中深孔爆破一次成井技术研究及应用.pdf

分举号 ，JJ ＼● U DC 密级 编号 十I 初大学 C E N T R A LS o U T HU N I V E R S I T Y 硕士学位论文 学科、专业 研究生姓名 导师姓名及 毒蓝技术职务 一』垒量卫j 蝗塑垒一 分类号 U DC 硕士学位论文 密级 编号 中深孔爆破一次成井技术研究及应用 R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fB l a s t i n gt oF o r maS h a f t b yO n eS t e pw i t hM e d i u m - - l e n g t hH o l e 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 徐敏 采矿工程 资源与安全工程 李启月 论文答辩日期逸 ≯5 乡答辩委员会主 中南大学 2 012 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名数日期垃年工月三日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期丛匕年￡月≥日 摘要 摘要 天井掘进是掘进工作中最困难的一环。普通法掘进天井劳动强度 大，作业条件差，安全性低。最经济实用的掘进方法是爆破一次成井。 本文以山东黄金集团新城金矿“厚大破碎矿体全分段预裂挤压一 次爆破强化开采技术及研究”项目为背景，参考国内外相关爆破理论 和爆破成井资料，综合运用理论分析、模型预测、数值模拟和现场试 验等方法与手段，对中深孔爆破一次成井技术开展系统与深入的研 究，取得了以下研究成果 1 根据爆破破岩理论和直眼掏槽破岩机理，分析了影响爆破一次 成井的多项参数。对主要参数，初始补偿空间大小、装药孔数目、槽 孔与空孔距离、装药集中度和微差时间进行了理论计算，并据此设计 了多种天井断面炮孔布置图。 2 基于投影寻踪回归基本理论，选取抗压强度，岩石容重、空 孔直径、空孔数目、炮孔直径、炮孔数目、最小抵抗线，槽孔装药密 度和炸药单耗为判别指标，建立了爆破一次成井断面和高度的预测模 型。搜集3 8 组不同矿山爆破一次成井资料作为训练和检验样本，预 测结果符合工程要求，并运用此模型预测山东黄金集团新城金矿一次 成井爆破效果。 3 运用A N S Y S ／L S ．D Y N A 非线性动力有限元软件，模拟了爆破 一次成井直眼掏槽爆破破岩过程，显示了不同直径空孔模型和不同数 目空孔模型的破岩效果，对比分析了不同孔径单空孔理论计算和模拟 数值所得最大拉应力变化。 4 进行了多次新城金矿爆破一次成井试验。第一次试验由于钻机 偏斜率较大，试验未获得成功。经总结经验和改进，第二次试验，天 井上下成功贯通，上下口爆破漏斗得到很好控制，天井断面符合设计 要求。第三次溜井刷大试验，溜井断面规整，炮眼利用率高，井深和 断面均符合要求。 关键词爆破一次成井，数值模拟，投影寻踪回归，现场试验 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T A BS T R A C T R a i s e se x c a v a t i o ni st h em o s td i f f i c u l t p r o j e c ta m o n ga l l d i g g i n g p r o j e c t s ．D i g g i n gr a i s eb yn o r m a lm e t h o dn e e d ss u b s t a n t i a ll a b o u rw i t h a w e f u l w o r k i n g c o n d i t i o n sa n dl o w s a f e t y a s s u r a n c e ．T h em o s t e c o n o m i c a la n de f f e c t i v em e t h o df o rd i g g i n gar a i s ei so n e ．s t e pb l a s t i n g m e t h o d ． B a s e do nt h e p r o j e c ts t u d y o np o w e r f u lm i n i n gt e c h n o l o g yf o r l a r g e t h i c kb r o k e no r eb o d yw i t hf u l l ．s u b l e v e lo n et i m ep r e s p l i t t i n ga n d t i g h tb l a s t i n go fS h a n d o n gG o l dC o r p o r a t i o n ，i nt h er e f e r e n c ef o r e i g na n d d o m e s t i cm a t e r i a l so nb l a s t i n gt h e o r ya n di n s i t ee x a m p l e sa b o u tb l a s t i n g t of r o mas h a f t ，m e t h o d ss u c ha s t h r o e ya n a l y s i s ，m o d e lp r e d i c t i o n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n di n s i t et e s ta r eu s e dt o s y s t e m l ya n dd e e p l y r e s e a r c ho nb l a s t i n gt of r o mas h a f tb yo n e s t e pw i t hm e d i u m l e n 舒hh o l e ． S e v e r a lc o n c l u s i o n sc a nb eo b t a i n e da sb e l o w 1 A c c o r d i n gt ob l a s t i n gt h e o r ya n ds t r a i g h tc u t t i n gm e c h a n i c s ， p a r a m e t e r sr e l a t e dt ob l a s t i n gt of o r mar a i s ea r ea n a l y z e d ．A st om a i n p a r a m e t e r s ，s u c ha st h ei n i t i a ls p a c e ，t h en u m b e ro fb l a s t i n gh o l e ，t h e d i s t a n c eb e t w e e nb l a s t i n gh o l ea n de m p t y h o l e ，t h ec o n c e n t r a t i o no f c h a r g ea n dt h ed e l a yt i m ei sc o m p u t e dr e s p e c t i v e l y , t h u sd i f f e r e n tb l a s t i n g h o l eo u t l a ym e t h o d sa r ed e s i g n e d ． 2 B a s e do nt h ep r o j e c t i o np u r s u i tr e g r e s s i o nt h e o r y , 9f a c t o r s c o m p r e s s i v em a g n i t u d e ，r o c kd e n s i t y , d i a m e t e ro fe m p t yh o l e ，n u m b e ro f e m p t yh o l e ，d i a m e t e ro fc h a r g e dh o l e ，n u m b e ro fc h a r g e dh o l e ，t h e m a x i m u mr e s i s t a n c el i n e ，a m o u n to fc h a r g ea n dl i n e a rc h a r g e dd e n s i t yo f t h ei n i t i a l h o l e a r es e l e c t e d a sd i s c r i m i n a t i n gi n d e xc o n s t r u c t i n gt h e m o d e lt op r e d i c t2f a c t o r s ，d e p t ho fs h a f ta n ds i z eo fs h a f t ．A p p l yt h e e s t a b l i s h e dm o d e lt op r e d i c tt h ee f f e c to fs h a f tb l a s t i n g38g r o u p so fd a t a a r et r a i n e da n dt e s t e d ．T h e p r e d i c t e dr e s u l t s a r ec o n s i s t e n tw i t ht h e m e a s u r e do n e s ．T h u s ，u s et h em o d e lt op r e d i c tt h eb l a s t i n gr e s u l to ft h e f o r m e rd e s i g n ． 3 T h r o u g ht h ea p p r o a c ho f p r o c e s sw i t hb l a s th o l ea n dv a r i o u s L S D Y N A ，d y n a m i cr o c kb r e a k a g e d i a m e t e r so fe m p t yh o l ei ss i m u l a t e d 中南大学硕上学位论文 A B S T R A C T a n db l a s t i n gr e s u l tw i t hd i f f e r e n td i a m e t e ra n dn u m b e ro fe m p t yh o l ei S a n a l y z e d ．N u m e r i c a lr e s u l ts h o w s E m p t yh o l ei nb l a s t i n gc u tp r o d u c e s e m p t yh o l ee f f e c t ，w h i c ho r i e n t s r o c kb r e a k a g ew h o s ea r e ab e c o m e s l a r g e ra st h ed i a m e t e ro fe m p t yh o l ei n c r e a s e s ．C o m p a r ed i f f e r e n tg r o u p s o fm o d e l s ，C o m p r e s s i o nf r a g m e n t a t i o nz o n ea n dt e n s i o nf r a g m e n t a t i o n z o n ea r em o r e o b v i o u s l yo b s e r v e dw i t hl a r g es i z eo fe m p t yh o l e ． 4 P r o g r a m sf i tt oX i n c h e ng o l dm i n ea r es e l e c t e da n dp u ti n t ou s e ． B e c a u s eo fh i g hr a t i o no fd e f l e c t i n g ，t h ef i r s tt r i a lw a sn o tS u c c e s s f u l ． A f t e ra m e l i o r a t i n gt h ed e s i g n ．t h es e c o n dt r i a lw a ss u c c e e d e d ．T h er a i s ei S r u nt h r o u g hw i t hb l a s t i n gc a t e r sa tb o t hs i d e sa r ew e l lc o n t r o l l e d ．T h e c r o s ss e c t i o nc o r r e s p o n d sw i t ht h ed e s i g n ．T h e3r dt r i a lb a s e do nt h e f o r m e re x p e r i e n c es u c c e d e dw i t hh i g hb a s t i n gu t i n i l t yr a t i oa n ds m o o t h s u r f a c e ．T h et h i r dd e i g ni sa b o u tr a i s eb r u s h i n g ．A f t e rb l a s t i n g ，t h ec r o s s i ss m o o t hw i t hh i g hb l a s t i n gr a t i o ．T h ed e p t ha n dt h es e c t i o nm e e tt h e d e s i g n ． K E YW O R D S s h a f te x c a v a t i o nb y o n e s t e pb l a s t i n g ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，p r o j e c t i o np u r s u i tr e g r e s s i o n ，i n s i t et r i a l 中南大学硕上学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．i 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外爆破成井研究现状与进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 ．1 爆破成井的方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 ．2 爆破成井理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．3 爆破成井凿岩技术现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．2 ．4 爆破成井数值模拟技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 国内外爆破一次成井研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．3 ．1 爆破一次成井方法与比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．2 中深孔爆破一次成井工程实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．4 课题来源、研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．4 ．1 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．4 ．2 研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．10 第二章爆破破岩理论及一次成井参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 l 2 ．2 爆破破岩理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．1 爆破破岩机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．2 ．2 粉碎区、裂隙区计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 中深孔爆破一次成井参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．1 钻孔孔径的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．3 ．2 爆破一次成井的规格确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．16 2 ．3 ．3 补偿空间的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．3 ．4 首响炮孔的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．3 ．5 装药孔数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．3 ．6 其余炮孔位置的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 - 3 ．7 掏槽方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 2 ．3 ．8 布孔设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 2 ．3 ．9 装药集中度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 中南大学硕上学位论文 目录 2 ．3 ．1 0 微差时间⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 2 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 第三章一次成井爆破效果的投影寻踪回归预测模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．1 投影寻踪简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 投影寻踪自回归模型原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 一次成井爆破效果的投影寻踪回归预测模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 ．1 爆破效果影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．3 ．2 模型的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．3 ．3 预测结果分析与工程运用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 第四章直眼掏槽破岩过程数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2 数值模拟过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．2 ．1 算法选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．2 ．2 单元选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．2 ．3 材料选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．2 ．4 失效准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．3 单空孔掏槽破岩过程数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．3 ．1 几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．3 ．2 材料参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．2 ．3 网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．2 ．4 破岩过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．2 ．5 最大拉应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．4 多空孔掏槽破岩过程数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．4 ．1 四空孔掏槽⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．4 ．2 五空孔掏槽⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．4 ．3 大空孔掏槽⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 第五章中深孔爆破一次成井在新城金矿的运用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 5 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 5 ．2 矿山概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．3 第一次爆破一次成井施工方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．2 ．1 成井位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．2 ．2 凿岩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 5 中南大学硕士学位论文 目录 5 ．2 ．3 装药⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．2 ．4 微差时间与起爆顺序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 ．5 ．2 ．5 ，爆破材料清单⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 5 ．4 第一次爆破一次成井爆破结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．4 ．1 爆破效果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．4 ．2 原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．5 第二次爆破一次成井方案改进与效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．5 ．1 凿岩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 l 5 ．5 ．2 掏槽方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．5 ．3 装药结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．5 ．4 起爆顺序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 5 ．5 ．5 爆破结果分析与评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．6 第三次爆破一次成井方案与爆破效果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．6 ．1 炮孔布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 5 ．6 ．2 装药⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．6 ．3 雷管延时与爆破网络⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 5 ．6 ．4 爆破材料清单⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 7 5 ．6 ．5 爆破效果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 5 ．7 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 6 ．1 结{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 ．2 建议与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 A C K N O W L E D G E M E N T ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 6 攻读硕士学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 中南大学硕上学位论文 第一章绪论 1 ．1 前言 第一章绪论昂一早硒比 天井在国防、民用及矿山等地下工程中都有着非常广泛的应用，如军事地下 仓库的通风天井，地下商场的安全天井以及矿山的充填天井、切割天井等。目前， 根据人员是否进入天井内作业，可以将天井掘进分为井内施工和井外施工法两大 类【卜列。井内施工法人员需要进入天井内作业，又可分为普通法掘进天井、吊罐 法掘进天井和爬罐法掘进天井三种【J 。井外施工法不需要人员进入天井内作业， 可分为爆破法掘进天井和钻进法掘井天井两种。普通法、吊罐法和爬罐法掘进天 井由于人员需要在天井内作业，工人劳动强度大，作业条件差安，安全性不高。 钻进法一般是使用大直径的旋转钻机在天井的全深进行全断面钻进，虽然作业安 全，工效高，但是投入成本太大，并且对于岩石的坚固性系数还有很大的要求 一 般需要厂 眵。 2 ．3 ．4 首响炮孔的确定 1 布置在裂隙圈半径内 为保证槽腔内岩石充分破碎，首响炮孔必须布置在裂隙圈内。 裂隙圈半径 计算如2 ．2 ．2 所述。 a ≤R ． 2 2 4 式中，a 为炮T L f N 足E ；R ，为以炮孑L 为中心的裂隙圈半径，具体计算如前所述。 2 炮T L I N 足K 应满足补偿空间理论。 如图2 ．2 所示，矿岩破碎后体积膨胀，需要补偿空间容纳，其关系满足式 S 预爆岩体k ≤S 补偿空问S 预爆岩体 2 ．2 5 式中，S 顶爆岩体为预爆岩体的面积；S 补偿空问为空孔面积。K 为岩石碎胀系 数，根据矿山岩石条件选取其值。 a 图2 - 2 补偿空间法示意图 1 一空孔，直径痧； 2 一装药孔，直径d 根据式 2 - 2 5 可推导出装药f L - 与空孔的距离，如式 2 2 6 所示。 【，日型2 一笙8 一笙8B 型2 口 笙8 堑8IJ a ≤玎铬黼] 池2 6 ， ◆ ～ 中南大学硕上学位论文第二章爆破破岩理论及一次成井参数计算 式中，a 为空孔与装药孔距离，m ，d 为装药孔半径，m ；痧为空孔半径，m 为防止孔间的贯通，a 的值不能太小，需满足式 2 ．2 7 。 口 型兰 2 L s i n ∥ 2 ．2 7 式中，L 为炮眼深度，∥为炮孔偏斜角度 考虑到其它炮孔起爆，炮T L t E 离的设计应该避免小破裂角。小破裂角意味着 炮眼夹制作用大，并且破碎岩体少。根据图2 ．2 ，可以推出 G 型 2．o 2 a r c t a n2 8 试验证明，％≥2 0 0 ～3 0 0 时，爆破夹制性小，不易发生槽腔挤死。 3 炮眼间距按照应力波强度确定⋯ 要使装药眼与空眼之间的岩石破碎，所需要的最低条件是从空孔壁反射的应 力波拉应力对岩石的破碎范围与装药眼的爆炸应力对岩石的破碎范围要连续贯 通。这样将空孔与装药孔的孔距分成三部分，即爆炸应力波对岩石的破碎范围w 、 反射拉伸应力波对岩石的破坏范围J 和空孑L 的半径痧／2 ，如图2 - 3 所示。 w _ “南尸 。2 ” 式中，W 为爆炸应力波对岩石的破坏范围；，．为装药孔的半径；只为炮孔壁 的初始压力；[ 1 1 丁C 】为岩石的动态抗压强度；口为爆炸应力波的衰减指数。 反射拉伸应力波对岩石的破坏范围 x 2 氡南卜 泣3 ∞ 所以炮眼间距 一一铮，． 龋 r 辐心 协3 ， 装药孔空孔 图2 - 3 按照应力波强度炮孔间距计算图 1 8 中南大学硕上学位论文 第二章爆破破岩理论及一次成井参数计算 这个公式在计算炮孔间距的时候只考虑r 应力波的破坏作用，而没有考虑爆 轰气体的静压作用，因此这个公式计算出的孔距实际情况偏小。也有曾适当增大 炮孑L 间距的情况，掏槽效果也很好。 2 ．3 ．5 装药孑L 数的确定 装药孔数的确定和天井的断面尺寸，岩石的岩性等因素有关。一般天井断面 越大，岩石坚固性越高，所需炮孔数越多。其具体计算公式可按照 2 ．3 2 计算 J V 坠塑 2 ．3 2 r 7 7 式中，Ⅳ为装药孔的总数目；K 为断面系数，按表2 ．3 选取 g 为每立方米岩石炸药消耗量，k g ／m 3 ； 7 7 为炮孔装药系数，一般为0 ．6 ～0 ．8 ； ，．为每米炮孑L 装药量，k g ／m 。 表2 - 3 断面系数表 2 ．3 ．6 其余炮孑L 位置的确定 根据各炮孔在爆破时的作用，“爆破一次成井”中炮孔可分为【5 】，掏槽孔起 掏槽作用，其中有一个或几个不装药的孔作为初始补偿空间，一般有5 个；辅助 孔起补助掏槽作用，一般为1 ～2 个；周边孔为确定天井形状的各炮孔，一般有4 个。如果岩石比较坚硬，周边孔也可以增加几个。 掏槽孔的确定需严格按照补偿空间法确定，这是保证掏槽成功的必要条件。 随着掏槽爆破的成功，自由面会越来越大，这样确定辅助孔和周边孔的条件就会 宽松点。尤其是确定周边孔，按补偿空间法计算的最大孔距都大于天井断面的最 大尺寸了，这时考虑更多的是设计破碎的岩体是否能破碎的问题了。所以确定周 边孔应该在考虑爆破岩石的炸药单耗。确定足够的药量，保证岩石能完全破碎。 如果孔径太小而装药太少，或者岩石坚固性太大，可考虑在设计天井轮廓线的中 点增加2 ～4 个钻孔。 中南大学硕上学位论文第二章爆破破岩理论及一次成井参数计算 2 ．3 ．7 掏槽方式 从前面的分析可以看出，如果炮孔逐个起爆，无论炮孔如何排列，只要炮孔 间距合理，破岩体积在容许范围之内，从理论上都可以都u J ．以实现天7 b f i , j 爆破。 考虑施工的简便性，炮孑L 往往按照一定的规律进行布置。查阅前人成果[ 2 ．4 2 - 4 7 I ， 现选择五种常见且成功率比较高的按一定规律布置的掏槽方式加以介绍和比较。 1 九空孔掏槽 ●● ●● ／-、J-，-、 ＼／ 1r ＼ ／ ●◆●- ●●● ●OO● ◆◆● 图2 4 九空孔掏槽常见形式 2 大空孔单螺旋掏槽 3 菱形对称掏槽 ●I ．，、I 7 L／ ’ ●I ＼／ ／＼ 图2 - 5大空孔单螺旋掏槽 图2 - 6 对称菱形掏槽 4 桶形掏槽 ●- o o ● ● ／ ● ● 厂 、 、／ o o ●● 图2 ．7 常见的两种桶形掏槽 2 0 中南大学硕士学位论文第二章爆破破岩理论及一次成井参数计算 不。 将上述几种常见掏槽方式优缺点及使用效果进行对比，对比结果如表2 ．4 所 表2 - 4 几种常见掏槽方式的比较 2 ．3 ．8 布孔设计 对不同的掏槽方式加以比较，可以看出在矿山爆破掘进天井法中螺旋掏槽和 桶形使用最多，而且成功率都比较高。根据以上的炮孔间距要求，以布置天井断 面2 2 m 为例，岩石松散系数取1 ．7 ，补偿空间分别为三空孔、四空孔和五空孔 情况下天井断面的炮孔布置图。 1 三空孔掏槽理论计算 三空孔掏槽的初始补偿空间大小为1 1 5 4 5 m m z ，计算三空孔掏槽相关参数如 表2 5 所示。根据所得炮孔间距布置炮孔如图2 ．8 所示。 表2 - 5 三空孔掏槽相关参数表 注括号内数字为起爆顺序 由计算结果看，单螺旋三空孔掏槽出槽腔仅为3 0 5 7 1 6 m r n 2 。从图中看8 号 2 1 中南大学硕士学位论文 第二章爆破破岩理论及一次成井参数计算 周边孔起爆被爆岩体面积最小s 1 0 0 0 1 0 0 0 ．5 0 0 4 0 0 ／2 9 0 0 0 0 0 m m 2 ， n 3 0 5 7 1 6 ／9 0 0 0 0 0 0 ．3 3 9 0 ．5 ，三空孔掏槽的补偿空间不能爆出断面2 m 2 m 的天 井。 ●一 一●。～ ▲◆～ ⋯～⋯ 一1 i 图2 ．8 三空孔掏槽炮孔布置图单位m m 1 ～3 一空孔1 4 ；4 ～5 一掏槽- t g ；6 - 7 一辅助a L ；8 - 11 一周边孔 2 四空孔掏槽的理论计算 四空孔掏槽的初始补偿空间大小为1 5 3 6 8 m m 2 ，分别计算四空孔掏槽相关参 数如表2 - 6 所示。根据所得炮孔间距布置炮孔如图2 - 9 所示。 表2 - 6 四空孔掏槽相关参数表 注括号内数字为起爆顺序 2 2 中南大学硕士学位论壅 塑三垦堡堕壁鲞里堡垦二姿壁茎叁塑生竺 口 图2 - 9 四空孔掏槽炮孔布置图单位m m l ～4 一空孑L1 4 5 - - 4 5 一掏槽孑L ；7 ～8 一辅助孑L ； 9 - 1 2 一周边孑L 四空孔掏槽的槽腔面积为3 7 9 2 3 8 m m 2 ，同样计算出能获得最大补偿空间的 周边孔的补偿系数，n 3 7 9 2 3 8 ／8 7 5 8 3 8 0 ．4 3 3 0 ．5 ，理论上可以爆出2 m x 2 m 的 天井。 2 ．3 ．9 装药集中度 装药集中度，又称装药密度。合理的装药集中度取决于岩石性质、炸药性能、 炮孔直径、掏槽孔与空孔中心距离等因素。为了使岩石能从槽腔中抛出而不堵死 空孔，应选用与岩性相宜的炸药。中硬岩石应选用爆速为3 0 0 0 m ／s 左右的炸药为 宜；对于坚硬岩石应选用爆速为4 0 0 0 m ／s 左右的炸刻4 ⋯。另外为了避免首响掏槽 孔起爆过大的横向冲击动压将破碎的岩石堵死在孔中，还要正确选取首响掏槽孔 的装药结构、装药密度和装药量。一般现场采用空气间隔装药，使炸药在孔中分 布均匀，并在装药全段铺设导爆索。典型的装药结构图如图2 1 1 所示【4 8 1 。 图2 11典型的掏槽孔装药结构图 2 4 中南大学硕士学位论文 第二章爆破破岩理论及一次成井参数计算 直眼掏槽的装药量，应保证掏槽范围内的岩石充分破碎并有足够的能量将破 碎的岩石尽可能的抛掷到槽腔以外。具体炸药单耗可据下面的经验公式计算【4 9 】。 q K l K 2 4 S l , 2 - 3 3 q 为掏槽爆破时的炸药单耗；K ．为炸药爆力校正系数，K 。 5 2 5 ／P ，P 是炸 药爆力。K ，为考虑掏槽为单自由面爆破，岩石受夹制作用较大而对公式修正的 系数。K ， 1 ．2 ～1 ．4 。 表2 ．8 和表2 - 9 是瑞典曾经使用过的掏槽孔参数和周边孔参数【5 0 l 表2 - 8 掏槽孔爆破参数 2 ．3 ．1 0 微差时间 由于毫秒爆破作用机理复杂，存在许多确定爆破一次成井微差时间的公式， 而且不同公式之间并非完全统一，计算结果往往也和实践有一定的差距。下面分 别介绍两种工程实践中使用较多的微差时间计算公式。 1 理论计算 理论分析表明，有空孔掏槽爆破槽腔形成过程大致可以分为3 个阶段，一为 岩石破碎阶段，二为岩石渣抛掷充满槽腔阶段，三为岩石碎渣轴向排弃形成有效 槽腔阶段。所以合理的微差时间为以上三个部分时间和。 T ，l f 2 f 3 2 3 4 2 5 中南大学硕上学位论文第二章爆破破岩理论及一次成井参数计算 热，l 一若 一唧c o s - p 面L ㈡3 毒 式中，丁有空孔掏槽爆破合理微差；，，槽腔内岩石破碎所需要的时间；t 2 岩 石碎渣抛向空孔并充满槽腔的时间；，3 岩石碎渣受爆生气体余压膨胀而排弃形成 的有效爆腔时间；∥最小抵抗线；C 。为岩石纵波速度，3 1 4 8 r n ／s ；∥爆破漏斗锥 顶 4 0 。；％裂隙纹扩展速度，％ o ．3 8 ；C ， 1 1 9 6 m ／s ；三裂纹宽度，0 ．0 0 8 ～0 ．O l m ， 取