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      炮孔傾角對拋擲爆破效果的影響分析*

      2022-09-23 06:58:34段應(yīng)明
      化工礦物與加工 2022年9期
      關(guān)鍵詞:拋物后排炮孔

      周 宇,段應(yīng)明

      (1.神華準(zhǔn)能集團(tuán)公司黑岱溝露天煤礦,內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 010300;2.玉溪礦業(yè)有限公司,云南 玉溪 653405)

      0 引言

      20世紀(jì)60年代初,高臺階拋擲爆破技術(shù)開始運(yùn)用于美國McCoy Coal礦;20世紀(jì)80年代初,美澳等國逐步完善了該技術(shù)。在國內(nèi),黑岱溝煤礦最早運(yùn)用吊斗鏟配合拋擲爆破技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)[1-2],2003年該礦進(jìn)行了拋擲爆破-拉斗鏟無運(yùn)輸?shù)苟鸭夹g(shù)改造[3-7],2007年實(shí)施了第一次拋擲爆破。拋擲爆破技術(shù)經(jīng)過不斷的改進(jìn)[8-9],已比較成熟,其可將34%的爆破巖體直接拋擲至采空區(qū),加快了生產(chǎn)進(jìn)度,創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。但是拋擲爆破目前仍存在有效拋擲率偏低、爆堆沉降高度小、爆堆形狀差、爆破塊度不均勻、沖炮等一系列問題,仍需對孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥參數(shù)、延期時(shí)間、炮孔傾角等影響因素進(jìn)行優(yōu)化研究[10-13]。

      有專家指出[14],利用傾斜炮孔可提高拋擲量和拋擲距離,并能將40%~60%的覆蓋物拋到采空區(qū),破碎和拋擲效果較好。本文以黑岱溝露天煤礦為工程背景,考查了炮孔傾角對拋擲爆破效果的影響,以獲得最佳炮孔傾角,為露天礦山爆破設(shè)計(jì)提供參考。

      1 拋擲爆破基本參數(shù)

      拋擲爆堆剖面如圖1所示。圖1中,拋擲距離L表示拋射點(diǎn)至拋落點(diǎn)的水平距離,偏移距離L偏移表示傾斜炮孔相對于垂直炮孔的傾斜偏移量,有效拋擲距離L有效=L-L偏移。有效拋擲率Ep表示直接拋至采空區(qū)無需倒堆的拋擲量體積與爆堆總體積的比值,即VⅠ/(VⅠ+VⅡ+VⅢ)。

      采用高速攝影儀和微型雷達(dá)測得該礦拋擲爆破前排主拋擲孔拋射最大速度為30 m/s,中后排松動(dòng)孔拋射最大速度為10 m/s(見圖2)。

      圖2 拋擲爆破主拋擲孔拋射最大速度

      實(shí)測平均有效拋擲距離為110 m,平均沉降高度為15 m(見圖3)。

      圖3 拋擲爆堆范圍

      2 拋擲爆破參數(shù)理論分析

      拋擲巖石進(jìn)入拋物運(yùn)動(dòng)階段后,其有效拋擲距離越遠(yuǎn),則有效拋擲率和爆堆沉降越大,影響有效拋擲距離的因素有拋擲初始速度、位置和方向。根據(jù)最小抵抗線原理,藥包爆炸時(shí),爆破作用首先沿著最小抵抗線即每排炮孔的法線方向使巖(土)產(chǎn)生破壞、隆起、鼓包或拋擲[15]。

      拋擲初始速度與爆破參數(shù)、裝藥參數(shù)、巖石性質(zhì)有關(guān),拋擲初始位置和方向與炮孔傾斜角度有關(guān)[16-17]。保持爆破參數(shù)、裝藥參數(shù)、巖石性質(zhì)等因素不變,即拋擲初始速度不變,計(jì)算分析炮孔傾斜角度對拋物運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律。

      2.1 45°炮孔拋物運(yùn)動(dòng)計(jì)算分析

      45°炮孔拋擲爆堆剖面如圖4所示。

      圖4 45°炮孔拋擲爆堆剖面示意圖

      自由落體的瞬時(shí)速度計(jì)算公式為v=gt,位移的計(jì)算公式為

      (1)

      式中:△s為距離增量;g為重力加速度,計(jì)算時(shí)取10 m/s2;t為物體下落的時(shí)間。

      由圖4可知,前排巖石拋擲初始速度為30 m/s,則垂直分速度V2v=21.21 m/s,水平分速度V2h=21.21 m/s;拋物運(yùn)動(dòng)時(shí)間t=6.280 s,拋擲距離L=133.20 m,有效拋擲距離L有效=96.74 m;中后排巖石拋擲初始速度為10 m/s,則垂直分速度V1v=7.07 m/s,水平分速度V1h=7.07 m/s;t=2.577 s,L=18.22 m,L有效=16.78 m。

      2.2 65°炮孔拋物運(yùn)動(dòng)計(jì)算分析

      65°炮孔拋擲爆堆剖面如圖5所示。

      圖5 65°炮孔拋擲爆堆剖面示意圖

      由圖5可知,前排巖體拋射初始速度為30 m/s,拋擲距離為126.74 m,有效拋擲距離為110.42 m;中后排巖石拋射初始速度為10 m/s,拋擲距離為20 m,有效拋擲距離為3.68 m。

      2.3 70°炮孔拋物運(yùn)動(dòng)計(jì)算分析

      70°炮孔拋擲爆堆剖面如圖6所示。

      圖6 70°炮孔拋擲爆堆剖面示意圖

      由圖6可知,前排巖石拋射初始速度為30 m/s,拋擲距離為122.86 m,有效拋擲距離為110.12 m;中后排巖石拋射初始速度為10 m/s,拋擲距離為19.74 m,有效拋擲距離為7 m。

      2.4 75°炮孔拋物運(yùn)動(dòng)計(jì)算分析

      75°炮孔拋擲爆堆剖面如圖7所示。

      圖7 75°炮孔拋擲爆堆剖面示意圖

      由圖7可知,前排巖石拋射初始速度為30 m/s,拋擲距離為117.82 m,有效拋擲距離為108.44 m;中后排巖石拋射初始速度為10 m/s,拋擲距離為19.42 m,有效拋擲距離為10.04 m。

      2.5 拋擲距離、有效拋擲距離與炮孔傾角的關(guān)系

      前排巖石拋擲距離和有效拋擲距離隨炮孔傾角的變化關(guān)系如圖8所示。由圖8可知:前排巖石拋擲距離隨炮孔傾角的增大而減??;有效拋擲距離隨炮孔傾角的增大先增大后減小,炮孔傾角為65°~70°時(shí),有效拋擲距離最大。

      (a)拋擲距離 (b)有效拋擲距離

      中后排巖石拋擲距離和有效拋擲距離隨炮孔傾角的變化關(guān)系如圖9所示。由圖9可知,中后排巖石拋擲距離隨炮孔傾角的增大先增大后減小,有效拋擲距離隨炮孔傾角的增大而增大。

      (a)拋擲距離 (b)有效拋擲距離

      綜上可知,炮孔傾角對拋擲效果的影響分析應(yīng)從巖體拋射初始速度、拋射角度、拋射初始位置、垂直落高等方面入手。前3排主拋擲區(qū)炮孔傾角為65°~75°時(shí),有利于提高拋擲率。中后排松動(dòng)區(qū)炮孔傾角為75°時(shí),有利于增加爆堆沉降,改善爆堆形狀。

      3 炮孔傾角設(shè)計(jì)

      為兼顧爆破效果和邊坡穩(wěn)定,根據(jù)上述分析結(jié)果,拋擲炮孔傾角采用組合設(shè)計(jì)方案,即A排孔傾角為65°,B排孔傾角為70°,C-H排孔傾角均為75°,I排孔傾角為70°,J-Y排孔傾角均為65°,具體設(shè)計(jì)方案闡述如下。

      3.1 炮孔傾角為65°的常規(guī)拋擲爆破設(shè)計(jì)

      炮區(qū)寬85 m,孔距12 m,12排拋擲炮孔加1排預(yù)裂炮孔共13排炮孔,從前往后依次為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、Y排,排距依次為7、7、7、7、7、7、7、7、7、6、6、6、4 m。采用逐孔微差爆破,孔間延期9 ms,排間延期依次為330、330、280、280、220、220、220、220、220、180、180 ms。穿孔角度均為65°,抵抗線均為6.34 m。A排充填7 m,B-J排均充填6 m,K、L排均充填8 m。炮孔傾角65°時(shí)的爆破設(shè)計(jì)方案如圖10所示。

      圖10 炮孔傾角為65°時(shí)的爆破設(shè)計(jì)方案

      3.2 炮孔傾角為65°~75°的組合拋擲爆破設(shè)計(jì)

      炮區(qū)寬85 m,孔距12 m,12排拋擲炮孔加1排預(yù)裂炮孔共13排炮孔,從前往后依次為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、Y排,排距依次為7、6、6、7、7、7、7、7、7、7、6.5、6.5、4 m。采用逐孔微差爆破,孔間延期9 ms,排間延期依次為330、330、280、280、220、220、220、220、220、180、180 ms。A排孔傾角為65°,B排孔傾角為70°,C-H排孔傾角均為75°,I排孔傾角為70°,J-Y排孔傾角均為65°。B排抵抗線頂部5.64 m,底部9.15 m,平均7.4 m;C排抵抗線頂部5.8 m,底部9.25 m,平均7.5 m;其余75°的正常排抵抗線均為6.76 m。A排充填7 m,B-J排充填6.5 m,K、L排充填8 m。炮孔傾角為65°~75°時(shí)的組合拋擲爆破設(shè)計(jì)方案如圖11所示。

      圖11 炮孔傾角為65°~75°時(shí)的組合拋擲爆破設(shè)計(jì)方案

      圖12為炮孔傾角為65°~75°時(shí)的組合拋擲爆破設(shè)計(jì)方案的調(diào)整圖,根據(jù)圖中炮孔孔底分布計(jì)算相應(yīng)的炮孔負(fù)擔(dān)面積。

      由圖12可知:傾角65°時(shí)正常炮孔底部負(fù)擔(dān)面積S1=42 m2,傾角75°時(shí)I排炮孔只打?qū)嶋H孔長的一半,S2=36 m2,S3=60 m2,S4=30 m2;比較炮孔負(fù)擔(dān)面積可知,I排炮孔負(fù)擔(dān)面積S3比正常傾角65°炮孔負(fù)擔(dān)面積S1大,說明其比常規(guī)傾角爆破方量多,故I排孔設(shè)計(jì)是可行的。

      3.3 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

      臺階高40 m,65°炮孔長44.1 m,70°炮孔長42.6 m,75°炮孔長41.4 m。

      方案1:炮孔傾角65°,每列孔(12個(gè))炮孔長度為529.2 m,裝藥長度為452.2 m。

      方案2:炮孔傾角65°~75°,每列孔(12個(gè))炮孔長度為488.7 m,裝藥長度為407.2 m。

      表1 2種方案成本對比

      由表1可知,組合方案2比方案1每列孔節(jié)約成本16 232元,按每炮區(qū)40列孔計(jì)算,共計(jì)可節(jié)約64.9萬元。

      4 結(jié)論

      a.經(jīng)理論計(jì)算可知,在保證預(yù)留邊坡穩(wěn)定的前提下,優(yōu)化調(diào)整炮孔傾角不僅可以提高拋擲率、增加爆堆沉降高度,還能節(jié)約鉆孔和炸藥成本。

      b.通過理論計(jì)算和參數(shù)優(yōu)化得出,65°~75°炮孔傾角的拋擲爆破效果最好。

      c.因拋擲爆破機(jī)理復(fù)雜,還應(yīng)通過現(xiàn)場爆破試驗(yàn)進(jìn)一步論證炮孔傾角對拋擲效果的影響。

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