露天矿台阶爆破水炮孔深度测量流量尺技术

董二虎 郭连军(辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051)

在露天台阶松动爆破和台阶边帮预裂爆破中，根据矿山三级储量和矿山设计年生产量，选择1种或2种类型牙轮钻机进行多台阶爆破钻孔布置作业。大孤山铁矿到2017年1月份，1#钻机到8#钻机开采水平由+48 m延伸至-319 m标高，开采纵深超过300 m，现有9台已编号钻机进行露天台阶松动爆破和台阶边帮预裂爆破钻孔作业。大矿爆破现场采准参数：①台阶松动爆破和边帮预裂爆破炮孔直径为250 mm；②台阶高度12 m，超深2.5～3.5 m；③不同台阶或相同台阶不同位置炮孔中水深度在0～15 m。爆破前多次测量炮孔发现水深度取值范围在0～11 m，不同岩种不同水环境下炮孔孔底有不同深度的高品味磁铁矿炮泥或混合岩岩碴；④炮孔深度测量时，一种方法是加配重的测绳，另一种是利用测杆。

露天金属矿山尤其是深凹露天采坑，水对凿岩爆破工作影响不可忽视。露天矿山生产能力比地采大得多，采准切割和备采台阶多、凿岩爆破工作量大、炸药消耗量大。牙轮钻布孔作业时炮孔反水影响钻孔效率，水炮孔装药遇到炸药密度与水密度相近时水量会影响炸药沉降速度，相同岩种相同炸药单耗时水孔和干孔的爆破效果也有所区别。露天采坑水的来源有自然降水降雪、地表汇水流入采坑和地下水渗入台阶，主要取决于区域性气候条件和矿区地质、水文地质条件。所以露天台阶挤压松动爆破、台阶临时或最终境界边帮预裂爆破前，准确的炮孔水环境数据对装药工作尤为重要。

大孤山铁矿为鞍钢集团矿业公司主要矿山，台阶高度12 m，超深2～3.5 m。2017年1—2月，随同该矿爆破经理现场调研得知:3个矿山台阶松动爆破炮孔深度在12～16 m，孔深加上超深以15.5 m为主，孔径为250 mm。爆破装药工作前都要进行炮孔验收审查工作，目的为装药提供准确的炮孔状态数据。而孔深测量面临以下问题和特点：①如何在孔口位置准确快速获得每个中深孔深度数据；②如何在孔口位置获知孔网中每个炮孔含水与否以及水柱高度数据；③如果露天台阶炮孔含泥碴含水，装药炸药陷入泥碴的深度是多少？

牙轮钻布孔作业72 h后台阶采场开始爆破装药工作。钻孔72 h后炮孔水密度和孔底泥碴趋于稳定，水对泥碴溶解量已趋于稳定，孔底泥碴沉淀堆积稳定，水与空气界面和水泥碴界面历历可辨。

本文描述设计的流量尺结构组成，阐述了操作及其测量原理。在露天台阶爆破中炮孔含泥碴含水时将炮孔深度、炮孔含水高度、空气柱高度和孔底泥碴深度一次性在炮孔外流量尺上可读出，可以统一收集炮孔水量数据。

1 流量尺结构

1.1 要结构简介

主要结构：由刻度外管、法兰、电磁流量管、封闭头、转换器、读数端6部分组成。如图1、图2所示。

图1 电磁流量管结构Fig.1 Structure model of electromagnetic flow tube1—励磁线圈；2—测量内管；3—电极；4—感应电动势E

图2 流量尺结构Fig.2 Structure model of flow calibration tube5—刻度外管和读数端；6—电缆；7—法兰或叠层连接；8—传感器盒子；9—封闭头；10—法兰；11—刻度外管；12—外壳；13—连接螺纹；14—内管截面；15—转换器；16—电磁流量管；17—翻板进水口

各结构名称说明如下。

1—励磁线圈：一般电磁流量管采用交变磁场，采用50 Hz工频电源激励产生。2—测量内管：被测导电性液体流动通道，为了使励磁线圈产生的磁力线通过测量导管时磁通量被分流或短路，测量内管材料必须选用不导磁、低导电率、低导热率且有一定机械强度的管料制成，一般用不导磁的不锈钢、铝、玻璃钢、高强度塑料。3—电极：接收的感应电动势信号与液体流速成正比，用非导磁的不锈钢制备电极，与测量内管衬里平齐安装在管道的直径方向，保证测量内管壁面水力光滑。4—直径D方向上的感应电动势E。5—刻度外管和读数端：外管是具有一定强度带有刻度的保护套管(封闭头读数为0，读数端读数为深度H)，采用导磁系数高的铁磁材料，保护测量内管不被外部电磁场和环境所影响，读数端保证内管联通大气。6—屏蔽信号电缆：传输感应电压信号。7—法兰或叠层连接：可以连接测量内管，使流量尺长度满足不同炮孔深度要求，适用于不同台阶高度，有利于运送和组装工作；另一种是连接传感器流量管。选择法兰或叠层连接点焊技术联结，法兰接缝尽量少，保证连接处水力光滑、接缝处制作要紧密，尽量杜绝气隙。8—传感器盒子：传输电极感应的电压信号。9—封闭头：封闭头是空心倒圆锥形带有过滤网的进水结构，当流量尺直径远小于炮孔直径时，对流量尺施加压力可测得水炮孔孔深H值(封闭头到达泥碴最底部时刻度尺的读数值)。10—法兰：两片法兰盘之间加上密封垫，然后均匀分布螺栓紧固。11—刻度外管：外管采用导磁系数高的屏蔽材料，保护电磁流量管不被电磁场所影响。12、14—外壳和内管截面。13—连接螺纹。15—转换器：采用高性能微处理器，LCD显示，参数设定可靠，编程方便。16—电磁流量管：内装有积算器，可计算正向总量，并具有电流、脉冲多种输出方式。17—翻板进水口：圆形翻板要求有一定厚度，边缘卡有2层橡胶圈(当翻板扣入进水口橡胶圈可以起到密封水流的作用)。

1.2 结构组成及特点

如图1所示，分体式电磁流量管属于电磁流量计的一种变形。传感器流量管接入测量内管，转换器位于读数端，两者由双芯屏蔽信号电缆连接。转换器可远离现场恶劣环境，使电子部件调整、检查和参数设定比较方便。外管磁导率比空气大得多，屏蔽要求较高时，还可以采用多层屏蔽。

传感器电磁流量管主要结构部分：测量管、电极、励磁线圈、铁芯与壳体。主要用于测量内管中的导电液体和浆液中的体积流量(如水、污水、矿浆、各种酸碱盐溶液、浆液)。适于露天台阶孔内环境复杂直接观测困难的条件。管长与直径之比至少应为4∶1。以免端接效应和磁力线穿透屏蔽体范围。

传感器电磁流量管的工作原理是基于法拉第电磁感应定律。在电磁流量管中，测量内管的导电介质相当于法拉第试验中的导电杆，上下两端两个电磁线圈产生恒定磁场。当有导电介质流过时，则会产生感应电压。产生的感应电压由管道内两侧2个电极测量。测量内管通过不导电的内衬(橡胶，特氟隆)实现与流体和测量电极的电磁隔离。

液体流动产生的感应电势信号较弱，作业环境中的干扰因素对其影响大。读数端转换器的作用就是将感应电势信号放大并转换成统一的标准信号抑制主要干扰信号。其任务是把电极检测感应电势经放大转换成统一的标准直流信号。

2 操作及测量原理

测量原理如图3、图4所示。

图3 炮孔空气柱高度测量Fig.3 Height measurement of air column in holes18—气液分界面；19—固液分界面以及流量尺位置

图4 水孔深度及水柱高度测量Fig.4 Depth of bubble-hole and the height of water column20—刻度外管与测量内管之间的空腔

流量尺封闭头进入水面前保证进水翻板处于打开状态，圆形翻板重心应与形心不重合，使其在空气和水柱中依靠重力维持打开状态。流量尺自然沉降到水面以下，转换器开始显示累计流量(乘以直径系数d等于炮孔水量q，乘以截面系数r等于水柱高度h)，直至受到炮孔底部水碴面反作用力f处于图3所示位置(测量15 m干孔时流量尺封闭头未全部陷入泥碴)，则有：孔口刻度尺读数H1-水柱高度h=空气柱高度L。人为施加给流量尺钻进泥碴的力F，则封闭头进水翻板受泥碴反作用力封闭进水口，当流量尺不再下降则孔口刻度H为水炮孔深度值，同时记录泥碴深度l=H-H1。

将流量尺放入待测量水炮孔，测量原理及过程如下。

3 力学分析

设空气压力为标准大气压(1.013 25×105Pa)，g=9.8 N/kg，水的密度ρ=1.1×103kg/m3。刻度外管内径N与测量内管直径D为可供选择的已知参数，流量尺自重力记为G。设封闭头受到的泥碴反作用力f与炸药沉底后受到的反作用力相等，炸药密度记为ρ1。计算数据说明：孔深取15.5 m，最大水深h=15 m，炮孔直径φ=0.25 m，取外管内径N=0.05 m、内管直径D=0.04 m，单孔装药质量M=450 kg，重铵油密度ρ1在1.16～1.2 g/cm3，选取均值ρ1=1.18 g/cm3进行计算。数据来源于大孤山铁矿台阶爆破，单位采用国际单位制。得到以下公式：

；

(1)

w=8 466.59h(N2-D2)≤114.30，G=120 N；

(2)

(3)

W+f=Mg，F+G=w+f，

F=8 466.59h(N2-D2)+

⟹178.98 N≤F≤293.28 N；

(4)

式中，d为直径系数；r为截面系数；w为流量尺所受到水的浮力，N；ρ为水的密度，1.1×103kg/m3；G为流量尺自身的重力，N；V为炮孔中下降深度H处的瞬时速度，m/s；F为进入泥碴所需要施加的额外压力，N；f为泥碴的反作用力，N；W为炸药沉底后受到水的浮力，N；M为炮孔装药总质量，kg。

不同测量内管直径D下流量尺流量测量范围如表1所示。

由式(1)确定直径系数d、截面系数r。由式(3)确定流量尺下落瞬时速度V(V≤10 m/s)，15 m炮孔可放入1/3长度再丢入炮孔中测量，如果台阶爆破水炮孔居多，可以调整N、D值后直接丢入炮孔进行测量，深孔测量也可采取其他缓冲措施后测量。露天台阶爆破将炸药沉降的极限深度作为孔深测量值时，可参考式(4)计算炮孔中流量尺自由下落后还需施加的外部压力F值。

表1 流量范围Table 1 Flow measurement range

4 试验验证及结果

露天台阶挤压爆破和台阶预裂爆破深孔内部水环境复杂、观测困难。从大孤山铁矿现场取泥碴样品，实验室模拟炮孔内温度规律，将水和泥碴按比例混合、静置72 h后测定水溶解度和水密度与现场爆破前测定结果基本相同。测量拍照记录,如图5、图6所示。

图5 高品位磁铁矿现场测量试验Fig.5 Site measurement test of high grade magnetite.

图6 片麻状混合岩现场测量试验Fig.6 Site measurement test of gneissic migmatite

试验验证片麻状混合岩或高品位磁铁矿矿岩泥碴在钻孔水环境中混合成悬浮状水泥浆，经过钻孔作业至台阶爆破之间的72 h沉淀。如图5(a)、图5(b)或图6(e)、图6(f)所示，钻孔内矿物岩碴几乎不溶解于水，水浆的密度与同温度下水的密度基本相等，孔内水清澈透明，水与泥碴分界面清晰可见，水炮孔孔底泥碴松散系数并不比干孔泥碴松散系数小。验证了炮孔水碴环境能够满足流量尺封闭头进水翻板及时封闭，进行有效测量的要求。数据统计快速准确、数据之间可互相验证。

5 现场测量数据

在大孤山铁矿对28个炮孔进行了现场测量试验。其中11个炮孔为-198 m台阶1周前打的预裂孔，5个为靠近-198 m台阶坡顶线的炮孔，3个为处理上台阶根底的边角孔。在台阶以7.5 m×7 m的网络选取9#牙轮钻新布的9个炮孔。现将数据统计整理如表2所示。

表2 大孤山铁矿-198 m台阶测量结果Table 2 Measurement results of -198 m steps in Dagushan Iron Mine

注：岩种为片麻状混合岩和高品位磁铁矿，室外温度为22.3 ℃；台阶边孔为台阶爆破靠帮炮孔，台阶中央指台阶爆破中心孔。测量时间：2017年5月24日。

根据表2的实测数据，得到了带数据标记的折线图(从略)。分析每个炮孔5种测量结果的分布情况。从数据分布总体上来看，孔内空气柱高度和含水深度变化幅度很大，即使同一台阶炮孔水深变化范围也在0～12 m，同一台阶水炮孔多分布在台阶中间靠近预裂孔位置。而新钻取的连续炮孔测量中，炮孔深度、水温度和泥碴厚度数值变化幅度较小，折线图趋于稳定，炮孔水量分布比较集中。

6 结 论

(1)露天台阶松动爆破和露天台阶预裂爆破中深孔环境复杂，孔内情况难以直接观测。含水炮孔会影响牙轮钻钻孔效率，台阶爆破装药遇到水炮孔会影响炸药沉降速度，炮孔内泥碴使得炸药位置难以确认，陷入泥碴的重铵油炸药性能会有所改变(比如拒爆现象)，现场装药时甚至将已经钻好的炮孔用干碴进行回填吸水。

(2)介绍了流量尺结构组成和操作原理。作为一种新型的露天矿山炮孔测量技术，其操作简单，测量数据误差较小，材料来源广泛。为台阶爆破前装药提供准确的炮孔状态参数。

(3)通过现场调研和试验论证，说明了混合岩和磁铁矿矿岩在水中溶解度极小，炮孔中水泥浆在沉淀72 h后密度接近同温度下水的密度。水炮孔矿岩泥碴也可以比干孔泥碴堆积稳定，在水压力与水浮力双重作用其下密度可以大于干孔泥碴。

(4)露天台阶现场孔深测量时选用的测绳并没有精确的分度值，放绳和收绳操作费时费力，测绳无法精确读取水深和泥碴高度，测绳测量的历史数据孔深变化并不大，所以误差较大。流量尺相比于测绳等更能适应复杂的炮孔测量条件。

(5)根据文中提出流量尺的4个力学公式，可控制和计算流量尺自由下落的过程。通过这些公式也可模拟不同质量的炸药在水炮孔中的下落深度，以炸药沉降位置作为孔深测量的一种新的参考。因为测量环境的特殊性，越深炮孔的测量对流量尺的流量范围、封闭头的强度和结构表面的耐磨性要求更高，不同矿山不同测量环境对流量尺的尺寸要求也不相同。

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