CN109029177B - 一种用于进路式回采中的爆破方法 - Google Patents

一种用于进路式回采中的爆破方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于进路式回采中的爆破方法，岩石的动态抗拉强度低于充填体的动态抗压强度，周边孔起爆后，在矿岩与充填体交界处，由于充填体与矿岩波阻抗的不同，爆破应力波在两介质界面处将发生反射拉伸波和透射压缩波，通过计算周边孔与充填体之间的间距，确定掌子面爆破参数，使得爆破产生的应力波在两介质交界处产生的透射压缩波的应力波峰值低于充填体的动态抗压强度。保证充填体保持完整而不受破坏，同时，产生的反射拉伸波的强度大于岩石动态抗拉强度，增加破岩效果。通过本发明的方法既能够保证进路中矿体能够充分爆破，又能保证进路一侧或两侧充填保持完整，不受到爆破应力波的破坏。

Description

一种用于进路式回采中的爆破方法
技术领域
本发明属于采矿技术领域，涉及多步骤进路式回采后充填采矿法，具体涉及一种进路式回采中提高爆破质量的方法。
背景技术
采用多步骤进路式回采或是空场嗣后充填采矿法，由于一步骤回采结束后进行充填，在二步骤和三步骤回采过程中，由于临近充填体一侧的炮孔起爆产生的爆破应力波会造成充填体破坏垮塌，造成矿石贫化，同时，充填体破坏会降低其对空区上下盘围岩的支撑，影响二、三步骤回采过程中安全性。尤其是在下向进路式回采方式中，由于回采断面较小，如果爆破参数选取不当，造成充填体大面积垮塌，不仅对本分层的矿体回采产生影响，也会对下个分层回采产生较大影响。由于矿体与充填体的力学性能完全不同，由于爆破介质的不同，进路回采过程中，一般很难保证进路中矿体能够充分爆破，且进路一侧或两侧充填能够保持完整，不受到爆破应力波的破坏。分层内根据进路回采步骤的不同，每个步骤回采进路两侧的介质均不同，如二步骤回采时，进路一侧为充填体，一侧为矿体。掌子面爆破时，装在孔底的炸药起爆后，爆破应力波经一段时间后传播至矿体与充填体的交界处，爆破应力波在矿体与充填体界面处，由于两种介质力学性能的不同，在分界处爆破应力波发生透射和反射，由于充填体比岩石低很多，如果透射波携带的能量过大，则会造成充填体的破坏。
由于一步骤回采两侧都为矿体，其爆破参数在选取时对整个分层进路的回采影响比较小，二步骤和三步骤进路回采时，由于进路一侧或两侧为充填体，爆破参数选取不当，会造成一侧或两侧充填体遭受破坏，造成矿石贫化，进路巷道的稳定性遭受破坏，支护成本增加。
由于充填体的波阻抗较小，远远小于岩石的波阻抗，掌子面炸药爆炸后，爆破应力波在充填体内传播体现出传播速度慢、主频低、应力波峰值小、持续时间长等特点，充填体能够吸收大量爆破应力波，能够起到降低爆破地震效应影响的作用。
对两侧充填体破坏影响较大为进路掌子面周边孔，周边孔起爆时，首先在炸药周围形成粉碎圈，粉碎圈的直径约为炸药卷半径的两倍，在粉碎圈内，炸药爆炸后以冲击波的形式向外传播，但其影响范围非常小，很快便衰减为应力波，爆轰波的影响范围大约为药卷半径的3~7倍，然后爆轰波衰减为应力波，应力的传播范围很大，通常能达到药卷半径的120~150倍左右。炸药爆炸形成的爆轰波在岩石粉碎圈外使得岩石受到巨大的切向应变与径向应力，使得破碎圈以外药卷半径的3~7倍的岩石产生大量的径向和横向裂纹，随后爆轰波衰减为应力波继续传播。由爆炸产生的冲击气体在岩石的缝隙中向前传播，并使得岩石裂隙张开、破坏，直到冲击气体的能量耗尽岩石停止张裂破坏，这就是炸药爆炸破岩的气楔作用。
产生的应力波继续向前，当到达岩石与充填体界面时，由于岩石与充填体的波阻抗相差较大，应力波在交界处发生反射和透射现象，反射形成的拉升波继续对岩石造成破坏作用，由于岩石的抗拉强度较小，因此，反射波加强了岩石的破坏效果。透射应力进入充填体内部，对充填体产生破坏作用。
所以，掌子面炸药起爆后，对两侧充填造成破坏主要是由周边孔产生的爆炸应力波在交界处产生的透射波超过了充填体强度所致，周边孔起爆产生的应力波强度与装药量、岩石条件、充填体条件、起爆方式等方式相关，由于在进路回采中，装药量、岩石条件、充填体条件、起爆方式是固定的，一般不会发生变化，那么周边孔起爆产生的应力波强度就与周边孔与充填体的距离相关。如果距离过大，充填体与岩石交界处的岩石由于应力波强度不足不能得到充分的破碎，形成大块或是挂帮，造成矿石损失且对出矿的安全性造成威胁。如果距离过近，在交界处产生的透射应力波强度过大，势必超过充填体的强度而造成充填体发生破坏，使充填体产生片帮冒落而引起因充填料混入矿石带来的二次贫化，严重时甚至会出现充填体大量垮冒而导致采场发生安全事故。
发明内容
本发明针对上述多步骤进路式回采方法中，目的为了保证充填体在爆破作用下的稳定性和完整性，提供了一种进路式回采中提高爆破质量的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种用于进路式回采中的爆破方法，岩石的动态抗拉强度低于充填体的动态抗压强度，周边孔起爆后，在岩石与充填体交界处，由于充填体与岩石波阻抗的不同，爆破应力波在两介质界面处将发生反射拉伸波和透射压缩波，通过计算周边孔与充填体之间的间距，确定掌子面爆破参数，使得爆破产生的应力波在两介质交界处产生的透射压缩波的应力波峰值低于充填体的动态抗压强度。保证充填体保持完整而不受破坏，同时，产生的反射拉伸波的强度大于岩石动态抗拉强度，增加破岩效果；所述周边孔距充填体的距离通过以下过程计算得出：
炸药爆炸后，在炸药周围的岩石中首先产生爆炸冲击波，冲击波波速与波阵面岩石质点的振动速度有如下对应关系：
Figure 467107DEST_PATH_IMAGE002
（1）
式中： a、b为试验确定的常数； 为冲击波波阵面岩石质点的振动速度；
Figure 875358DEST_PATH_IMAGE004
为岩石冲击波的传播速度；
在破碎区界面处，冲击波迅速衰减为应力波，应力波的传播速度与岩石纵波波速相同，此处的应力波峰值压力为：
（2）
式中：
Figure 902537DEST_PATH_IMAGE008
为原岩密度；
Figure 835858DEST_PATH_IMAGE010
为应力波的传播速度；为破碎区界面处的应力波峰值压力；
将公式（1）带入公式（2）中，可得：为破碎区界面处的应力波峰值压力；
Figure 111484DEST_PATH_IMAGE014
（3）
根据爆破理论，冲击波的峰值压力随距离的衰减方程为：
Figure 379655DEST_PATH_IMAGE015
（4）
式中：
Figure 558832DEST_PATH_IMAGE016
为炸药爆炸瞬间冲击波作用在炮孔岩壁处的初始冲击压力；
Figure 723097DEST_PATH_IMAGE017
为冲击波波阵面与炮孔岩壁处的距离与炮孔半径的比值,即
Figure 495881DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure 177529DEST_PATH_IMAGE019
为冲击波波阵面处的峰值压力；
当不耦合装药时，炸药爆炸瞬间冲击波作用在炮孔岩壁处的初始冲击压力由下式计算：
Figure 617738DEST_PATH_IMAGE020
（5）
式中： 为炸药的装药密度；
Figure 868777DEST_PATH_IMAGE022
为炸药的爆速；
Figure 682012DEST_PATH_IMAGE023
为装药半径；
Figure 586514DEST_PATH_IMAGE024
为炮孔半径；
Figure 154899DEST_PATH_IMAGE025
为压力增大倍数；
在粉碎区界面处，冲击波波阵面处的峰值压力用
Figure 761329DEST_PATH_IMAGE027
表示，根据公式（4），
Figure 174993DEST_PATH_IMAGE027
可由下式计算：
Figure 934002DEST_PATH_IMAGE029
（6）
式中：
Figure 610971DEST_PATH_IMAGE030
为破碎区界面距离炮孔岩壁处的距离。
公式（3）与公式（6）均表示为冲击波在粉碎区界面处的峰值压力，因此，有
Figure 580064DEST_PATH_IMAGE031
，即：
Figure 922052DEST_PATH_IMAGE032
（7）
公式7中，除R0外，其余均为已知参数，可计算破碎区界面距离炮孔岩壁处的距离R0为：
Figure 925780DEST_PATH_IMAGE033
（8）
根据爆破理论，在破碎区外，应力波峰值压力随距离的衰减方程为：
Figure 445754DEST_PATH_IMAGE035
（9）
式中：
Figure 105406DEST_PATH_IMAGE037
为应力波峰值； 为对比距离，
Figure 843741DEST_PATH_IMAGE041
，R为应力波到破碎区界面的距离；
Figure 659250DEST_PATH_IMAGE043
为应力波衰减系数，
Figure 806197DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 240721DEST_PATH_IMAGE047
岩石泊松比；
用充填体的动态抗压强度S代替
Figure 953462DEST_PATH_IMAGE049
，可计算得出应力波到破碎区界面的距离R；根据公式（8）计算得出的破碎区界面距离炮孔岩壁处的距离R0，有R0+R即为所求的周边孔距离充填体界面的合适距离。
本发明带来的有益效果如下：本发明通过计算得出进路回采过程中，选取合适周边孔间距，确定合适的掌子面爆破参数，使得爆破产生的应力波在两介质交界处产生的透射压缩波强度低于充填体动态抗压强度，保证充填体保持完整而不受破坏，同时，产生的发射拉伸波的强度大于岩石动态抗拉强度，增加破岩效果。通过本发明的方法既能够保证进路中矿体能够充分爆破，又能保证进路一侧或两侧充填保持完整，不受到爆破应力波的破坏。
附图说明
图1 . 为一步骤进路回采图；
图2. 为二步骤进路回采图；
图3 . 为 三步骤回采巷道图；
图4.为一步骤进路回采炮孔布置图；
图5.为二步骤进路回采炮孔布置图；
图6 . 为三步骤进路回采炮孔布置图。
具体实施方式
一种用于进路式回采中的爆破方法，岩石的动态抗拉强度低于充填体的动态抗压强度，周边孔起爆后，在岩石与充填体交界处，由于充填体与岩石波阻抗的不同，爆破应力波在两介质界面处将发生反射拉伸波和透射压缩波，通过计算周边孔与充填体之间的间距，确定掌子面爆破参数，使得爆破产生的应力波在两介质交界处产生的透射压缩波的应力波峰值低于充填体的动态抗压强度。保证充填体保持完整而不受破坏，同时，产生的反射拉伸波的强度大于岩石动态抗拉强度，增加破岩效果。
所述周边孔距充填体的距离通过以下过程计算得出：
（1）.首先根据岩石的特性，对岩石冲击波传播速度及爆破试验a、b常数进行试验测定，通过公式（1）计算可得冲击波波阵面岩石质点的振动速度
Figure 64506DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 495488DEST_PATH_IMAGE051
（1）
式中：
Figure 468123DEST_PATH_IMAGE052
为岩石冲击波的传播速度；a、b为试验确定的常数；
Figure 504212DEST_PATH_IMAGE053
为冲击波波阵面岩石质点的振动速度。
在破碎区界面处，冲击波迅速衰减为应力波，应力波的传播速度与岩石纵波波速相同，此处的应力波峰值压力为：
Figure 395945DEST_PATH_IMAGE054
（2）
式中：
Figure 704435DEST_PATH_IMAGE055
为破碎区界面处的应力波峰值压力；
Figure 605395DEST_PATH_IMAGE056
为原岩密度；
Figure 230411DEST_PATH_IMAGE057
为应力波的传播速度；
Figure 433991DEST_PATH_IMAGE058
为破碎区界面岩石质点的振动速度；
将公式（1）带入公式（2）中，可得：
Figure 573985DEST_PATH_IMAGE059
为破碎区界面处的应力波峰值压力值；
Figure 668849DEST_PATH_IMAGE060
（3）
（2）.此外，根据爆破理论，炸药爆炸后形成的冲击波的峰值压力随距离的衰减方程可表示为：
Figure 210689DEST_PATH_IMAGE061
（4）
式中：
Figure 913066DEST_PATH_IMAGE062
为冲击波波阵面处的峰值压力；
Figure 415722DEST_PATH_IMAGE063
为炸药爆炸瞬间冲击波作用在炮孔岩壁处的初始冲击压力；
Figure 658485DEST_PATH_IMAGE064
为冲击波波阵面与炮孔岩壁处的距离与炮孔半径的比值,即
Figure 445044DEST_PATH_IMAGE065
；
当不耦合装药时，炸药爆炸瞬间冲击波作用在炮孔岩壁处的初始冲击压力由下式计算：
Figure 115060DEST_PATH_IMAGE066
（5）
式中：
Figure 432909DEST_PATH_IMAGE067
为炸药的装药密度；D为炸药的爆速；
Figure 89149DEST_PATH_IMAGE068
为装药半径；
Figure 871160DEST_PATH_IMAGE069
为炮孔半径；n为压力增大倍数；
在破碎区界面处，冲击波波阵面处的峰值压力用
Figure 836711DEST_PATH_IMAGE070
表示，根据公式（4）和（5），冲击波波阵面处的峰值压力
Figure 641856DEST_PATH_IMAGE071
可由下式计算：
Figure 226421DEST_PATH_IMAGE072
（6）
式中：
Figure 472726DEST_PATH_IMAGE073
为破碎区界面距离炮孔岩壁处的距离；
公式（3）与公式（6）均从不同角度求解了破碎区界面处的应力值，根据应力的连续性，两种理论所计算的破碎区界面处的应力值应该是相等的，即
Figure 750123DEST_PATH_IMAGE074
，有：
Figure 698357DEST_PATH_IMAGE075
（7）
公式（7）中，除R0外，其余均为已知参数，可计算破碎区界面距离炮孔岩壁处的距离R0为：
Figure 86613DEST_PATH_IMAGE033
（8）
（3）.通过公式（8）求出破碎区界面距离炮孔岩壁处的距离R0后，即认为R0以外的区域为冲击波衰减为应力波，根据爆破理论，在破碎区外，应力波峰值压力随距离的衰减方程为：
Figure 515320DEST_PATH_IMAGE076
（9）
式中：
Figure 573406DEST_PATH_IMAGE078
为应力波峰值；
Figure 415460DEST_PATH_IMAGE079
为对比距离，
Figure 466461DEST_PATH_IMAGE080
，R为应力波到破碎区界面的距离；
Figure 749675DEST_PATH_IMAGE081
为应力波衰减系数，
Figure 368875DEST_PATH_IMAGE082
，
Figure DEST_PATH_IMAGE083
岩石泊松比；
在实际工程中，我们通常要控制应力波峰值压力
Figure 839171DEST_PATH_IMAGE078
要小于充填体的动态抗压强度，此时，用充填体的动态抗压强度S代替
Figure 772492DEST_PATH_IMAGE078
，可计算得出应力波到破碎区界面的距离R。
（4）.根据公式（8）计算得出的破碎区界面距离炮孔岩壁处的距离R0，有R0+R即为所求的周边孔距离充填体界面的合适距离。
将本发明的方法应用于金川公司二矿区矿体回采中，经过实验测试，金川公司二矿区岩石力学参数及周边孔的装药参数见下表1、表2。
表1 矿体力学参数
表2 周边孔装药参数
Figure DEST_PATH_IMAGE085
将表1和表2中矿体力学参数和周边孔装药参数带入公式（4）得到
Figure 293789DEST_PATH_IMAGE086
，同时，将
Figure DEST_PATH_IMAGE087
和充填体动态抗压强度S=6~10MPa带入公式（8）得出周边孔距离充填体界面的距离R+R0为0.3m~0.8m。
根据计算结果，周边孔炸药起爆后应力波传至充填体与矿体交界处时，应力波峰值小于充填体动态抗压强度的周边孔距离充填体边界的距离为0.3m~0.8m之间，为了确定最佳的周边孔距离充填体的距离，选择在978分段Ⅱ盘区的一步骤、二步骤和三步骤进路回采中进行爆破试验。试验方案见表3所示，选择周边孔距充填体的距离为0.3m、0.4m、0.5m、0.6m、0.7m、0.8m共6个方案，在进路每个掘进循环依次采用6个方案的爆破参数进行爆破作业，图4~图6为一步骤、二步骤和三步骤进路回采时周边孔距充填体的距离为0.5m时的炮孔布置断面图。表4~表6为一步骤、二步骤和三步骤进路回采炮孔装药参数表。
表3 试验方案
Figure 313698DEST_PATH_IMAGE088
表4 一步骤回采进路炮孔装药参数表
Figure DEST_PATH_IMAGE089
表5 二步骤回采进路炮孔装药参数表
Figure 503239DEST_PATH_IMAGE090
表6 三步骤回采进路炮孔装药参数表
Figure DEST_PATH_IMAGE091
每次进路回采爆破结束后对爆破效果进行统计，对进路一侧或两侧的充填体的破坏情况、矿石的爆破块度进行统计，直至整个盘区的进路回采结束，不同周边孔距充填体距离下的爆破效果统计见表7所示，从表中可以看出，当周边孔距充填体距离为0.3-0.4m时，充填体局部有破坏，当距离增大至0.5-0.6时，充填体保持完整，崩落矿石块度适中，能够满足铲运机铲装要求，当距离增大至0.7m时，充填体一侧出现矿石挂帮，并有少量大块，当距离为0.8m时，大块增多，需增加二次爆破才能满足铲装要求，最终确定周边孔距离充填体的距离为0.5~0.6m。
表7 进路回采界面爆破试验效果
Figure 167570DEST_PATH_IMAGE092

Claims (1)

1.一种用于进路式回采中的爆破方法，岩石的动态抗拉强度低于充填体的动态抗压强度，周边孔起爆后，在岩石与充填体交界处，由于充填体与岩石波阻抗的不同，爆破应力波在两介质界面处将发生反射拉伸波和透射压缩波，其特征在于：通过计算周边孔距充填体的间距，确定掌子面爆破参数，使得爆破产生的应力波在两介质交界处产生的透射压缩波的应力波峰值低于充填体的动态抗压强度；所述周边孔距充填体的间距，具体通过以下过程计算得出：
炸药爆炸后，在炸药周围的岩石中首先产生爆炸冲击波，冲击波波速与波阵面岩石质点的振动速度有如下对应关系：
Figure 76016DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中： a、b为试验确定的常数；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为冲击波波阵面岩石质点的振动速度；
Figure 835899DEST_PATH_IMAGE003
为岩石冲击波的传播速度；
在破碎区界面处，冲击波迅速衰减为应力波，应力波的传播速度与岩石纵波波速相同，此处的应力波峰值压力为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（2）
式中：
Figure 84478DEST_PATH_IMAGE005
为原岩密度； 为应力波的传播速度；为破碎区界面处的应力波峰值压力；
将公式（1）带入公式（2）中，可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为破碎区界面处的应力波峰值压力；
Figure 608573DEST_PATH_IMAGE009
（3）
根据爆破理论，冲击波的峰值压力随距离的衰减方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（4）
式中：
Figure 775244DEST_PATH_IMAGE011
为炸药爆炸瞬间冲击波作用在炮孔岩壁处的初始冲击压力；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为冲击波波阵面与炮孔岩壁处的距离与炮孔半径的比值,即
Figure 9654DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为冲击波波阵面处的峰值压力；
当不耦合装药时，炸药爆炸瞬间冲击波作用在炮孔岩壁处的初始冲击压力由下式计算：
Figure 287182DEST_PATH_IMAGE015
（5）
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为炸药的装药密度；
Figure 424903DEST_PATH_IMAGE017
为炸药的爆速；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为装药半径；
Figure 529518DEST_PATH_IMAGE019
为炮孔半径；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为压力增大倍数；
在粉碎区界面处，冲击波波阵面处的峰值压力用
Figure 893635DEST_PATH_IMAGE021
表示，根据公式（4），
Figure DEST_PATH_IMAGE022
可由下式计算：
（6）
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为破碎区界面距离炮孔岩壁处的距离；
公式（3）与公式（6）均表示为冲击波在粉碎区界面处的峰值压力，因此，有，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
（7）
公式（7）中，除R0外，其余均为已知参数，可计算破碎区界面距离炮孔岩壁处的距离R0为：
Figure 833144DEST_PATH_IMAGE027
（8）
根据爆破理论，在破碎区外，应力波峰值压力随距离的衰减方程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
（9）
式中：
Figure 45075DEST_PATH_IMAGE029
为应力波峰值；
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为对比距离，
Figure 664407DEST_PATH_IMAGE031
，R为应力波到破碎区界面的距离； 为应力波衰减系数，
Figure 776719DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
岩石泊松比；
用充填体的动态抗压强度S代替
Figure 954629DEST_PATH_IMAGE035
，可计算得出应力波到破碎区界面的距离R；根据公式（8）计算得出的破碎区界面距离炮孔岩壁处的距离R0，有R0+R即为所求的周边孔距离充填体界面的合适距离。
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