洛鉬集團礦山公司是從事露天開采的現(xiàn)代化大型礦山企業(yè)，現(xiàn)開采的三道莊露天礦是欒川鉬礦田三大礦區(qū)之一，位于河南洛陽市欒川縣冷水鎮(zhèn)境內(nèi)。該礦山是由原來的地下開采轉(zhuǎn)而進行露天開采的，由于歷史原因和地采的不規(guī)范性，導致現(xiàn)在露天開采境界內(nèi)留下了大量的采空區(qū)，且規(guī)模大、錯綜復雜，已嚴重危及到礦山公司的安全生產(chǎn)，空區(qū)處理迫在眉睫。但普通的崩落法處理大型復合高?？諈^(qū)并不適用，而爆破一次成井塊石充填技術(shù)處理這類采空區(qū)，可大大降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，有利于礦山高效、經(jīng)濟生產(chǎn)。因此，礦山公司與中南大學合作，在三道莊露天礦進行了一系列爆破一次成井試驗，確定了可行的爆破方式、合理的裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)和爆破網(wǎng)絡，并為最終實現(xiàn)的80m爆破一次成井提供了強有力的技術(shù)支持與寶貴經(jīng)驗。
1 單孔爆破漏斗試驗
1.1 理論依據(jù)
多孔球狀藥包爆破是以利文斯頓爆破漏斗理論為基礎的。理論認為，長徑比不超過6的藥包可視為球狀藥包，其漏斗爆破機理與真正的球形藥包相似;長徑比不超過8的藥包，其作用相當于球狀藥包。在一定礦巖和炸藥條件下，不形成爆破漏斗時的最小藥包埋深稱為臨界埋深。臨界埋深和裝藥量之間存在下列關系：
形成爆破漏斗時的埋深H與臨界埋深之比稱為埋深系數(shù)。在一定礦石和炸藥條件下，存在一個爆破漏斗體積最大、破碎質(zhì)量最好的埋深，稱為最佳埋深。它與裝藥量Q之間的關系為：
在一定的礦石與炸藥條件下，E、均為常數(shù)，即最佳埋深僅僅取決于裝藥量，根據(jù)利氏彈性應變方程的演變過程可知，在同一巖體中采用同一種炸藥爆破時，小型爆破漏斗試驗和大直徑深孔(單孔)爆破兩者的爆破漏斗參數(shù)滿足如下關系：
1.2 現(xiàn)場試驗
為了確定爆破一次成井試驗場地的實際最佳埋深，為成井試驗分層提供依據(jù)，特在現(xiàn)場進行了一系列單孔爆破漏斗試驗。試驗地點選在與成井試驗同一臺階面，巖性相近的場地。
根據(jù)礦山公司實際情況，炸藥選用Ф90mm2#巖石乳化炸藥，鉆孔設備選擇Ф140mm的351鉆機。試驗前，先對場地的虛渣進行清理，排除虛渣對試驗的影響。試驗炮孔的孔距要布置的足夠大，以防止炮孔間的相互影響。每孔試驗藥量3kg，爆破后對漏斗的各項參數(shù)進行測量。測量所得部分爆破漏斗參數(shù)如表1所示。
表1 部分爆破漏斗參數(shù)表
Table 1 Part of the blasting crater parameters table
1.3試驗結(jié)論
通過對試驗爆破漏斗數(shù)據(jù)進行篩選處理，并結(jié)合工程實際，做出回歸曲線，如圖1。
圖1 爆破漏斗數(shù)據(jù)回歸曲線
Fig. 1 Blasting crater data regression curve
經(jīng)回歸分析，得二次回歸方程：
V=-4.2769h2+10.5776h-4.8475，令V=0，經(jīng)計算，可求得：h=1.2366。所以試驗炸藥量為3kg時，最佳埋深為：1.2366m，最佳埋深是確定爆破一次成井分層高度的依據(jù)。
2 多孔球狀藥包爆破一次成井試驗
2.1 試驗場地概況
本次試驗場地選在E區(qū)1354水平，該區(qū)域主要是矽卡巖型礦體，礦體致密堅硬，硬度系數(shù)14~16，松散系數(shù)為1.6，屬堅韌難爆型礦巖。區(qū)域內(nèi)無構(gòu)造帶出現(xiàn)，巖層穩(wěn)固性較好。
根據(jù)空區(qū)掃描分析，本區(qū)域1354水平以下32m為空區(qū)，該空區(qū)比較開闊，長為36.9m，寬為24.2m，高為12m。
2.2 試驗方案設計
2.2.1 爆破參數(shù)選擇
(1)鉆孔直徑的確定
參考國內(nèi)外大直徑深孔VCR法爆破實踐[1-3]，由于VCR法掏槽以下部為自由面，通常選用直徑比較大的炮孔，如安慶銅礦、凡口鉛鋅礦、冬瓜山銅礦等礦山，VCR法爆破的鉆孔直徑通常在165mm以上。
根據(jù)三道莊露天采場生產(chǎn)設備情況，礦山目前可用的兩種鉆孔型號為Ф140mm和Ф250mm兩種規(guī)格。在此采用Ф250mm規(guī)格的鉆孔直徑進行試驗。
(2)爆破藥包長徑比的確定
VCR法爆破理論基礎是利文斯頓球狀藥包爆破漏斗理論，最大長徑比控制在6以下[4]，通常鉆孔直徑越大，裝藥的長徑比控制越好。參考國內(nèi)外VCR法分層爆破工程實踐，藥包長徑比在4.0以下，爆破效果比較好。為此，本設計確定藥包長徑比4.0。
(3)分層最大裝藥量確定
Ф250mm鉆孔，按4.0長徑比，一次裝藥高度宜控制在1.00m，分層裝藥量54.0kg，根據(jù)礦山炸藥實際情況，分層裝藥量取54kg(每卷3.0kg)，實際分層裝藥高度0.8m~1.0m(第一分層因空區(qū)頂板不平，裝藥高度從0.3m~1m略有不同)。
(4)藥包最佳埋深
根據(jù)單孔爆破漏斗現(xiàn)場試驗結(jié)果，炸藥量為3kg時的最佳埋深為：1.2366m，根據(jù)公式(3)進行計算：
Ф250mm鉆孔，分層裝藥量54Kg，藥包中心最佳埋深為3.16m，考慮藥柱有一定的高度，按有一定的富余量進行分析，分層裝藥高度控制在3.66m。本次試驗考慮頂部和底部分層爆破為無窮自由面，中間分層爆破為約束自由面，夾滯性大，所以采用不等分層爆破。另外考慮虛渣因素，頂部一分層為4m，底部因頂板不平分層高度從1.3m~2.6m不等，中間分層因夾滯性不同取2.6m~2.8m不等(第8分層處因為有上下兩個自由面所以分層高度確定為6.2m)。
(5)孔距確定
根據(jù)爆破相關理論，按下列公式確定孔間距
A=(1.1~1.2)W (4)
式中：A為孔距，W為爆破抵抗線。
Ф250mm鉆孔，藥包抵抗線W=2.5，A=2.75~3.00m，試驗中間孔距取2.0m，中間孔與邊孔取2.0m，考慮到滿足每個孔抵抗線相等，所以邊孔等間距近似布置在半徑為3m的一個圓上?？孜徊贾萌鐖D2所示。
圖2 孔位布置圖
Fig. 2 Holes location arrangement
(6)分層間爆破時間間隔的確定
根據(jù)爆破理論[5]，VCR法分層爆破過程中，炸藥爆炸后，爆破體以15~30m/s的速度移動(試驗取20m/s)，同時在重力加速度的作用下，爆破塊體向下移動，爆破塊體向下移動距離S與時間t的關系式為：
S=20t+1/2gt2 (5)
設分層爆破高度為H，每分層爆破需補嘗空間1.6H，也就是說，爆破的巖石向下移動1.6H后，才能起爆上一分層的炸藥。
①當分層一次爆破高度2.8m，以下部為自由面爆破時，解方程：2.8×1.6=20t+0.5×10×t2，得t≈0.21s，分層爆破時間間隔取200ms;
②當分層一次爆破高度2.8m，以上部為自由面爆破時，解方程：2.8×1.6=20t-0.5×10×t2，得t≈0.24s，分層爆破時間間隔取230ms;
③當分層一次爆破高度4m(頂部分層)，以上部為自由面爆破時，解方程：4×1.6=20t-0.5×10×t2，得t≈0.35s，考慮各分層的起爆順序，最頂部兩個分層的爆破時間間隔取320ms。
(7)起爆網(wǎng)絡的確定
因為本次爆破試驗是一次成井，所以可以充分考慮試驗的有利因素，利用上下兩個自由面，采取上下同時起爆的方法爆破成井。
本次試驗，自下而上共分十層進行分層爆破。經(jīng)計算，上部為自由面時分層間微差時間取320ms和230ms，以下部為自由面時取200ms的微差時間。爆破碎石向上的拋擲速度取V=20m/s，經(jīng)計算五層以內(nèi)，上部爆破碎石拋擲、下落的空間，能夠為下一分層爆破(按1.6的膨脹系數(shù))提供足夠爆破補償空間。但考慮到為最終的80m成井試驗(只能以下部為自由面)提供數(shù)據(jù)參考，所以以上部為自由面時只爆兩個分層。下部1~5個分層先爆，然后按照10-6-9-7-8的分層順序起爆，其中第八分層是利用上下兩個自由面起爆。起爆器材使用西安慶華數(shù)碼雷管，網(wǎng)絡圖如圖3所示。
圖3 起爆網(wǎng)絡圖
Fig. 3 Blasting network diagram
(8)炸藥單耗
Ф250mm鉆孔，孔間距2.0~3.0m，共布置12個孔，每分層裝藥648kg，每分層爆破體積144m3，炸藥單耗大約4.5kg/ m3?？傮w炸藥消耗量為6804kg，總體爆破巖石量為3475 m3，總體炸藥平均單耗1.97kg/ m3。
2.2.2 補償空間校核[6]
試驗地點采空區(qū)高度約為12.0m，空區(qū)尺寸：36.9m×24.2m，考慮到有一面靠近空區(qū)邊緣，按巖渣堆積角40°計算，空區(qū)可以容納成井碎石體積約為4788m3。
本次試驗采用Ф250mm深孔成井，理論計算得出的爆破總體積為3475m3。由于本次成井試驗有部分分層是向上拋擲爆破，經(jīng)分析得出成井全部落入空區(qū)的巖體的體積僅為2397m3，按1.6的松散系數(shù)計算，破碎巖石堆積量為3835m3，空區(qū)可以容納成井碎石體積約為4788m3，顯然空區(qū)容積滿足爆破一次成井的補嘗空間要求。
2.2.3 鉆孔施工
KY-250型牙輪鉆機鉆鑿Ф250mm孔，孔深31m左右，炮孔偏斜率應小于0.5%。
根據(jù)前期施工分析，孔偏可以滿足要求，為了確?？灼∮?.5%，應做到以下要求：
(1)鉆機必須是帶液壓支腿的鉆機，在此基礎上，清理平整施工工作面，將工作面上的碎石清理出去，使鉆機能夠站立在堅硬的原巖上，保證鉆桿直立和鉆機水平，防止鉆機工作時偏斜，使炮孔偏斜;
(2)現(xiàn)場布孔用GPS首先確定孔口坐標，采用紅油漆定點;
(3)鉆機對孔后，要核對鉆孔位置，滿足要求后，才允許開鉆;
(4)鉆孔過程中若周圍未開始鉆的孔，被巖粉覆蓋而不能確定孔位時，應用GPS確定鉆孔孔口坐標后再施工;
(5)隨著鉆進的深度增加，巖性會發(fā)生一定變化，此時要實時調(diào)控鉆機壓力和鉆進速度，以穩(wěn)定鉆機，控制鉆頭偏移。
總之，鉆孔施工過程中要進行孔位偏斜的實時監(jiān)測，嚴格按照要求進行施工，確?？孜黄甭蕽M足要求。同時加強對炮孔巖性的記錄，特別記錄每個孔的虛渣厚度。
2.2.4 材料消耗
本次試驗主要材料消耗見表2。
表2 主要材料消耗表
Table 2 Main material consumption
2.2.5 安全措施
(1)爆破飛石的安全距離。計算爆破飛石的距離為480m，由于爆區(qū)周邊500m內(nèi)沒有建筑物，不會對地表建筑物造成影響，但爆區(qū)周邊300m范圍內(nèi)的設備需移走，對爆區(qū)周邊300~500m范圍內(nèi)的設備進行保護。
(2)爆破地震效應。爆區(qū)附近建筑物質(zhì)點振動速度用下式計算：
式中：v為質(zhì)點最大允許速度，cm/s;R為測點到爆源中心距離，m;Q為一次最大爆破藥量，Q=648kg;K為與炸藥性質(zhì)、爆破方式、地形地質(zhì)條件有關的系數(shù)，K=131.70;為衰減系數(shù)，=1.983。
通過計算，本次成井試驗最大段別藥量為648kg，對爆區(qū)周圍50m質(zhì)點振動速度達到4.064cm/s。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》[7]“礦山井下巷道、硐室工程允許質(zhì)點振動速度為15~30cm/s”，因此，本次爆破試驗振動不會對周邊50m以外的空區(qū)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。
(3)施工期間，在距試驗區(qū)20m內(nèi)安置地壓監(jiān)測點，進行實時監(jiān)測，確保施工安全。爆破結(jié)束后，應在地表圈出范圍，做好標記，人員、設備不能擅自進入。在深井周邊20m范圍內(nèi)對下部圍巖進行不間斷監(jiān)測，確保安全。
2.3 試驗效果
本次爆破一次成井試驗效果較好，達到了預期目的?，F(xiàn)場形成了一個近似圓形的垂直柱狀井筒，井壁較為光滑。從測量結(jié)果來看，充填井上端口直徑約為13.24m，成井斷面最小尺寸直徑約為6.88m，可見深度29.7m。成井照片如圖4。
圖4 成井照片
Fig. 4 Shaft-formirg photos
3 結(jié)論
本次試驗通過圓形布孔、不等高分層、設置中間層、分層同響、多層上下依序起爆和分層間合理延時爆破等技術(shù)措施，解決了多孔球狀藥包爆破一次成井的夾制性難題，突破了深孔球狀藥包爆破一次成井12m的限制，實現(xiàn)了32m天井深孔爆破一次成井，并為最終的80m爆破一次成井提供了理論依據(jù)與技術(shù)支持。
另外，從本次試驗的成功中，我們可以看到，對爆破一次成井參數(shù)要通過現(xiàn)場試驗確定，不能僅憑經(jīng)驗或是簡單的理論計算得出，只有通過現(xiàn)場試驗得到的試驗參數(shù)才是切實可行的。
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聲明：
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：金源爆破工程有限公司
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