不同炮孔堵塞材料对矿山露天爆破效果的影响.pdf

第4 6 卷第4 期 2 0 1 7 年8 月 爆破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s V 0 1 ．4 6N o ．4 A u g ．2 0 1 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 7 ．0 4 ．0 1 1 不同炮孑L 堵塞材料对矿山露天爆破效果的影响来 雷海鑫 新疆天池能源有限责任公司 新疆昌吉，8 3 1 1 0 0 [ 摘要]通过矿山目前采用的单一材料堵塞的冲孔分析，利用控制变量法和对比分析法，定性地研究炮孔中应 力和时间的变化规律，结合现场爆破试验，将炮孔堵塞分6 种情况进行试验研究，最终得出混合材料的炮孔堵塞 相比单一材料的炮孑L 堵塞，具有抗剪强度高、炸药能量在炮孔中作用时间长和炸药做功能力增大等特点。现场混 合材料堵塞能有效地降低冲孔现象的发生，提高炸药利用率和减少炮孔上部大块的产生。 [ 关键词]炮孔堵塞；冲孔；混合材料；应力变化；作用时间 [ 分类号] 0 6 4 3 ．2 2 3 ；T D 2 3 5 ．2 ；T J 5 1 0 ．4 E f f e c to fB l o c k i n gM a t e r i a l so fB l a s tH o l eo nO p e nB l a s t i n go fM i n e L E IH a l ‘x i n X i n j i a n gT i a n c h iE n e r g yS o u r c e sC o ．，L t d ． X i n j i a n gC h a n d i ，8 3 11 0 0 [ A B S T R A C T ] C o n v e n t i o n a ls i n g l eb l o c k i n gm a t e r i a li su s e di nb l a s th o l ei nm i n eb l a s t i n g ，w h i c hc o u l dr e s u l ti np u n c h i n gp h e n o m e n o n ．V a r i a b l ec o n t r o lm e t h o da n dc o n t r a s ta n a l y s i sm e t h o dw e r eu s e dt oq u a l i t a t i v e l ya n a l y z et h ec o r r e l a t i o n o fs t r e s sa n dt i m ei nb l a s th o l e s ．I nb l a s t i n gt e s t ，b l a s th o l e sw e r eb l o c k e db ys i xs c e n a r i o s ，a n di tw a so b t a i n e dt h a tm i x e d m a t e r i a lu s i n gi nb l a s th o l eh a st h eh i g h e s ta n t i c u ts t r e n g t h ，t h el o n g e s ta c t i o nt i m ef o re n e r g yo fe x p l o s i v e si nh o l e s ，a n d t h es t r o n g e s tw o r kc a p a c i t y ．M i x e dm a t e r i a lu s e da sb l o c k i n gm a t e r i a l sc o u l de f f e c t i v e l yr e d u c et h eo c c u r r e n c eo fp u n c h i n g ， i n c r e a s eu t i l i z a t i o na n d r e d u c eh o l eu p p e rb l o c k ． [ K E Y W O R D S ] b l a s th o l ep l u g g i n g ；p u n c h e dh o l e ；m i x e dm a t e r i a l ；s t r e s sc h a n g e ；t i m eo fa c t i o n 引言 矿山露天爆破的炮孑L 采取有效堵塞措施可提高 爆破效率，改善爆破效果。炮孔堵塞的作用为一方 面，保证炮孑L 内炸药充分反应，将炸药化学能以最大 程度转化为机械能；另一方面，降低爆生气体温度和 压力的逸出，提高炸药的热效率，使更多的热能转化 为机械功，提高炸药能量的利用率[ 1 ] 。延长爆生气 体在炮孔中存在的时问以及增加爆炸应力波对岩石 作用的时间，对于改善矿山爆破现状、减少大块 率卫引、降低企业成本以及事故的发生有很大的研究 意义。 现场炮孑L 堵塞现状 芸红岭矿山属于露天石灰石矿，爆破采用2 8 岩 石乳化炸药，直径为1 2 0m m 。现场炮孔直径1 5 2 m m ，孔深平均为1 3m ，孑L 网参数孔距平均为6m 、排 距为4m ．炮孔上部堵塞长度为3 ．0 ～3 ．5i n 。现场 装药采用不耦合空气间隔结构，矿山炮孑L 堵塞材料 为石灰石钻屑，爆破过程中长期存在冲孑L 现象，造成 炮孔上部的大块率较高。 石灰石粉具有颗粒小、密度小、内聚力小的特 点。堵塞材料与炮孑L 孑L 壁之间摩擦力小，炸药产生的 能量作用于炮孔中的时间短，炸药能量损失大，造成 严重的冲孑L 现象。冲孔高度达3 ～3 0i n ，可导致严重 的爆破危害。 不合理炮孔堵塞材料造成的冲孑L 现象见图1 。 不合理炮孔堵塞材料造成冲孑L 的爆破孔网参 数排拒为4m 、孑L 距为6I n ，炮孑L 深度为1 5 ．5I n ，属 于露天深孔爆破，炮孑L 堵塞长度是3 ．5I n ，冲孑L 高度 达2 0m ，冲孑L 造成大量飞石，飞石距离达1 0 0I n ，存 在严重的安全隐患。 { I } 收稿日期2 0 1 6 1 0 1 7 作者简介雷海鑫 1 9 9 4 ～ ，男，学士，技术员，研究方向是地质勘查。E - m 越l h x y a n j i u 1 2 6 ．C O F f l 万方数据 5 2 爆破器材 第4 6 卷第4 期 图1冲孑L 现象 F i g ．1P u n c h i n gp h e n o m e n o n 2 炮孔堵塞分析 2 ．1 冲孔能量 通过控制变量和批分析的方法，进行现场炮孔 中应力和时间的定性变化分析。炸药产生的能量以 冲击波和爆生气体形式释放．最终转化为岩体机械 能 E ， 、裂隙损失能 E 和炮孔溢出能量 E ， 3 大 部分[ 4 ] 。通过现场试验和采集数据，得出 E E 1 E 2 E 3 。 1 式中E 为炸药产生的总能量。 炮孔溢出能量主要以冲孔的形式释放，假设炮 孔堵塞材料为一整体，运动分3 个阶段，分别是开始 移动、刚冲出炮孔和运动到最高点【4 ] 。堵塞材料的 受力情况见图2 。图2 中，P 为炸药能量作用于堵塞 材料的压力；厂为堵塞材料与孔壁的摩擦力；G 为堵 塞材料自身重力；F 内为堵塞材料的抵抗剪切破坏 的内聚力d s 为炸药能量产生的瞬间压缩距离。 1 5 2 m m ＼＼ 堵塞部分7 淡 3 ．5m 出 爹 ／ 炸药一／ ／ ／ ／ 图2 堵塞材料受力分析 F i g ．2 S t r e s sa n a l y s i so fb l o c k i n gm a t e r i a l s 第1 阶段开始移动。炸药能量作用于堵塞材 料的瞬间，堵塞材料整体保持静止，但作用力引起堵 塞材料的压缩，压缩距离为山，则第1 阶段的炮孑L 溢 出能量为 d E 3 f xd s P d s 0 ．1 2 。 2 式 2 为瞬间压缩距离内产生的能量d E ，对式 2 积分，则得出第1 阶段溢出能量E ； E ， J 厂 0 ．1 2 p d s 。 3 炸药能量作用于堵塞材料的瞬间产生的损失能 量极小，忽略不计。 第2 阶段刚冲出炮孔。堵塞材料冲出炮孔的 瞬间是一个整体性运动。堵塞材料冲出炮孑L 的瞬 间，即堵塞材料最底边到达孑L 口，由于堵塞材料具有 一定的孔隙，在堵塞材料运动过程中产生爆生气体 的泄漏，则第2 阶段的炮孔溢出能量E ；为 E ； ，n “ 2 ，，，w 3 ．5 一d s E 损， J 7 3 ．5 一 d s 。 4 式中m 为堵塞材料的质量；g 为物体重力加速度；移 为冲出炮孔的瞬时速度；E 榻，为炸药产生的能量作 用于堵塞材料时沿堵塞材料孑L 隙的能量泄漏，此阶 段经历时间极短，堵塞材料运动可看做匀速运 动‘5 I 。 第3 阶段运动到最高点。堵塞材料冲出炮孔 后失去整体性。按照各自的轨道运动到最高点，炸药 能量大量损失在空气中。炮孔溢出能量联为 E ；『 E m h i g E 损2 。 5 式中m i 为冲出炮孔的堵塞材料质量；危i 为对应堵 塞材料冲出炮孔的高度；E 棉为堵塞材料运动至最 高点时损失于大气中的能量。 3 个阶段炮孔溢出能量的总和则为整个爆破过 程中炮孔溢出能量。炸药产生的能量主要以爆生气 体的形式作用于炮孔。在炮孔中作用时间越长，则作 用于岩体的炸药能量越大，能量利用率越高。通过 式 3 、式 4 、式 5 得出，增大堵塞材料的自身质 量、堵塞材料与孔壁的摩擦以及堵塞材料内聚力，能 有效地增大爆生气体作用于炮孑L 的时间，减少能量 的损失。 2 ．2 冲孔时间 冲孔时间延迟得越长．则炸药在炮孔中的作用 时间越长，能量利用率越高，在炸药量、堵塞长度和 孑L 壁质量情况一致的条件下，影响冲孔时间的因素 主要是堵塞材料的自身属性，包括质量、内聚力、抗 剪强度等。 通过现场做试验，利用感应压力表和秒表记录 在有堵塞和无堵塞两种情况下炮孑L 的压力和冲孔时 间，得出炮孔压力随时间的变化规律，见图3 [ 6 1 7 ] 。 炮孔压力由炸药爆炸产生的爆生气体引起，有 堵塞炮孔的压力明显大于无堵塞炮孔；同时，作用时 万方数据 不同炮孑L 堵塞材料对矿山露天爆破效果的影响雷海鑫 5 3 图3 堵塞对炮孔压力的影响 F i g ．3 I n f l u e n c eo fc l o g g i n go np r e s s u r eo fb l a s th o l e 间远大于无堵塞炮孔。因此，炮孔堵塞有效地延长 了炸药能量在炮孑L 中的作用时间。 2 ．3 混合材料的堵塞 装药炮孔采用现场打钻所得的钻孔进行装药和 堵塞。根据炸药型号和岩体物理性质，钻孑L 炮孔 直径通常有7 0m m 和1 2 0m m 等。通常炮孔结构为 圆形直孔，结构面光滑，若地质情况复杂和岩体结构 不稳定，则根据实际情况采用斜孔装药和堵塞。堵 塞部分直接覆盖于炸药表面，堵塞内部结构孔隙及 其发育、外部结构根据孔壁状态呈现各向异性，堵塞 部分整体呈圆柱形，一般情况下长度为3m 。 炮孑L 中堵塞材料在炸药爆炸产生的压力作用 下。主要受到来自两个方向的应力一8 『，炮孔堵塞材 料的应力分布见图4 。 堵塞部 图4 应力分布 炮孔堵塞材料的抗剪强度为 下 o - t a n a F ； 6 盯- 一、，瓜i 万蕊 知■霹i 虿丽。 7 式中r 为堵塞材料抗剪强度；盯为炮孔应力；O ／为堵 塞材料内摩擦角；F 为堵塞材料内聚力；盯．为炸药 产生的应力 主应力 ；盯，为孔壁施加给堵塞材料的 应力盯，为堵塞材料自身重力产生的应力。 堵塞材料的弹性模量e 为 e 兰_ ； 8 二二 _ ；L O ／ ／d 戈2 d s 2 ’ d x d x7 ，d s d s ’。 9 式中出为混合材料横向应变；d s 为混合材料竖向 应变；出7 为单一材料横向应变；d s7 为单一材料竖向 应变。 现场混合材料一般采用黏土、砂、碎石和石灰石 粉组合，相对于单一材料，混合材料具有较大的摩擦 角1 9 1 、内聚力F 和自身重力．在其他外界条件一致情 况下，由式 6 和式 7 可知，混合材料的抗剪强度 大于单一材料。 3 现场试验与分析 在一定距离处做现场试验，测得无堵塞材料和 不同堵塞材料的炮孔应力随时间的变化规律。此次 试验共分6 个炮孔，炮孑L 深度、间隔长度、孔壁质量 和堵塞长度以及炮孔装药量完全相同，分6 种堵塞 情况进行炮孔压力和冲孔时间变化分析．最终得出 炮孔中应力随时间的变化规律，见图5 E7 q 0 ] 。 图5 应力随时I 司的变化 F i g ．5 S t r e s sc h a n g i n gw i t ht i m e 图5 中显示，不同的堵塞材料产生不同的炮孔 压力和冲孔时间，有堵塞的炮孔，炸药能量在炮孔中 作用时间明显加长混合材料堵塞的炮孔，压力和作 用时间大于其他单一材料堵塞，能增大炸药能量的 利用率[ 1 1 I 。 相对于单一材料和无材料堵塞，混合材料炮孔 堵塞具有炮孔应力大和炸药能量作用时间长的特 点．炸药的做功能力和作用效率提高。 4结论 芸红岭石灰石矿山爆破现场堵塞采用单一材 万方数据 5 4 爆破器材第4 6 卷第4 期 料，造成严重的冲孔现象。采用定性对比分析法和 控制变量法，并通过现场试验和研究分析得出，混合 材料的炮孔堵塞抗剪强度高，炮孑L 应力大，炸药能量 在炮孔中作用时间长，有效地增大了炸药的做功能 力和提高了炸药的利用率，减少了炮孑L 上部大块的 ，6 j 产生。 ‘一 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 宗琦．炮孔堵塞物运动规律的理论探讨[ J ] ．爆破， 1 9 9 6 ，1 3 1 8 - 1 1 ． Z O N GQ ．I n v e s t i g a t i o ni n t om o v er e g u l a r i t ya b o u ts t e m r e e dm a t e r i a li nh o l ec h a r g eb l a s t i n g [ J ] ．B l a s t i n g ，1 9 9 6 ， 1 3 1 8 - 1 1 ． 陆文，张志呈．钻孔爆破中炮孑L 堵塞作用机理研究 [ J ] ．爆破，2 0 0 1 ，1 8 1 2 6 2 9 ． L UW ，Z H A N GZC ．S t u d yo ns t e m m i n gf u n c t i o no fb o r e h o l ee x p l o s i o n [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 1 ，1 8 1 2 6 - 2 9 ． 朱泽云．炮孑L 堵塞的研究[ J ] ．爆破，1 9 9 3 ，1 0 1 4 2 4 6 ．5 9 ． 于妍宁，徐振洋，郭连军，等．岩石动态特性对爆破振 动能量分布的影响[ J ] ．爆破器材，2 0 1 5 ，4 4 6 1 5 1 9 ． Y UYN ．X UZY ．G U OLJ ．e ta 1 ．I n f l u e n c eo fr o c k d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o nd i s t r i b u t i o no fb l a s t i n gv i b r a t i o n [ J ] ．E x p l o s i v eM a t e r i a l s ，2 0 1 5 ，4 4 6 1 5 1 9 ． 谢兴博，钟明寿，陈勇，等．爆破振动速度与加速度的 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 等效换算研究[ J ] ．爆破器材，2 0 1 5 ，4 4 5 5 1 - 5 5 ． X I EXB ，Z H O N GMS ，C H E NY ，e ta 1 ．R e s e a r c ho nt h e e q u i v a l e n tc o n v e r s i o no fb l a s t i n g v i b r a t i o nv e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o n 『J ] ．E x p l o s i v eM a t e r i a l s ，2 0 1 5 ，4 4 5 5 1 5 5 ． 罗勇．沈兆武．炮孔合理堵塞长度的研究[ J ] ．岩土工 程技术，2 0 0 6 ，2 0 1 2 5 2 8 ． L U OY ，S H E NZW ．S t u d y0 1 3 ．s t e m m i n gl e n g t hi nh o l e c h a r g e db l a s t i n g [ J ] ．G e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ，2 0 1 2 5 2 8 ． 王玉杰．爆破工程[ M ] ．武汉武汉理工大学出版社， 2 0 0 9 1 7 4 1 8 0 ． 贾光辉，王志军，张国伟，等．爆炸过程巾的应力波 [ J ] ．爆破器材，2 0 0 1 ，3 0 1 1 - 4 ． J I AGH ，W A N GZJ ，Z H A N GGW ，e ta 1 ．S t r e s sw a v e i nb l a s t i n g [ J ] ．E x p l o s i v eM a t e r i a l s ，2 0 0 1 ，3 0 1 1 - 4 ． 陈建平，高文学．爆破工程地质学[ M ] ．北京科学出 版社．2 0 0 5 3 0 0 3 1 5 ． 罗勇．沈兆武．钻孔爆破中炮孔堵塞效果及堵塞长度 的研究[ J ] ．力学与实践，2 0 0 6 ，2 8 2 4 8 5 2 ． L U OY ，S H E NZW ．I n v e s t i g a t i o no nl e n g t ho fs t e m m i n g m a t e r i a la n di t se f f e c ti n h o l e c h a r g e db l a s t i n g [ J ． M e c h a n i c si nE n g i n e e r i n g ，2 0 0 6 ，2 8 2 4 8 5 2 ． 陈怀宇．刘锡禄．炮孑L 堵塞质量对爆破效果的影响 f J ] ，工业安全与防尘，1 9 8 7 2 1 7 2 0 ，1 6 ． 垮x 喀帕o o o - o o ．o e ．o 锄e o e ．。寺。争呤0 e 。e 吣喀田e o 争0 e 心o o 争。e o e 幛0 e o o o 寺。々- 。o 0 e ．o 审。争。令0 争。々o 令0 e o 铷喀o e o 邻喀o e o 寺o o 嘲々 上接第4 1 页 [ 5 ] 朱仁．无机化学[ M ] ．3 版．北京高等教育出版社， 1 9 9 3 ． Z H UR ．I n o r g a n i cc h e m i s t r y [ M ] ．3 r de d ．B e i j i n g H i g h e rE d u c a t i o nP r e s s ，1 9 9 3 ． [ 6 ] 姜龙飞．化学电离质谱学[ J ] ．质谱学杂志，1 9 8 3 ，4 1 4 1 5 6 ． J I A N GLF ．O nc h e m i c a li o n i z a t i o nm a s ss p e c t r o m e t r y [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n e s eM a s sS p e c t r o m e t r yS o c i e t y ， 1 9 8 3 ，4 1 4 1 - 5 6 ． [ 7 ] 王约瑟夫．分析电化学[ M ] ．朱永春，张玲，译．北京 化学工业出版社。2 0 0 8 ． W A N GJ ．A n a l y t i c a le l e c t r o c h e m i s t r y [ M ] ．Z H UYC ， Z H A N GL ，t r a n s l a t e d ．B e i j i n g C h e m i c a lI n d u s t r yP r e s s ， 2 0 0 8 ． [ 8 ] 廖斯达，贾志军，马洪运，等．电化学基础 I I 热力学 平衡与能斯特方程及其应用[ J ] ．储能科学与技术， 2 0 1 3 ，2 1 6 3 6 8 ． L I A OSD ，J I AZJ ，M AHY ，e ta 1 ．F u n d a m e n t a l so fe l e c t r o c h e m i s t r y Ⅱ t h e r m o d y n a m i ce q u i l i b r i u m a n d N e r n s tE q u a t i o n [ J ] ．E n e r g yS t o r a g eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 1 3 ，2 1 6 3 6 8 ． 『9 ]吉林化学工业公司化肥厂，化学工业部上海化工研究 院．硝酸铵G B 2 9 4 5 - - 1 9 8 9 [ s ] ．北京国家技术监督 局．1 9 9 0 ． 万方数据