大孔径爆破堵塞技术优化研究与应用.pdf

第36卷 第4期 2019年12月 爆 破 BLASTING Vol. 36 No. 4  Dec. 2019 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2019. 04. 023 大 孔 径 爆 破 堵 塞 技 术 优 化 研 究 与 应 用 付 军 ， 郝 亚 飞 ， 曹 进 军 ， 周 桂 松 ， 张 程 娇 ， 朱 宽 （ 中 国 葛 洲 坝 集 团 易 普 力 股 份 有 限 公 司 ， 重 庆401121） 摘 要 针 对 大 孔 径 爆 破 常 规 连 续 堵 塞 方 法 易 冲 孔 、 大 块 率 高 等 问 题 ， 基 于 炸 药 能 量 利 用 的 基 础 理 论 ， 提 出 了 一 种 “堵 塞-空 气-堵 塞 ”的 夹 层 式 柔 性 堵 塞 结 构 。数 值 模 拟 结 果 表 明 柔 性 堵 塞 单 元 应 力 峰 值 以 一 个 数 量 级 衰 减 ， 相 比 连 续 堵 塞 ， 上 部 岩 体 测 点 在20 ms之 后 内 能 快 速 增 加 ， 内 能 提 高 了25％ ～40％， 更 有 利 于 上 部 岩 石 破 碎 。该 堵 塞 技 术 在 准 东 神 新 煤 矿 应 用 效 果 良 好 ， 冲 孔 现 象 明 显 改 善 ， 大 块 率 大 大 降 低 ， 堵 塞 工 作 量 减 少 40％以 下 。 关 键 词 台 阶 爆 破 ；大 孔 径 炮 孔 堵 塞 ；柔 性 堵 塞 ；冲 孔 ；大 块 率 中 图 分 类 号 TD804 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1001 －487X（2019）04 －0150 －05 Optimization of Stemming Technology in Large Diameter Borehole Blasting and its Application FU Jun，HAO Ya-fei，CAO Jin-jun，ZHOU Gui-song，ZHANG Cheng-jiao，ZHU Kuan （China Gezhouba Group Explosive Co Ltd，Chongqing 401121，China） Abstract In view of easily punching and high yield rate of large diameter borehole blasting applied conventional stemming，based on the basic theory of explosives energy utilization，a feasible stemming structure， “Stemming-Air- Stemming”was proposed. The numerical simulation result shows that feasible stemming unit peak stress attenuates at one order of magnitude. The inner energy of upper rock mass is increased rapidly after 20 ms and improved by 25％ ～40％，helping breakage of upper rock mass compared to continuous stemming. The technology was applied ex- cellent in Zhun-Dong Shen-Xin coal mine，and the punching phenomenon is obviously improved. The mass rate is greatly reduced and the work of stemming is reduced by less than 40％. Key words bench blasting；large-diameter boreholes stemming；feasible stemming；blasting punching；mass rate 收 稿 日 期 2019 －10 －17 作 者 简 介 付 军 （1971 －） ， 男 ， 高 级 工 程 师 、 硕 士 学 位 ， 从 事 爆 破 工 程 研 究 ， （E-mail）fuj＠ expl. cn。 通 讯 作 者 曹 进 军 （1989 －） ， 男 ， 工 程 师 、 硕 士 学 位 ， 从 事 爆 破 工 程 研 究 ， （E-mail）caojj＠ expl. cn。 中 深 孔 梯 段 爆 破 是 露 天 矿 山 开 采 最 有 效 的 施 工 方 式 ， 传 统 爆 破 作 业 主 要 采 取 连 续 堵 塞 的 施 工 方 式 ， 由 于 炸 药 距 离 台 阶 上 部 岩 体 远 ， 作 用 于 台 阶 上 部 的 能 量 弱 ， 当 孔 径 越 大 ， 堵 塞 长 度 越 长 ， 容 易 造 成 岩 体 破 碎 不 充 分 ， 导 致 大 块 率 增 加 ； 同 时 过 长 的 堵 塞 段 也 降 低 了 炮 孔 利 用 率 ， 当 减 少 堵 塞 长 度 时 ， 容 易 冲 孔 ， 导 致 能 量 外 泄 ， 并 存 在 安 全 隐 患 。堵 塞 是 影 响 爆 破 效 果 的 重 要 因 素 之 一 ， 国 内 外 针 对 堵 塞 技 术 开 展 了 大 量 的 理 论 研 究 及 试 验 ， 于 海 阔 ［1］、 戴 兴 国 分 析 了 爆 破 参 数 对 矿 岩 爆 破 效 果 的 影 响 规 律 ［2］， 良 好 的 填 塞 质 量 是 改 善 爆 破 效 果 的 重 要 方 面 ， 合 理 的 炮 孔 填 塞 长 度 能 够 阻 止 爆 轰 气 体 过 早 地 冲 出 炮 孔 ， 使 装 药 炮 孔 保 持 高 压 状 态 ， 进 而 增 大 破 碎 能 量 的 利 用 率 ； 李 显 寅 等 从 炮 孔 堵 塞 机 理 、 爆 炸 冲 击 波 和 爆 生 气 体 对 堵 塞 物 的 作 用 、 炮 孔 合 理 堵 塞 长 度 、 炮 孔 堵 塞 作 用 对 爆 破 效 果 影 响 、 炮 孔 堵 塞 数 值 模 拟 、 存 在 的 问 题 及 发 展 趋 势 等 方 面 总 结 国 内 外 技 术 现 状 ［3，4］， 针 对 改 善 爆 破 效 果 ， 堵 塞 技 术 的 研 究 主 要 集 中 在 堵 塞 材 料 和 万方数据 堵 塞 长 度 上 ， 堵 塞 材 料 主 要 分 成 松 散 固 体 材 料 、 液 体 堵 塞 材 料 和 化 学 堵 塞 材 料 ， 每 类 材 料 因 其 自 身 属 性 应 用 领 域 不 同 ， 堵 塞 长 度 主 要 根 据 经 验 公 式 计 算 ， 并 且 基 于 连 续 堵 塞 方 式 为 基 础 ； 李 春 军 开 展 了 堵 塞 长 度 对 水 下 爆 破 冲 击 波 传 播 的 影 响 ， 堵 塞 长 度 的 增 加 对 冲 击 波 峰 值 有 削 弱 作 用 ［5］；张 艳 军［6-8］、李 胜 林 ［9］、 康 永 全 等 针 对 堵 塞 材 料 及 堵 塞 材 料 结 构 展 开 了 大 量 研 究 ［10］， 由 于 材 料 成 本 、 来 源 及 应 用 条 件 等 问 题 ， 在 露 天 大 孔 径 （大 孔 径 指 炮 孔 直 径 大 于 等 于 200 mm） 台 阶 爆 破 中 应 用 还 较 少 ， 目 前 针 对 堵 塞 结 构 的 研 究 还 比 较 少 。 根 据 爆 炸 冲 击 波 和 爆 生 气 体 对 堵 塞 物 的 作 用 机 理 及 炸 药 能 量 利 用 的 基 础 理 论 ， 提 出 一 种 新 型 “堵 塞-空 气-堵 塞 ” 的 夹 层 式 柔 性 堵 塞 结 构 ， 采 用 动 力 分 析 软 件LS-DYNA对 在 大 孔 径 爆 破 采 用 该 结 构 堵 塞 方 式 的 合 理 性 开 展 相 关 理 论 研 究 ， 并 通 过 多 次 工 程 爆 破 实 践 进 行 了 验 证 。 1 柔 性 堵 塞 结 构 及 原 理 为 保 证 堵 塞 效 果 ， 增 强 露 天 台 阶 爆 破 上 部 岩 石 破 碎 ， 中 国 葛 洲 坝 集 团 易 普 力 公 司 对 堵 塞 方 法 进 行 了 研 究 ， 提 出 了 一 种 柔 性 堵 塞 方 法 ， 该 柔 性 堵 塞 方 法 是 将 原 有 的 连 续 堵 塞 结 构 变 为 “ 堵 塞-空 气-堵 塞-空 气-堵 塞 ” 的 多 夹 层 式 柔 性 堵 塞 结 构 ［11］， 如 图 1所 示 。 当 炮 孔 内 炸 药 爆 炸 时 ， 爆 轰 波 传 入 下 部 堵 塞 段 后 形 成 应 力 波 ， 该 应 力 波 传 播 至 下 部 空 气 间 隔 段 后 形 成 空 气 冲 击 波 ， 空 气 段 可 以 视 为 保 护 层 ， 它 间 断 了 应 力 波 的 上 传 ， 且 空 气 冲 击 波 因 为 衰 减 速 度 快 且 波 阻 抗 低 ， 当 下 部 间 隔 中 的 空 气 作 用 于 中 部 堵 塞 物 时 ， 中 部 堵 塞 物 与 相 比 连 续 填 塞 结 构 中 同 位 置 堵 塞 物 ， 初 始 运 动 速 度 大 大 降 低 ， 当 中 部 填 塞 物 中 的 应 力 波 向 上 传 播 至 上 部 空 气 段 时 ， 在 空 气 中 形 成 的 空 气 冲 击 波 传 播 速 度 进 一 步 降 低 ， 经 过 上 部 空 气 间 隔 部 分 后 ， 在 上 部 堵 塞 部 分 形 成 的 应 力 波 强 度 更 弱 ， 因 此 其 初 始 运 动 速 度 也 大 幅 降 低 。由 于 中 部 和 上 部 填 塞 物 的 运 动 速 度 下 降 ， 同 时 增 加 了 爆 轰 产 物 对 岩 体 的 作 用 时 间 ， 在 一 定 程 度 上 提 高 炸 药 的 能 量 利 用 率 。 2 数 值 模 拟 分 析 2. 1 计 算 模 型 以 某 露 天 煤 矿 岩 层 剥 离 爆 破 为 研 究 对 象 ， 采 用 分 析 软 件LS-DYNA建 立 柔 性 堵 塞 与 常 规 连 续 堵 塞 的 二 维 轴 对 称 计 算 模 型 ， 其 中 岩 石 为 泥 岩 ， 爆 破 参 数 见 表1， 使 用 的 现 场 混 装 铵 油 炸 药 参 数 见 表2， 柔 性 填 塞 的 每 个 空 气 堵 塞 段 为1 m， 计 算 模 型 仅 考 虑 上 部 一 个 自 由 面 。 图1 柔 性 堵 塞 结 构 示 意 图 Fig. 1 Flexibility stemming structure sketch 表1 爆 破 参 数 Table 1 Blasting parameter 孔 径／ mm台 阶 高 度／ m孔 深／ m孔 排 距／ m装 药 高 度／ m 250151714 89 表2 炸 药 参 数 Table 2 Explosive parameter 炸 药 密 度／ （kgm －3） 爆 速／ （ms －1）爆 容 ／ L 爆 热／ （kJkg －1）爆 压 ／ MPa 混 装 铵 油 炸 药 870350094939726274 柔 性 堵 塞 与 常 规 连 续 堵 塞 计 算 模 型 的 基 本 爆 破 参 数 和 堵 塞 段 总 长 均 相 同 ， 如 图2所 示 ， 对 称 轴 位 于 计 算 模 型 右 侧 ， 对 称 轴 左 上 部 大 块 区 域 为 空 气 ， 左 下 部 大 块 区 域 为 岩 体 ， 炸 药 位 于 右 下 部 贴 近 对 称 轴 位 置 ， 左 图 中 采 用 空 气 间 隔 堵 塞 ， 标 记 了 三 段 堵 塞 物 的 位 置 ， 右 图 中 采 用 连 续 堵 塞 。 2. 2 模 拟 结 果 及 分 析 对 两 计 算 模 型 求 解 ， 并 根 据 计 算 结 果 分 析 比 较 两 种 堵 塞 结 构 对 爆 破 结 果 的 影 响 。 2. 2. 1 炸 药 对 堵 塞 单 元 的 影 响 分 析 （1） 应 力 波 作 用 情 况 在 柔 性 填 塞 每 一 堵 塞 段 的 中 间 位 置 分 别 选 取 一 个 单 元E1、E2、E3， 数 值 模 拟 结 果 如 图3所 示 。结 果 表 明 在 堵 塞 段 ， 受 空 气 间 隔 的 影 响 炮 孔 内 的 压 力 基 本 按 照 一 个 数 量 级 进 行 衰 减 ， 单 元 应 力 峰 值 依 次 为 70 MPa、0. 22 MPa、0. 28 MPa， 在 顶 部 堵 塞 段 受 到 的 冲 击 力 已 经 十 分 有 限 ， 连 续 堵 塞 段 对 应 位 置 单 元 应 力 峰 值 依 次 为54 MPa、55 MPa、55 MPa， 基 本 为 一 定 值 ， 说 明 柔 性 堵 塞 结 构 有 利 于 降 低 堵 塞 段 顶 部 受 到 151第36卷 第4期 付 军 ， 郝 亚 飞 ， 曹 进 军 ， 等 大 孔 径 爆 破 堵 塞 技 术 优 化 研 究 与 应 用 万方数据 的 冲 击 力 ， 采 用 柔 性 堵 塞 结 构 须 至 少 设 计2段 以 上 空 气 段 。 图2 二 维 轴 计 算 模 型 Fig. 2 Two dimensional calculation model （2） 爆 轰 产 物 作 用 情 况 爆 轰 产 物 对 堵 塞 单 元 作 用 如 图4所 示 。深 蓝 色 部 分 表 示 爆 轰 产 物 。柔 性 堵 塞 算 例 中 爆 轰 产 物 推 动 下 部 堵 塞 段 快 速 上 移 ， 爆 轰 产 物 作 用 空 间 也 随 之 上 移 ； 而 连 续 堵 塞 结 构 算 例 中 爆 轰 气 体 向 上 运 动 幅 度 有 限 。这 表 明 采 用 柔 性 堵 塞 结 构 时 ， 爆 轰 产 物 能 够 更 早 地 近 距 离 作 用 填 塞 物 周 边 岩 体 。 2. 2. 2 炸 药 对 上 部 岩 石 的 作 用 分 析 在 两 模 型 堵 塞 段 附 近 的 相 同 位 置 分 别 选 取 观 测 点Gauges＃1， 如 图4所 示 ， 该 点 与 药 柱 顶 部 的 垂 直 距 离 为2 m， 距 药 柱 轴 线1 m。比 较 两 观 测 点 的 岩 石 内 能 变 化 关 系 ， 如 图5所 示 。结 果 表 明 最 初 在 冲 击 波 作 用 下 ， 两 测 点 均 出 现 一 个 内 能 最 大 值 ， 而 后 内 能 快 速 减 小 并 趋 近 于 一 个 常 数 ， 在20 ms之 后 ， 柔 性 堵 塞 测 点 的 内 能 快 速 增 加 ， 之 后 保 持 稳 定 ， 而 连 续 堵 塞 测 点 的 内 能 基 本 保 持 不 变 ； 与 连 续 堵 塞 的 测 点 相 比 ， 柔 性 堵 塞 测 点 的 内 能 数 值 提 高 了25％ ～ 40％， 说 明 20 ms之 后 柔 性 堵 塞 算 例 中 的 爆 轰 气 体 作 用 台 阶 顶 部 岩 石 的 强 度 更 大 ， 使 测 点 的 岩 石 内 能 迅 速 增 加 ， 内 能 增 加 有 利 于 岩 石 破 碎 。 图3 柔 性 堵 塞 段 应 力 时 程 曲 线 Fig. 3 Flexibility stemming parts Stress time curve 图4 数 值 模 拟 计 算 结 果 Fig. 4 Numerical simulation results 2. 2. 3 等 能 量 线 与 等 效 半 径 针 对 不 同 部 位 岩 石 的 破 碎 情 况 ， 两 种 堵 塞 结 构 的 等 能 量 线 与 等 效 半 径 计 算 结 果 如 图6所 示 ， 中 部 岩 石 等 能 量 线 与 等 效 半 径 基 本 相 同 ， 相 比 连 续 堵 塞 ， 柔 性 填 塞 上 部 岩 石 能 量 等 效 半 径 由300 cm提 高 至 350 cm， 与 底 盘 能 量 等 效 半 径 相 近 。结 果 表 明 采 用 柔 性 堵 塞 结 构 可 以 避 免 堵 塞 段 的 提 前 溢 出 ， 增 加 了 爆 轰 产 物 在 炮 孔 中 的 作 用 时 间 ， 提 高 了 炸 药 能 量 利 用 率 ， 具 体 表 现 在 增 加 了 堵 塞 段 岩 体 破 碎 范 围 ， 根 据 上 部 岩 石 能 量 等 效 半 径 与 底 盘 能 量 等 效 半 径 ， 孔 网 参 数 可 增 大 约15％， 炸 药 单 耗 可 降 低 约25％。 3 工 程 应 用 神 新 能 源 公 司 准 东 露 天 煤 矿 剥 离 层 主 要 为 泥 岩 ， 台 阶 高 度15 m， 主 要 采 用φ 250 mm孔 径 爆 破 作 业 ， 连 续 堵 塞 爆 破 时 冲 孔 现 象 严 重 ， 爆 堆 松 散 度 差 ， 如 图7（b） 、8（b）所 示 。为 缓 解 冲 孔 现 象 及 改 善 爆 破 效 果 ， 采 用 “ 堵 塞-空 气-堵 塞-空 气-堵 塞 ” 的 夹 层 式 柔 性 堵 塞 结 构 来 爆 破 实 验 。柔 性 堵 塞 的 空 气 间 隔 部 251爆 破 2019年12月 万方数据 分 用 空 气 间 隔 装 置 实 现 ， 该 装 置 下 部 开 口 ， 上 部 封 堵 ， 封 堵 部 分 分 隔 各 堵 塞 段 ， 形 成 柔 性 结 构 ， 开 口 部 分 可 以 使 下 部 填 塞 物 进 入 空 气 腔 内 ， 保 证 实 现 柔 性 结 构 的 功 能 。在 同 一 炮 区 分 别 采 用 两 种 堵 塞 结 构 的 爆 破 效 果 如 图8所 示 ， 在 柔 性 堵 塞 炮 区 ， 台 阶 上 部 除 了 形 成 多 条 拉 伸 裂 纹 外 ， 部 分 区 域 岩 石 破 碎 明 显 ， 而 在 连 续 堵 塞 的 炮 区 ， 台 阶 顶 部 仅 出 现 多 条 裂 纹 。此 外 柔 性 堵 塞 冲 孔 现 象 明 显 改 善 ， 如 图7（a） 所 示 。 图5 对 上 部 岩 体 内 能 的 影 响 Fig. 5 Influence of the internal energy of the upper rock mass 图6 等 能 量 曲 线 与 等 效 半 径 Fig. 6 Equivalent energy curve and radius 图7 起 爆 瞬 间 Fig. 7 Initiation moment 根 据 理 论 分 析 成 果 ， 为 进 一 步 优 化 孔 网 参 数 ， 孔 网 参 数 由 连 续 堵 塞 的14 m 8 m优 化 至14 m 9. 5 m， 延 米 爆 破 方 量 提 高12. 5％， 炸 药 单 耗 降 幅 达 12.5％， 综 合 成 本 降 低10％以 上 ， 经 济 效 益 显 著 ， 此 外 单 孔 岩 屑 堵 塞 量 降 低40％， 大 大 降 低 了 劳 动 强 度 ， 对 超 高 海 拔 及 堵 塞 料 缺 乏 矿 区 具 有 重 大 意 义 。 图8 爆 破 效 果 Fig. 8 Blasting effects 4 结 论 相 比 连 续 堵 塞 ， 柔 性 堵 塞 在 炸 药 爆 炸20 ms之 后 上 部 岩 体 内 能 快 速 增 加 ， 之 后 并 保 持 稳 定 ， 上 部 岩 体 的 内 能 提 高 了25％ ～40％。 基 于 等 能 量 线 、 等 效 半 径 原 理 ， 柔 性 填 塞 相 比 连 续 堵 塞 ， 爆 破 时 中 部 岩 石 能 量 等 效 半 径 基 本 相 同 ， 而 堵 塞 段 岩 石 能 量 等 效 半 径 由300 cm提 高 至350 cm， 可 有 效 降 低 炸 药 单 耗 。 工 程 实 践 表 明 ， 采 用 柔 性 堵 塞 结 构 ， 减 少 爆 破 冲 孔 现 象 产 生 ， 并 有 效 改 善 台 阶 上 部 的 爆 破 效 果 ， 有 利 于 降 低 爆 破 成 本 ， 经 济 效 益 显 著 。 参 考 文 献 （References） ［1］ 于 海 阔 ， 池 恩 安 ， 赵 明 生 ， 等.露 天 煤 矿 生 产 中 基 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Current situation of borehole blasting stemming and existent problems（Part 351第36卷 第4期 付 军 ， 郝 亚 飞 ， 曹 进 军 ， 等 大 孔 径 爆 破 堵 塞 技 术 优 化 研 究 与 应 用 万方数据 II） ［J］. Industrial Minerals ＆ Processing，2010（9） 36- 39.（in Chinese） ［5］ 李 春 军 ， 吴 立 ， 李 红 勇 ， 等.水 深 和 堵 塞 长 度 对 水 下 钻 孔 爆 破 冲 击 波 传 播 特 性 影 响 的 模 拟 研 究 ［J］.爆 破 ， 2018，35（4） 47-51，73. ［5］ LI Chun-jun，WU Li，LI Hong-yong，et al. Effect of water depth and stemming length on shock wave propagation in underwater drilling blasting［J］. Blasting，2018，35（4） 47-51，73.（in Chinese） ［6］ 张 艳 军 ， 雷 美 荣.一 种 推 入 式 膨 胀 堵 塞 器 ［J］.山 西 冶 金 ，2017（1） 17-18. ［6］ ZHANG Yan-jun，LEI Mei-rong. A push-type expansion plug［J］. Shanxi Metallurgy，2017， （1） 17-18.（in Chi- nese） ［7］ 张 艳 军.一 种 可 预 紧 堵 塞 结 构 ［J］.山 西 冶 金 ，2017（2） 31- 32. ［7］ ZHANG Yan-jun. A preloaded block structure［J］. Shanxi Metallurgy，2017（2） 31-32.（in Chinese） ［8］ 张 艳 军 ， 雷 美 荣 ， 宁 掌 玄.炮 孔 楔 形 体 堵 塞 器 研 究 ［J］. 煤 炭 工 程 ，2015，47（1） 60-65. ［8］ ZHANG Yan-jun，LEI Mei-rong，NING Zhang-xuan. 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