DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.09.027

露天中深孔小药卷爆破除水研究

尹彦波^{1, 2}，周科平¹，彭文庆³，高峰¹

(1. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 长沙矿山研究院 安全技术中心，湖南 长沙，410012；

3. 湖南科技大学 能源与安全工程学院，湖南 湘潭，411201)

摘要：基于在露天中深孔爆破过程中，炮孔内积水会引起诸如装药困难、拒爆及爆破效果不理想，而采用人工除水及空压机“吹水”等传统除水方法又效率太低的问题，提出小药卷爆破除水方案。通过建立理论模型，确定除水药卷药量的合理范围，并利用LS-DYNA数值模拟验证此除水方案的合理性。研究结果表明：采用合适药量的小药卷爆破进行露天中深孔除水的方法，降水幅度达85%以上，而且剩余水垫层的作用可使爆破炸药消耗量降低7%以上。

关键词：药卷爆破除水；中深孔；理论模型；数值模拟

中图分类号：TD804        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)09-2323-07

Study on small explosive volumes blasting drainage of medium-length borehole in opencast

YIN Yanbo^{1, 2}, ZHOU Keping¹, PENG Wenqing³, GAO Feng¹

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Center of Safety Technology, Changsha Institute of Mining Research, Changsha 410012, China;

3. School of Energy and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

Abstract: The water-bearing borehole can cause a series of problems in the process of medium-length bore blasting in opencast such as the difficulty in loading explosive power, misfire and poor effect etc, and the efficiency of the traditional methods of removing water, such as artificial drainage, air compressor and so on, is very low. Aiming at these problems in deep hole of opencast, the precept of small explosive volumes blasting drainage was put forward. By establishing theoretical model, the reasonable range of the selected dose was obtained. The reasonableness of drainage scheme was verified by numerical simulation using LS-DYNA. The results show that using the measurement of the optimal dose of small explosive cartridge blasting drainage can effectively make precipitation range increase to 85% and the consumption of blasting explosives reduce by more than 7% due to the surplus bottom water cushion.

Key words: explosive cartridge blasting drainage; medium-length bore; theoretical model; numerical simulation

当前，我国很多露天金属矿山采用中深孔爆破的方法进行崩矿。在矿山开采、凿岩爆破过程中，受地形及天气的影响，炮孔积水问题较多，特别是在一些裂隙水补给丰富及南方多雨地区，这一现象更加严重。

虽然水压控制爆破技术利用水密度大、不可压缩性的特性，可以达到改善爆破效果、降低爆破炸药单耗和控制爆破危害^[1-2]，但在实际操作过程中，该技术存在以下问题。

1) 装药困难。炮孔积水，矿山只能采用防水炸药如乳化炸药、水胶炸药等。由于此类炸药较为黏结，通常采用蜡纸或塑料卷装，而卷装质量差异造成塑料袋内不同程度地含有空气，导致药卷密度不一，一般为0.90~1.30 g/cm³。而炮孔积水中悬浮了一定量的岩屑，混合物的密度也为1.00~1.30 g/cm³，在装药过程中药卷难以下沉。多数矿山采用人工捣压或者自然静置的方法使其下沉，常引起药卷变形或破坏而堵孔、炸药静置时间过长失效而拒爆、装药不到位等问题，对爆破效果影响极大。

2) 易产生拒爆。一方面，由于积水炮孔存在悬浮岩屑，在炸药电解质的作用下造成不均匀沉降。先沉入孔底的药卷与衔接药卷之间存在大量含泥尘砾，使得炮孔的孔径变小或者变形，导致药卷被卡住，这样容易造成两药卷之间有一段无药间隔，若间隔距离超过炸药在水介质中的殉爆距离，则会造成底部药卷产生拒爆。另一方面，不排除由于炸药或雷管质量缺陷，久置于水介质中失效而产生拒爆现象。

3) 爆破效果不理想。由于炮孔内存在与炸药密度相近的混合介质，炸药难以沉入孔底，造成底部炸药爆力不足以克服底盘抵抗线的阻力，容易造成底部破碎效果不良，甚至出现根底。若矿山采用岩粉堵孔，岩粉遇水易形成泥浆，则导致填塞物与炮孔之间的摩擦力降低，爆破时能量过早外泄，甚至产生冲孔现象，使爆破效果变差^[3]。

可见，有效解决露天含水中深孔水处理问题对于矿山稳定生产至关重要。目前，我国大多矿山采取以下方法对水炮孔进行处理^[3]：1) 采用空压机进行“吹水”。受限于空压机的机动性，此方法仅适合于部分浅孔水处理，且效率较低。2) 人工排水。用潜水泵抽或用吹水专用设备进行处理。该处理方法费时费力且收效甚微。3) 采用水压控制爆破如间隔装药技术。这些方法操作较繁琐，加上矿山爆破工人接受能力较低，倘若使用不当，效果适得其反。4) 将药卷捆绑在竹片上然后整体下放，这种方法应用于浅孔尚可，对于中深孔操作极其繁琐、复杂。为此，针对露天含水中深孔水处理难题，提出小药卷爆破除水方案，利用小药包爆破进行“冲水”。本文作者以理论分析为基础，确定除水药卷药量的合理范围，并从数值模拟的角度验证此除水方案的合理性。

1  理论模型

炮孔中的药包爆炸后，孔内高温高压膨胀气体迅速地向外传播，对周围水介质产生压缩作用，激起冲击波，横向对炮孔壁岩石产生破坏作用，径向推动炸药上部水柱往孔口运动。因此，采用小药包除水处理方法，必须要求药包爆炸产生的爆力不能破坏孔壁的完整性，又要尽可能将水柱推出孔外。研究时，为不失一般性，假定小药包爆炸时处于孔底，水柱整体抬升，忽略水柱与孔壁之间的黏滞作用。小药卷爆炸“冲水”模型如图1所示^[4-5](其中，H为炮孔深度，m；h为孔内水深中，m)。

图1  含水炮孔及药卷位置示意图

Fig. 1  Sketch map of water-bearing drill hole and explosive volume position

1.1  药卷药量的上限

由于水具有不可压缩性、黏滞性和导热性等特性，进而使得爆炸能量耗散，在传播过程中，冲击波的波速和峰值压力随距离的增大而衰减。炸药在有水炮孔中发生爆炸后，冲击波沿着炮孔轴线传播到孔壁并发生反射和透射，且对周围岩石产生破坏作用^[6-9]。

陈士海等^[10]提出按照广义的Mises条件作为岩石的动力破坏准则。在某静水压力作用下，当剪应力超过按照该静水压力下屈服条件计算得到的屈服值时，岩石则发生破坏。因此，可以利用广义的Mises条件作为未破坏材料剪切强度的准则：

式中：；为黏结力；为未破坏材料的摩擦因数；为剪切强度的极限值；p为静水压力；S_ij为强度极限和流限和剪应力关系图截面积。

圆柱形药卷爆炸后，当爆轰波到达爆轰产物与水的分界面时，会发生透射和反射。当高温高压的爆轰产物撞击周围的水时，会形成冲击波。当冲击波传播到孔壁时，其波阵面上的压力(孔壁入射冲击波峰值)为^[11-12]

式中：为某点的冲击波峰值，MPa；为横向比例距离；；r_b为炮孔半径，mm；W_T为总装药量的TNT当量。

式中：W_C为总药量；Q_C为装药的爆热，J/g；Q_T为TNT的爆热, J/g。

当小药卷半径为r₀，炸药密度为，药卷长度为l时，总药量为

将式(3)和(4)代入式(2)，有

当水中冲击波到达孔壁时，将发生反射和透射，其反射冲击波峰值为^[8-9]

在孔壁处，根据连续条件，孔壁处的冲击压力为

故小药卷在水炮孔中爆炸时，孔壁上的初始冲击压力为

利用小药卷爆炸冲能除水，必须确保其最大冲击压力不大于按照广义的Mises条件表述的强度准则，即

经推理，可以得出药包爆炸不对孔壁产生破坏作用的药量上限为

1.2  药卷药量的下限

冲击波在炮孔中纵向传播时压缩水介质，能量衰减，峰值压力降低。冲击波峰值压力随距离衰减变化也存在如下指数关系：

式中：为纵向比例距离，；r为炮孔纵向距离爆心的高度。水介质在爆破冲击能量作用下沿炮孔纵向作活塞运动，假定爆破冲能能将炮孔水完全排出孔外，此时，小药卷爆炸作功为

水柱在抬升的过程中，势能增加，直至完全排出孔外，最终势能的增加值为

其中：H为炮孔深度；h为水深；为水密度，取1 g/cm³。根据能量守恒及达到完全除水的目标，存在以下关系：

式(12)与(13)中只有W_T未知，且 ，利用式(14)可以求出小药卷药量的下限值：

2  数值验证

小药卷爆破除水方案实施简便、灵活，易被工人接受，但若炸药量控制不好，容易导致炮孔坍塌而堵孔。为此，基于上述理论分析，得到小药卷爆破除水的药量范围，利用LS-DYNA数值分析验证理论分析的合理性。

2.1  屈服极限及药量计算

根据矿山实际情况确定除水药卷的药量。炮孔孔径为120 mm，孔深为20 m，孔径为60 mm，炮孔的含水体积分数为10%~65%，计算按照最大值(65%)选取，即按13 m计算，参数如表1所示。将表1中参数代入式(1)，可以求出花岗岩的动应力屈服极限Y₁(p)为2.02 GPa；将相关参数分别代入式(10)和(15)，可以求出药量的取值范围为：800≤W_C≤1 800 g。

表1  计算参数

Table 1  Calculation parameters

2.2  几何模型

考虑到模型的对称性，本次模拟以1/4含水炮孔为例进行分析。模型根据炮孔实际尺寸建立；模型左边界及前边界施加对称边界条件，下边界、后边界以及右边界施加无反射边界条件，模型的上边界为自由边界条件^[13-14]，见图2。

图2  模型及其边界条件设置

Fig. 2  Model and the boundary condition

2.3  物理模型

对于小药卷除水方案，炮孔中的水为耦合介质，所以，在数值模拟中需定义水和岩石的材料模型。水是一种流体材料，LS-DYNA中可以采用关键字“*MAT_NULL”作为流体材料的模型。对于水来说，由于其具有一定的黏性以及不可压缩性，LS-DYNA中可选择*EOS_GRUNEISEN描述水在高压状态下的状态方程，具体参数见表2(其中：C₀，S₁，S₂和S₃为常数；ρ_w为初始密度；γ₀为Gruneisen系数；a为对γ₀的一阶体积修正系数；E为初始内能；V为初始相对体积)。

炸药模型的选择对计算结果也有很大影响，*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 可作为高能炸药材料模型，并且选择*EOS_JWL状态方程模拟乳化炸药爆炸的过程。炸药参数及状态方程参数见表3。表3中：A，B，R₁，R₂及w均为与炸药相关的材料常数；E_v为初始质量内能(GPa)；A和B为质量内能(GPa)；R₁和R₂为爆破作用半径(m)；w为最小抵抗线长度(m)。

表2  水的材料参数

Table 2  Parameters of the water

表3  炸药参数

Table 3  Properties of explosive

模型设置为3部分：Part 1设定为岩体材料，Part 2为炸药，Part 3为水(不耦合介质)，模型之间的流固耦合关键字为“*CONSTRAINED_LAGRANGE_ IN_SOLID”，利用此关键字将炸药和空气等流体物质与岩体等固体材料进行耦合。

2.4  数值模拟

爆破除水方案中选用的小药卷直径为60 mm，长度为300 mm，质量为1 kg。数值验证中选取单节药卷和两节药卷分别进行模拟^[15-16]。

采用Misses强度屈服准则进行分析。当岩体的等效应力达到屈服极限时，岩体中产生塑性屈服单元，通过关键字*MAT_ADD_EROSION 将屈服单元删除，模拟炮孔壁破坏；爆破时间总时间为2 000 μs。炮孔壁上的Von-Mises应力分布见图3，监测点的Von-Mises应力曲线见图4。

从图3可见：随着时间延长，炮孔壁上的Von-Mises应力逐渐减小。从图4可见：在整个爆破过程中，单药卷爆破的峰值应力均低于围岩的屈服极限，即小于花岗岩的动应力屈服极限2.02 GPa，故炮孔壁不发生破坏； 对于双药卷爆破，在爆破后的一小段时间内(90~130 μs)，孔壁的峰值应力超过了围岩的屈服极限，120 μs时炮孔壁上的应力峰值达2.267 GPa，大于花岗岩的动应力屈服极限，故可判断炮孔壁由于爆破作用发生了破坏。在图3(e)，(f)，(g)和(h)中也可以看出孔壁的破坏现象。

图3  炮孔壁上的Von-Mises应力分布

Fig. 3  Von-Mises stress distributions in blast hole wall

图4  炮孔壁上Von-Mises应力曲线

Fig. 4  Von-Mises stress curves in blast hole wall

3  工程应用

3.1  工程概况

某矿山地貌属于低山丘陵地形，起伏较大，大部分岩石裸露，主要成分为花岗岩，材质坚硬，中等风化，节理裂隙发育，有较丰富的地下水。选用Roc L6-25型液压潜孔钻机打垂直炮孔，孔深为20 m，孔径为120 mm，炮孔的含水体积分数为10%~65%。由于炮孔中含有水，装药问题一直困扰着该矿山的正常生产。矿山先后采用多种方法对水炮孔进行处理，均未取得很好的效果。针对这一难题，LU等^[16]提出小药卷爆破除水方案，选用单节药卷爆破除水，并进行了现场试验，以验证该水方案的可行性。

3.2  施工工艺

1) 由于露天矿水文地质条件随着开采水平的延深而发生变化，特别是在一些深凹露天矿中，炮孔的涌水量随着深度的增加而不断增大，因此，利用小药卷除水以后必须准确测量孔内水的深度，避免由于装药时忽略残留补给水的影响而产生根底或拒爆等现象。

2) 若残留补给水过多，则需进行二次除水处理，确保装药顺利。在实际除水操作过程中，主要观察“冲水”水花及倾听小药卷爆炸时的声音。若水花散开、零星，爆炸声音清脆，则表明除水彻底，可以装药，否则进行二次处理。

3) 在使用防水炸药装药过程中，应先将炸药药卷弄直，令其顺炮孔自由下放；切忌采取砸、挤、掷等不合理装药方式，并注意聆听炸药落底声音，待前药卷到位后方可继续装药；若不能确定前药卷是否到位，则必须进行测量，以免药卷卡孔产生间隔而导致部分药卷拒爆。

4) 装药完成以后，应尽早起爆。

3.3  安全事项

1) 在进行除水工作前，药卷的火雷管与炸药必须分开，并将导火索及火雷管存放在专用爆破器材保险箱内。

2) 为防止除水药卷拒爆，要求采用双发火雷管进行引爆。

3) 在制作除水药卷的过程中，采场内严禁出现明火，以免引发小药卷的意外爆炸，甚至引起整个采场范围内炸药的大规模爆炸。

4) 在除水过程中，炮孔孔口严禁堆放炸药，以免误爆。距离炮孔方圆50 m范围内作好警戒工作，防止冲出的细小岩块砸伤人员及设备。

3.4  除水效果

通过现场实测，采用小药卷爆破除水后炮孔水位基本降到10%左右，炸药在重力作用下能自由下落至孔底，装药效果十分理想。炮孔水没有完全排干，主要有以下几方面的原因：1) 由于水具有黏滞性，在小药卷爆破抬升过程中附着孔壁，而后析出回流；2) 冲出炮孔的部分水分在重力作用下下落或回流孔内；3) 矿山地下水、裂隙水补给。但只要装药到位，部分水介质垫层使得炸药能量分布更合理，降低了直接作用在孔壁岩石上的初始压力，可以达到改善爆破效果、降低爆破单耗的目的。炸药消耗量的降低幅度可由下式计算^[17-18]：

式中：h_w为孔内水柱高度；为水介质平均初始压力；为岩石初始压力；为炸药柱高度。以20 m炮孔深度、65%含水体积分数为例，炸药消耗量降低幅度为7%。

4  结论

1) 提出了小药卷爆破除水方案，建立了理论模型和数值分析模型。

2) 获取了除水小药卷药量W_C的合理选取范围为：800≤W_C≤1 800 g。

3) 单药卷爆破时，炮孔壁的Von-Mises应力峰值小于花岗岩的屈服极限，炮孔壁不发生破坏；双药卷爆破时，炮孔壁局部发生破坏。

4) 小药卷爆破方法除水效果明显。经1次爆破除水后，试验炮孔含水体积分数从65%左右降到10%，降幅达85%。

5) 采用所提出的方案起到了降低炸药消耗量、改善爆破效果的作用。以20 m炮孔深度、65%含水体积分数为例，炸药消耗量降低幅度为7%。

6) 从技术及工艺上介绍了小药卷爆破除水注意事项。小药卷爆破除水研究方法在工程实际应用过程中简单有效，对指导露天中深孔炮孔水处理具有参考价值。

参考文献：

[1] YARI M, MONJEZI M, BAGHERPOUR R, et al. Developing a mathematical assessment model for blasting patterns management: Sungun copper mine[J]. Journal of Central South University, 2014, 21(11): 4344-4351.

[2] HAN Liu, SHU Jisen, HANIF N R, et al. Influence law of multipoint vibration load on slope stability in Xiaolongtan open pit mine in Yunnan, China[J]. Journal of Central South University, 2015, 22(12): 4819-4827.

[3] BROWN A G, DAVIDS T, JORDAAN O J, et al. Luck explosives test work at Duvha Opencast[C]// Proceeding of the Thirteenth Conference on Explosives and Blasting Technique. Miami, Florida, 1987: 6-20.

[4] CHEN Shihai. The distance between boreholes of smooth blasting by water coupling[J]. Journal of Coal Science & Engineering(China), 1998, 4(1): 11-14.

[5] 邵明静. 中深孔爆破炮孔积水问题解决方法[J]. 中国水泥, 2004, 19(2): 74-75.

SHAO Mingjing. Solution to the ponding of water in blast holes[J]. China Cement, 2004, 19(2): 74-75.

[6] CHEN Shihai, WU Jian, ZHANG Zihua. Influence of millisecond time, charge length and detonation velocity on blasting vibration[J]. Journal of Central South University, 2015, 22(12): 4787-4796.

[7] 宗琦, 李永池, 徐颖. 炮孔水耦合装药爆破孔壁冲击压力研究[J]. 水动力学研究与进展, 2004, 19(5): 610-615.

ZONG Qi, LI Yongchi, XU Ying. Preliminary discussion on shock pressure on hole wall when water-couple charge blasting in the hole[J]. Journal of Hydrodynamics, 2004, 19(5): 610-615.

[8] 柴修伟, 梁开水. 水下炮孔爆破不同方向的水中冲击波传播特性研究[J]. 爆破, 2012, 29(1): 19-22.

CHAI Xiuwei, LIANG Kaishui. Research on propagation characteristic of water shock wave induced by underwater drilling blasting in different direction[J]. Blasting, 2012, 29(1): 19-22.

[9] HENRYCH J. The dynamics of explosion and its use[M]. Amsterdam, New York: Elsevier Scientific Publishing Company, 1979: 1-50.

[10] 陈士海, 王明洋, 钱七虎. 岩体塑性变形多阶段水平的动力破坏准则[C]// 第8届中国工程爆破学术经验交流会. 北京, 2004: 31-36.

CHEN Shihai, WANG Mingyang, QIAN Qihu. Dynamic destruct criteria of multi stage rock plastic deformation[C]// The 8th Blasting Academic Experience-sharing Sessions. Beijing, 2004: 31-36.

[11] 凌同华, 李夕兵. 爆破振动信号不同频带的能量分布规律[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2004, 35(2): 310-315.

LING Tonghua, LI Xibing. Laws of energy distribution in different frequency bands for blast vibration signals[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2004, 35(2): 310-315.

[12] 杜俊林, 罗云滚. 水不耦合炮孔装药爆破冲击波的形成和传播[J]. 岩土力学, 2003, 24(增): 616-618.

DU Junlin, LUO Yungun. Study of formation and propagation of shockwave with water-uncouple charge blasting in hole[J]. Rock and Soil Mechanics, 2003, 24(Suppl): 616-618.

[13] 罗勇, 崔晓荣, 陆华. 炮孔水介质不耦合装药爆破的研究[J]. 有色金属(矿山部分), 2009, 61(1): 46-49.

LUO Yong, CUI Xiaorong, LU Hua. Study on blasting with water decoupling charging in borehole[J]. Nonferrous Metals (Mining Section), 2009, 61(1): 46-49.

[14] 颜事龙, 徐颖. 水耦合装药爆破破岩机理的数值模拟研究[J]. 地下空间与工程学报, 2005, 1(6): 921-924.

YAN Shilong, XU Ying. Numerical simulation of water-coupled charge rock blasting mechanism[J]. Chinese Journal of Underground Space & Engineering, 2005. 1(6): 921-924.

[15] 林德余, 马万昌, 李忠, 等. 岩石爆破中水垫层作用的研究[J]. 岩石力学与工程学报, 1992, 11(2): 130-139.

LIN Deyu, MA Wangchang, LI Zhong, et al. Research on the effects of bottom water cushion on long hole blasting[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1992, 11(2): 130-139.

[16] LU Wenbo, LI Peng, CHEN Ming, et al. Comparison of vibrations induced by excavation of deep-buried cavern and open pit with method of bench blasting[J]. Journal of Central South University, 2011, 18(5): 1709-1718.

[17] 孟茁超, 周科平. 基于拉-压损伤模型的爆破漏斗动力响应分析[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2012, 43(7): 2717-2722.

MENG Zhuochao, ZHOU Keping. Dynamic response of blasting crater based on ension-compression damage model[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2012, 43(7): 2717-2722.

[18] 王作强, 陈玉凯. 水耦合装药对露天深孔爆破效果影响的探讨[J]. 轻金属, 2007, 18(9): 6-8.

WANG Zuoqiang, CHEN Yukai. The influence of aqua-catena charging on the open and deep hole explosion[J]. Light Metals, 2007, 18(9): 6-8.

(编辑  陈灿华)

收稿日期：2017-10-15；修回日期：2017-12-22

基金项目(Foundation item)：湖南省自然科学基金资助项目(2016JJ2053)；国家自然科学基金资助项目(51474252) (Project(2016JJ2053) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(51474252) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：尹彦波，博士研究生，高级工程师，从事爆破及矿山安全数字化理论与技术、采矿方法与工艺、矿山地压灾害预警技术研究；E-mail: yyb@cimr.com.cn