大密集系数布孔形式在水平扇形深孔中的应用与认识

大密集系数布孔形式在水平扇形深孔中的应用与认识

李先洲1

云铜技术中心矿山研究院云南玉溪653100

摘要：对于等量炸药在一定埋深范围内，埋置深度越小，其爆破作用越强，所形成爆破坑越大，其对应的爆破漏斗底圆半径越大，同样的其对应的爆破抛掷角越大。

关键词：水平扇形深孔、大密集系数、孔网参数、应力

一、前言

大密集系数的深孔布置形式，在地下矿山尤其是水平崩落法的采矿工艺下少有应用。随着传统型深孔布置形式在我矿生产中显露的诸多弊端，我们迫切的需要一种新型的孔型来满足生产，为此，我们提出了大密集系数的深孔布置样式。

二、布孔方式

本矿采用的采矿方法为水平深孔落矿有底柱分段崩落法（见图1），分段高度约25m。深孔机械为潜孔钻，配有108mm的球齿钻头，孔深多集中在8-12m，角度多集中在20度以下。主采岩层的岩石普氏系数f=6-8，为中等稳固的白云岩，性脆。采用毫秒微差爆破技术，为水平挤压爆破，传统布孔方式如图2示：

图1水平深孔落矿有底柱分段崩落法采矿工艺

图2传统孔的孔底示意图

2008年4月，我矿推出了一种新型的大密集系数交错布置方式。它的布孔方式为，一个凿岩硐室内一个立柱三个机高，机高分别为0.8米、1.2米、1.8米，即一个硐室有三个机心点，所有的孔都是由这三个机心点各自右旋散开成三排排列。其中，0.8米机高负责的水平孔的排面，1.2米机高、1.8米机高分别负责水平孔排面上面的两排捎带角度的孔的排面。

排面间的孔底部位的垂直距离为1.7米，即W=1.7米，一个排面内的两相近的孔的孔底距离为5.0米，即D=5.0米。孔网参数为M=D/W=5.0/1.7=3。同时，对排与排稍作调整，使排与排之间的孔呈交错布置，也就是把原一列三个深孔中间的1.2米机高的孔，在原方位上，各自都旋转了某个角度到了原有两列的正中间。其布孔方式具体如下图所示：

图3梅花孔的孔底图和立体示意图

它和上述传统的孔的区别在于，它在原有的两个机心点中间新增了一个机心点，把一个凿岩硐室内原有的两排面，增加到了三排面，它缩小了排面之间的距离，但拉大了排内相邻孔的孔底距离，并且使排面之间的孔呈交错布置态，具体区别如下表所示：

孔型最大孔底距D

（m）最小抵抗线W

（m）孔网

面积孔网

系数机高

个数排面

关系

传统孔型3.02.57.51.22平行布置

梅花孔型5.01.78.533交错布置

表一水平孔传统孔与大密集系数孔的对比表

三、作用机理

我矿的大密集系数的孔网密度为m=3，由成组药包齐发爆破的理论可以确定，在一定的范围内，当m>2时，此时两药包的爆破漏斗为两个独立的漏斗，此底圆爆破漏斗半径r介于1.7-2.5米之间，见图4。

两独立漏斗的结论决定了此组药包起爆后所形成的自由面为近似波浪形，如图5示。分析图4，由几何关系得出，后段别药包，相对于这样一个自由面，其抵抗线在2.8-3.4米之间，即药包距波浪形自由面的最小抵抗线为垂直于波面距离W2=2.8-3.0米，最大抵抗线为垂直于波谷的距离W1=3.4米。由矿山经验公式最小抵抗线选取W=（25-30）d，其中d为深孔直径，为108mm，得W=（25-30）*108=2.70-3.24米，同时考虑到上述的自由面的近似处理，其实际的最大、最小抵抗线都是可近似的认为在这个经验值的抵抗线的区间之中，所以，它的抵抗线是合理的。

图4成组药包齐发起爆爆破机理图

对于等量炸药在一定埋深范围内，埋置深度越小，其爆破作用越强，所形成爆破坑越大，其对应的爆破漏斗底圆半径越大，其对应的爆破漏斗抛掷角越大。我矿的大密集系数，其爆破作用指数1.0<n<1.47，相对而言为浅埋炸药，爆破作用指数的理论指出，当1<n<3.0时候，爆破漏斗抛掷角C=90度上述的正比关系较为明显。所以，它的爆破漏斗抛掷角C是明显大于90度的加强抛掷漏斗。

加强抛掷漏斗的显著特点为两药包的径向连线垂直时，其垂足在波浪形自由面以外，且垂足附近的区域也在自由面以外。当两药包的径向连线垂直时，由于应力的叠加原理，即药包径向的应力衍生的切向拉（压）应力与相邻药包径向压（拉）应力作用方向相反叠加而导致该垂足点附近区域的应力相对下降，见图8，从而使岩石的爆破破碎受其影响。

综合以上结论，大密集系数的深孔布孔方式，其作用机理相比于传统孔型，具体体现在以下四点。

1．可增大爆破自由面面积，为后续爆破提供良好的指向。由于大密集系数爆破后形成的破浪形的自由面相比于传统孔所形成平面自由面，它的自由面更大。特别是波浪形自由面的波谷位置，此种效果更为直观（图4），因为此处的实体，处在最大抵抗线的位置，但其两侧都为临空面，再加之此区域为前排炮的应力叠加升高区，前排炮产生的裂隙处在准应力状态，所以它的爆破破碎效果更好。

图5相邻两药包随药包距离而形成的爆破漏斗示意图

（图中m=a/W，其中a为两药包中心距，W为最小抵抗线）

2．可提高同段别孔各自崩落岩块的相互碰撞的几率。由于上述“v”型自由面的存在，爆破时，其同段别孔崩落时的指向都是垂直自由面的，这样的自由面就保证了其指向的相交，而非传统型孔的相互平行，显然，相交指向时的崩落比平行指向时的崩落，其相互碰撞的几率更大，从而更有利于破碎，如图所示。

图6波浪形自由面如炮孔示意图

3．可有效的控制应力升高区在实体内，为后续爆破提供条件；同时保证应力降低区被排除在自由面之外的空中，更有利于降低大块的产出。由上述分析可知，两相邻一定距离的药包，其连心线上应力得到加强，连心线径向方向互为垂直时附近为应力降低区，如图示。我矿使用的大密集系数的参数，可有效地控制应力降低区在临空面以下，从而减少大块的产出。

图7两药包连心线上应力叠加图

图8两药包径向方向互为垂直时应力叠加降低图

4．可有效的降低水平孔孔口区域的深孔的过份密集。在大爆破时，孔口深孔的过份密集，使孔口附近的区域过早的形成贯穿裂隙，与自由面连通，从而使爆生气体过早的逸出爆破实体，这必然导致爆生气体“气楔作用”还未充分作用就停止的情况的出现，带来较高的大块产出率。采用大密集系数的布孔方式可有效避免此种情况的发生。

四、优劣分析

采用大密集系数交错孔布置形式，其优点主要如下：

1．可节约深孔量，从而减少深孔量及爆破方面的相关投入。按孔底落点的面所控制的采矿边界面积进行计算，可初略计算出可节约深孔量为11.8%。

2．可显著的降低大块产出率，从而降低二次破碎的成本。这在上面的爆破机理上已有分析，在这里不做它述。

但也有其缺点，水平深孔落矿分段崩落法的凿岩硐室，在上下分层为交错或相对布置的（见图1），势必会出现上、下层硐室的孔的方位不平行的现象，它必然也是呈交错状的，如图7所示，这就导致部分区域上下两层孔抵抗线达5-6.5米，它与所设定的孔网参数相背离，其过大的抵抗线，势必会产生较多的大块。

图9上下层硐室深孔复合图与加孔图

为克服这些薄弱区域带来的影响，我们可以通过下层硐室1.8米机高、孔深约3-5米、倾角约为35-60度的挑顶孔来对这些盲区进行加强，如图9。

五、适用范围

大密集系数的深孔布置样式进行深孔布置的推广运用，必须根据具体的岩石情况来加以选择，对于较为稳固、性脆的岩石，可以用大密集系数样式，对于松散软弱层岩石，则应当抛弃大密集系数样式，而采用传统型的布置样式。

六、结论

结合以上分析，从爆破机理上看，大密集系数布置方式其爆破时能量分布更为均匀，它很大程度上克服了传统孔型的孔口过分密集与孔底相对稀疏的弊端，同时，炮孔间的应力的叠加，在很大程度上改善了爆破效果，其产生的裂隙又为后续雷管炸药的岩石破碎产生了积极的作用。总之，采用大密集系数的深孔布置样式相比于传统的深孔样式，其在成本控制、爆破效果的改善是有积极作用的。

参考文献：

[1]于亚伦主编，工程爆破理论与技术。北京：冶金工业出版社，2004

[2]高尔新，杨仁树。爆破工程。徐州：中国矿业大学出版社，1999

[3]何满潮。岩石力学与工程。北京：科学出版社，2002