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：
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：
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：
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
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
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：
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。
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编辑：中冶有色技术网
来源：金源爆破工程有限公司
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