露天礦山無導(dǎo)爆索光面爆破技術(shù)的研究

唐喜明

1 引言

露天礦山的邊坡穩(wěn)定性管理一直是礦山管理中的一項(xiàng)重要工作。影響露天礦山邊坡穩(wěn)定性的因素有很多，除礦體的賦存條件、圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等自然影響因素外，還有采剝工藝、開采程序和生產(chǎn)爆破等人為影響因素。在人為影響因素中，臨近最終邊坡的爆破作業(yè)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響尤為重要。實(shí)踐表明，降低爆破振動(dòng)對(duì)最終邊坡的不良影響，對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性、減少邊坡的維護(hù)費(fèi)用、提升礦山形象至關(guān)重要。

降低爆破振動(dòng)的方法主要為光面（或預(yù)裂）控制爆破法。但在礦山開采過程中，受廠家生產(chǎn)時(shí)間、訂貨量、保質(zhì)期等因素影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)庫存無導(dǎo)爆索，最終無法采用光面爆破的情況，導(dǎo)致不得不采用一般的爆破方法，致使邊坡受到不同程度的破壞，造成超挖或圍巖強(qiáng)度、穩(wěn)定性降低，帶來安全隱患。為解決上述問題，本文針對(duì)在無導(dǎo)爆索的情況下，如何實(shí)施光面爆破進(jìn)行了研究。

2 光面爆破工作原理及特點(diǎn)

2.1 光面爆破的實(shí)施步驟

沿露天礦山的開采邊界布置一排密集炮孔，采用線性不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，在主爆區(qū)起爆之后，通過導(dǎo)爆索實(shí)現(xiàn)光面爆破孔由孔口向孔底起爆。利用爆炸應(yīng)力波的導(dǎo)向作用及爆生氣體的擴(kuò)縫作用使爆破裂隙沿設(shè)計(jì)的開挖邊界形成平整坡面。

2.2 光面爆破孔的形成

爆炸應(yīng)力波由炮孔向四周傳播，在孔壁及炮孔連線方向出現(xiàn)裂縫，隨后在爆炸氣體作用下，使原裂縫延伸擴(kuò)大，最后形成平整的開裂面。

2.3 預(yù)裂成縫機(jī)理

預(yù)裂成縫包括應(yīng)力波的作用過程和高壓氣體的作用過程，兩個(gè)過程有先后，但又連續(xù)不可分割。

（1）應(yīng)力波作用過程

預(yù)裂成縫第一個(gè)過程是應(yīng)力波的作用過程，當(dāng)應(yīng)力波從孔壁向四周傳開后，產(chǎn)生切向拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)巖石破裂。最初的裂縫出現(xiàn)在炮孔壁向外的短距離內(nèi)，如果應(yīng)力波在兩孔之間能夠發(fā)生疊加，那么，在此區(qū)段內(nèi)，合成拉應(yīng)力也能使巖石產(chǎn)生裂縫。這些裂縫給預(yù)裂面的形成創(chuàng)造了有利的導(dǎo)向條件。

（2）高壓氣體作用過程

爆炸高壓氣體緊接著應(yīng)力波作用到孔壁上，它的作用時(shí)間比應(yīng)力波要長(zhǎng)得多。炮孔周圍形成準(zhǔn)靜態(tài)的應(yīng)力場(chǎng)，相鄰炮孔相互作用，并相互位于應(yīng)力場(chǎng)中?？字羞B線方向產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，孔壁兩側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力集中。如果孔的間距很近，則炮孔之間連線兩側(cè)全部是拉應(yīng)力區(qū)，并達(dá)到足以拉斷巖石的程度。爆炸氣體作用是預(yù)裂縫最終形成的基本條件，起著主導(dǎo)的作用。

2.4 光面爆破的主要特點(diǎn)

（1）巖石的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小得多，光面爆破利用巖石抗拉強(qiáng)度低的性質(zhì)，充分發(fā)揮炸藥爆炸拉應(yīng)力作用，使光爆層巖石產(chǎn)生一定程度的破碎。

（2）光面爆破炮孔為弱裝藥，其爆炸能量主要形成光爆面和抵抗線方向剪切面，不足以對(duì)光爆層巖石進(jìn)行有效破碎。但由于底部夾制作用大，需在底部進(jìn)行加強(qiáng)裝藥。

2.5 導(dǎo)爆索作用

通過上述原理分析，光面爆破所使用的導(dǎo)爆索的作用主要是實(shí)現(xiàn)空氣間隔，控制藥量，實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)乳化炸藥逐節(jié)起爆，從而可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力波在孔內(nèi)的不斷疊加。

基于此，在光面爆破作用機(jī)理下，在無導(dǎo)爆索的情況下，可以通過采用竹片綁扎乳化炸藥、孔內(nèi)毫秒延期導(dǎo)爆管雷管起爆，實(shí)現(xiàn)光面控制爆破。

3 無導(dǎo)爆索光面爆破的主要參數(shù)選擇

無導(dǎo)爆索光面爆破技術(shù)相應(yīng)的爆破參數(shù)與傳統(tǒng)的導(dǎo)爆索光面爆破參數(shù)的選擇基本一致，但仍需根據(jù)多次的爆破試驗(yàn)不斷調(diào)整選定的參數(shù)，形成有效的PDCA循環(huán)，以保證光面爆破邊坡的成型質(zhì)量，確保邊坡安全。本文僅針對(duì)無導(dǎo)爆索光面爆破的主要參數(shù)進(jìn)行描述。

3.1 最小抵抗線

式中：

Wmin——光爆孔最小抵抗線

d——炮孔直徑（與主爆孔直徑一致）

3.2 孔距

3.3 不耦合系數(shù)與裝藥量

（1）不耦合系數(shù)

光面爆破實(shí)施效果的好壞，影響因素為不耦合系數(shù)的選取。不耦合系數(shù)是指炮孔直徑與裝入炮孔的藥包直徑的比值，不耦合系數(shù)選取合理，則光面爆破效果好。當(dāng)不耦合系數(shù)為1時(shí)，藥包的爆轟波可直接傳遞給巖石，且效率最大；當(dāng)不耦合系數(shù)增大時(shí)，炮孔直徑大于藥包直徑，藥包四周存在空隙，從而降低了爆炸的峰壓，進(jìn)而降低或避免了過度粉碎巖石，也使爆壓作用時(shí)間增長(zhǎng)，提高了爆破能量利用率。光面爆破正是利用此規(guī)律而得以實(shí)現(xiàn)，光面爆破的不耦合系數(shù)一般取2～4，結(jié)合實(shí)際，一般采用120mm或140mm孔徑炮孔，配合使用32mm、50mm、60mm乳化炸藥藥卷，使不耦合系數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。

（2）裝藥量

石灰石礦山巖石堅(jiān)固性系數(shù)f=8左右，光面爆破單耗q=0.19～0.38kg/m3，通過光面爆破試驗(yàn)，根據(jù)邊坡成型質(zhì)量等因素選取具體的、合理的單耗值，從而計(jì)算出光面爆破單孔藥量。但光面爆破孔自孔底至孔口，由于各個(gè)區(qū)域所受的夾制作用有所區(qū)別，該作用自孔底至孔口逐步減少，因此光面爆破線裝藥密度分為藥量加強(qiáng)段、藥量減弱段。一般來說，線裝藥密度按照底部1～2m區(qū)域藥量加強(qiáng)，單耗是正常區(qū)域的2倍，在接近孔口區(qū)域，線裝藥密度是正常區(qū)域的1/2～1/3，具體長(zhǎng)度根據(jù)爆破試驗(yàn)效果調(diào)整。

需要說明的是，雖然采用無導(dǎo)爆索的裝藥結(jié)構(gòu)，但其裝藥量的計(jì)算方式與采用導(dǎo)爆索的光面爆破裝藥量計(jì)算方式一致。

4 無導(dǎo)爆索裝藥施工方法

采用導(dǎo)爆索裝藥結(jié)構(gòu)的光面爆破，其起爆方向?yàn)閺目卓谙蚩椎灼鸨恼蚱鸨绞剑粺o導(dǎo)爆索光面爆破是反向起爆的方式，其施工方法如下：

根據(jù)上述計(jì)算的孔內(nèi)藥量，將炸藥與提前加工好的竹片按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行綁扎，并將導(dǎo)爆管雷管置于底部，實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)連續(xù)裝藥，如裝藥高度過低時(shí)，可采用空氣間隔裝藥。綁扎完畢后，兩人操作，將竹片與炸藥放入炮孔內(nèi)，并在孔口固定，后與主爆區(qū)起爆網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)起爆。

采用此種裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，光爆孔內(nèi)、光爆孔之間不宜再分段，宜采用同一段位，相鄰兩孔同時(shí)起爆后，不僅兩孔周圍各自形成一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)，而且在炮孔之間的連心面上，應(yīng)力波發(fā)生疊加，形成應(yīng)力加強(qiáng)帶。當(dāng)巖石介質(zhì)所受到的切向拉應(yīng)力大于巖石的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，沿兩孔連心面形成貫穿裂縫，從而實(shí)現(xiàn)光面爆破。也正因?yàn)槿绱?，需控制爆破?guī)模，若同時(shí)起爆的光面爆破孔數(shù)過多，爆破振動(dòng)過大，則巖體的破壞程度也會(huì)隨之增加，不利于邊坡保護(hù)。

5 無導(dǎo)爆索光面爆破應(yīng)用實(shí)例

廣東省某大型露天礦山日產(chǎn)礦石3.5萬噸，礦山開采深度大，邊坡線較長(zhǎng)，目前已暴露出的固定邊坡尚有1 000多米沒有處理。雖然當(dāng)?shù)鼗鸸げ牧瞎?yīng)能提供導(dǎo)爆索，但其訂貨周期為一個(gè)月，且一次訂貨量需40 000m。因受導(dǎo)爆索供貨影響，采用導(dǎo)爆索結(jié)構(gòu)的光面爆破技術(shù)存在困難，而采用一般的爆破方法會(huì)使邊坡受到不同程度的破壞，降低圍巖的穩(wěn)定性，為以后的凹陷深部開采帶來安全隱患。

隨著剝離、開采的不斷深入，邊坡處理在爆破作業(yè)中占比越來越大，為了有效控制邊坡的穩(wěn)定性，該礦山結(jié)合實(shí)際，采用毫秒延期導(dǎo)爆管雷管替代導(dǎo)爆索的無導(dǎo)爆索的光面爆破技術(shù)。通過試爆，不斷優(yōu)化爆破參數(shù)，取得了較好的效果，并總結(jié)出一套經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為邊坡處理提供了較好的依據(jù)。其相應(yīng)的光爆參數(shù)如下：

5.1 孔徑d

根據(jù)礦山實(shí)際，選用孔徑d=120mm。

5.2 孔距a

光面爆破的實(shí)質(zhì)是使炮孔之間產(chǎn)生貫通裂縫，以沿著設(shè)計(jì)開挖輪廓線形成規(guī)整的斷裂面，因此孔距對(duì)形成貫通裂縫有著非常重要的作用?？拙嗟拇笮≈饕Q于圍巖巖性、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、炸藥的性質(zhì)、不耦合系數(shù)和光爆層厚度，可按式（1）計(jì)算：

一般情況下，圍巖堅(jiān)硬完整，巖石的抗拉強(qiáng)度則相對(duì)較低，孔距可適當(dāng)加大；反之，孔距相應(yīng)較小。孔距a比抵抗線小或相等時(shí)，光爆效果才能較好地實(shí)現(xiàn)。在本實(shí)例中，通過試爆，選定的光爆孔孔距為1.5m。

5.3 最小抵抗線

對(duì)于光面爆破，最小抵抗線即為光爆層的厚度，可通過炮孔密集系數(shù)m來確定。m=a/W，一般取m=0.8～1.0，具體應(yīng)根據(jù)工程試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)確定。當(dāng)巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造等條件發(fā)生變化時(shí)，m值應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整，最終應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)的爆破試驗(yàn)確定。在本實(shí)例中，取Wmin=2m。

5.4 孔深L

炮孔布置如圖1所示，裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

5.5 單孔裝藥量計(jì)算

式中，q為炸藥單耗，根據(jù)爆破試驗(yàn)，該礦山的裝藥單耗q=0.38kg/m3，單孔藥量Q=18.81kg，按照藥卷裝箱規(guī)格修正后的單孔裝藥量為19.2kg。

5.6 裝藥結(jié)構(gòu)

光爆孔采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。在爆破試驗(yàn)中，先選用不耦合系數(shù)K為2.5，在孔壁區(qū)域產(chǎn)生過粉碎，半孔率低。后配合使用60mm、32mm乳化炸藥藥卷，增大不耦合系數(shù)，調(diào)整為K=120/32=3.75。為了克服炮孔底部的阻力，經(jīng)試驗(yàn)，在底部1.6m的區(qū)域，將60mm、32mm乳化炸藥藥卷以雙捆的形式綁扎在竹片上，剩余長(zhǎng)度采用32mm乳化炸藥藥卷以單捆的形式綁扎在竹片上。具體裝藥量計(jì)算、裝藥結(jié)構(gòu)見表1、圖3。

5.7 起爆網(wǎng)絡(luò)

采用一次分段延期起爆法，光面爆破孔與主爆孔采用毫秒延期雷管同次分段起爆。主爆孔采用1段毫秒延期導(dǎo)爆管雷管，光面爆破孔采用6段毫秒延期導(dǎo)爆管雷管，確保光面爆破孔延后主爆孔150～200ms起爆。由于光面爆破孔藥柱較長(zhǎng)，為確保光面爆破孔的爆破質(zhì)量，每個(gè)光面爆破孔采用3發(fā)導(dǎo)爆管雷管，分別置于底部、中部、孔口段。

圖1 光面爆破炮孔布置剖面圖

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)圖

圖3 光面爆破炮孔裝藥結(jié)構(gòu)圖

表1 裝藥量計(jì)算

5.8 爆破效果評(píng)價(jià)

經(jīng)過鏟裝、仔細(xì)核對(duì)，準(zhǔn)爆率100%，半孔殘留量約90%，符合光面爆破評(píng)價(jià)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，光面爆破效果如圖4所示。光面爆破邊坡圍巖穩(wěn)定，沒有圍巖被破壞的情況，孔壁沒有產(chǎn)生爆破裂紋，光面爆破所形成的邊坡平整、光滑、美觀且沒有根底。

圖4 光面爆破效果圖

6 結(jié)語

（1）露天礦山邊坡爆破采用無導(dǎo)爆索、導(dǎo)爆管雷管裝藥結(jié)構(gòu)的光面控制爆破技術(shù)是可行的，不僅能保證光面爆破效果，還能節(jié)省光面爆破成本。據(jù)計(jì)算，導(dǎo)爆索成本約為8～10元/m，而15m腳線導(dǎo)爆管雷管成本約為14元/發(fā)，按照上述應(yīng)用實(shí)例所述，單孔可節(jié)約成本約為9×16.5-14×3=106.5元。

（2）從上述應(yīng)用實(shí)例所使用的無導(dǎo)爆索光面爆破技術(shù)效果來看，爆破后所形成的邊坡表面平整、規(guī)則，提高了邊坡的穩(wěn)定性，降低了后期邊坡的維護(hù)費(fèi)用。

（3）無導(dǎo)爆索控制爆破技術(shù)現(xiàn)主要應(yīng)用于光面爆破中，按照控制爆破的原理，該技術(shù)同樣可用于預(yù)裂爆破。在巖性和巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的邊坡爆破中，光面爆破優(yōu)于預(yù)裂爆破，不僅造價(jià)低，而且成型較規(guī)整，巖面穩(wěn)定可靠，施工安全。

總之，在不耦合裝藥的前提下，實(shí)行線性裝藥，選取合理的最小抵抗線，并增加適當(dāng)?shù)妮o助孔，按照控制爆破的成縫機(jī)理，使用無導(dǎo)爆索光面爆破技術(shù)可以達(dá)到較好的爆破效果。