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多孔球状药包爆破一次成井技术试验研究

2016-05-04 11:51 作者:中国有色设备信息 来源:中国有色设备信息网 浏览:

摘要: 为了处理采空区,洛钼集团矿山公司采用多孔球状药包爆破一次成井技术进行现场试验。首先根据利文斯顿爆破漏斗理论,在与成井试验同一台阶面、岩性相近的场地做了单孔爆破漏斗试验,结果表明在此种岩性的场地最佳埋深比为0.8574m/kg1/3。然后基于单孔爆破漏斗试验得出的结论和矿山

刘广兴
(金源爆破工程有限公司,大连 116600)
Application Research on Technology for Shaft-formirg by Many Deep-holes Blasting with Spherical Charge
LIU Guang-xing
(Jin Yuan Blasting Co Ltd. ,Dalian 116600,China)
Abstract: In order to govern the mined-out area, mining company of China Molybdenum Co.,Ltd. use the technology for shaft-formirg by many deep-holes blasting with spherical charge for a field test. First of all, according to the Livingston blasting crater theory, make one-hole blasting crater test at a filed have the same level and the similar lithology with shaft-formirg. The results show that the best buried deep in this lithology ratio is 0.8574m/kg1/3. Then based on the one-hole blasting crater test conclusion and mining company actual situation, the main parameters of spherical charge blasting are confirmed such as the round hole pattern, hole spacing 2m, stratification height 1.3m~4.0m, no delay time in the same stratification and 200ms~320ms in different stratifications. Finally, the field test is done with the selected parameters, and blast a shaft of 32 meters successfully, for the next shaft-formirg by blasting of 80 meters accumulated valuable experience, and also provide a reference for other blasting technology of the same type.
Key words: goaf treatment; one-hole blasting crater; many spherical charges; blast shaft-formirg
洛钼集团矿山公司是从事露天开采的现代化大型矿山企业,现开采的三道庄露天矿是栾川钼矿田三大矿区之一,位于河南洛阳市栾川县冷水镇境内。该矿山是由原来的地下开采转而进行露天开采的,由于历史原因和地采的不规范性,导致现在露天开采境界内留下了大量的采空区,且规模大、错综复杂,已严重危及到矿山公司的安全生产,空区处理迫在眉睫。但普通的崩落法处理大型复合高危空区并不适用,而爆破一次成井块石充填技术处理这类采空区,可大大降低生产成本,缩短生产周期,有利于矿山高效、经济生产。因此,矿山公司与中南大学合作,在三道庄露天矿进行了一系列爆破一次成井试验,确定了可行的爆破方式、合理的装药量、装药结构和爆破网络,并为最终实现的80m爆破一次成井提供了强有力的技术支持与宝贵经验。
1 单孔爆破漏斗试验
1.1 理论依据
多孔球状药包爆破是以利文斯顿爆破漏斗理论为基础的。理论认为,长径比不超过6的药包可视为球状药包,其漏斗爆破机理与真正的球形药包相似;长径比不超过8的药包,其作用相当于球状药包。在一定矿岩和炸药条件下,不形成爆破漏斗时的最小药包埋深称为临界埋深。临界埋深和装药量之间存在下列关系:
                           (1)
式中:——临界埋深,m;
E——应变能系数,m/kg1/3 。在一定的炸药和矿石条件下,E为一常数;
Q——装药量,kg。
形成爆破漏斗时的埋深H与临界埋深之比称为埋深系数。在一定矿石和炸药条件下,存在一个爆破漏斗体积最大、破碎质量最好的埋深,称为最佳埋深。它与装药量Q之间的关系为:
                         (2)
式中:——最佳埋深系数,即最佳埋深与临界埋深之比。
在一定的矿石与炸药条件下,E、均为常数,即最佳埋深仅仅取决于装药量,根据利氏弹性应变方程的演变过程可知,在同一岩体中采用同一种炸药爆破时,小型爆破漏斗试验和大直径深孔(单孔)爆破两者的爆破漏斗参数满足如下关系:
;;              (3)
式中:、——分别为小型爆破漏斗试验和中深孔爆破所用的药包重量,kg;
、——分别为小型爆破漏斗试验药包重量为时,中深孔爆破所用的药包重量为时的最佳埋深,m;
——为小型爆破漏斗试验时当药包重量为,且处于最佳埋深时的最佳爆破漏斗半径,m;
——为中深孔爆破时当药包重量为,且处于最佳埋深时的最佳爆破漏斗半径,m;
、——分别为小型爆破漏斗试验在、状态时及中深孔爆破在、状态时的爆破漏斗体积,m³。
1.2 现场试验
为了确定爆破一次成井试验场地的实际最佳埋深,为成井试验分层提供依据,特在现场进行了一系列单孔爆破漏斗试验。试验地点选在与成井试验同一台阶面,岩性相近的场地。
根据矿山公司实际情况,炸药选用Ф90mm2#岩石乳化炸药,钻孔设备选择Ф140mm的351钻机。试验前,先对场地的虚渣进行清理,排除虚渣对试验的影响。试验炮孔的孔距要布置的足够大,以防止炮孔间的相互影响。每孔试验药量3kg,爆破后对漏斗的各项参数进行测量。测量所得部分爆破漏斗参数如表1所示。
表1 部分爆破漏斗参数表
Table 1 Part of the blasting crater parameters table
孔号 抵抗线W
(m) 单孔药量Q(kg) 漏斗直径d(m) 作用指数 比值漏斗半径 比值抵抗线 爆破漏斗体积(m3) 炸药单耗(kg/m3)
1 0.98 3 2.175 1.110 0.3625 0.327 2.029 1.479
2 0.98 3 1.908 0.973 0.3180 0.327 2.316 1.230
3 1.07 3 2.115 0.988 0.3525 0.357 2.013 1.490
4 1.09 3 2.563 1.176 0.4270 0.363 2.750 1.091
5 1.10 3 2.038 0.926 0.3400 0.367 2.643 1.135
6 1.07 3 2.093 0.978 0.3490 0.357 2.101 1.428
8 0.82 3 1.240 0.756 0.2070 0.273 0.328 9.146
9 1.08 3 2.400 1.111 0.4000 0.360 1.620 1.852
10 1.30 3 1.180 0.454 0.1970 0.433 0.470 6.383
11 1.50 3 1.500 0.500 0.2500 0.500 0.883 3.398
12 1.70 3 0.850 0.250 0.1420 0.567 0.321 9.346
13 1.90 3 0.930 0.245 0.1550 0.633 0.425 7.059
14 1.23 3 2.030 0.825 0.3380 0.410 1.336 2.246
15 0.96 3 1.970 1.026 0.3280 0.320 0.980 3.061
16 0.83 3 2.190 1.319 0.3650 0.277 1.042 2.879
1.3试验结论
通过对试验爆破漏斗数据进行筛选处理,并结合工程实际,做出回归曲线,如图1。
 
图1 爆破漏斗数据回归曲线
Fig. 1 Blasting crater data regression curve
经回归分析,得二次回归方程:
V=-4.2769h2+10.5776h-4.8475,令V=0,经计算,可求得:h=1.2366。所以试验炸药量为3kg时,最佳埋深为:1.2366m,最佳埋深是确定爆破一次成井分层高度的依据。
2 多孔球状药包爆破一次成井试验
2.1 试验场地概况
本次试验场地选在E区1354水平,该区域主要是矽卡岩型矿体,矿体致密坚硬,硬度系数14~16,松散系数为1.6,属坚韧难爆型矿岩。区域内无构造带出现,岩层稳固性较好。
根据空区扫描分析,本区域1354水平以下32m为空区,该空区比较开阔,长为36.9m,宽为24.2m,高为12m。
2.2 试验方案设计
2.2.1 爆破参数选择
(1)钻孔直径的确定
参考国内外大直径深孔VCR法爆破实践[1-3],由于VCR法掏槽以下部为自由面,通常选用直径比较大的炮孔,如安庆铜矿、凡口铅锌矿、冬瓜山铜矿等矿山,VCR法爆破的钻孔直径通常在165mm以上。
根据三道庄露天采场生产设备情况,矿山目前可用的两种钻孔型号为Ф140mm和Ф250mm两种规格。在此采用Ф250mm规格的钻孔直径进行试验。
(2)爆破药包长径比的确定
VCR法爆破理论基础是利文斯顿球状药包爆破漏斗理论,最大长径比控制在6以下[4],通常钻孔直径越大,装药的长径比控制越好。参考国内外VCR法分层爆破工程实践,药包长径比在4.0以下,爆破效果比较好。为此,本设计确定药包长径比4.0。
(3)分层最大装药量确定
Ф250mm钻孔,按4.0长径比,一次装药高度宜控制在1.00m,分层装药量54.0kg,根据矿山炸药实际情况,分层装药量取54kg(每卷3.0kg),实际分层装药高度0.8m~1.0m(第一分层因空区顶板不平,装药高度从0.3m~1m略有不同)。
(4)药包最佳埋深
根据单孔爆破漏斗现场试验结果,炸药量为3kg时的最佳埋深为:1.2366m,根据公式(3)进行计算:
Ф250mm钻孔,分层装药量54Kg,药包中心最佳埋深为3.16m,考虑药柱有一定的高度,按有一定的富余量进行分析,分层装药高度控制在3.66m。本次试验考虑顶部和底部分层爆破为无穷自由面,中间分层爆破为约束自由面,夹滞性大,所以采用不等分层爆破。另外考虑虚渣因素,顶部一分层为4m,底部因顶板不平分层高度从1.3m~2.6m不等,中间分层因夹滞性不同取2.6m~2.8m不等(第8分层处因为有上下两个自由面所以分层高度确定为6.2m)。
(5)孔距确定
根据爆破相关理论,按下列公式确定孔间距
             A=(1.1~1.2)W                       (4)
式中:A为孔距,W为爆破抵抗线。
Ф250mm钻孔,药包抵抗线W=2.5,A=2.75~3.00m,试验中间孔距取2.0m,中间孔与边孔取2.0m,考虑到满足每个孔抵抗线相等,所以边孔等间距近似布置在半径为3m的一个圆上。孔位布置如图2所示。
 
图2 孔位布置图
Fig. 2 Holes location arrangement
(6)分层间爆破时间间隔的确定
根据爆破理论[5],VCR法分层爆破过程中,炸药爆炸后,爆破体以15~30m/s的速度移动(试验取20m/s),同时在重力加速度的作用下,爆破块体向下移动,爆破块体向下移动距离S与时间t的关系式为:
S=20t+1/2gt2                         (5)
设分层爆破高度为H,每分层爆破需补尝空间1.6H,也就是说,爆破的岩石向下移动1.6H后,才能起爆上一分层的炸药。
①当分层一次爆破高度2.8m,以下部为自由面爆破时,解方程:2.8×1.6=20t+0.5×10×t2,得t≈0.21s,分层爆破时间间隔取200ms;
②当分层一次爆破高度2.8m,以上部为自由面爆破时,解方程:2.8×1.6=20t-0.5×10×t2,得t≈0.24s,分层爆破时间间隔取230ms;
③当分层一次爆破高度4m(顶部分层),以上部为自由面爆破时,解方程:4×1.6=20t-0.5×10×t2,得t≈0.35s,考虑各分层的起爆顺序,最顶部两个分层的爆破时间间隔取320ms。
(7)起爆网络的确定
因为本次爆破试验是一次成井,所以可以充分考虑试验的有利因素,利用上下两个自由面,采取上下同时起爆的方法爆破成井。
本次试验,自下而上共分十层进行分层爆破。经计算,上部为自由面时分层间微差时间取320ms和230ms,以下部为自由面时取200ms的微差时间。爆破碎石向上的抛掷速度取V=20m/s,经计算五层以内,上部爆破碎石抛掷、下落的空间,能够为下一分层爆破(按1.6的膨胀系数)提供足够爆破补偿空间。但考虑到为最终的80m成井试验(只能以下部为自由面)提供数据参考,所以以上部为自由面时只爆两个分层。下部1~5个分层先爆,然后按照10-6-9-7-8的分层顺序起爆,其中第八分层是利用上下两个自由面起爆。起爆器材使用西安庆华数码雷管,网络图如图3所示。
 
图3 起爆网络图
Fig. 3 Blasting network diagram
(8)炸药单耗
Ф250mm钻孔,孔间距2.0~3.0m,共布置12个孔,每分层装药648kg,每分层爆破体积144m3,炸药单耗大约4.5kg/ m3。总体炸药消耗量为6804kg,总体爆破岩石量为3475 m3,总体炸药平均单耗1.97kg/ m3。
2.2.2 补偿空间校核[6]
试验地点采空区高度约为12.0m,空区尺寸:36.9m×24.2m,考虑到有一面靠近空区边缘,按岩渣堆积角40°计算,空区可以容纳成井碎石体积约为4788m3。
本次试验采用Ф250mm深孔成井,理论计算得出的爆破总体积为3475m3。由于本次成井试验有部分分层是向上抛掷爆破,经分析得出成井全部落入空区的岩体的体积仅为2397m3,按1.6的松散系数计算,破碎岩石堆积量为3835m3,空区可以容纳成井碎石体积约为4788m3,显然空区容积满足爆破一次成井的补尝空间要求。
2.2.3 钻孔施工
KY-250型牙轮钻机钻凿Ф250mm孔,孔深31m左右,炮孔偏斜率应小于0.5%。
根据前期施工分析,孔偏可以满足要求,为了确保孔偏小于0.5%,应做到以下要求:
(1)钻机必须是带液压支腿的钻机,在此基础上,清理平整施工工作面,将工作面上的碎石清理出去,使钻机能够站立在坚硬的原岩上,保证钻杆直立和钻机水平,防止钻机工作时偏斜,使炮孔偏斜;
(2)现场布孔用GPS首先确定孔口坐标,采用红油漆定点;
(3)钻机对孔后,要核对钻孔位置,满足要求后,才允许开钻;
(4)钻孔过程中若周围未开始钻的孔,被岩粉覆盖而不能确定孔位时,应用GPS确定钻孔孔口坐标后再施工;
(5)随着钻进的深度增加,岩性会发生一定变化,此时要实时调控钻机压力和钻进速度,以稳定钻机,控制钻头偏移。
总之,钻孔施工过程中要进行孔位偏斜的实时监测,严格按照要求进行施工,确保孔位偏斜率满足要求。同时加强对炮孔岩性的记录,特别记录每个孔的虚渣厚度。
2.2.4 材料消耗
本次试验主要材料消耗见表2。
表2 主要材料消耗表
Table 2 Main material consumption
序号 材料名称 单位 数量 备注
1 Ф90mm乳化炸药 kg 7000 计算值6804kg
2 威力数码雷管0~16000ms 72 脚线长35m(1~3层)
36 脚线长30m(4~6层)
60 脚线长25m(7~10层)
3 起爆具 144
4 数码雷管起爆器材 2
5 胶带 10
6 白胶带 10 记录雷管编号
7 编织袋 50 堵塞、装药
8 测绳 3 50m规格
9 细铁丝 m 500
10 钳子 2
11 炮泥 若干
2.2.5 安全措施
(1)爆破飞石的安全距离。计算爆破飞石的距离为480m,由于爆区周边500m内没有建筑物,不会对地表建筑物造成影响,但爆区周边300m范围内的设备需移走,对爆区周边300~500m范围内的设备进行保护。
(2)爆破地震效应。爆区附近建筑物质点振动速度用下式计算:
                        (6)
式中:v为质点最大允许速度,cm/s;R为测点到爆源中心距离,m;Q为一次最大爆破药量,Q=648kg;K为与炸药性质、爆破方式、地形地质条件有关的系数,K=131.70;为衰减系数,=1.983。
通过计算,本次成井试验最大段别药量为648kg,对爆区周围50m质点振动速度达到4.064cm/s。根据《爆破安全规程》[7]“矿山井下巷道、硐室工程允许质点振动速度为15~30cm/s”,因此,本次爆破试验振动不会对周边50m以外的空区稳定性产生影响。
(3)施工期间,在距试验区20m内安置地压监测点,进行实时监测,确保施工安全。爆破结束后,应在地表圈出范围,做好标记,人员、设备不能擅自进入。在深井周边20m范围内对下部围岩进行不间断监测,确保安全。
2.3 试验效果
本次爆破一次成井试验效果较好,达到了预期目的。现场形成了一个近似圆形的垂直柱状井筒,井壁较为光滑。从测量结果来看,充填井上端口直径约为13.24m,成井断面最小尺寸直径约为6.88m,可见深度29.7m。成井照片如图4。
   
图4 成井照片
Fig. 4 Shaft-formirg photos
3 结论
本次试验通过圆形布孔、不等高分层、设置中间层、分层同响、多层上下依序起爆和分层间合理延时爆破等技术措施,解决了多孔球状药包爆破一次成井的夹制性难题,突破了深孔球状药包爆破一次成井12m的限制,实现了32m天井深孔爆破一次成井,并为最终的80m爆破一次成井提供了理论依据与技术支持。
另外,从本次试验的成功中,我们可以看到,对爆破一次成井参数要通过现场试验确定,不能仅凭经验或是简单的理论计算得出,只有通过现场试验得到的试验参数才是切实可行的。
参考文献(References)
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[7] GB6722-2003 爆破安全规程[S].
 



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