層理發(fā)育軟硬層疊巖體大密集系數(shù)爆破技術(shù)研究

王桂林,王德勝，魯文岐，喬海平，李 方，陳 浩

(1.國家能源集團(tuán)準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 010300；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

1 黑岱溝煤礦巖體特征

黑岱溝露天煤礦的覆蓋巖體為層理發(fā)育的各類沉積巖，最上部黃土之下的泥巖、粘土巖及砂巖可用露天臺階松動(dòng)爆破法剝離。巖體的臺階高15 m，臺階坡面角65°～70°，待松動(dòng)爆破各類巖體的特征對爆破效果有一定的影響。

1)巖性差異大。巖體中有粉砂巖、頁巖、泥巖和細(xì)砂巖等，不僅種類多，巖體結(jié)構(gòu)也從節(jié)理、裂隙發(fā)育到質(zhì)地均勻無裂隙。巖石的抗拉、抗壓等物理力學(xué)特性差異大，爆破過程中易出現(xiàn)破碎的巖石大小不均勻，尤其臺階頂部致密韌性大的泥巖和底部硬度較大的砂巖中，易出現(xiàn)不合格“大塊”或“根(拉)底”現(xiàn)象，需要采取大密集系數(shù)爆破，增大后爆炮孔的有效自由面積，創(chuàng)造更多的自由面數(shù)量，改善層理發(fā)育、軟弱互層巖體的破碎效果。

2)層理發(fā)育、節(jié)理構(gòu)造不均衡且復(fù)雜。因?yàn)楸茀^(qū)域各類巖體層理發(fā)育、巖層分界明顯，節(jié)理裂隙發(fā)育差異大。爆破應(yīng)力波進(jìn)入這些巖體構(gòu)造時(shí)，能量反射、透射、泄漏嚴(yán)重，需加強(qiáng)對節(jié)理、裂隙影響爆破效果的探索。采用孔內(nèi)空氣間隔裝藥均衡爆壓及逐孔起爆等技術(shù)，來提高炸藥破巖能量利用率，改善裂隙巖體的爆破效果。

3)軟硬互層巖體的破碎。臺階上部填塞段和臺階底部分別是韌性大、強(qiáng)度高的砂巖和泥巖，中部是軟弱的粘土巖，沿臺階垂直高度上呈現(xiàn)了“上硬、下韌和中部軟”的軟弱互層，似“夾心餅”狀的巖體。為避免排間或炮孔間、臺階底部巖體的不充分破碎，減少不合格巖石大塊產(chǎn)出，現(xiàn)行的爆破技術(shù)設(shè)計(jì)需要改善。為此，基于現(xiàn)場正交試驗(yàn)，優(yōu)化此類巖體大密集系數(shù)及空氣間隔裝藥爆破技術(shù)參數(shù)，改善破巖質(zhì)量，同時(shí)也可降低松動(dòng)爆破成本。

2 大密集系數(shù)爆破技術(shù)破巖模擬

層(節(jié))理發(fā)育、軟弱互層的巖體爆破過程，較均質(zhì)巖體更為復(fù)雜，對裂隙巖體爆破現(xiàn)象進(jìn)行分析非常困難。數(shù)值模擬技術(shù)在求解爆炸荷載的超動(dòng)態(tài)問題方面獨(dú)有的優(yōu)勢，對再現(xiàn)爆破過程有著重要價(jià)值。為此，可用LS-DYNA 3D模擬大密集系數(shù)布孔、逐孔起爆時(shí)，同排炮孔間和前后相鄰炮孔間，在爆炸荷載作用下巖石的破壞特性。因?yàn)楹卺窚厦旱V臺階高度15 m，所以取模型高30 m，底面長30 m、寬24 m。根據(jù)炮孔直徑φ250 mm，超深2.0 m，孔距16 m，排距5.0 m，炮孔填塞長度6.5 m，炮孔底部空氣間隔，間隔高度2.0～3.0 m，建立臺階爆破模型(見圖1)。

圖1 深孔臺階爆破模型Fig.1 Deep hole step blasting model

選擇最難爆的泥巖，現(xiàn)場測定巖體的節(jié)理、裂隙分布特征，按照霍克—布朗公式修正、取樣、實(shí)驗(yàn)測定巖石力學(xué)參數(shù)后，獲得其力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。利用現(xiàn)場混裝車，采用礦用車輛廢油加工多孔粒狀銨油炸藥，其性能如表2所示。

表1 修正后被爆破巖體的物理力學(xué)參數(shù)

表2 黑岱溝露天煤礦現(xiàn)場混裝銨油炸藥的性能參數(shù)

1)邊界條件及介質(zhì)參數(shù)。對稱建模，計(jì)算時(shí)構(gòu)建1/2模型即可。模型正面為對稱邊界，左面、右面、底面和背面為無反射邊界；臺階的頂面、坡面和底盤處為自由面，并對自由面處的位移進(jìn)行約束，且自由面的位移和波不加限制。

孔內(nèi)水深超過孔底間隔高度時(shí)裝填乳化炸藥，炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。在計(jì)算孔底的空氣間隔裝藥量時(shí)，輸入的介質(zhì)參數(shù)如表3所示。

圖2 深孔松動(dòng)爆破裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 Charge structure of deep-hoe loose blasting

ρ0/(kg·m-3)C0C1C2C3C4C5C6E0/GPaV01.22500000.40.402.5×1051.0

2)模擬結(jié)果及分析。在臺階坡底和頂部距離炮孔中心，每隔0.5 m各取1個(gè)監(jiān)測單元，求出各單元應(yīng)力峰值，考察用底部空氣間隔裝銨油炸藥和乳化炸藥時(shí)，被爆巖體中的有效應(yīng)力發(fā)展趨勢(見圖3)?？疾旖Y(jié)果表明，采用孔底空氣間隔裝乳化和銨油炸藥時(shí)，待爆巖體中的有效應(yīng)力均超過巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，說明都可以對被爆巖體進(jìn)行有效破碎。

圖3 大密集系數(shù)爆破臺階底部和頂部被爆巖體監(jiān)測單元的Mises有效應(yīng)力Fig.3 Mises effective stress of the monitoring unit of the rock mass to be explored at the bottom and top of the step with big dense coefficient

3 爆破方案

現(xiàn)行爆破方案是使用DM-H和CDM 型牙輪鉆機(jī)穿鑿垂直炮孔、炸藥混裝車裝填炮孔炸藥和高精度塑料導(dǎo)爆管雷管逐孔起爆技術(shù) ，采用臺階深孔松動(dòng)爆破對巖體進(jìn)行剝離。其參數(shù)如下：孔徑250 mm，孔、排距為7 m ×10 m， 臺階高15 m，孔深17.5 ～18.0 m，超深2.5～3.0 m。炸藥為現(xiàn)場混裝車配置，無水的干孔裝銨油炸藥，炮孔水深超過1.0 m裝乳化炸藥。以干孔為例，每孔裝藥量516～540 kg，平均單耗為0.40～0.42 kg/m3。

由于現(xiàn)行爆破方案屬常規(guī)布孔，在炮孔連續(xù)裝藥，炸藥綜合單耗較高的條件下，仍存在軟巖過渡破碎，硬巖破碎塊度不均勻，底部韌性大的巖體時(shí)有根(拉)底發(fā)生。因此，根據(jù)礦區(qū)的巖性、構(gòu)成等實(shí)際條件，改進(jìn)爆破設(shè)計(jì)方案，確定新的爆破技術(shù)參數(shù)，用空氣間隔裝藥技術(shù)均衡孔內(nèi)炮轟氣體壓力，延長破巖作用時(shí)間，采用大密集系數(shù)布孔技術(shù)改善巖石破碎效果。

3.1 炮孔布置

采用CDM75牙輪鉆機(jī)穿孔，炮孔直徑為250 mm;臺階高15.0 m，炮孔超深2.0 m，炮孔深17.0 m；三角形布置炮孔，炮孔的孔距和排距分別為14.0～15.0 m和5.5～6.0 m，炮孔密集系數(shù)為2.5～2.7。

3.2 炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用炸藥混裝車裝填普通多孔粒狀銨油炸藥，密度0.866 g/cm3，爆速2 700～2 800 m/s；為了均衡炮孔壓力，適應(yīng)黑岱溝煤礦軟硬巖體互層疊置的特點(diǎn)和降低炸藥單耗，采用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場為了適應(yīng)混裝車裝藥速度快，避免中部間隔的裝藥停頓和二次裝填起爆彈的繁瑣手續(xù)，孔底空氣間隔裝藥的間隔高度為2.0～3.0 m。因?yàn)樘岣哒w裝藥高度，便于臺階頂部填塞段致密細(xì)砂巖石的有效破碎，所以炮孔填塞長度取6.5 m(見圖2)，單耗0.26～0.29 kg/m3。

3.3 爆區(qū)銜接及壓渣問題

為滿足黑岱溝煤礦日剝離超過40萬t的大規(guī)模生產(chǎn)需求，必須保證電鏟的挖掘裝載效率，松動(dòng)爆破現(xiàn)場難以做到清渣。為避免大量壓渣對松動(dòng)爆堆松散程度的影響，爆破時(shí)控制壓渣厚度以不超過15 m為宜。

大范圍的連片穿孔及大規(guī)模爆破，可以提高穿孔設(shè)備、電鏟和其他礦山大型履帶式設(shè)備的作業(yè)效率，減少因?yàn)楸芘谠斐傻臒o效輔助作業(yè)時(shí)間，因此合理的爆區(qū)規(guī)劃是露天礦至關(guān)重要的內(nèi)容。為此，根據(jù)現(xiàn)場情況確定松動(dòng)爆破巖體的后沖、側(cè)沖破裂范圍為4.3～5.0 m，爆區(qū)的前后和側(cè)向分割帶寬度取9.0 m；側(cè)向爆區(qū)間分割采用大于90°的鈍角，以減小夾制作用，保障銜接處爆破效果，側(cè)向分割角度取140°～146°，以保障相鄰爆區(qū)的有效銜接(見圖4)。

圖4 爆區(qū)布置Fig.4 Arrangement of blasting areas

3.4 延時(shí)時(shí)間及起爆網(wǎng)路

待爆巖體層理發(fā)育，軟硬巖層疊置，采用毫秒延時(shí)起爆，使待爆巖體在爆轟壓力的壓縮作用過程中，下一個(gè)相鄰的炮孔就被起爆，避免過長時(shí)間的延時(shí)使已被壓縮閉合的層(節(jié))理，在炸藥爆轟卸載波的作用下重新張開，泄漏爆轟氣體，損失破巖能量。故設(shè)計(jì)孔間毫秒延時(shí)時(shí)間為42 ms，排間延時(shí)時(shí)間為100 ms，采用高精度塑料導(dǎo)爆管雷管逐孔起爆技術(shù)，最大限度提高爆破能量對裂隙巖體的破碎和降低爆破振動(dòng)，起爆網(wǎng)路如圖5所示，深孔松動(dòng)爆破后巖石破碎效果如圖6所示。

圖5 逐孔起爆網(wǎng)路Fig.5 Hole-by-hole detonation network

圖6 爆破效果Fig.6 Blasting effect

選擇主要影響因素孔距、排距和孔底間隔高度，按三水平正交排列表組織爆破現(xiàn)場正交試驗(yàn)，爆破后跟蹤統(tǒng)計(jì)不合格巖石，試驗(yàn)獲得的適合黑岱溝煤礦松動(dòng)爆破的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表4 黑岱溝露天煤礦裂隙巖體臺階深孔松動(dòng)爆破技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)語

露天煤礦巖體層理發(fā)育、不同巖種的力學(xué)性能參數(shù)差異大，常出現(xiàn)軟硬巖層互相疊置的現(xiàn)象。傳統(tǒng)爆破難以克服不合格巖石大塊率、根(拉)底率較高，炸藥單耗偏高，軟弱巖石過渡破碎，爆破過程及后續(xù)鏟裝、運(yùn)輸粉塵大的困難。黑岱溝露天煤礦大密集系數(shù)松動(dòng)爆破的實(shí)踐表明，合理的大密集系數(shù)布孔和空氣間隔裝藥技術(shù)，不僅可實(shí)現(xiàn)層理發(fā)育、軟硬疊置巖體良好的破碎效果，經(jīng)濟(jì)效益也很顯著。

1)大密集系數(shù)布孔顯著改善了后爆炮孔的自由面條件，增加了后爆孔的自由面積，對于層理發(fā)育、裂隙發(fā)育差異大的巖體改善破碎效果有重要作用，提高了延米爆破量21%，節(jié)省大量穿孔量。

2)空氣間隔裝藥技術(shù)均衡炮孔內(nèi)的爆轟氣體壓力，延長了爆轟氣體的有效破巖時(shí)間，對黑岱溝韌性大的泥巖，和類似“夾心餅”狀軟硬疊置層理發(fā)育的巖體有效破碎具有重要作用，降低了炸藥單耗25%以上。

3)毫秒延時(shí)逐孔起爆技術(shù)配合大密集系數(shù)布孔技術(shù)，改善了軟硬疊置巖體的破碎效果，有效控制了爆破振動(dòng)等有害效應(yīng)，為黑岱溝煤礦松軟邊坡維護(hù)和50 m高臺階拋擲坡面泄壓小滑體的安全防護(hù)創(chuàng)造了有利條件。