露天礦臺階爆破水炮孔深度測量流量尺技術(shù)

董二虎 郭連軍(遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

在露天臺階松動爆破和臺階邊幫預(yù)裂爆破中，根據(jù)礦山三級儲量和礦山設(shè)計年生產(chǎn)量，選擇1種或2種類型牙輪鉆機進行多臺階爆破鉆孔布置作業(yè)。大孤山鐵礦到2017年1月份，1#鉆機到8#鉆機開采水平由+48 m延伸至-319 m標高，開采縱深超過300 m，現(xiàn)有9臺已編號鉆機進行露天臺階松動爆破和臺階邊幫預(yù)裂爆破鉆孔作業(yè)。大礦爆破現(xiàn)場采準參數(shù)：①臺階松動爆破和邊幫預(yù)裂爆破炮孔直徑為250 mm；②臺階高度12 m，超深2.5～3.5 m；③不同臺階或相同臺階不同位置炮孔中水深度在0～15 m。爆破前多次測量炮孔發(fā)現(xiàn)水深度取值范圍在0～11 m，不同巖種不同水環(huán)境下炮孔孔底有不同深度的高品味磁鐵礦炮泥或混合巖巖碴；④炮孔深度測量時，一種方法是加配重的測繩，另一種是利用測桿。

露天金屬礦山尤其是深凹露天采坑，水對鑿巖爆破工作影響不可忽視。露天礦山生產(chǎn)能力比地采大得多，采準切割和備采臺階多、鑿巖爆破工作量大、炸藥消耗量大。牙輪鉆布孔作業(yè)時炮孔反水影響鉆孔效率，水炮孔裝藥遇到炸藥密度與水密度相近時水量會影響炸藥沉降速度，相同巖種相同炸藥單耗時水孔和干孔的爆破效果也有所區(qū)別。露天采坑水的來源有自然降水降雪、地表匯水流入采坑和地下水滲入臺階，主要取決于區(qū)域性氣候條件和礦區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件。所以露天臺階擠壓松動爆破、臺階臨時或最終境界邊幫預(yù)裂爆破前，準確的炮孔水環(huán)境數(shù)據(jù)對裝藥工作尤為重要。

大孤山鐵礦為鞍鋼集團礦業(yè)公司主要礦山，臺階高度12 m，超深2～3.5 m。2017年1—2月，隨同該礦爆破經(jīng)理現(xiàn)場調(diào)研得知:3個礦山臺階松動爆破炮孔深度在12～16 m，孔深加上超深以15.5 m為主，孔徑為250 mm。爆破裝藥工作前都要進行炮孔驗收審查工作，目的為裝藥提供準確的炮孔狀態(tài)數(shù)據(jù)。而孔深測量面臨以下問題和特點：①如何在孔口位置準確快速獲得每個中深孔深度數(shù)據(jù)；②如何在孔口位置獲知孔網(wǎng)中每個炮孔含水與否以及水柱高度數(shù)據(jù)；③如果露天臺階炮孔含泥碴含水，裝藥炸藥陷入泥碴的深度是多少？

牙輪鉆布孔作業(yè)72 h后臺階采場開始爆破裝藥工作。鉆孔72 h后炮孔水密度和孔底泥碴趨于穩(wěn)定，水對泥碴溶解量已趨于穩(wěn)定，孔底泥碴沉淀堆積穩(wěn)定，水與空氣界面和水泥碴界面歷歷可辨。

本文描述設(shè)計的流量尺結(jié)構(gòu)組成，闡述了操作及其測量原理。在露天臺階爆破中炮孔含泥碴含水時將炮孔深度、炮孔含水高度、空氣柱高度和孔底泥碴深度一次性在炮孔外流量尺上可讀出，可以統(tǒng)一收集炮孔水量數(shù)據(jù)。

1 流量尺結(jié)構(gòu)

1.1 要結(jié)構(gòu)簡介

主要結(jié)構(gòu)：由刻度外管、法蘭、電磁流量管、封閉頭、轉(zhuǎn)換器、讀數(shù)端6部分組成。如圖1、圖2所示。

圖1 電磁流量管結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure model of electromagnetic flow tube1—勵磁線圈；2—測量內(nèi)管；3—電極；4—感應(yīng)電動勢E

圖2 流量尺結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure model of flow calibration tube5—刻度外管和讀數(shù)端；6—電纜；7—法蘭或疊層連接；8—傳感器盒子；9—封閉頭；10—法蘭；11—刻度外管；12—外殼；13—連接螺紋；14—內(nèi)管截面；15—轉(zhuǎn)換器；16—電磁流量管；17—翻板進水口

各結(jié)構(gòu)名稱說明如下。

1—勵磁線圈：一般電磁流量管采用交變磁場，采用50 Hz工頻電源激勵產(chǎn)生。2—測量內(nèi)管：被測導(dǎo)電性液體流動通道，為了使勵磁線圈產(chǎn)生的磁力線通過測量導(dǎo)管時磁通量被分流或短路，測量內(nèi)管材料必須選用不導(dǎo)磁、低導(dǎo)電率、低導(dǎo)熱率且有一定機械強度的管料制成，一般用不導(dǎo)磁的不銹鋼、鋁、玻璃鋼、高強度塑料。3—電極：接收的感應(yīng)電動勢信號與液體流速成正比，用非導(dǎo)磁的不銹鋼制備電極，與測量內(nèi)管襯里平齊安裝在管道的直徑方向，保證測量內(nèi)管壁面水力光滑。4—直徑D方向上的感應(yīng)電動勢E。5—刻度外管和讀數(shù)端：外管是具有一定強度帶有刻度的保護套管(封閉頭讀數(shù)為0，讀數(shù)端讀數(shù)為深度H)，采用導(dǎo)磁系數(shù)高的鐵磁材料，保護測量內(nèi)管不被外部電磁場和環(huán)境所影響，讀數(shù)端保證內(nèi)管聯(lián)通大氣。6—屏蔽信號電纜：傳輸感應(yīng)電壓信號。7—法蘭或疊層連接：可以連接測量內(nèi)管，使流量尺長度滿足不同炮孔深度要求，適用于不同臺階高度，有利于運送和組裝工作；另一種是連接傳感器流量管。選擇法蘭或疊層連接點焊技術(shù)聯(lián)結(jié)，法蘭接縫盡量少，保證連接處水力光滑、接縫處制作要緊密，盡量杜絕氣隙。8—傳感器盒子：傳輸電極感應(yīng)的電壓信號。9—封閉頭：封閉頭是空心倒圓錐形帶有過濾網(wǎng)的進水結(jié)構(gòu)，當(dāng)流量尺直徑遠小于炮孔直徑時，對流量尺施加壓力可測得水炮孔孔深H值(封閉頭到達泥碴最底部時刻度尺的讀數(shù)值)。10—法蘭：兩片法蘭盤之間加上密封墊，然后均勻分布螺栓緊固。11—刻度外管：外管采用導(dǎo)磁系數(shù)高的屏蔽材料，保護電磁流量管不被電磁場所影響。12、14—外殼和內(nèi)管截面。13—連接螺紋。15—轉(zhuǎn)換器：采用高性能微處理器，LCD顯示，參數(shù)設(shè)定可靠，編程方便。16—電磁流量管：內(nèi)裝有積算器，可計算正向總量，并具有電流、脈沖多種輸出方式。17—翻板進水口：圓形翻板要求有一定厚度，邊緣卡有2層橡膠圈(當(dāng)翻板扣入進水口橡膠圈可以起到密封水流的作用)。

1.2 結(jié)構(gòu)組成及特點

如圖1所示，分體式電磁流量管屬于電磁流量計的一種變形。傳感器流量管接入測量內(nèi)管，轉(zhuǎn)換器位于讀數(shù)端，兩者由雙芯屏蔽信號電纜連接。轉(zhuǎn)換器可遠離現(xiàn)場惡劣環(huán)境，使電子部件調(diào)整、檢查和參數(shù)設(shè)定比較方便。外管磁導(dǎo)率比空氣大得多，屏蔽要求較高時，還可以采用多層屏蔽。

傳感器電磁流量管主要結(jié)構(gòu)部分：測量管、電極、勵磁線圈、鐵芯與殼體。主要用于測量內(nèi)管中的導(dǎo)電液體和漿液中的體積流量(如水、污水、礦漿、各種酸堿鹽溶液、漿液)。適于露天臺階孔內(nèi)環(huán)境復(fù)雜直接觀測困難的條件。管長與直徑之比至少應(yīng)為4∶1。以免端接效應(yīng)和磁力線穿透屏蔽體范圍。

傳感器電磁流量管的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。在電磁流量管中，測量內(nèi)管的導(dǎo)電介質(zhì)相當(dāng)于法拉第試驗中的導(dǎo)電桿，上下兩端兩個電磁線圈產(chǎn)生恒定磁場。當(dāng)有導(dǎo)電介質(zhì)流過時，則會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。產(chǎn)生的感應(yīng)電壓由管道內(nèi)兩側(cè)2個電極測量。測量內(nèi)管通過不導(dǎo)電的內(nèi)襯(橡膠，特氟隆)實現(xiàn)與流體和測量電極的電磁隔離。

液體流動產(chǎn)生的感應(yīng)電勢信號較弱，作業(yè)環(huán)境中的干擾因素對其影響大。讀數(shù)端轉(zhuǎn)換器的作用就是將感應(yīng)電勢信號放大并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準信號抑制主要干擾信號。其任務(wù)是把電極檢測感應(yīng)電勢經(jīng)放大轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準直流信號。

2 操作及測量原理

測量原理如圖3、圖4所示。

圖3 炮孔空氣柱高度測量Fig.3 Height measurement of air column in holes18—氣液分界面；19—固液分界面以及流量尺位置

圖4 水孔深度及水柱高度測量Fig.4 Depth of bubble-hole and the height of water column20—刻度外管與測量內(nèi)管之間的空腔

流量尺封閉頭進入水面前保證進水翻板處于打開狀態(tài)，圓形翻板重心應(yīng)與形心不重合，使其在空氣和水柱中依靠重力維持打開狀態(tài)。流量尺自然沉降到水面以下，轉(zhuǎn)換器開始顯示累計流量(乘以直徑系數(shù)d等于炮孔水量q，乘以截面系數(shù)r等于水柱高度h)，直至受到炮孔底部水碴面反作用力f處于圖3所示位置(測量15 m干孔時流量尺封閉頭未全部陷入泥碴)，則有：孔口刻度尺讀數(shù)H1-水柱高度h=空氣柱高度L。人為施加給流量尺鉆進泥碴的力F，則封閉頭進水翻板受泥碴反作用力封閉進水口，當(dāng)流量尺不再下降則孔口刻度H為水炮孔深度值，同時記錄泥碴深度l=H-H1。

將流量尺放入待測量水炮孔，測量原理及過程如下。

3 力學(xué)分析

設(shè)空氣壓力為標準大氣壓(1.013 25×105Pa)，g=9.8 N/kg，水的密度ρ=1.1×103kg/m3?？潭韧夤軆?nèi)徑N與測量內(nèi)管直徑D為可供選擇的已知參數(shù)，流量尺自重力記為G。設(shè)封閉頭受到的泥碴反作用力f與炸藥沉底后受到的反作用力相等，炸藥密度記為ρ1。計算數(shù)據(jù)說明：孔深取15.5 m，最大水深h=15 m，炮孔直徑φ=0.25 m，取外管內(nèi)徑N=0.05 m、內(nèi)管直徑D=0.04 m，單孔裝藥質(zhì)量M=450 kg，重銨油密度ρ1在1.16～1.2 g/cm3，選取均值ρ1=1.18 g/cm3進行計算。數(shù)據(jù)來源于大孤山鐵礦臺階爆破，單位采用國際單位制。得到以下公式：

；

(1)

w=8 466.59h(N2-D2)≤114.30，G=120 N；

(2)

(3)

W+f=Mg，F(xiàn)+G=w+f，

F=8 466.59h(N2-D2)+

?178.98 N≤F≤293.28 N；

(4)

式中，d為直徑系數(shù)；r為截面系數(shù)；w為流量尺所受到水的浮力，N；ρ為水的密度，1.1×103kg/m3；G為流量尺自身的重力，N；V為炮孔中下降深度H處的瞬時速度，m/s；F為進入泥碴所需要施加的額外壓力，N；f為泥碴的反作用力，N；W為炸藥沉底后受到水的浮力，N；M為炮孔裝藥總質(zhì)量，kg。

不同測量內(nèi)管直徑D下流量尺流量測量范圍如表1所示。

由式(1)確定直徑系數(shù)d、截面系數(shù)r。由式(3)確定流量尺下落瞬時速度V(V≤10 m/s)，15 m炮孔可放入1/3長度再丟入炮孔中測量，如果臺階爆破水炮孔居多，可以調(diào)整N、D值后直接丟入炮孔進行測量，深孔測量也可采取其他緩沖措施后測量。露天臺階爆破將炸藥沉降的極限深度作為孔深測量值時，可參考式(4)計算炮孔中流量尺自由下落后還需施加的外部壓力F值。

表1 流量范圍Table 1 Flow measurement range

4 試驗驗證及結(jié)果

露天臺階擠壓爆破和臺階預(yù)裂爆破深孔內(nèi)部水環(huán)境復(fù)雜、觀測困難。從大孤山鐵礦現(xiàn)場取泥碴樣品，實驗室模擬炮孔內(nèi)溫度規(guī)律，將水和泥碴按比例混合、靜置72 h后測定水溶解度和水密度與現(xiàn)場爆破前測定結(jié)果基本相同。測量拍照記錄,如圖5、圖6所示。

圖5 高品位磁鐵礦現(xiàn)場測量試驗Fig.5 Site measurement test of high grade magnetite.

圖6 片麻狀混合巖現(xiàn)場測量試驗Fig.6 Site measurement test of gneissic migmatite

試驗驗證片麻狀混合巖或高品位磁鐵礦礦巖泥碴在鉆孔水環(huán)境中混合成懸浮狀水泥漿，經(jīng)過鉆孔作業(yè)至臺階爆破之間的72 h沉淀。如圖5(a)、圖5(b)或圖6(e)、圖6(f)所示，鉆孔內(nèi)礦物巖碴幾乎不溶解于水，水漿的密度與同溫度下水的密度基本相等，孔內(nèi)水清澈透明，水與泥碴分界面清晰可見，水炮孔孔底泥碴松散系數(shù)并不比干孔泥碴松散系數(shù)小。驗證了炮孔水碴環(huán)境能夠滿足流量尺封閉頭進水翻板及時封閉，進行有效測量的要求。數(shù)據(jù)統(tǒng)計快速準確、數(shù)據(jù)之間可互相驗證。

5 現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)

在大孤山鐵礦對28個炮孔進行了現(xiàn)場測量試驗。其中11個炮孔為-198 m臺階1周前打的預(yù)裂孔，5個為靠近-198 m臺階坡頂線的炮孔，3個為處理上臺階根底的邊角孔。在臺階以7.5 m×7 m的網(wǎng)絡(luò)選取9#牙輪鉆新布的9個炮孔?，F(xiàn)將數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理如表2所示。

表2 大孤山鐵礦-198 m臺階測量結(jié)果Table 2 Measurement results of -198 m steps in Dagushan Iron Mine

注：巖種為片麻狀混合巖和高品位磁鐵礦，室外溫度為22.3 ℃；臺階邊孔為臺階爆破靠幫炮孔，臺階中央指臺階爆破中心孔。測量時間：2017年5月24日。

根據(jù)表2的實測數(shù)據(jù)，得到了帶數(shù)據(jù)標記的折線圖(從略)。分析每個炮孔5種測量結(jié)果的分布情況。從數(shù)據(jù)分布總體上來看，孔內(nèi)空氣柱高度和含水深度變化幅度很大，即使同一臺階炮孔水深變化范圍也在0～12 m，同一臺階水炮孔多分布在臺階中間靠近預(yù)裂孔位置。而新鉆取的連續(xù)炮孔測量中，炮孔深度、水溫度和泥碴厚度數(shù)值變化幅度較小，折線圖趨于穩(wěn)定，炮孔水量分布比較集中。

6 結(jié) 論

(1)露天臺階松動爆破和露天臺階預(yù)裂爆破中深孔環(huán)境復(fù)雜，孔內(nèi)情況難以直接觀測。含水炮孔會影響牙輪鉆鉆孔效率，臺階爆破裝藥遇到水炮孔會影響炸藥沉降速度，炮孔內(nèi)泥碴使得炸藥位置難以確認，陷入泥碴的重銨油炸藥性能會有所改變(比如拒爆現(xiàn)象)，現(xiàn)場裝藥時甚至將已經(jīng)鉆好的炮孔用干碴進行回填吸水。

(2)介紹了流量尺結(jié)構(gòu)組成和操作原理。作為一種新型的露天礦山炮孔測量技術(shù)，其操作簡單，測量數(shù)據(jù)誤差較小，材料來源廣泛。為臺階爆破前裝藥提供準確的炮孔狀態(tài)參數(shù)。

(3)通過現(xiàn)場調(diào)研和試驗論證，說明了混合巖和磁鐵礦礦巖在水中溶解度極小，炮孔中水泥漿在沉淀72 h后密度接近同溫度下水的密度。水炮孔礦巖泥碴也可以比干孔泥碴堆積穩(wěn)定，在水壓力與水浮力雙重作用其下密度可以大于干孔泥碴。

(4)露天臺階現(xiàn)場孔深測量時選用的測繩并沒有精確的分度值，放繩和收繩操作費時費力，測繩無法精確讀取水深和泥碴高度，測繩測量的歷史數(shù)據(jù)孔深變化并不大，所以誤差較大。流量尺相比于測繩等更能適應(yīng)復(fù)雜的炮孔測量條件。

(5)根據(jù)文中提出流量尺的4個力學(xué)公式，可控制和計算流量尺自由下落的過程。通過這些公式也可模擬不同質(zhì)量的炸藥在水炮孔中的下落深度，以炸藥沉降位置作為孔深測量的一種新的參考。因為測量環(huán)境的特殊性，越深炮孔的測量對流量尺的流量范圍、封閉頭的強度和結(jié)構(gòu)表面的耐磨性要求更高，不同礦山不同測量環(huán)境對流量尺的尺寸要求也不相同。

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