發布時間：2021-09-23所屬分類：免費文獻瀏覽：1次
摘 要： 礦業研究與開發
《基于爆破振動的極限邊孔排距的確定方法研究》論文發表期刊：《礦業研究與開發》；發表周期：2021年06期
《基于爆破振動的極限邊孔排距的確定方法研究》論文作者信息：郭曉強（1986—），男，湖北黃岡人，碩士，工程師，主要從事礦山壓力、巖石力學方面的研究。
摘要：在金屬礦山，當采用兩步驟嗣后充填采礦方法回采礦體時，二步驟礦柱的回采會面臨兩側為充填體的工況，導致礦石貧化率和損失率難以得到有效控制。為了應對阿舍勒銅礦二步驟采場面臨的貧化損失問題，基于爆破振動波傳播規律，設計了現場爆破振動效應試驗，采用微震傳感器對采場爆破振動波進行了有效采集，分析與研究了礦、充填體中的振動波衰減規律，結合爆轟壓理論，計算了采場爆破不影響兩側充填體穩定性的極限邊孔排距，并選取試驗采場進行了工業試驗。優化邊孔排距的二步驟試驗采場順利回采后，經三維激光掃描，未見采場兩側有礦石掛壁或充填體大面積垮落現象，采場貧化率5.94%、損失率3.99%，應用效果顯著。
關鍵詞：兩步驟嗣后充填采礦法;邊孔排距;貧化率;損失率;爆破振動
我國有色金屬礦山開采領域，對于厚大急傾斜礦體主要采用階段空場嗣后充填采礦法，該工藝產能大、效率高、安全性好，但主要缺點是貧化損失率相對較大[1]。由于階段內采場主要分為兩步驟回采，先采礦房，膠結充填后再采礦柱，二步驟礦柱開采將面臨兩側為充填體的工況，導致貧化損失率難以得到有效控制。因此，在二步驟礦柱開采過程中，減小爆破對采場兩側充填體的損傷、防止回采過程中出現充填體失穩破壞與大面積垮塌，從而減少出礦過程中的充填體混入，進而降低貧化率和損失率，對應的應用技術研究顯得尤為重要。
為了應對以上技術問題，業內眾多技術人員采用了多種方法和手段對其進行了研究。周傳波、邱勝光、何斌全等[1]主要基于現場爆破漏斗試驗，分別研究了各礦山實際巖體質量下的大直徑深孔采場爆破參數，并進行了工業應用，取得了很好的實踐效果。劉優平等[5)、曹勝祥等[)采用數值模擬方法對大直徑深孔超采欠爆、邊界控制不佳問題進行了深入研究，確定了一定條件下的孔網參數和邊界爆破控制方法，為采場爆破優化設計提供了理論依據。蔣復量[)綜合實驗室試驗、爆破漏斗試驗、粗糙集與神經網絡理論、數值模擬等方法，對采場深孔爆破參數優化理論進行了深入研究，確定了較為全面的爆破孔網參數系統理論與方法。
上述研究從不同角度、采用不同方法和理論對優化大直徑深孔爆破參數、降低貧化損失方面提出了多種技術方案，取得了一定應用效果，但在二步驟礦柱回采、特別是邊孔排距方面沒有進行針對性、深入的研究。因此，本論文在以上研究基礎上，以阿舍勒銅礦為研究對象，基于爆破振動波傳播規律，通過現場爆破振動效應試驗，分析研究礦、充填體中的振動波衰減規律，結合爆轟壓理論，計算采場爆破不影響兩側充填體穩定性條件下的極限邊孔排距，并選取試驗采場進行工業試驗與效果檢驗。總結基于爆破振動的極限邊孔排距的確定方法，為同類型礦山提高爆破質量、降低貧化損失提供參考和依據。
1現場概況
阿舍勒銅礦為紫金礦業權屬控股礦山，位于新疆哈巴河縣，采用主、副井及斜坡道聯合開拓，2004年投產，產能為2×10"t/a，主采的1"礦體急傾斜、厚大，二期工程400m~0m中段全部采用大直徑深孔空場嗣后充填法采礦，典型采礦方案如圖1所示。
截至2019年1月，二期工程0m，150m、300m中段一步驟礦房基本回采結束，并已完成膠結充填，二步驟礦柱已逐漸成為主要出礦采場。但是二步驟礦柱回采過程中，掛幫礦、充填體混入現象較為普遍，導致損失貧化明顯高于設計指標(貧化率八12%、損失率<10%)，其中主要原因為二步驟礦柱爆破設計中邊孔排距缺乏理論依據，因此，亟需對其確定方法進行研究。
2爆破振動波傳播規律
礦山爆破開采過程中，炸藥能量以脈沖的形式向圍巖空間傳播，能量脈沖被稱為應力波，應力波在傳播過程中伴隨著圍巖介質的擠壓與起伏(因此也稱為振動波)，到一定程度會導致圍巖介質的破裂甚至失穩[11-12]，從而起到崩落礦石的目的。
因此，在應對二步驟礦柱回采面臨的超采、欠爆導致的貧化損失問題，核心在于控制采場爆破對礦、充填體產生的振動效應。當爆破設計的邊孔排距合理時，采場爆破在崩落礦石的同時又不對兩側的充填體造成損壞。因此，需要對采場爆破振動在礦、充填體中的傳播規律進行分析研究。
根據已有研究[11-14]，假設圍巖為各向同性連續介質，則振動波的應力擾動程度為：
應力波是以球形波方式在圍巖介質中向外幾何擴散，其應力擾動程度與質點峰值位移振幅的平方成正比，而振動波質點的位移振幅與擴散半徑li成反比，隨著應力波向外傳播距離的增加而不斷衰減[13-14]。
因此，振動波傳播規律研究往往以指數衰減形式進行近似描述，根據已有振動波能量衰減理論的研究及以上相關關系分析，爆破振動波對圍巖介質的應力擾動σd可簡化為[13-14]：
如果在實際爆破設計中，已知礦、充填體中應力波的衰減特性，就可以結合爆轟壓理論，對邊孔排距的確定提供計算依據。
3現場爆破振動效應試驗
為了實現以上目標，設計現場爆破振動效應試驗：在0m中段北1#試驗采場的礦體、側邊采場的膠結充填體中分別埋設微震傳感器，然后在不同位置進行采場爆破，準確測量各傳感器、爆破點位置，并提取傳感器采集到的爆破振動波，結合傳播規律，分別計算礦體、充填體的振動波衰減指數。
3.1試驗方案與記錄
試驗方案如下：
(1)從0m北1#采場頂部鑿巖硐室打下向斜孔，孔徑為75mm，預埋微震傳感器并用混凝土澆筑，記錄預埋深度并測量孔口坐標、傾向、傾角;
(2)將預埋的微震傳感器接入采集儀，并進行對應通道的參數設置，調試至最佳狀態;
(3)從0m北1#采場拉底巷道中打上向垂直孔并裝藥，記錄裝藥深度并測量孔口坐標;
(4)進行試驗爆破，通過微震傳感器采集爆破振動數據。
傳感器布置位置示意見圖2。
傳感器安裝信息見表1，爆破試驗炮孔信息見表2。
試驗經過與記錄如下：
(1)以上準備工作完成后，依次對爆破試驗孔進行起爆，同時對觸發的傳感器振動波數據進行提取、分析，爆破試驗孔起爆信息見表3;
(2)試驗中發現，傳感器S3未能觸發，另外4號測試孔起爆效果較差(可能由于未能有效堵孔)，導致未能有效觸發目標傳感器，其他3個爆破試驗孔起爆效果好，目標傳感器均得到有效觸發;
(3)3次有效爆破試驗，微震傳感器采集的典型振動波如圖3所示。
根據以上爆破試驗記錄的振動波信息，提取對應數據記錄，統計發震時間段內振幅峰值，見表4.
3.2數據處理
根據爆破振動波傳播規律，振動波對圍巖介質的應力擾動正比于振動波的質點振幅[10-11，13-15]。目標監測點處振動波質點振幅Ai為：
結合現場爆破振動效應試驗，假設第i次(i=1，2，3，4)爆破試驗，震源處的振幅峰值為Ai0，第j(j=1，2)傳感器接收到的振動波振幅峰值為Aij;假設振動波在礦體中的衰減指數為η1、在充填體中的衰減指數為η2;關于振動波傳播路徑，第i次爆破試驗產生的振動波傳播至第j傳感器，假設礦體
極限邊孔排距計算與應用
4.1極限邊孔排距計算
根據已有研究[16-18]，巖體工程中的爆破，形成的應力擾動即爆轟壓與炸藥性能密切相關;耦合裝藥條件下，各物理量為：
4.2應用效果檢驗
選擇進行工業試驗的二步驟礦柱為0m北1#采場，采用大直徑深孔側向崩礦方案，頂部鑿巖，設計布置4排下向大直徑深孔，中間排距3.0m～3.1m，邊孔排距1.5m;中間排孔間距3.5m，邊排孔孔間距2.6m。
2019年3月13日開始中孔爆破，4月13日開始大孔爆破，至6月21日爆破結束;采用CMS三維激光掃描儀探測采空區掃描結果如圖4所示，其中金色為超采(貧化)、欠采(損失)部分。
試驗采場回采技術指標統計結果見表7。
試驗采場貧化損失率明顯得到改善，可見應用效果顯著。
5結論
(1)經阿舍勒銅礦現場爆破振動效應試驗，對微震傳感器采集的波形數據進行分析與研究，得出礦體振動波衰減指數為η1=1.362、膠結充填體振動波衰減指數為η2=3.179。
(2)結合現場實際條件，計算得出二步驟礦柱回采爆破不影響兩側充填體穩定性的極限邊孔排距為1.5m。
(3)通過現場工業試驗，試驗采場技術指標明顯改善，貧化率5.94%、損失率3.99%。
參考文獻(References)：
[1]于潤滄，采礦工程師手冊[M].北京：冶金工業出版社，2009.
[2]解世俊，金屬礦山地下開采[M].北京：冶金工業出版社，1984.
[3]李夕兵，周健，王少鋒，等，深部固體資源開采評述與探索[J].中國有色金屬報，2017，27(6)：1236-1262.
[4]蔡美峰，薛鼎龍，任奮華，金屬礦深部開采現狀與發展戰略[J]1程科報，2019，41(4)：417-426.
[5]周傳波，范效鋒，李政，等，基于爆破漏斗試驗的大直徑深孔爆破參數研究[J].冶工程，2006，26(2)：913.
[6]邱勝光，孫明武基于爆破漏斗試驗的大直徑深孔爆破參數研究[J].礦業研究與開發，2020，40(1)：64-69.
[7]何斌全，大直徑深孔階段空場法鑿巖爆破參數研究[J].礦業研究與開發，2020，40(8)：15-19.
[8]劉優平，龔敏，黃剛海，深孔爆破裝藥結構優選數值分析方法及其應用[J].巖2，2012，33(6)：1883-1888.
[9]曹勝祥，邱賢陽，史秀志大直徑深孔爆破參數優化研究[J].有色金屬工程，2015，5(S1)：160-164.
[10]蔣復量·金屬礦礦巖可爆性評價及井下采場深孔爆破參數優化的理論與試驗研究[D].長沙：中南大學，2011.
[11]曹安業，采動煤巖沖擊破裂的震動效應及其應用研究[D].徐州：中國業大學，2009.
[12]竇林名，姜耀東，曹安業，等，煤礦沖擊礦壓動靜載的“應力場一震動波場”監測預警技術[J].巖石力學與工程學報，2017，36(4)：803-811.
[13]郭曉強厚煤層臨空區巷道外錯布置防沖技術研究[D].徐州：中國礦業大學，2012.
[14]高明仕，竇林名，張農，等，巖土介質中沖擊震動波傳播規律的微震試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2007，26(7)：1365-1371.
[15]葉根喜，姜福興，郭延華，等，煤礦深部采場爆破地震波傳播規律的微震原位試驗研[J].若石力與工程學報，2008，27(5)：1053-1058.
[16]周聽清，爆炸動力學及其應用[M].合肥：中國科學技術大學出版社，1999.
[17]汪旭光，爆破設計與施工[M].北京：治金工業出版社，2015.
[18]肖思友，姜元俊，劉志祥.等，高地應力下硬巖爆破破巖特性及能量分布研究[J].振動與沖擊，2018，37(15)：143-149.
Abstract: In metal mines, when the two-step mining with subsequent filling method is used to mine the ore body, the two-step pillar stoping will face the working condition of filling body on both sides, which makes it difficult to effectively control the ore dilution rate and loss rate. In order to deal with the problem of ore dilution and loss in the two-step stope of Ashele copper mine, based on the propagation law of blasting vibration wave, the field blasting vibration effect test was designed. The micro seismic sensor was used to collect the blasting vibration wave effectively, and the attenuation law of vibration wave in the mining body and filling body was analyzed and studied. Combined with the detonation pressure theory, the limit distance of boundary borehole under the condition that the stope blasting does not affect the stability of the filling body on both sides was calculated. Then, the test stope was selected for industrial test. After successful mining, the two-step test stope with optimized distance of boundary borehole, through three-dimensional laser scanning, there was no ore hanging wall or large-area collapse of filling body on both sides of the stope, and the dilution rate and loss rate of the stope were 5.94% and 3.99%, respectively, with a good application effect.
Key words : Two-step mining with subsequent filling method, Distance of boundary borehole. Ore dilution rate, Ore loss rate, Blasting vibration