巷道爆破環間延時對巖石拋擲距離的影響*

馮銀,陳輝

(新疆大學,新疆維吾爾自治區 烏魯木齊 830046)

0 引言

在地下礦山巷道爆破中,相關研究表明,不良的巖石拋擲會造成爆堆分散、設備損壞、掘進速度降低和成本增加[1]。對巖石拋擲的研究可以追溯到C.W.Liningston爆破漏斗模型,該模型揭示了炸藥放置深度對巖石拋擲的影響[2]。此外,相關研究表明,巖石拋擲受多因素控制,如炮孔傾角[3-4]、炸藥單耗[3]、巖石特性[5]等。

目前,中國數碼電子雷管基本全面開展應用,越來越多的研究表明,環間延時對巖石破碎具有重要作用。宗琦等[6]建立了延遲時間的計算公式,通過模型試驗和工業試驗驗證了公式的正確性和合理性,研究表明,適當增大延遲時間可以改善破碎效果和減少拋擲作用,提高掘進速度和降低成本。許紹明等[7]通過增大輔助掏槽眼和掏槽眼間起爆延遲時間,減小了巖石拋擲距離,利于裝載作業。根據巖石爆破機理,上述研究主要從自由面形成原理和足夠的補償空間去確定環間延時,并不能解釋環間延時對巖石拋擲的影響機理和規律。

基于上述分析,基于碰撞過程中的運動和巖石的爆破過程,建立了環間碰撞巷道爆破模型,分析了環間延時對巖石拋擲的影響。然后再進行現場爆破試驗,探究環間延時對巖石拋擲的影響。

1 原有巷道掘進爆破方案

備戰鐵礦由露天開采轉為掛幫礦開采。礦石的金屬礦物主要為磁鐵礦,其次為黃鐵礦、磁黃鐵礦,少量閃鋅礦、黃銅礦,礦巖巖性主要以綠簾石化矽卡巖、磁鐵礦化矽卡巖、晶屑凝灰巖為主,平均單軸抗壓強度為65.94 MPa,平均單軸抗拉強度為8.73 MPa,礦巖具體力學參數見表1。根據鉆孔RQD 值統計結果:礦區大部分巖體完整性為差至中等,巖石質量為中等,質量等級為Ⅲ至Ⅳ級。

表1 礦巖物理力學參數

試驗區域巷道斷面尺寸為4.2 m×4.0 m。該處原有巷道掘進爆破設計見表2和圖1,采用雙楔形掏槽和光面爆破開挖,鉆孔設備采用手持式鑿巖機,共50個炮孔,除周邊眼和上部斷面炮孔為直眼,下部斷面其余炮孔為斜眼,與掌子面的夾角(θ)從巷道斷面中線沿水平方向到斷面輪廓線逐漸增加。炸藥采用2號巖石乳化炸藥,單次爆破消耗220卷,共計66 kg。雷管使用雪峰公司生產的數碼電子雷管和普通導爆管雷管,單次爆破消耗50發雷管,其中數碼電子雷管爆破方案采用環間延時爆破,環間延時時間為100 ms。雷管延時誤差為1～2 ms,具有較高的精度,滿足此次現場試驗的要求。故試驗雷管采用數碼電子雷管,在原有爆破方案下設置不同的環間延時時間,研究環間延時時間對巖石拋擲的影響。

圖1 原有巷道掘進爆破方案(單位:mm)

表2 原有巷道掘進爆破參數

2 巖石拋擲理論分析

2.1 巖石拋擲機理

目前公認的巖石爆破理論是應力波與爆生氣體相互作用理論,如圖2所示,巖石在沖擊波的作用下形成空腔和破碎區。衰減成壓縮應力波,使得巖石產生環向和徑向裂隙,同時爆生氣體膨脹使得裂隙擴展。應力波到自由面反射形成拉應力波,使得自由面附近出現片落現象和裂紋進一步擴展,或者以地震波的形式傳入遠端。最后在爆生氣體作用下巖石被拋擲。相關研究表明,應力波對巖石拋擲作用較小,主要還是爆生氣體的作用[8-9]。根據自由面的形成時間,哈努卡耶夫認為后爆炮孔以先爆破孔剛好形成爆破漏斗,且爆巖脫離巖石形成0.8～1.0 cm 寬的裂縫時起爆為宜[10]。

圖2 巖石與爆炸荷載相互作用機理

式中,t1為彈性波傳到自由面并返回的時間,s;t2為形成裂縫的時間,s;t3為破碎巖石離開巖體一定距離的時間,s。

基于此,將t1與t2總時間認為是炸藥起爆后自由面形成的時間,在沖擊波和爆生氣體的作用下裂縫已經完全形成,具有明顯的爆破漏斗輪廓線;將t3作為巖石拋擲一定距離的時間。爆生氣體繼續膨脹將碎石拋擲出一定距離,直到爆破完成。

2.2 碰撞理論

本文基于非對心碰撞理論模型分析了碰撞過程中的運動。如圖3所示,假設有A、B 兩小球,質量分別為mA和mB,小球具有非彈性性質且表面粗糙。為了方便討論,假定B 靜止不動,A 取A、B 的相對速度v向B運動。

圖3 非對心碰撞理論模型

如圖3所示,非對心碰撞時相對速度的方向與兩球中心連線的夾角為,水平和豎直方向的分量分別為v x和v y,v x=vcosθ,v y=vsinθ。分別在水平和豎直方向上討論碰撞時的能量損耗。

在水平方向與正撞模型相似,在碰撞時間內,將產生軸力FNA和FNB。其中FNA使得物體A 的水平速度先減小,可能減小到0再反向增加到VAx,但不會超過原來的速度[11]。FNB使得物體B 的水平速度增加到VBx。

在豎直方向,在碰撞時間內物體A、B 發生相對運動,將產生摩擦力F fA和F fB,且F fA=F fB=μFN,摩擦力F fA使得物體A 豎直方向的速度減少為VAy,F fB使得物體B豎直方向的速度增加到VB,同時摩擦力F fA和F fB分別使得物體A、B 產生旋轉(ωA和ωB),故y方向上碰撞后部分動能主要轉化為熱能和角動能,而熱能和角動能不利于物體的拋擲。

由上述分析可知,小球在碰撞作用下,某一方向的速度可能增加或者減少。而這種碰撞作用可能改變巖石的拋擲。

2.3 基于環間爆巖碰撞的巷道掘進爆破模型

基于碰撞理論和巖石拋擲過程,建立了環間爆巖碰撞的巷道掘進爆破模型,分析環間延時對巖石拋擲的影響,如圖4(a)所示。其中R1、R2、R3分別代表掏槽眼、輔助眼和周邊眼;S1為R1起爆后未拋出的碎石的空間,S2為新的補償空間,為了便于分析,定義原有自由面為自由面,S2區域與R1的共有部分為新生自由面,S1區域與R1的共有部分為部分自由面。假設每環所用炸藥量相同,兩環碎片的移動速度大小相同和自由面產生的時間相同,即碎石所具有的動能相同。

圖4 不同環間延時巷道爆破模型

如圖4(a)所示,環間延時為Δt1,爆破后經歷Δt1的時間。由最小抵抗線原理可知,R2起爆后與S1區域相臨的巖石沿部分自由面拋擲,S2處的巖石向新生自由面拋擲。當延時時間增加時,取Δt2＞Δt1,如圖4(b)所示,爆破后經歷Δt2的時間。在S1區域,R2起爆后爆巖在部分自由面碰撞R1起爆后的爆巖,根據碰撞理論,在碰撞作用下R1爆巖在垂直于自由面方向速度增加,拋擲更遠。同理可知,在S2區域同環間的爆巖碰撞并不會使得R2的爆巖垂直于自由面方向的速度增加。由此可知,S1區域更利于巖石拋擲,可以看出延時時間Δt2相比于Δt1,S1區域逐漸減小,S2區域逐漸增加,故隨著環間延時時間的增加,巖石拋擲距離會逐漸減小。同時還應注意當環間延時足夠小時,巖石的拋擲作用可能會減弱,這是因為R1起爆后可能還未形成部分自由面,此時R2的爆巖會受到巖石的夾制作用,甚至可能導致巷道掘進爆破失敗。

3 現場爆破試驗

3.1 試驗方案

為了探究環間延時時間對爆堆形態的影響,在礦山原有爆破設計基礎上,將環間延時時間分別設置為50 ms、100 ms、150 ms、200 ms、500 ms,除環間延時時間不同,其余爆破參數均相同,如炮孔分布、起爆順序以及對應孔裝藥量等參數均相同?，F場炮孔的布置如圖5所示。

圖5 現場炮孔的布置

3.2 試驗區域

測試區域如圖6所示。本次研究選擇在備戰鐵礦3464平臺進行爆破測試。為了能較好地測量爆破后巖石的拋擲距離,需要保證巷道的距離要大于巖石拋擲距離,同時為減少巖性帶來的試驗誤差,選擇了JL1(圖中紫色區域)作為試驗地點(顏色區分見電子版),該試驗區域距離主巷有足夠的距離且位于成礦區域。JL1 區域進行了50 ms、100 ms、150 ms、200 ms、500 ms共5組環間延時爆破試驗。

圖6 爆破試驗區域

3.3 現場試驗數據的獲取

在本次研究中,采用紅外測距儀測量巖石拋擲距離。不僅獲取了巖石的拋擲距離數據,還獲取了爆堆高度數據以及巷道掘進進尺。如圖7所示,巖石拋擲距離不計入飛石拋擲距離,同時根據現場前期的調研,不同環間延時爆破巖石拋擲距離差距較大,故距離收集時取整數。對于爆堆高度的獲取,先在爆堆最高點測量其到巷道拱頂的距離h,則此時的爆堆高度為巷道高度H-h。對于掘進進尺的獲取,在爆破前離巷道斷面2 m 和離地2 m 處用紅漆標注,爆破結束后測出標注處距新巷道斷面的距離a,則巷道進尺為(a-2)m。

圖7 巖石拋擲距離、爆堆高度數據及掘進進尺的收集方法

3.4 現場試驗結果

本次試驗共收集了5組現場試驗數據,每組試驗收集3個試驗結果數據,整理試驗結果得到數據集。試驗結果見表3、圖8、圖9和圖10。

圖8 環間延時時間與巖石拋擲的關系

圖9 環間延時時間與爆堆高度的關系

圖10 環間延時時間與掘進進尺的關系

表3 現場試驗數據

巖石拋擲距離見表3和圖8。從表3和圖8可以看出環間延時對延時拋擲具有顯著影響,在本次試驗中隨著環間延時時間的增加,爆破拋擲距離逐漸減小,如環間延時時間為50 ms、100 ms、150 ms、200 ms、500 ms的巷道爆破,拋擲距離分別為62 m、48 m、28 m、26 m、20 m。并未出現本文2.3節提到的環間延時過小導致巖石拋擲減弱的情況,這可能是因為環間延時時間為50 ms時形成了部分自由面,該試驗結果符合環間延時對巖石拋擲的影響規律。研究結果表明,在這次試驗中延時時間為50 ms的巷道爆破更利于巖石拋擲。

爆堆高度見表3和圖9。隨著環間延時時間的增加,爆堆的高度逐漸增加,如環間延時時間為50 ms、100 ms、150 ms、200 ms、500 ms的巷道爆破,爆堆高度分別為1.78 m、1.86 m、2.14 m、2.23 m、2.59 m。

掘進進尺見表3和圖10。從表3和圖10可以看出,環間延時時間對其影響無規律,這可能是由于測量誤差導致的,因為爆破后的巷道斷面是不平整的。

6 結論

基于碰撞理論和爆破過程分析,建立了環間碰撞的巷道掏槽爆破模型,分析了巷道掘進爆破中環間延時對巖石拋擲的影響,發現環間延時時間的選擇可以通過環間巖石碰撞控制巖石的拋擲,隨環間延時的增加,巖石拋擲距離越遠,但過小的環間延時會減弱巖石的拋擲。通過巷道掘進爆破的環間延時現場試驗,得到以下結論。

(1) 環間延時時間能明顯地控制巖石的拋擲。環間延時時間為50 ms、100 ms、150 ms、200 ms、500 ms的巷道爆破,拋擲距離分別為62 m、48 m、28 m、26 m、20 m。

(2) 環間延時時間為50 ms、100 ms、150 ms、200 ms、500 ms的巷道爆破,爆堆高度分別為1.78 m、1.86 m、2.14 m、2.23 m、2.59 m。