页岩爆破最佳炮孔布置方式试验研究.pdf

第3 2 卷第4 期 2 0 1 5 年1 2 月 爆破 B L A S T D i G V 0 1 ．3 2N o ．4 D e c ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 4 ．0 0 9 页岩爆破最佳炮孔布置方式试验研究术 胡磊1 , 29 王玉杰2 ，任高峰2 ，任少峰3 ，刘．。2 , 4 ，黄洋2 1 ．东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，沈阳1 1 0 8 1 9 ； 2 ．武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉4 3 0 0 7 0 ；3 ．山东黄金矿业 莱州 有限公司焦家金矿，莱州2 6 1 4 4 1 ； 4 ．武汉长江科创技术发展有限公司长江工程技术分公司，武汉4 3 0 0 1 0 摘要为探索页岩爆破的最佳炮孔布置方式，针对页岩的层理特性，在湖北某页岩矿山开采现场设计试 验进行研究。选取钻孔效率及爆破后矿岩的平均块度、大块率、块度均匀性等作为评价指标。在相同的爆破 参数下，当炮孔及临空面与层理成不同角度时，采用记录钻孔耗时的方法分析比较钻孔施工的难易程度；采 用数字图片块度分析软件S p l i t - D e s k t o p 处理爆堆照片的方法分析比较爆破效果的差异。试验结果表明页 岩爆破的最佳炮孔布置方式为炮孔与层理垂直，临空面与层理平行。 关键词页岩；层理；炮孔布置；钻孔效率；爆破效果；块度分析 中图分类号T D 2 3 5 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 l 一4 8 7 X 2 0 1 5 0 4 0 0 4 4 0 5 E x p e r i m e n t a lS t u d yo nt h eB e s tP a t t e r no fB l a s t h o l eo fS h a l e H UL e i h 2 ，W A N GY u 4 i e 2 ，R E NG a o - f e n 9 2 ，R E NS h a o - f e n 9 3 ，L I UX i a 0 2 ⋯，H U A N G 玩昭2 1 ．K e yL a b o r a t o r yo fM i n i s t r yo fE d u c a t i o nf o rS a f eM i n i n go fD e e pM e t a lM i n e s ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ， S h e n y a n g110 819 ，C h i n a ；2 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，W u h a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 0 ，C h i n a ；3 ．J i a o j i aG o l dM i n e ，S h a n d o n gG o l dM i n i n gI n d u s t r yC oL t d ， L a i z h o u2 6 1 4 4 1 ，C h i n a ；4 ．T h eY a n g t z er i v e re n g i n e e r i n gb r a n c hc o m p a n yo fW u h a nK e c h u a n g S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yD e v e l o p m e n tC oL t d ，W u h a n4 3 0 0 1 0 ，C h i n a A b s t r a c t T oe x p l o r et h eo p t i m a lp a t t e r no fb l a s t h o l ei ns h a l e ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yW f l 8c a r r i e do u tb a s e do n t h ec h a r a c t e r i s t i co fs h a l ei nH u b e ip r o v i n c e ．T h ed r i l l i n ge f f i c i e n c y ，a v e r a g el u m p i n e s s ，b o u l d e ry i e l da n dl u m p i n e s s u n i f o r m i t yw e r ec o n s i d e r e da se v a l u a t i o ni n d e x e s ．T h ed i f f i c u l t yi nt h ec o n s t r u c t i o no fd r i l l i n gW a sd i s c u s s e da n dc o m p a r e db yr e c o r d i n gt h ed r i l l i n gt i m e ．M e a n w h i l e ，t h eb l a s t i n ge f f e c tW a sa n a l y z e da n dc o m p a r e db yad i g i t a ll u m p i n e s s i m a g ea n a l y s i ss o f t w a r eS p l i t - D e s k t o p ．O nt h ec o n d i t i o n so fs a m eb l a s t i n gp a r a m e t e r s ，w h e nt h ea n s l eb e t w e e nt h e h o l ew e r ed i f f e r e n t ，t h ed i f f e r e n tf r e ef a c e sa n dt h es t r a t i f i c a t i o nw e r ea l s oo b t a i n e d ．T h es t u d ys h o w e dt h a tt h eo p t i m a l p a t t e r no fb l a s t h o l eo fs h a l eW a sa c h i e v e dw h e nt h eh o l ep e r p e n d i c u l a rt ot h es t r a t i f i c a t i o na n dt h ef r e ef a c ep a r a l l e l t ot h es t r a t i f i c a t i o n ． K e yw o r d s s h a l e ；s t r a t i f i c a t i o n ；p a t t e r no fb l a s t h o l e ；d r i l l i n ge f f i c i e n c y ；b l a s t i n ge f f e c t ；l u m p i n e s sa n a l y s i s 收稿日期2 0 1 5 0 6 1 9 作者简介胡磊 1 9 8 8 一 ，男，湖北省黄冈市人，研究生，主要从事 采矿工程、爆破工程、岩石力学等方面的研究． E m a i l h u l e i 9 0 7 1 6 3 ．c o r n 。 通讯作者任高峰 1 9 7 9 一 ，男，湖北省武汉市人，博士、副教授，主 要从事采矿工程、岩石力学等方面的教学和研究工作， E m a i l r g f w h u t 1 6 3 ．c o i n 。 项目基金国家“十二五”科技支撑计划重点项目 2 0 1 】B A B 0 5 8 0 3 ； 国家自然科学基金资助项目 5 1 1 0 4 1 1 2 ；中央高校基本 科研业务费专项资金资助 2 0 1 3 ．Z Y 一0 7 3 页岩是一种沉积岩，成分复杂，但都具有薄页状 或薄片状的层理。其中含钒页岩俗称石煤，在我国 的资源储量约为1 0 0 亿吨，是我国尚未得到有效开 采和利用的钒矿资源⋯。为提高该类矿产资源的 开采技术水平，走矿产资源精细化开采的道路，对页 岩爆破最佳炮孔布置方式进行研究具有十分重要的 万方数据 第3 2 卷第4 期胡磊，王玉杰，任高峰，等页岩爆破最佳炮孔布置方式试验研究 4 5 意义‘2 4 ] 。 岩石的物理力学性质对其可爆性有很大的影 响”o ，而页岩的层理特性使得页岩的物理力学性质 与其层理间的夹角关系密切。宋全杰等通过现场测 试研究了在基岩爆破开挖过程中层理对爆破振动传 播规律的影响№o ；冒海军等运用单弱面理论研究了 含单组结构面的板岩岩体抗压强度随结构面方位的 变化情况，并找出了相应的一维、三维抗压强度的变 化规律o ；王洋等采用L S D Y N A 与离散元软件 3 D E C 相结合的方法，通过数值模拟研究了爆炸应 力波在裂隙岩体中的传播规律及裂隙对爆破效果的 影响‘8 | 。 笔者拟在前人研究的基础上设计现场试验，通 过比较不同炮孔布置方式下的钻孔效率和爆破效 果，寻找页岩爆破的最佳炮孔布置方式。 1 层理对爆破效果的影响 岩体中的裂隙包括断层、褶曲、层理、节理、不同 岩层的接触面、裂隙等弱面一J 。这些弱面对于爆破 效果的影响有两重性一方面，弱面可能导致爆生气 体和压力的泄漏，降低爆破能的作用，影响爆破效 果；另一方面，这些弱面破坏了岩体的完整性，使岩 体易于从弱面破裂、崩落，而且弱面又增加了爆破应 力波的反射作用，有利于岩石的破碎。但是，当岩体 本身包含着许多尺寸超过生产矿山所规定的大块 不合格大块 的结构尺寸时，只有直接靠近药包的 小部分岩石得到充分破碎，而离开药包一定距离的 大部分岩石，由于已被原生或次生裂隙所切割，在爆 破过程中，没有得到充分破碎，在爆破振动或爆生气 体的推力作用下，脱离岩体、移动、抛掷成大块。这 就是裂隙性岩石有的易于爆破破碎，有的则易于产 层理面 f a 组合一 a T h ef i r s tc o m b i n a t i o n 空面 层 生大块的原因【6 ’1 0J 。 2 试验条件及试验参数 试验场地为湖北某页岩矿山。基岩类型以软岩 为主，岩石层理裂隙发育，大部分裂隙中无充填物。 试验场地岩体主要为单组结构面，层理平直，经详细 测量，结构面间距平均约为5c m ，层理线密度为 1 9 条／m 如图1 所示 。由岩体结构面组数、间距 及层理线密度，参照工程岩体分级标准 G B 5 0 2 1 8 - - - 9 4 可知，试验场地岩体为较破碎岩体。 图l试验场地层理分布情况 F i g ．1 T h ed i s t r i b u t i o no fs t r a t i f i c a t i o ni nt e s ts i t e 试验前进行爆破拉槽，创造出合适的试验平台。 炮孑L 布置方式主要包括两个方面一是炮孔与层理所 成的角度⋯1 ，二是l 临空面与层理所成的角度。根据 试验场地页岩的层理及产状，选取炮孔与层理平行、 炮孔与层理垂直两种炮孔角度；临空面与层理平行、 临空面与层理垂直两种产状进行试验研究。根据实 际情况将两种角度进行组合，得到3 种典型的炮孔布 置组合方式组合一，炮孔与层理平行，临空面也与层 理平行，如图2 a 所示；组合二，炮孔与层理平行，临 空面与层理垂直，如图2 b 所示；组合三，炮孑L 与层 理垂直，临空面与层理平行，如图2 c 所示。 b 组合二 空面 层 炮 I f l 组合■ c T h et h i r dc o m b i n a t i o n 图2 炮孔、临空面与层理的空间关系 F i g ．2S p a t i a lr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nh o l e ，f r e ef a c ea n ds t r a t i f i c a t i o n 万方数据 爆破 2 0 1 5 年1 2 月 采用控制变量法，保证单一因素。在相同的孑L 网参数下改变炮孑L 布置方式，以钻孔效率及爆破后 矿岩的平均块度、大块率、块度均匀性等作为评价指 标，对爆破效果进行分析比较，找出页岩爆破的最佳 炮孑L 布置方式。 试验中使用的爆破参数如表1 所示。采用连续 装药结构，布置单排炮孔，每次试验布置4 ～8 个炮 孑L ，如图2 所示。 表1 爆破参数 T a b l e1 B l a s t i n gp a r a m e t e r s 爆破参数数值爆破参数 数值 台阶高度／m 2 ．0 炮孔直径／m m 4 0 钻孔角度／ 。 0 或9 0底盘抵抗线／m 1 ．3 孔距／m 1 ．2 堵塞长度／m 0 ．8 孔深／m 1 ．8 单耗／ k g m 。3 0 ．3 3 试验结果与分析 3 ．1 钻孔效率分析 在试验过程中，记录了三种组合方式下的钻孑L 时间、岩屑粗细、卡钻等情况，见表2 一表4 。通过分 析比较不同组合方式下的钻孑L 效率，找出页岩的最 佳钻孑L 角度。 由表2 和表3 可知，当炮孑L 与层理平行时，钻凿 1 ．8m 炮孔平均耗时3 0m i n ，平均钻孔效率为 0 ．0 6 1m ／m i n ，在钻孑L 过程中出现了卡钻现象。由表 4 可知，当炮孔与层理垂直时，钻凿1 ．8m 炮孔平均 耗时2 3m i n ，平均钻孔效率为0 ．0 8 1m ／m i n ，在钻孑L 过程中未出现卡钻现象。 表2 组合一钻孔记录 T a b l e2 D r i l l i n gr e c o r do ft h ec o m b i n a t i o n1 表3 组合二钻孔记录 T a b l e3 D r i l l i n gr e c o r do fc o m b i n a t i o n2 万方数据 第3 2 卷第4 期胡磊，王玉杰，任高峰，等页岩爆破最佳炮孔布置方式试验研究 4 7 最佳炮孔布置方式现场试验结果表明钻孔角度 为9 0 。时的钻孑L 效率约为钻孔角度为0 。时的1 ．3 3 倍，与参考文献[ 1 1 ] 所得倍数关系一致。 现场试验发现当钻孔角度为0 0 时，各炮孔均出 现了卡钻现象，而钻孔角度为9 0 。时各炮孔均未出现 卡钻现象，试验结果与参考文献[ 1 1 ] 的预测一致。 3 ．2 爆破效果分析 爆破效果主要通过统计爆堆块度进行分析。试 验采用图像分析法确定爆堆块度，在每次爆破后拍 摄爆堆图片，再利用数字图片块度分析软件S p l i t D e s k t o p3 ．0 进行处理分析2 i 。第三种组合方式下 软件处理前后的爆堆图片分别见图3 和图4 。鉴于 篇幅，第一种和第二种组合方式下软件处理前后的 爆堆图片未列出。 图3 第三种组合方式下爆堆图片 处理前 F i g ．3 T h ep h o t oo ft h em u c kp i l eo f c o m b i n a t i o n3 b e f o r ep r o c e s s i n g 图4 第三种组合方式下爆堆图片 处理后 F i g ．4 T h ep h o t oo ft h em u c kp i l eo f c o m b i n a t i o n3 a f t e rp r o c e s s i n g 三种组合方式爆破后，爆堆图像经过软件处理 分析所得的块度分布情况见表5 。 1 平均块度。由表5 可知，组合三爆破后平 均块度最小，为2 6 ．5 8c m ；组合一爆破后平均块度 稍大，为3 1 ．2 4c a ；组合二爆破后平均块度最大，为 5 1 ．1 8e m 。即炮孔与层理垂直，临空面与层理平行 时，爆破后平均块度最小；炮孑L 与层理平行，临空面 与层理垂直时，爆破后平均块度最大。 2 大块率。由表5 可知，组合一和组合三爆 破后未出现1 0 0c m 以上的大块。组合二爆破后 1 2 5e m 以上的大块比例为0 ．0 5 ％，1 0 0 ～1 2 5e m 的 大块比例为9 ．3 7 ％。即炮孑L 与层理平行，临空面与 层理垂直时，爆破后易出现大块。 3 块度均匀性。由表5 可知，组合一爆破后 最大块度为9 9 ．0 6c m ，组合二爆破后最大块度为 1 2 5 ．0 3c m ，组合三爆破后最大块度为7 5 ．2 8c m ，最 大块度排序为组合二 组合一 组合三。三种组 合方式爆破后块度为2 5 ～5 0e m 适宜块度 的比例 分别为3 2 ．2 3 ％、1 2 ．7 9 ％、3 9 ．7 6 ％。所以组合三爆 破后块度均匀性最好，组合一次之，组合二最差。即 炮孔与层理垂直，临空面与层理平行时爆破后块度 均匀性最好。 表5 三种组合方式爆堆块度分布 T a b l e5 L u m p i n e s sd i s t r i b u f i o no fm u c k p n eo ft h r e ec o m b i n a t i o n s 埘c m 专竽秀筹盟糕 4 结论 根据上述试验结果及分析，可以得出以下结论 1 钻凿页岩时，为提高钻孑L 效率，避免出现卡 钻现象，应使炮孔与层理垂直。 2 页岩爆破时，为减小平均块度，保证块度均 匀性，避免出现大块，应使炮孔与层理垂直，临空面 与层理平行，此为页岩爆破的最佳炮孔布置方式。 3 对于具有类似于页岩层理的结构面的岩 体，在爆破时，可借鉴页岩爆破的炮孑L 布置方式，使 炮孔与结构面垂直，临空面与结构面平行，可取得较 好的爆破效果。 万方数据 4 8 爆破2 0 1 5 年1 2 月 参考文献 R e f e r e n c e s 付利攀，张一敏，刘涛，等．酸碱性添加剂对硅质含 钒页岩焙烧效果的影响[ J ] ．金属矿山，2 0 1 2 1 1 1 I ． 1 1 4 ． F UL i p a n ，Z H A N GY i m i n ，L I UT a o ，e ta 1 ．S t u d yo nt h e e f f e c to fa c i da n dA l k a l i n ea d d i t i v e so nt h ew a s t i n gf o rS i - l i c e o u sC o n t a i n i n gV a n a d i u mS h a l e [ J ] ．M e t a lM i n e ， 2 0 1 2 1 1 1 1 ．1 1 4 ． i nC h i n e s e 林坤峰，柯丽华，马志伟．上横山缓倾斜多层钒矿合理 采矿方法探讨[ J ] ．中国矿业，2 0 1 3 ，2 2 2 9 2 - 9 5 ． L I NK u n f e n g ，K EL i - h u a ，M AZ h i - w e i ．Ad i s c u s s i o no n m i m n gm e t h o do fg e n t l yi n c l i n e dm u h i l a y e rv a n a d i u mo r e - b o d yi nS h a n g h e n g s h a n [ J ] ．C h i n aM i n i n gM a g a z i n e ， 2 0 1 3 ，2 2 2 9 2 - 9 5 ． i nC h i n e s e 朱先洪，景泮印，付建新，等．精细化采矿技术在果洛 龙洼金矿的应用[ J ] ．金属矿山，2 0 1 2 1 2 9 - 1 3 ． Z H UX i a n h o n g ，J I N GP a n y i n ，F UJ i a n x i n ，e ta 1 ．T h ea p - p l i c a t i o no ff i n em i n i n gi nG u o l u o l o n g w aG o l dM i n e [ J ] ． M e t a lM i n e ，2 0 1 2 1 2 9 1 3 ． i nC h i n e s e 尚俊龙，胡建华，莫荣世，等．可爆性分级的博弈论．物 元可拓预测模型及其应用[ J ] ．采矿与安全工程学报， 2 0 1 3 ，3 0 1 8 6 - 9 2 ． S H A N GJ u n - l o n g ，H UJ i a n - h u a ，M OR o n g s h i ，e ta 1 ．P r o d i c a t i o nm o d e lo fg a m et h e o r y m a t t e r e l e m e n te x t e n s i o nf o r b l a s t a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o na n di t sa p p l i c a t i o n [ J ] ．J o u r n a l o fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，2 0 1 3 ，3 0 1 8 6 - 9 2 ． i nC h i n e s e 陶连金，董洪昌，孟涛，等．节理岩体爆破的颗粒流 离散元的模拟研究[ J ] ．爆破，2 0 1 3 ，3 0 4 1 4 ．1 9 ． T A OL i a n - j i n ，D O N GH o n g c h a n g ，M E N GT a o ，e ta 1 ．S i r e - u l a t i o ns t u d yo fb l a s t i n go fj o i n t e dr o c km a s su s i n gP F C [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 3 ，3 0 4 1 4 ．1 9 ． i nC h i n e s e 宋全杰，李海波，李俊如，等．层理对爆破振动传播规 律的影响[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 1 2 ，3 1 1 0 2 1 0 3 - 2 1 0 8 ． S O N GQ u a n - j i e ，L IH a i - b o ，L IJ u n r u ，e ta 1 ．I n f l u e n c eo f [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 0 ] [ 1 2 ] [ 1 2 ] s t r a t i f i c a t i o no na t t e n u a t i o nl a wo fb l a s t i n gv i b r a t i o n [ J ] ． C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ， 2 0 1 2 ，3 1 1 0 2 1 0 3 - 2 1 0 8 ． i nC h i n e s e 冒海军，杨春和．结构面对板岩力学特性影响研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ，2 4 2 0 3 6 5 1 - 3 6 5 6 ． M A OH a i - j u n ，Y A N GC h u n - h e ．S t u d yo ne f f e c t so fd i s c o n - t i n u i t i e so nm e c h a n i c a lc h a r a c t e r so fs l a t e [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n d E n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ， 2 4 2 0 3 6 5 1 3 6 5 6 ． i nC h i n e s e 王洋，叶海旺，李延真．裂隙岩体爆破数值模拟研究 [ J ] ．爆破，2 0 1 2 ，2 9 3 2 0 - 2 2 ． W A N GY a n g ，Y EH a i - w a n g ，L IY a n - z h e n ．N u m e r i c a ls i r e - u l a t i o no nj o i n t e da n df r a c t u r e dr o c kb l a s t i n g [ J ] ．B i a s - t i n g ，2 0 1 2 ，2 9 3 2 0 0 2 2 ． i nC h i n e s e 王景环，卢义玉，陆昭辉，等．煤质页岩压缩变形特性 及损伤破坏辨识试验研究[ J ] ．采矿与安全工程学报， 2 0 1 3 ，3 0 2 2 6 7 - 2 7 2 ． W A N GJ i n g - h u a n ，L UY i - y u ，L UZ h a o h u i ，e ta 1 ．R e s e a r c h o np r o p e r t i e so fc o a l ys h a l ec o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o na n d i t sd a m a g ei d e n t i f i c a t i o n [ J ] ．J o u r n a lo fM i n i n ga n dS a f e t y E n g i n e e r i n g ，2 0 1 3 ，3 0 2 2 6 7 - 2 7 2 ． i nC h i n e s e 张吉宏，刘红岩．节理性质对岩体爆破破坏模式影响 的数值分析[ J ] ．爆破，2 0 1 3 ，3 0 2 7 9 - 8 3 ． Z H A N GJ i h o n g ，L I UH o n g - y a n ．N u m e r i c a la n a l y s i so f e f f e c to fj o i n t 龟p r o p e r t yo nr o c km a s sb l a s t i n gf a i l u r e m o d e [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 3 ，3 0 2 7 9 - 8 3 ． i nC h i n e s e 胡磊，任高峰，任少峰，等．页岩最佳钻孔角度的实 验研究[ J ] ．工程爆破，2 0 1 3 ，1 9 6 1 - 3 ，1 2 ． H UL e i ，R E NG a o - f e n g ，R E NS h a o f e n g ，e ta 1 ．E x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h eb e s td r i H i n ga n g l eo fs h a l e [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 1 3 ，1 9 6 1 - 3 ，1 2 ． i nC h i n e s e 康强．裂隙岩体空气间隔装药爆破数值模拟及试 验研究[ D ] ．武汉武汉理工大学，2 0 1 2 ． K A N GQ i a n g ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l s t u d yo fa i r - - d e c kc h a r g eb l a s t i n gi nf r a c t u r e dr o c km a s - s e s [ D ] ．W u h a n W u h a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ，2 0 1 2 ． i nC h i n e s e 1 J 1 J 1 J ] J 1 l - 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J l 二 I 二 心 心 口 b M H ∞ 口 № № 万方数据