史秀志，邱贤阳

(1.广西中金岭南矿业有限公司，广西来宾市 546100；2.中南大学，湖南长沙 410083)

0 引言

VCR 爆破是以贯穿深孔进行矿山开采的深孔破岩爆破工艺。在VCR 爆破开采过程中，由于孔内堵塞长度与抵抗线之间不匹配，使得爆炸能量过多的浪费，容易出现块度分布不均匀以及堵孔、冲孔等爆破危害，给矿山生产造成不必要的损失。国内外对堵塞长度与抵抗线的研究较多，梁禹，任少峰等[1−2]采用LS-DYNA 软件对不同堵塞长度进行仿真模拟，通过有效应力对比分析得出孔内最佳堵塞长度；郝亚飞等[3]采用数值模拟的方式研究堵塞长度对爆破振动的影响，分析振动衰减规律，得出合理的堵塞长度；丁希平等[4]研究发现，台阶爆破堵塞区有效应力场随堵塞长度的增加呈指数规律衰减；姜永恒等[5]针对某金矿大块率高的问题，运用数值模拟软件对采场扇形孔进行模拟，分析了岩体内部质点的有效应力峰值，确定中深孔爆破最优抵抗线和孔底距；何闯等[6]研究发现爆破振动受自由面与最小抵抗线共同影响；张智宇等[7]依据相似定律，进行混凝土模型试验研究抵抗线对台阶爆破的影响，研究表明，爆堆的总质量及最大块度尺寸随着抵抗线的增大而增大。但对两者之间存在的内在联系的研究相对较少，基于此，本文通过牛顿第二定理和应力波理论推导两者之间的合理数值关系，并将研究成果运用于现场试验，以此得出堵塞长度与抵抗线之间的合理数值关系，为同类型采场提供理论指导。

1 孔壁应力演化过程分析

在轴向间隔径向不耦合装药下，孔壁在爆破过程中所受的初始冲击荷载为：

式中，ρ0为炸药密度，kg/m3；Dc为炸药爆速，m/s；K不耦合系数；n为反射冲击波压力增大系数。

根据Mises 屈服准则，如果岩石压力超过其动态抗压强度，则岩石发生粉碎性破坏，形成粉碎区。岩石动态抗压强度根据式（2）确定[4]：

式中，σc为岩石静态抗压强度，Pa；σcd为岩石动态抗压强度，Pa；εc为粉碎区加载应变率，取104s−1。

药包起爆后，在炮孔孔壁周围岩石形成粉碎区，结合式（2）可得其粉碎圈半径Rc为：

式中，λ为侧压系数；μ为岩石泊松比；d为炮孔孔径，m。

岩石破碎过程中，随着堵塞物被压实，岩体粉碎圈形成，爆生气体以准静态压力作用于炮孔孔壁。此时爆生气体的状态方程为：

式中，p为爆生气体压力，Pa；V为爆生气体体积，m3；γ为绝热指数，一般取3。

爆生气体膨胀体积增大主要由于堵塞物向孔外运动，与爆生气体进入孔壁裂隙中，因其体积很小，可以忽略。结合式（4），孔壁压力随堵塞物位移的衰减规律为：

式中，pr为为孔壁的初始冲击压力，Pa；px为堵塞物位移x时的孔壁压力，Pa；V0为粉碎圈形成后炮孔内的体积，m3；Vx为堵塞物位移x时炮孔内的体积，m3；D为粉碎圈直径，m；d为炮孔直径，m。

2 堵塞长度与抵抗线匹配关系分析

2.1 堵塞长度与抵抗线匹配关系理论推导

相关文献将抵抗线定义为球状药包重心至自由面的垂直距离[8]，本文为方便分析数据，且与现场实际设计施工作业相匹配，因此将药包底部至自由面的垂直距离视为抵抗线。

堵塞物虽是不连续松散体，但对于堵塞而言，研究的是堵塞物整体的变形和运动，堵塞物密度均匀，且在堵塞过程中，堵塞物已经被压实，因此可忽略堵塞物运动过程中的压缩过程，反将其运动当作刚体运动，堵塞物示意见图1，其爆破深度为L+L1，半径为r，上端堵塞长度为L2，抵抗线为L1，堵塞物中应力波传播速度为C1P，孔内爆生气的压力为p。

图1 装药结构示意

堵塞物向孔外运动时，所受推力为：

所受自身重力为：

所受孔壁摩檫力为：

结合上述公式，可以求得堵塞物在孔内的加速度为：

堵塞物冲出炮孔时间为：

当堵塞物完全冲出炮孔时，堵塞物运动长度为堵塞长度，因此有：

堵塞的作用是充分利用爆生气体能量进行岩石破碎，从而获得较好的爆破效果，因此，为充分发挥堵塞物的封堵作用，应该保证堵塞物不冲出孔口或堵塞物冲出孔口时，岩石槽腔破碎刚好完成。根据爆炸力学与应力波理论可知，岩体破碎所需要的时间td为：

式中，W为药包重心到自由面的距离，m；Cp为岩石中纵波传播速度，m/s。

炮孔堵塞需要满足t=td，则：

2.2 现场计算实例

以南方某铅锌矿深孔爆破采场为例，依照上式进行理论计算。该采场炮孔直径为110 mm，药包直径为90 mm，不耦合系数为1.22；堵塞物密度为1800 kg/m3，纵波波速为3600 m/s，炸药爆速为4000 m/s，炸药密度1250 kg/m3。分别取抵抗线为：0.8 m、0.9 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m，计算得出相应堵塞长度分别为0.83 m、0.91 m、0.978 m、1.05 m、1.12 m。由表1 可知，堵塞长度与抵抗线之间的匹配关系为L2=（0.94～1.04）L1。

表1 堵塞长度与抵抗线数值关系

该理论推导是建立在会形成爆破漏斗的前提下，堵塞长度计算公式考虑的因素较少，且仅适用于双向堵塞，在现场施工时，会根据实际情况进行调整，从上述理论可知，在有爆破漏斗出现的前提下，抵抗线越大，所需的堵塞长度也随之增长，但当抵抗线达到临界值时，自由面没有出现爆破漏斗，则该理论就不适用。

3 现场试验

3.1 试验采场简介

3.1.1 采场概况

试验采场位于该矿−320 中段，采场较为破碎，岩石内部含有褶曲。岩石内小构数量较多，且较破碎、渗水。

采场长度为46 m，宽为8 m，采场高度为30 m。布置4 排炮孔，排距为1.8～2.0 m，孔间距为2.2 m。炮孔直径为110 mm。拉槽区列距为0.6～1.6 m，其他列距为2.0～2.2 m。采场拉槽区炮孔布置如图2所示。

图2 采场拉爆爆破示意

3.1.2 爆破试验方案

在试验采场拉槽区域进行3 次爆破对比试验，3 次爆破试验爆破范围一致，爆破共计37 个炮孔。方案一（1.2～1.2）孔内采用条形药卷（药卷尺寸：R=90 mm，L=670 mm），底部留抵抗线1.2 m，每层装药1 条，堵塞1.2 m 河砂；方案二（1.0～1.0）孔内底部留抵抗线1.0 m，每层装药1 条，堵塞1.0 m 河砂；方案三（0.8～0.8）孔内底部留抵抗线0.8 m；每层装药1 条，堵塞0.8 m 河砂。孔内采用高精度微差导爆管雷管起爆，掏槽区域先起爆，边帮孔后起爆。

图3 为方案二的装药结构示意图，方案一和方案三现场装药结构与方案二相似，均采用单层单条药包进行装药。

图3 方案二装药结构示意

3.2 爆破效果分析

由于是井下开采，需考虑炮烟问题，通常信息采集在爆破后隔天进入采场进行爆破效果拍照。因爆破开采顺序是由上至下，所以在拍摄过程中，下部硐室爆破后顶板存在浮石，拍摄条件较差。而爆破对上部硐室影响相对较小。3 次爆破前后，上部硐室完好如初（见图4），锚网没有出现破坏，表明3 次爆破均没有出现冲孔现象。同时，由图5 可知，方案一大块较多，与模型试验块度分布结果基本一致，方案二和方案三试验块度适中，方案三相对方案二块度较粉。

图4 爆破后上部硐室示意

图5 爆堆示意

早期矿山所设计的爆破装药抵抗线与堵塞长度数值上不匹配，导致出现大块、粉矿、冲孔等现象，而3 个方案的现场试验对比结果表明，当堵塞长度等于抵抗线时，能够有效避免冲孔危害，0.8～0.8 与1.0～1.0 试验表明堵塞长度等于抵抗线时，能够有效解决采场爆破存在的块度问题。1.2～1.2试验表明，爆堆块度较大，但其爆破量大、炸药单耗相对较小，适合井下黄铁矿（废石）开采。