某露天礦富水區水孔爆破現場試驗和參數優化*

王壟,柏樹豐,王天龍,嚴頔

(云南磷化集團有限公司,云南 昆明 650600)

0 引言

隨著國內露天礦臺階爆破向設備大型化、裝藥自動化方向發展,大孔徑深孔爆破在礦山生產中得到了廣泛應用,爆破質量、效率及安全性有了較大改善,取得了一定效果。但露天礦深孔臺階爆破過程中,受大氣降水或地下水發育補給、孔隙含水等因素影響,經常出現水孔,有相當一部分露天礦或采石場的水孔爆破經常出現拒爆、沖孔、根底、大塊率高等情況,爆破效果得不到保證。生產實際中多采取抽排水措施來消除水孔的不利影響,但實際效果隨排水效率和現場情況的不同差異較大,爆破質量也未能從根本上得到改善。

長期以來,隨著常規水壓爆破理論研究和實際應用的不斷發展,對利用水作為耦合介質的耦合爆破技術的研究逐漸深入,并取得較多成果[1]。國內外學者研究認為[2-4],水相對于空氣介質密度較大,可壓縮性相對較差,在炸藥爆轟瞬間,在孔內水介質中產生的高強度沖擊波顯著高于空氣介質,與空氣、細沙等惰性耦合介質相比,用水介質耦合時可增大孔間距50%～70%,或可減少裝藥50%。黃年輝[5]研究表明,水介質耦合爆破沖擊波傳載損耗小,炮孔內壓力持續作用時間長。冉恒謙等[1]研究了水介質耦合動水壓力破巖作用,測試分析了爆生氣體后續膨脹擠壓作用下水介質壓力變化規律。尹根成等[6]通過對水壓爆破機理的研究表明,藥柱爆轟波在水中形成沖擊波到達孔壁時發生反射,反射波傳到分界面后,水介質達到準靜壓力狀態,在反射波-準靜壓力共同作用下,孔壁巖體發生振動、變形和產生初始裂紋,而透射應力波壓縮巖體產生切向拉伸應力,當拉應力大于巖石動態抗拉強度時,巖體產生徑向裂紋。趙華兵等[7]證明了水介質耦合爆破能顯著提高炸藥利用率和破巖能力。楊敬軒等[8]圍繞圍巖裂隙充水承壓爆破控制機理,開展了系列試驗研究,并建立了承壓爆破力學機制模型,提出了波動傳載先導破巖與聯合傳爆介質后續膨脹擠壓增裂原理,并取得了良好效果。

針對大型露天礦富水區臺階深孔爆破,抽排水不僅增加成本和工作量,同時受地形和采場排水系統布設的制約,效果往往不及預期。以云南磷化集團某礦山富水區礦巖臺階爆破工程為例,在總結吸收前人水壓爆破優秀成果的基礎上,對影響水孔爆破效果的原因和充水炮孔水耦合爆破機理進行了理論分析和現場試驗,對爆破參數進行了優化。

1 工程概況

云南磷化集團公司的某大型露天礦山的采場臺階高度為10 m,鉆孔設備采用Φ150 mm 潛孔鉆機,鉆孔深度為9.6～11 m(超深1.0 m)。近年來,隨著開采水平不斷下降,深部礦巖體巖溶裂隙水和碎屑巖裂隙水發育,并受區域震旦系上統燈影組(zbdn)含水層控制,作為深部礦巖體水的補給來源,巖層中巖溶、裂隙發育,地下水動態穩定,致使主要采坑內積水嚴重,雖然布置了抽水設備設施,但坑底礦巖工作面徑流明顯,極大地影響了露天爆破作業和爆破效果。因此,分析和優化水孔爆破參數,對改善露天水孔爆破效果,提高經濟效益具有重要意義。目前采用的主要爆破參數見表1。

表1 爆破技術參數

2 富水區充水炮孔對爆破效果影響分析

2.1 水孔影響爆破效果的原因分析

富水區現場水孔爆破的實施,按耦合裝藥條件下的無水干孔爆破參數設計,沒有考慮水對穿孔質量的影響,以及爆破過程中水介質的作用及水介質對礦巖介質的影響,忽視了在水孔環境下爆炸作用對周圍巖石破壞范圍和效果的影響,導致經常出現沖孔、大塊、根底等現象,使炸藥的爆炸能量沒有得到充分的利用,具體原因如下。

(1) 孔網參數不合理,有效孔深不夠。水介質相對于空氣介質密度較大,可壓縮性相對較差,在炸藥爆轟瞬間,孔內水介質中產生的高強度沖擊波顯著高于空氣介質。大氣壓條件下水介質沖擊波初始壓力為104MPa,而空氣介質中沖擊波初始壓力約為80～130 MPa。采用水介質可明顯提高炸藥能量的介質傳載效率,從而提高炸藥能量利用率。在實際施工中未考慮水孔爆破在人工裝藥條件下須采用徑向不耦合裝藥,從而選擇的炸藥單耗、單孔裝藥量等參數值偏大并高于實際需要;反之,采用耦合裝藥條件下的無水干孔孔網參數可能與實際相比偏小,對孔網參數值應作適當調整。

當在含水量較大或涌水的巖層中穿孔作業時,由于孔壁周圍巖縫中靜水壓力作用,使鉆機排碴困難,當鉆桿從鉆孔中提出后,未排出的巖碴又落回孔底,使得穿孔深度小于炮孔設計深度,導致炮孔有效深度不夠。經現場實測統計,富水區炮孔內未清巖碴占鉆進孔深的4%～8%,平均約為0.55 m。另外,在設計單孔藥量確定的情況下,由于炮孔內水的浮力作用以及巖粉與水容易生成泥漿,使炸藥不容易下沉,在事實上實現了不耦合裝藥,導致炮孔的線裝藥密度變小,實際為12.5 kg/m。裝藥長度增大,多數炮孔堵塞長度低于設計長度;堵塞長度不足加之水流影響,造成沖孔率高達30%以上;爆后大塊、根底多。為了保證有效孔深,水孔的鉆孔深度應大于設計孔深。

(2) 炸藥單耗不合理。根據現場巖石性質選擇的炸藥單耗,未考慮爆破過程中水這種不可壓縮介質的高波阻抗特征;未充分利用水介質傳爆過程中自身消耗的變形能較少,波強度衰減較慢,介質密度高,慣性大,爆轟產物在水介質中膨脹時間明顯增加,爆轟波均勻傳載、沖擊波作用時間延長和水楔作用對裂隙擴展等有利于巖石破碎的積極因素,以及水介質對礦巖介質強度的影響,從而使得孔網參數可能與實際需要不相符,應作適當調整。

(3) 裝藥質量差,拒爆現象偶有發生。對于水孔爆破,目前受裝藥方式限制,采用人工裝藥。裝藥的基本方法是:選定責任性較強的爆破員,用竹竿將藥卷緩慢壓入水孔內,并盡力使兩個藥卷卡在孔壁之間,確保藥卷間接觸和一定的裝藥長度。受炮孔涌水和浮力作用,存在水中裝藥連續性中斷或起爆藥包雷管在裝藥過程中脫離的情況,偶爾會引起少量炮孔拒爆。另外,炮孔涌水和浮力作用對堵塞質量也會產生不利影響。

以上問題是導致水孔爆破根底、沖孔、大塊率高的根本原因。因此,為解決水孔爆破存在的問題,提高水孔爆破質量是很有必要的。

2.2 水對巖石強度的影響

在富水區域礦巖孔隙及裂隙中廣泛地存在水,在沖擊動載作用下來不及排出或不易排出,產生裂隙水壓力,此時存在于巖石內部的初始微裂紋端部處于受拉狀態,破壞巖石的結構連接,導致巖石有效應力減小,從而降低了巖石的抗剪強度。

飽和多孔巖石的抗剪強度公式:

M-C主應力表達式:

有效應力表達式:

其中:

將式(4)代入式(3)后得:

由式(5)可知,-Pw(Nφ-1)恒為負值,說明孔隙水壓力減小了抗剪強度中的摩擦阻力,其程度與孔隙水壓力大小有關,隨著孔隙水壓力的增大,巖石強度降低。

2.3 炮孔充水時爆破機理分析

2.3.1 裝藥周邊水介質沖擊傳載機理分析

采用人工裝藥時,受成品藥包包裝及孔徑等限制,孔內藥包之間、藥包與孔壁之間存在一定間隙,相當于空氣介質不耦合裝藥結構。炮孔內炸藥爆轟波及爆轟產物對空氣介質的壓縮做功和產熱,導致空氣介質對沖擊波傳載衰減程度遠大于裝藥周邊水介質的情況,而未發揮沖擊破巖作用。由于高壓條件下水介質壓縮性不顯著,如在沖擊波波前過后水介質壓力超過5 GPa 時,水介質密度達到1.5×103kg/m3,即使壓力達到25 GPa,水介質密度也僅為1.85×103kg/m3。因為水介質密度、波阻抗指標值遠大于空氣介質相應指標,水介質的傳載效率高,爆炸能量傳遞損耗衰減少。

根據爆炸沖擊波理論,爆轟波入射到不同波阻抗兩介質界面時,將導致界面處出現反射沖擊波和透射沖擊波。爆轟沖擊波在裝藥和裝藥周邊兩種介質面的反射系數F及透射系數T見式(6)。

式中,ρ1、ρ2分別為兩種不同介質的密度,kg/m3;cp1、cp2分別為縱波傳播速度,m/s。

由式(6)可知,透射系數T恒大于零。當裝藥周邊介質波阻抗較小(ρ1cp1＞ρ2cp2)時,入射爆轟波在兩介質界面的反射系數F＜0,則進入裝藥周邊介質的沖擊波透射系數T＜1。這表明透射波的強度與入射波相比有所降低,其降低的幅度與進入裝藥介質的反射拉伸波的強度相當。較之水介質,空氣介質波阻抗值極小,導致裝藥周邊水介質透射系數是空氣介質的2倍,約為0.6,表明提高裝藥周邊介質的波阻抗,有利于增加爆轟波對裝藥周邊介質的作用強度,提高其在介質層內激起沖擊波的強度和破壞能力。增強的水介質沖擊波有利于產生對孔壁圍巖破碎的導向作用。

研究表明,鉆孔中炸藥爆轟波的高速撞擊會在水介質中激發高強度的沖擊波,使孔內水處于高壓狀態;高強度沖擊波后壓力隨傳載介質初始密度的增加而近似呈線性增大,且當達到一定值時,沖擊波后壓力將達到甚至超過炸藥爆轟壓力;當高強度沖擊波穿透有限厚度的水介質進入孔壁界面時,其衰減量也很少,巖石透射沖擊波強度約為2～3 GPa,進而對孔壁圍巖產生壓縮破壞作用;且孔壁圍巖波阻抗相對較大,在產生透射沖擊波的同時,也產生一定強度的反射沖擊波,并以壓縮波的形式進入已受透射沖擊波擾動的水介質層。

當沖擊波在鉆孔內的水介質中經過多次反射和透射后,水介質內應力趨于均勻,水介質承載系數將不斷增大,并限制水介質中激起的沖擊波透射到鉆孔圍巖中,從而顯著提高水介質后續膨脹做功的能力。當高強度沖擊波穿透有限的水介質厚度進入孔壁界面后,即對孔壁圍巖產生壓縮破壞,形成壓實區或粉碎區,同時在粉碎區邊界衰減為應力波,此時在應力波作用下,鉆孔粉碎區邊界外側產生徑向拉伸裂紋,并與孔壁壓實區或粉碎區貫通。

隨著應力波強度的持續降低和鉆孔孔腔圍巖積累的壓縮變形能的釋放,徑向裂隙區域產生與應力波方向相反的拉伸應力,進而在圍巖中形成環向拉伸裂隙。在圍巖應力波作用下,鉆孔周邊圍巖徑向拉伸裂紋、環向拉伸裂隙受壓進一步發育、擴展,并與礦巖中存在空隙水壓力的天然裂隙疊加、耦合,為下一步在高溫高壓爆轟產物推動的高壓水介質條件下形成高速“水楔”,進入初始裂隙并均勻傳遞壓力創造了條件。

2.3.2 爆轟產物推動高壓水介質增裂機理分析

鉆孔內爆轟產物的后續膨脹作功將推動水介質形成 “水楔”并進入圍巖初始裂隙,裂隙受壓進一步發育、擴展,并產生更多次生裂紋,從而實現水介質對鉆孔中遠區圍巖的增裂作用。長江水電科學院研究提出了巖石斷裂韌度KIc與其抗壓強度σt間的估算公式和圍巖裂隙起裂判據,見式(7)和式(8)。

由式(7)和式(8)可知,當裂紋尖端應力強度因子KI達到巖石I型斷裂韌度時,巖石處于臨界應力狀態,裂紋進行擴展,隨著擴展長度增加,KI呈下降趨勢?？紤]裂紋之間的相互作用,張拉裂紋穩定擴展到一定臨界擴展長度后,裂縫之間將貫穿連通,直至裂紋之間出現失穩而破壞。在較高圍壓下,尤其是在沖擊動載條件下,裂隙巖體將沿結構面產生剪切斷裂破壞,主要機制是:在剪切裂紋尖端出現穩定擴展的微張拉裂紋,引起兩剪切裂紋之間的巖橋上出現微張裂紋,顯著削弱巖石的剪切斷裂韌度,從而促進裂紋進一步發展、貫穿。在水介質作用下,孔內爆轟產物的后續膨脹作功將推動高壓水介質形成高速“水楔”,并均勻傳載進入圍巖初始裂隙,圍巖獲得更多的裂隙擴展動能,促進圍巖裂隙發展并以更快的速度擴展?？梢娍變人橘|有效提高了傳遞給圍巖的爆炸沖量,并延長了爆轟氣體產物的膨脹作用,擴大了巖石的破碎范圍,同時與干孔連續裝藥相比,水孔裝藥高度的提高,更有利于克服臺階上部大塊和根底現象,達到了有利于巖石破碎的作用。

3 現場試驗和爆破參數優化

3.1 合理選擇孔網參數

結合水介質高效傳載、爆轟產物與水介質高壓聯合增裂理論分析,在充分利用水介質不耦合裝藥有效提高炸藥爆轟作用于巖石破碎的能量利用率的基礎上,結合生產區實際使用的爆破參數,通過現場試驗,以降低沖孔率和大塊率為目標,對爆破參數重新設計如下。

(1) 鉆孔深度?？咨钣绊懪诳籽b藥量,是爆破后是否出現根底的一個重要參數。在爆破設計時,應重視水孔的有效孔深,充分考慮未清巖碴占鉆進孔深的5%～10%這一因素,應將原設計孔深加深5%以上,取超深1.5 m,孔深11.5 m。

(2) 底盤抵抗線。底盤抵抗線是影響爆破效果的重要參數,主要依據礦巖堅固性、孔徑、炸藥條件、炮孔密集系數等因素確定?，F使用的底盤抵抗線為4.6 m,能有效消除根底,可繼續延用。

(3) 孔距、排距。鉆孔孔徑為150 mm,在降低炸藥單耗的基礎上,孔網參數仍延用礦山日常采用的干孔孔網參數,孔排距以5.5 m×5 m、6 m×4.5 m、7 m×4 m 組合,并測算單孔裝藥量和合理的堵塞長度,通過現場試驗優化確定最優孔排距組合。

(4) 炸藥單耗。通過炮孔充水時爆破機理、水介質增裂機理的理論分析,得出炮孔充水可極大提高炸藥能量利用效率的結論,并參考相關試驗數據,擬按8%、15%、20%降低炸藥單耗進行現場試驗。根據實際線裝藥密度和裝藥長度確定單孔裝藥量,以確保堵塞長度。根據現場實測的線裝藥密度為12.5 kg/m,測算等效裝藥直徑約為130 mm,不耦合系數約為1.15。

3.2 現場試驗及參數優化結果

為改善富水區爆破大塊率、沖孔率較高的現狀,現場試驗以不增加鉆孔成本為基礎,在維持現有延米爆破指標的基礎上,充分考慮到水介質的均勻傳載、高壓水介質“水楔”增裂作用,確定爆破參數組合并編制現場試驗方案。為方便現場鉆孔施工,初選3組礦山常用的孔排距組合,分別為5.5 m×5 m、6 m×4.5 m、7 m×4 m。并以干孔炸藥單耗參數為基準,按分別降低8%、15%、20%三個水平與孔排距組合進行現場分區爆破試驗,以觀察統計方式收集爆堆形態、沖孔率以及采裝過程中的大塊率等數據,并通過現場試驗驗證方案的可行性。結合礦山具體情況,進行一系列試驗并對各項爆破參數進行優化,得出適合于該礦巖條件下的最佳孔網參數,結果見表2。

表2 水孔爆破現場試驗參數及試驗結果匯總

現場試驗結果表明,初選出的3組孔排距組合中,6 m×4.5 m 方案在不同炸藥單耗水平下爆破大塊率最低,單耗降低15%時最優,為7.8%,沖孔率介于另兩孔排距組合之間;而在不同孔排距組合下,炸藥單耗降低15%、20%(分別為0.32 kg/m3、0.30 kg/m3)方案的沖孔率明顯較低,大塊率最低為炸藥單耗降低15%的方案,炸藥單耗為0.32 kg/m3。6 m×4.5 m 孔排距組合及炸藥單耗0.32 kg/m3的組合方案的大塊率、沖孔率分別為3.3%、7.8%。結合前3 次現場試驗成果,在鉆孔深度為9.6 m 的爆破作業中相關指標較好,達到了大塊率、沖孔率分別控制在5%、8.5%以內的預期目標。

4 結論

(1) 基于某露天礦深部采場富水區炮孔充水嚴重進而影響爆破效果的問題,應用巖石力學和爆破理論分析了孔隙水壓力對巖石抗剪強度的影響以及裝藥周邊水介質沖擊傳載機理。利用炮孔中水介質可實現不耦合裝藥,有效利用水介質高效傳載、孔壁初始裂紋激發、爆轟產物與水介質高壓聯合增裂的效應,從而達到顯著降低炸藥單耗和提高爆破效果的目的。

(2) 在水介質不耦合裝藥有效提高炸藥爆轟作用于巖石破碎的能量利用率的基礎上,結合生產實際使用的爆破參數,以降低沖孔率和大塊率為目標,初選5.5 m×5 m、6 m×4.5 m、7 m×4 m 3組礦山常用的孔排距組合,并以干孔炸藥單耗參數為基準,按分別降低8%、15%、20%3個水平與孔排距組合,進行現場分區爆破試驗。

(3) 現場試驗結果表明,6 m×4.5 m 的孔網參數方案在不同炸藥單耗水平下,爆破大塊率最低,炸藥單耗降低15%時最優,為7.8%,沖孔率介于另兩孔排距組合之間;在不同孔排距組合下,炸藥單耗降低15%、20%的方案沖孔率明顯較低,炸藥單耗降低15%的方案大塊率最低,此方案的炸藥單耗為0.32 kg/m3。最優方案為6 m×4.5 m 孔排距組合及炸藥單耗為0.32 kg/m3的組合方案,大塊率、沖孔率分別為3.3%、7.8%。結合前3次現場試驗成果,在鉆孔深度為9.6 m 的爆破作業中,相關指標較好,達到了大塊率、沖孔率分別控制在5%、8.5%以內的預期目標。

(4) 對于類似孔內滲水量不大以及因降雨地表水滲入而積水的炮孔,不需采取排水疏干措施。不僅可使孔底積水變為對爆破有利的條件,提高爆破效果,而且可適當降低炸藥單耗。