地下金属矿山扇形中深孔爆破相似材料试验研究

张贵银

(中国黄金集团建设有限公司， 北京 100020)

地下矿山扇形中深孔爆破相似材料模拟试验利用和矿岩力学性能相近的材料，制作几何形状类似的模型来模拟井下崩落矿岩，在相同的初始条件下，施加类似的边界约束进行模拟试验[1]，通过监测模型爆破效果，进一步分析扇形中心孔爆破规律，为改善井下掘进工艺、优化开采方法、研究回采顺序提供了改进途径。采用相似材料模拟试验方法具有在试验理论不明、作用机理和作用参数复杂的情况下，探索在现实难以观测、难以定量研究事项的优点。通过几何相似、运动相似、应力相似、动力相似和外力相似等相似理论，建立地下矿山扇形中深孔爆破模型，在一定程度上全面反映矿岩爆破破坏过程和受力状态，以期对井下爆破设计提供参考。

1 相似理论原理

根据Kuznetsov提出的相似理论，以各因素分析为试验手段建立相似材料试验模型，来分析多因素对矿岩爆破效果的影响规律。现实建立的模型与矿山井下矿岩的相似程度及施加边界条件决定了试验的成功与否。按照相似理论，一般要求建立的模型（Ⅱ）与井下矿岩状态（Ⅰ）之间满足以下 5个相似条件[2]：

（1）几何相似：

（2）运动相似：

（3）应力相似：

（4）动力相似：

由式（4）可推出：

（5）外力相似：

式中，l为模型几何尺寸，m；t为运动时间，s；c为容重比值；F为动量，（kg·m）/s；m为质量，kg。

现实中建立的模型不仅要满足上述5个相似条件，而且试验前模型所处位置还必须满足与井下矿岩赋存状态类似的边界条件。然而，在试验中要满足所有的相似准则是不可能的，也是没有必要的。只要抓住物理过程的实质，满足其主要的相似准则即可。结合井下采掘工程实际，模型满足几何相似、强度相似、应力相似是最为主要的[3-4]。因此综合考虑模型初始条件和边界条件相似的前提下，模型建立及模型位置应主要满足几何、强度及应力相似“三准则”。

2 室内相似材料模拟试验

2.1 该矿中深孔爆破工艺问题分析

某矿7-2#矿脉属深部厚矿体，浅部采用浅孔落矿干式嗣后充填采矿法，因采矿效率低下和作业安全性较低，考虑将采矿方法改为中深孔无底柱分段崩落采矿法，可大幅提高采场作业的安全性和落矿效率，但也带来落矿大块率高等困扰[5]。由于该矿生产系统中缺少井下二次破碎硐室，而采用箕斗提升又要求矿岩的尺度小于箕斗入料口，即块度小于0.35 m，因此块度大于0.35 m的矿石块体需要在采场进行二次爆破[6]。二次爆破不仅炮烟污染采场作业环境，而且对出矿效率影响较大，因此，降低采矿扇形中深孔爆破产生的大块率，对采场净化与产能提高意义重大[7]，故对该矿扇形中深孔爆破机理进行相似材料模拟试验研究迫在眉睫。

2.2 相似材料模拟试验模型

根据矿岩不同的物理力学性质，选择不同水灰比的水泥砂浆试块进行扇形中深孔爆破试验。用P·O 42.5水泥、河砂，配制3种不同灰砂比砂浆（见表1），制作试件尺寸为97 cm×30 cm ×60 cm，养护14 d备用。用Φ5 mm钢筋预留炮孔，炮孔底部间距约9.3 cm。共制作3组试件，每组2个，组内设计爆破抵抗线为3 cm和7 cm。模拟试件几何尺寸和炮孔布置如图1所示。

表1 水泥砂浆模型配比参数

图1 试件平面尺寸及炮孔布置

试件制作流程按照传统的混凝土浇筑工艺进行，首先将配制的砂浆倒入用木板制作的试件模具中，再用铲刀振动模具边沿，当模具中砂浆面高度达到设计炮孔平面位置时，用Φ5 mm的钢筋按照设计炮孔平面位置摆放，然后继续浇筑直至达到模型宽度。在室温下洒水养护12 h后，抽出预埋的Φ 5 mm钢筋，留下钢筋孔作为炮孔，继续洒水湿养护2周左右，方可搬动并进行相似材料模拟爆破试验。爆破后测量崩落体边界并详细记录。

2.3 相似材料模拟试验结果分析

本次共进行3组6个试件的爆破试验，每次试验都将试件中的9个炮孔同时起爆。爆破试验效果如图2所示，对应的爆破数据见表2。

根据表2和图2可知，在炮孔孔底间距为9.3 cm和不同炮孔抵抗线的条件下，组内2个试件均从炮孔布置平面整齐崩落。并且不同炮孔抵抗线对断面平整度影响较小。为了达到更好的爆破效果，进一步控制爆破大块率，模拟中选择炮孔抵抗线为3 cm，此时炮孔密集系数m=9.3/3=3.1。在上述模拟试验条件下，炮孔密集系数m≤3.1的扇形中深孔同时起爆，可以达到在爆破后形成平整扇形面的目的。

表2 爆破试验结果

图2 破后揭露的试件端部崩落状态实景

将同一配比模拟试件的爆破边界连接起来，形成如图3所示爆破界线。由图3可知，孔底部分（曲线①）在爆破后试件被破坏成块体，在孔口部位（曲线②）形成隔墙。故在炮孔孔底间距为9.3 cm、设计9个炮孔同时起爆的特定条件下，有效爆破界线受炮孔抵抗线影响较大，且抵抗线越大，有效爆破范围越小，所以在矿山生产中需要谨慎选择炮孔抵抗线，以便取得良好的爆破效果。

图3 不同抵抗线模型有效爆破界线对比

3 扇形中深孔爆破机理分析

制作的试件基本上可视为各项同性的块体，爆破能量传递较为线性，可认为当炮孔间距大于抵抗线2倍时，相邻炮孔爆破应力波在达到自由面前，便会贯穿相邻炮孔，故爆破破坏主要沿着设计扇形平面发展[8]。此外，根据组间、组内不同设计抵抗线的爆破效果及有效爆破界线可知，随着配比试件强度的增大，受抵抗线影响的爆破破碎范围差异也越明显。可见，随着试件强度的增大，爆破破坏方向对扇形炮孔的有效爆破范围影响越大，且在试验2、试验3和试验5中三个试件的爆破抵抗线同为3 cm时，爆破贯穿方向转变存在滞后性，所以在扇形中深孔爆破中存在着破坏方向中的顺势效应[9]，该效应对爆破从初始向最终状态转变起到了延迟作用。在上述6个试件的爆破模拟试验中，在模拟炮孔孔口间距平均为1.0 cm、孔底间距为9.3 cm的限定条件内，随着抵抗线从3 cm增大至7 cm，爆破有效界线在缩小，但是随3组试件强度变大，试件爆破破坏发展方向对爆破有效范围影响越来越大。

根据图3可知，试件（矿岩）的强度特性越弱，爆破效果越好，这说明爆炸产生的能量主要用于扇形面的劈裂贯穿，存续能量不足以继续破坏矿岩致使其充分破碎进一步形成爆破大块。爆破设计中应充分考虑矿岩性质和其破坏方向，选取合适的炸药以达到理想的爆破效果。因此，在矿山井下采用扇形中深孔爆破设计时，应使炸药长度方向的引爆点处于有效爆破状态，且同时起爆的炮孔最短间距应大于设计抵抗线的2倍以上。

4 结论

通过扇形中深孔相似材料模拟试验和爆破机理分析，可得出以下3个结论。

（1）通过对相似理论进行研究，提出了爆破相似材料模拟设计思路，在既定试验条件下，炮孔密集系数不大于3.1的扇形炮孔，可以达到在爆破后形成平整扇形面的目的。

（2）爆破效果受到扇形炮孔对矿岩破坏方向的限制，随着试件强度的增大，破坏方向对扇形炮孔的有效爆破范围影响也越大，在扇形中深孔爆破中存在着破坏方向中的顺势效应。所以在设计扇形中深孔时，同时起爆的炮孔最短间距应大于设计抵抗线的2倍以上。

（3）试验方案较好地适应了该金矿采准围岩的可爆性，减轻了巷道支护与维护工作量，为无底柱分段崩落法的顺利实施提供了技术保证。