相鄰炮孔互為導(dǎo)向空孔技術(shù)在酒鋼西溝礦的應(yīng)用

吳相石

（酒泉鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司）

酒鋼西溝石灰石礦（以下簡稱西溝礦）位于甘肅省嘉峪關(guān)市西南45 km 處的祁連山脈北麓，平均海拔2 800 m，占地面積25 km2，是一座現(xiàn)代化露天礦山［1］。礦巖主要有變質(zhì)凝灰?guī)r、鈣質(zhì)千枚巖、硅質(zhì)灰?guī)r等，普氏硬度系數(shù)f=6～8，礦石密度2.7 g/cm3，裂隙、節(jié)理發(fā)育明顯?，F(xiàn)西溝礦隨著開采臺階的下降，固定幫高度逐年增加，采場東部山頭下方為3 200 m 卷揚(yáng)操作房，為了保證3 200 m卷揚(yáng)設(shè)施的繼續(xù)使用，采用東部分期開采方式，保證采場東部固定幫的穩(wěn)定顯得至關(guān)重要。

西溝礦東部固定幫海拔3 296 m，長約300 m，臺階高度為12 m，預(yù)裂孔孔深設(shè)計為14 m，預(yù)留清掃平臺設(shè)計寬度為15 m。由于西溝礦固定幫預(yù)裂爆破長期采用線裝藥方式，加工炸藥藥卷和裝填炸藥的過程都很繁瑣，增加了爆破作業(yè)時間而且還費(fèi)力，爆破效果還一般。近年來，西溝礦還采用了孔底集中裝藥的預(yù)裂爆破技術(shù)［2-3］，孔底集中裝藥和線裝藥的預(yù)裂爆破效果相同，酒鋼黑溝礦采用的孔底集中裝藥的預(yù)裂爆破也取得了顯著的效果［4-5］。但對于西溝礦東部需要分期開采，固定幫的穩(wěn)定性非常重要，所以在以往的大孔徑孔底集中裝藥的預(yù)裂爆破技術(shù)中加入相鄰炮孔互為導(dǎo)向空孔技術(shù)，即在每個裝藥孔的兩側(cè)各穿一個導(dǎo)向空孔。這個導(dǎo)向空孔既有助于徑向裂縫向空孔方向發(fā)展［6-8］，又對其他方向的徑向裂縫發(fā)展起到抑制作用。

1 導(dǎo)向空孔孔壁壓力計算

1.1 預(yù)裂孔孔壁壓力

根據(jù)《西溝礦固定幫及臨幫區(qū)域控制爆破技術(shù)應(yīng)用研究》，空氣不耦合裝藥時孔壁綜合壓力計算簡化公式為

式中，Cf為空氣沖擊波碰撞壓力增壓系數(shù)，取1.2～1.3；Kd=db/de，db、de分別為炮孔直徑和連續(xù)藥卷等效直徑，m；ρe為炸藥密度，kg/m3；爆生氣體的初始平均壓力P0為

式中，v為炸藥的爆速，m/s；K為炸藥絕熱等熵指數(shù)，通常取3。

根據(jù)上式，得到孔壁壓力隨當(dāng)量不耦合系數(shù)之間的變化關(guān)系。

保證預(yù)裂爆破成功的必要條件是炸藥在炮孔中爆炸產(chǎn)生的壓力不壓壞孔壁和在預(yù)定方向成縫。隨著當(dāng)量不耦合系數(shù)的增加，孔壁壓力是逐漸減小，且孔壁壓力大于巖體的動態(tài)抗拉強(qiáng)度，小于巖體的抗壓強(qiáng)度。隨著線裝裝藥密度的增加（當(dāng)量不耦合系數(shù)減?。?，孔壁壓力是逐漸增大，但孔壁壓力仍然大于巖體的動態(tài)抗拉強(qiáng)度，小于巖體的抗壓強(qiáng)度。

1.2 導(dǎo)向孔孔壁壓力

根據(jù)預(yù)裂爆破成縫聯(lián)合作用理論，要求炸藥具有一定的爆速、猛度以及爆生氣體盡量多等性質(zhì)。按照這些要求，預(yù)裂爆破要采用低猛度、低爆速、低密度以及傳爆性能良好的炸藥，可以消除或縮小炮孔周圍巖石過粉碎。上述計算表明，徑向不耦合系數(shù)滿足2.5～4，孔壁壓力大于動態(tài)抗拉強(qiáng)度，才能形成質(zhì)量較好的預(yù)裂縫。

在空孔爆破成縫過程中，存在空孔（圖1 中B）作為兩側(cè)正常預(yù)裂孔的導(dǎo)向孔。當(dāng)炸藥爆炸時，B孔的存在改變了炮孔邊緣的應(yīng)力分布，在炮孔連線方向產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)集中拉應(yīng)力大于巖體動態(tài)抗拉強(qiáng)度時，則在炮孔連線方向上首先產(chǎn)生裂紋。

當(dāng)Y孔的應(yīng)力傳到B孔處時，B孔的存在將使應(yīng)力明顯大于無B孔時的應(yīng)力值，這就是空孔的應(yīng)力集中效應(yīng)。根據(jù)彈性力學(xué)理論，B孔在相鄰炮孔連線方向出現(xiàn)最大拉應(yīng)力。Y孔和B孔同時起爆，則B孔兩側(cè)Y孔爆炸應(yīng)力分別傳到B孔，在B孔處產(chǎn)生拉應(yīng)力的集中，針對一般中硬巖，B孔處產(chǎn)生拉應(yīng)力集中系數(shù)約為1.5～2 倍非導(dǎo)向孔處的應(yīng)力?？湛椎拇嬖诟淖兞祟A(yù)裂孔間的應(yīng)力分布，預(yù)裂孔炸藥爆破后，隨著爆炸能量傳播，在空孔中間產(chǎn)生應(yīng)力疊加，當(dāng)相鄰兩側(cè)炮孔的應(yīng)力疊加值超過空孔巖石動態(tài)抗拉強(qiáng)度時，即可形成預(yù)裂縫。

3 預(yù)裂爆破方案

爆破位置在采場東部3 284～3 272 m 水平臺階中部固定幫部位，爆區(qū)位于采場東部3 284 m 水平北部礦石區(qū)域，地質(zhì)情況復(fù)雜，中厚層細(xì)晶灰?guī)r夾透鏡體薄層細(xì)晶灰?guī)r夾層，礦石節(jié)理發(fā)育明顯。

3.1 炸藥性能參數(shù)

炸藥通常采用2#巖石乳化炸藥，其爆速不小于3 200 m/s，殉爆距離不小于3 cm，猛度不小于12 mm，抗水性極好。

3.2 裝藥結(jié)構(gòu)

采用相鄰炮孔互為導(dǎo)向空孔的孔底集中裝藥結(jié)構(gòu)。炮孔為垂直炮孔，藥卷直徑為70 mm，不耦合系數(shù)為3.6。

3.3 爆破參數(shù)

3.3.1 預(yù)裂孔參數(shù)

預(yù)裂爆破的主要參數(shù)有不耦合系數(shù)、線裝藥密度、炮孔直徑和炮孔間距等。應(yīng)用中，根據(jù)西溝礦現(xiàn)有的設(shè)備和已有的經(jīng)驗，類比確定這些參數(shù)。

（1）鉆孔直徑D。采用現(xiàn)有設(shè)備為KY-200 型牙輪鉆鉆機(jī)，鉆孔直徑D=200 mm。

（2）鉆孔間距a。適宜的鉆孔間距應(yīng)該達(dá)到讓相鄰的鉆孔炸藥爆炸后，產(chǎn)生的應(yīng)力波相互疊加和影響，以確保沿鉆孔中心連線拉開一道平整的裂縫。預(yù)裂爆破的孔距一般為孔徑的8～12 倍，即a=（8～12）D，硬巖一般取較小值，軟巖取較大值。

經(jīng)驗公式為

式中，k為不偶合系數(shù)。

計算得出a=2.0 m。

（3）不耦合系數(shù)k。不耦合系數(shù)一般為2.4～5，經(jīng)驗公式為

式中，σy為巖石抗壓強(qiáng)度，Pa。

計算得出k=3.6 cm。

（4）線裝藥密度qx。預(yù)裂爆破的線裝藥密度是指每米鉆孔的實(shí)際裝藥量，對于f=6～8 的礦石，qx一般應(yīng)取1.2～2.5 kg/m，不包括鉆孔底部的加強(qiáng)藥。經(jīng)驗公式為qx=78.5D2k-ρ2g/m（式中，ρ為2#巖石乳化炸藥炸藥密度1 g/cm3）。

計算得出qx=2 400 g/m。

根據(jù)西溝礦以往幾次預(yù)裂爆破經(jīng)驗，取底部裝藥20 kg。線裝藥長度取10 m，最終孔底集中裝藥量Q=20+2.4×10=44 kg。

3.3.2 緩沖孔參數(shù)

為了減小主爆孔爆破時對固定幫產(chǎn)生的沖擊，在主爆孔與預(yù)裂孔之間增加1排緩沖孔，其爆破參數(shù)一般采用主爆孔爆破參數(shù)的1/2～2/3，取值為a×b=（2.5 m×3.5 m）～（3.5 m×5 m）。東部礦巖比較松軟、破碎，取中間值3 m×5 m。鉆孔直徑D=200 mm時，緩沖孔孔深為13 m，與預(yù)裂孔之間的距離為3 m，單孔裝藥量為180 kg。

3.3.3 導(dǎo)向空孔參數(shù)

前述已計算出預(yù)裂孔孔距為2 m，在距2 個預(yù)裂孔各1 m的中間位置布置1個導(dǎo)向空孔。

3.4 預(yù)裂孔的裝藥與填塞

先在預(yù)裂孔孔底放20 kg底藥，再用2根1段導(dǎo)爆管雷管連結(jié)到起爆具放至底藥上，最后再加24 kg 直徑為70 mm 的2#巖石乳化炸藥卷。將氣體間隔器下至距離孔口2 m處，保證填塞高度2 m左右，見圖2。

3.5 起爆網(wǎng)絡(luò)

為了減小爆破震動對東山頭固定幫的影響，主爆孔和緩沖孔采用普通高精度導(dǎo)爆管雷管實(shí)現(xiàn)逐孔微差起爆，預(yù)裂孔采用導(dǎo)爆索同時起爆，超前主爆孔100 ms起爆。

4 結(jié)論

預(yù)裂爆破的裝藥結(jié)構(gòu)一般有2種形式：采用定位并將裝藥的塑料管控制裝在炮孔中央，爆破效果好，但費(fèi)用較高；另一種是將藥卷順序連續(xù)或者間隔綁在導(dǎo)爆索上，緩緩送入孔內(nèi)，費(fèi)用較低，但操作起來費(fèi)時費(fèi)力。

從爆破后的現(xiàn)場來看，采用導(dǎo)向空孔的孔底集中裝藥方式的預(yù)裂爆破達(dá)到了預(yù)期效果，固定幫半壁孔痕率達(dá)到85%以上，增強(qiáng)了固定幫的穩(wěn)定性，同時有效地減小了爆破振動對東山頭固定幫的影響。實(shí)踐證明采用導(dǎo)向空孔技術(shù)的孔底集中裝藥的預(yù)裂爆破效果改善很明顯，只要在后期通過不斷優(yōu)化預(yù)裂爆破參數(shù)，就能更好地完成西溝礦東山頭固定幫的預(yù)裂爆破任務(wù)。