基于爆破漏斗试验的VCR一次成井爆破实践

胡桂英 郑文强

(宏大爆破有限公司巴基斯坦塔尔煤田项目部)

某大型矿山由原来的地下开采转为露天开采，先前长时间地下开采遗留了许多规模大、错综复杂的地下空区，成为目前矿山生产的重大安全隐患，影响着台阶工作面人员和设备设施的安全。在空区顶板厚度能满足稳定性要求前，如何安全有效地治理采空区，避免采空区坍塌造成危害是矿山企业必须解决的技术难题。经过研究决定，拟采用VCR爆破形成充填天井，用废石充填采空区。

对于VCR一次成井爆破技术而言，选择与岩石性质与炸药特性相匹配的孔网参数是爆破成功的关键，而爆破漏斗试验是确定其参数的基本方法[1]。美国矿业学院的C.W.Livingston通过一系列的爆破漏斗试验，并基于能量平衡理论，于上世纪50年代，提出了爆破漏斗理论[2]。在同种岩石条件下，根据C.W.Livingston爆破漏斗理论确定应变能系数、最佳埋深、最佳孔距等参数，再根据立方根比例定律，计算爆破漏斗试验参数，从而得到实际爆破参数。

目前，爆破漏斗试验在岩石爆破参数的确定中得到了广泛的应用，并取得良好的应用效果[3-12]。本文借鉴已有的研究，在该矿区进行爆破漏斗试验，为VCR一次成井爆破参数确定提供依据，并最终实施成井工程。

1 爆破漏斗试验的理论基础

C.W.Livingston爆破漏斗理论是学习研究爆破现象的重要理论，主要是爆破产生的能量使需要的岩体破坏。爆破漏斗试验的主要方法是保持炸药包的重量不变，通过改变炸药的埋深确定爆破后的漏斗体积。地表岩石恰好发生破坏并产生隆起，炸药包的埋深称为临界埋深。临界深度与装药量之间的关系为

Le=EQ1/3，

(1)

式中,Q为装药量，kg；Le为是临界埋深，m；E为应变能系数，m/kg1/3,当炸药和岩石性能一定时，应变能系数E是一个常数。

最佳埋深与装药量的关系为

La=Δ0EQ1/3,

(2)

式中,Δ0为最佳埋深比，即最佳埋深与临界埋深的比值；La为最佳埋深，m；其他符号意义同前。

根据C.W.Livingston弹性应变方程的演变过程，同一岩性，相同性质炸药，大直径和小直径之间的相似关系为

La/Lb=(Qa/Qb)1/3，

(3)

ra/rb=(Qa/Qb)1/3，

(4)

式中，Qa为爆破漏斗试验的装药量，kg；Qb为实际工程的装药量，kg；La为爆破漏斗试验的最佳埋深，m；Lb为实际工程的最佳埋深，m；ra为爆破漏斗试验的漏斗半径，m；rb为实际工程的漏斗半径，m。

2 爆破漏斗现场试验

2.1 钻孔参数

首先采用铲车清理台阶工作面浮渣，保证平整，为了保证相邻爆破漏斗之间不受影响，根据国内类似矿山的试验结果，炮孔垂直自由面布置，采用潜孔钻机钻凿φ140 mm炮孔，钻孔深度为100～200 mm，共20个炮孔，相邻炮孔间距为1.5 m。测量仪器采用3 m钢圈尺。爆破前在台阶面画好100 mm×100 mm网格。

2.2 装药爆破

基于钻孔的质量，选取19个点进行试验。采用矿山现行使用的2#岩石乳化炸药，药卷直径为32 mm，长200 mm，质量为200 g/卷，每个炮孔试验装药量为3 kg。对个别较深的炮孔，装药前用炮泥做一定调整。炸药装入炮孔后，用炮棍压实，并量取埋深值，再在孔口堵塞岩粉，并捣鼓密实。采用非电毫秒雷管起爆孔内导爆索起爆系统。

2.3 爆破漏斗试验结果及分析

爆破后，在地表出现爆破漏斗，通过人工开挖，形成了一个一定直径和深度的爆坑。用卷尺测量出各爆破漏斗的爆破深度，按辛卜生法求出各个爆破漏斗断面面积si，爆破漏斗体积V计算公式为[11]

(5)

式中，V为爆破漏斗的体积，m3；B为测点之间距离，m；si为爆破漏斗的各断面面积，m2。

经计算和统计，19个试验点成功爆破漏斗有14个，其他5个由于埋深过大，未爆破成功。各炮孔试验数据及结果见表1。

由表1可知，当炸药埋深为1.91 m时，地面刚刚鼓包隆起，确定该矿区在2#岩石乳化炸药爆破作用下的临界埋深Le为1.91 m，根据式(1)，计算出的应变能系数E为1.32 m/kg1/3。利用回归分析对试验数据进行处理，得出爆破漏斗体积与炸药埋深的特征曲线,见图1。

当爆破漏斗体积最大时，炸药的埋深为最佳埋深，此时爆破炸药单耗最小。由图1可以看出，当炸药装药量为3 kg时，炸药最佳埋深为1.07 m，根据式(2)可以计算出最佳埋深比为0.56。在最佳埋深时，爆破漏斗半径由下式计算：

(6)

式中,V0为爆破漏斗的最大体积，m3；Lc为炸药装药长度，m；r0为爆破漏斗半径，m；其他符号意义同前。

爆破漏斗最大体积为2.1 m3，可以算出爆破漏斗半径r0= 1.32 m。

表1 单孔爆破漏斗试验数据及结果

图1 爆破漏斗体积与炸药埋深的特征曲线

3 工程应用

矿区以矽卡岩型矿岩为主，其岩体致密且坚硬，硬度系数为14～16，岩体松散系数约1.5，岩层稳固性好，能满足一次爆破成井试验的要求。试验地点空区位于1 352 m水平以下32 m，根据空区扫描分析，该采空区长36.9 m，宽24.2 m，高12 m。

根据矿区现有凿岩设备，选用牙轮钻机钻φ250 mm 炮孔。根据单孔爆破漏斗试验数据以及利文斯顿弹性应变方程的演变过程，确定分层高度为3 m，炮孔间距为2 m。参照国内外VCR 爆破效果，药包长径比确定为4。分层装药长度为1 m，分层装药量为54 kg。为减少岩石的夹制性，采用圆形布孔方式，内外布置2层炮孔，设计天井断面为6.8 m×6.8 m。炮孔布置见图2。

图2 炮孔布置

爆破采用2#岩石乳化炸药，药卷直径为90 mm，质量为3 kg/卷，共设置9个爆破分层，分层间微差时间确定为200 ms。爆破时充分利用上下2个自由面，其中，第8分层为2个装药层，起爆顺序为第1分层→第2分层→第3分层→第4分层→第5分层→第6分层→第7分层和第9分层→第8分层(2层药柱同时起爆)。装药结构见图3。

主要消耗材料为2#岩石乳化炸药、澳瑞凯导爆管雷管、铁丝、导爆索等，见表2。

爆破后形成了一个通达采空区的天井，井壁光滑，达到了预期的效果，说明本次现场爆破试验成功。爆破后的成井效果见图4。

图3 装药结构

ϕ90mm乳化炸药/kg澳瑞凯数码雷管/发起爆器/发数码雷管起爆器材/套胶带/卷7000168144210编织袋/个测绳/根细铁丝/m钳子/把炮泥/袋5035002若干

注：编织袋为堵塞、装药用，测绳为50 m规格。

图4 爆破后的成井效果

4 结 语

(1)由爆破漏斗试验得出装药量为3kg时，临界埋深为1.91 m，最佳埋深为1.07 m，爆破漏斗最大体积为2.1 m3，漏斗半径为1.32 m。

(2)根据相似定理，爆破漏斗试验获得的参数结合矿山实际，推算出VCR一次成井爆破参数为分层高度3 m，炮孔间距2 m，分层装药长度1 m，分层装药量54 kg。

(3)将利文斯顿爆破漏斗理论运用于一次成井爆破参数确定中，通过在成井附近进行一系列爆破漏斗试验，最后确定了VCR一次成井爆破的参数，并进行了现场一次成井爆破，取得了良好的效果。

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