預裂爆破技術在石灰石礦山工程上的應用

呼志剛

內蒙古蒙西水泥股份有限公司，內蒙古 呼和浩特 010020

預裂爆破技術在石灰石礦山工程上的應用

呼志剛

內蒙古蒙西水泥股份有限公司，內蒙古 呼和浩特 010020

預裂爆破是利用相鄰炮孔內炸藥爆轟時瞬間產生的應力和爆生高壓氣體的氣楔作用，使得巖石沿相鄰炮孔的軸線形成一條裂縫，從而在以后的開挖中形成一個平整和穩(wěn)定的面。在開挖區(qū)主爆破炮孔爆破前，沿設計輪廓線先形成平整的預裂縫。預裂縫形成后，再起爆主爆炮孔組，能在一定范圍內減小主爆炮孔組的爆破地震效應。

露天礦開采 預裂爆破 邊坡

0 引言

我集團下屬阿榮旗蒙西水泥有限公司2×4 800 t/d預分解窯水泥熟料生產線石灰石礦山工程，項目設計3個削頂剝離平臺（1455 m、1 475 m、1 470 m剝離平臺），均設計有永久性邊坡，設計邊坡坡度為70°，邊坡高度均在30 m或30 m以上，永久邊坡總面積約22 000 m2。

該礦區(qū)所處大興安嶺東部邊緣，地質報告顯示，礦區(qū)巖性為碳酸鹽巖類與泥質、鈣質頁巖等沉積巖，礦體與圍巖呈單斜產出，傾向130°± 10°，傾角60°～85°，沒有大斷層切割礦體，邊山斷裂之次生羽狀斷裂對礦體形態(tài)影響不大。礦體與圍巖近于全部裸露，以物理風化氧化為主，風化深度小于3 m。地表礦體頂板為礦區(qū)西部治里組白云質灰?guī)r，地層傾角近直立，巖體完整、堅硬、耐風化；礦體底板為礦區(qū)東部徐莊組一段紫紅色頁巖，產狀125°∠62°，軟弱疏松易風化，穩(wěn)定性差。區(qū)內地形坡度大，巖層導水性、富水性弱，地下水埋藏很深，地表有利于大氣降水自然排泄。區(qū)內構造以北西－南東向為主。由于礦區(qū)內巖層產狀陡立，抗機械風化能力弱，厚層含鮞結晶灰?guī)r、鮞粒灰?guī)r、致密狀灰?guī)r，或以這些巖石為主要組成的巖層常構成陡坎、陡壁，甚至陡崖；條帶狀灰?guī)r、薄層灰?guī)r、頁巖，或以這些巖石為主要組成的巖層一般構成負地形或坡度較小的地形。負地形的進一步發(fā)展往往使其上部巖層產生垮落。這給礦山施工以及礦山生產帶來極大的危害，特別對于礦山永久邊坡，無論從施工角度和生產角度還是技術角度，都要給予充分的重視和認識。因此，邊坡治理專項技術方案，必須在施工階段提出和實施。方案提出必須滿足以下要求：首先要最大限度地降低施工過程中對邊坡圍巖的破壞，其次必須考慮生產過程中的安全平臺、清掃平臺和生產臺段、運輸平臺參數(shù)的選定，另外還要考慮基建邊坡成型后的人工加固和機械加固方案的實施。

本礦區(qū)永久邊坡地形陡峭，同時爆破震動效應和爆轟產物的氣楔作用，有可能對臺段地質風化巖層產生層裂破壞，為了盡可能減小爆破作用引起的層裂范圍和超欠挖現(xiàn)象，決定實施永久邊坡專項施工技術方案。

本文就預裂爆破施工技術方案的選定展開論述，并剖析實施方法及效益。

1 預裂爆破施工技術方案的選定

1.1 方案

本文提出兩種施工方案，由于對于邊坡的危害主要由于爆破作用產生，因此方案主要從爆破施工技術角度來闡述。

1.1.1 手風鉆光面爆破及人工清理方案

手風鉆光面爆破及人工清理方案（方案一）采用光面爆破技術原理。在邊坡施工中預留一定的爆破層，層前段爆破完畢后，采用手風鉆機鉆孔，孔網參數(shù)設計選用光面爆破參數(shù)。爆破后進行人工刷坡清掃。

1.1.2 潛孔鉆機預裂爆破方案

潛孔鉆機預裂爆破方案（方案二）采用預裂爆破技術原理。在平臺施工時采用臺段整體預裂爆破施工技術，先沿邊坡線爆破成預裂縫，然后再實施前段巖體的爆破，從而降低爆破氣楔作業(yè)向后作用，減少爆破對后圍巖體的破壞，達到邊坡機械破壞能力最低，一次穩(wěn)固成型。

1.2 方案的選定

方案一施工，坡面平整度較高，臺面整齊。但由于臨近爆破的影響，后圍巖體層理已經受到破壞，達不到巖層保護作用，同時由于手風鉆機的施工，施工進度極慢，而且人員在高危邊坡施工，安全隱患也大大增加。

方案二施工，預裂爆破產生的拉伸應力波延臨近預裂孔方向把巖體預先切割成縫，極大衰減了前層段的爆破氣楔對邊坡圍巖的作用，最低限度地減小了爆破危害。同時由于采用潛孔鉆鉆孔，施工進度快，邊坡平整度也能達到設計要求，而且邊坡一次成型。本方案缺點是，由于預裂孔間距較小，加之增設輔助孔，施工中機械鉆孔費用和爆破費用較普通巖體爆破費用增加200%左右，施工技術復雜，坡面平整度較方案一難控制。

為了降低對坡面的破壞因素，決定采用預裂爆破施工技術方案，即方案二。

2 施工過程控制及措施

根據預裂爆破實踐表明，預裂面的不平整度和超欠挖主要取決于鉆孔精度和鉆孔質量。為此，在施工中對鉆機機械性能、施工中控制鉆孔角度和操作工人技術水平嚴格把關。要求鉆孔施工平面放樣誤差不大于3 mm，鉆孔角度能及時調整，特別是預裂面前后方向的鉆孔偏差。由于鉆孔最大深度在35 m，對于本次預裂爆破的成功與否，60%取決于鉆孔質量，40%取決于爆破技術水平。因此在施工中要一直高度監(jiān)控鉆孔的放樣、定位和鉆孔施工角度的控制。

施工過程控制是工程施工技術管理的關鍵，嚴格細致的過程控制、行之有效的施工措施是施工安全質量的可靠保證。根據特殊地質條件，規(guī)范了施工工序，并于現(xiàn)場配備工程技術人員24 h分班監(jiān)測指導，把握關鍵環(huán)節(jié)，強化過程控制管理。

鉆孔的深度、角度、密度（間距）必須嚴格按光面爆破設計實施?？紤]到爆破產生最大的地震動強度，因此必須嚴格控制總裝藥量及分段起爆藥量，盡量降低地震波及沖擊波對圍巖的危害。 堵塞采用粘性土，主爆破孔堵塞長度以L0＝1.0～1.2W（W—最小抵抗線）為好[1]。鉆爆工序都必須經施工員確認后方可進入下道工序，鉆爆破施工必須遵照《爆破安全規(guī)程》操作和實施以確保安全。

2.1 測量定位

由施工員、作業(yè)組長按測量設置的中、腰線引至工作面，嚴格按照坡度，確定開挖輪廓線，按預裂爆破設計圖表標定孔位。儀器標設的中、腰線點每組不宜少于3個，間距不少于2 m，組間距以10 m～12 m為宜。同時在自然地形上放出邊坡上下邊口線，控制樁間距5 m。特別是預裂孔孔位的確定猶為重要。因此，在坡度陡峭地段，根據孔網參數(shù)設計，直接放樣孔位[2]。

2.2 鉆孔施工控制

鉆機是影響預裂面平整度的主要因素之一。打鉆中，鉆機的故障嚴重造成預裂孔角度的變化，其故障主要是指鉆機的4個調平千斤卸油、調平水平泡移位。故在施工中若發(fā)現(xiàn)調平千斤卸油時，應及時修理。在水平器產生故障時，解決的方法為：（1）每打一孔，重新對鉆機進行角度調整，但這樣做將影響施工進度；（2）經常保持平整清潔，不要讓物件碰撞水平器，若發(fā)現(xiàn)水平泡松動，應及時粘牢；調節(jié)彈環(huán)生銹或已壞時應及時更換。

沿預裂面左右方向，地形陡且大多為裸巖，高差變化大，鉆機鋪設軌道墊層為袋裝石粉，操作鉆機過程中由于震動，可能會導致孔位偏移或水平、軸向角度變化。因此在施工中，鉆孔開口后，必須重新調整鉆機，更換鉆桿的同時也必須嚴格監(jiān)測角度。

影響預裂孔角度變化的因素除上述外，還存在一些不可避免的因素。如：鉆機沖擊器外徑大于鉆桿外徑，鉆機花架上卡瓦內徑與沖擊器外徑相符。在預裂孔角度不等于90度時，鉆機開孔沿鉆桿軸向施加壓力F，分解為水平力F1水，垂直力F2垂。在鉆頭接觸地面時，水平方向阻力小，鉆桿有向水平力F1水方向移動的趨勢，鉆桿受卡瓦約束[3]。因鉆桿外徑小于卡瓦內徑，在F2水作用下，鉆桿軸線偏離原來的軸線位置，使鉆桿壁向F1水方向緊靠卡瓦內壁，從而使預裂孔角度在開孔時將變緩，新卡瓦開孔角度變緩約0.5度，而磨損嚴重卡瓦的開孔角度變緩可達1.5度[4]。

由于上述原因，在調整鉆機預裂角度時，實際比設計角度調陡1～2度。

3 爆破參數(shù)設計

根據經驗，小間距的壁面質量遠遠優(yōu)于大間距的壁面質量，這對于永久礦山邊坡尤為重要。

首先在1 470 m剝離平臺上的1 500 m安全平臺以上邊坡做兩次實驗爆破?？组g距選擇15倍鉆孔直徑，鉆孔直徑90 mm，孔距取值1.3 m～1.4 m[5]。

3.1 第一次爆破實驗

藥量計算：

根據經驗公式，Q線=0.367[σ壓]0.5·[d]86

式中：Q線—炮孔線裝藥密度，kg/m；σ壓—巖壓極限抗壓強度， MPa；

d—炮孔直徑，m。

求得Q線=463 g/m，便于施工取Q線=450 g/m。第一次鉆爆參數(shù)見表1。

3.2 第二次爆破實驗

藥量計算：

根據經驗公式，Q線=0.034[σ壓]0.63·[a]0.67

式中：Q線—炮孔線裝藥密度，kg/m；

σ壓—巖壓極限抗壓強度，MPa；

a—炮孔間距，m。

求得Q線=738 g/m，便于施工取Q線=750 g/m。第二次鉆爆參數(shù)見表2。

表 第一次鉆爆參數(shù)

表2 第二次鉆爆參數(shù)

3.3 爆破設計參數(shù)選定

第二次爆破調整了線裝藥密度，但由于礦區(qū)內巖層產狀陡立，抗機械風化能力弱，爆破后有少量裂縫延伸和邊坡破碎現(xiàn)象，但半孔殘留率較第一次高，邊坡無傘巖，無掛石。

綜合以上兩次爆破實驗，選定第二次爆破實驗為設計參數(shù)。但由于邊坡高度高，施工工序控制難度大，在以后的高臺段預裂施工中，根據現(xiàn)場實際情況調整線裝藥密度。實際鉆爆參數(shù)見表3。

4 成本分析

預裂爆破最大的缺點就是爆破費用較高，因此一般主要應用在水利水電永久邊坡和大型露天礦山和冶金凹陷礦山邊坡治理中。其費用增加構成體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）鉆孔機械費用：由于預裂孔距僅1.3 m，而90 mm孔徑鉆孔機械費用在45元/m左右（鉆孔精度高）。折合預裂面面積，單位面積50元/m2左右。

（2）爆破器材費用：爆破時預裂孔及緩沖孔中由于間隔和不耦合裝藥，必須使用導爆索，預計使用量是35 000 m，折合預裂面積，單位面積在1.60 m/m2左右。按每米導爆索價格在6元計算，折合預裂面積9.60元/m2左右。整個爆破平均單耗在0.45 kg/m3，較正常爆破增加40%左右。增加費用折合單位面積在2.0元/m2左右。

（3）人工費用：按單位面積0.16個工日計算，單位面積在10元/m2左右。

（4）以上幾項合計：單位面積71.6元/m2左右。

可以看出，預裂爆破較普通巖體爆破增加成本較高。僅本項工程，折合預裂面積還要增加近70元/m2左右。

表3 實際鉆爆參數(shù)

5 結束語

（1）預裂孔按要求在兩頭爆區(qū)外延伸3 m，設計超深0.5 m；通過實驗表明，在兩頭延伸能很好地保證預裂孔的貫通，設計超深能減少爆破后根底。

（2）由于礦區(qū)內巖層產狀陡立，抗機械風化能力弱，爆破后貫通縫較整齊，有少量裂縫延伸和邊坡破碎現(xiàn)象。由于本段巖層有松軟破碎的巖層以及斷層面，部分區(qū)域內找不到炮孔的痕跡，但整個坡面、坡腳的整體性和連貫性好，提高了邊坡的安全性和穩(wěn)定性。解決辦法：適當減小孔距和線裝藥密度。

（3）由于地形陡峭，鉆孔精度無法得到很好的控制，加之爆破孔深一般都在20 m～30 m左右，底部部分預裂面平整度較差，預裂孔中心連線平面小范圍內有凹凸差，整體上爆破后預裂面較整齊。解決辦法：預裂孔越深，偏差精度要求應越高，施工中必須嚴格控制鉆孔精度，這樣才能保證爆破后的預裂面整齊，另外在有條件的情況下盡量降低一次預裂爆破深度。

（4）由于是直接裝藥，沒有很好地保證爆炸應力均勻地分配在孔壁上，所以導致孔壁有少量裂縫。解決辦法：用塑料管制裝藥和用定位叉將藥包固定在鉆孔的中心線上，保證爆炸應力均勻地分配在孔壁上。

（5）爆破后孔間壁面魚鱗狀巖片和部分小塊體存在，分析這與多組裂隙交割有關。裂隙產狀和分布影響預裂壁面的不平整性。因此，沿主節(jié)理（陡傾角）走向線布孔，可能會獲得較優(yōu)的效果。

[1] 中國力學學會工程爆破專業(yè)委員會.爆破工程[M].北京:冶金工業(yè)出版 社.1992.

[2] 張正宇. 預裂爆破的原理與施工[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2005.

[3] 謝建中. 全方位預裂的參數(shù)試驗與施工[A]. 霍永基.第三屆水利水電工程爆破會議資料集[C].武漢: 中國地質大出版社, 1991: 132-135.

[4] 高文學, 劉清榮. 巖體預裂爆破的斷裂控制研究[A].霍永基.全國工程爆破第五屆學術會議論文選[C].武漢: 中國地質大學出版社, 1993: 34-36.

[5] 孫良譽.淺論深孔預裂爆破對煤層透氣性影響[M]. 煤礦安全與技術, 2007.

2015-01-23）

TD235;TQ 72

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0. 6008/j.cnki. 008-0473.20 5.04.0 2