預(yù)裂爆破技術(shù)在露天金礦的應(yīng)用研究

摘要：露天金礦邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制直接關(guān)系到露天礦場的安全開采，相應(yīng)臨近邊坡爆破作業(yè)效果會影響邊坡整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。結(jié)合露天金礦實際案例施工特征和地質(zhì)環(huán)境，總結(jié)礦山爆破實施經(jīng)驗，通過調(diào)節(jié)施工設(shè)計邊坡角度降低巖體破壞，合理應(yīng)用預(yù)裂爆破技術(shù)，優(yōu)化各項爆破參數(shù)，建立適宜特定實施環(huán)境的爆破工藝方案，以保證露天金礦巖體邊坡的整體穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)完整。

關(guān)鍵詞：預(yù)裂爆破；露天金礦；裝藥工藝；爆破參數(shù)

0 引言

對于露天金礦開采施工項目來講，因礦山地質(zhì)條件及邊坡力學(xué)性能存在差異，易導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、滑坡、崩塌等安全事故[1]。在靠近固定邊坡區(qū)域應(yīng)用預(yù)裂爆破技術(shù)，利用相鄰炮孔中炸藥爆破產(chǎn)生的瞬時應(yīng)力及高壓氣體氣楔作用，通過配合控制炸藥爆炸能量排放及爆破影響范圍，預(yù)先在順延巖石炮孔軸線方向制備一條裂縫，可有效降低爆破對邊坡的擾動沖擊效果，使開挖過程中形成完整、穩(wěn)定的保護性預(yù)裂作業(yè)面，保證邊坡巖體的整體結(jié)構(gòu)堅固、穩(wěn)定性[2]。

1 工程概述

塔吉克斯坦某金礦為露天臺階結(jié)構(gòu)深孔爆破開采模式，邊坡設(shè)計區(qū)域高23m，臺階坡度為60°，邊坡角為50°。礦區(qū)整體地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，巖石構(gòu)成材料較多，節(jié)理裂縫多為石英砂巖、石英二長斑巖、中酸性花斑巖、流紋狀角礫熔巖等。受坡度同向節(jié)理、垂直邊坡方向節(jié)理的聯(lián)合作用，臺階邊坡巖層持續(xù)形成風(fēng)化，存在邊坡失穩(wěn)、浮石、傘檐、滑坡等情況，尤其多見于邊坡并段位置，對開采施工構(gòu)成安全隱患。為確保開采巖體作業(yè)面結(jié)構(gòu)的完整性、穩(wěn)定性，合理調(diào)控高邊坡爆破振動影響，降低邊坡巖層爆破范圍，項目選擇應(yīng)用預(yù)裂爆破技術(shù)輔助實施金礦開采施工。

2 預(yù)裂爆破技術(shù)應(yīng)用原理

預(yù)裂爆破技術(shù)即在較大規(guī)模礦產(chǎn)開挖施工時，順開挖方向邊線密集布設(shè)炮孔，并通過不耦合方式填裝低爆破威力炸藥。在主爆區(qū)爆破作業(yè)前預(yù)先起爆，主爆區(qū)同保留區(qū)之間形成一道具有特定寬度的貫穿裂縫，以對主爆區(qū)爆破振動波形成反射緩沖，合理控制主爆破對最終邊坡巖體的破壞，以得到平滑、穩(wěn)定的輪廓坡面，從而為后續(xù)挖礦提供便利條件[3]。

預(yù)裂爆破技術(shù)順利應(yīng)用的必要條件，是保證孔壁與藥包之間留有環(huán)狀空氣間隔區(qū)，以減弱作用在孔壁的爆破壓力，使爆破時沿設(shè)計方向劈裂成縫，邊坡巖體相鄰炮孔軸線完全貫通并形成預(yù)裂面[4]。當(dāng)實施主體爆破時，應(yīng)力波傳導(dǎo)至保留區(qū)與主爆區(qū)的預(yù)裂面，部分被反射阻隔緩沖，有效減弱傳導(dǎo)至邊坡巖體的應(yīng)力波強度，使孔壁壓力趨近巖石的抗壓極限強度。這樣即可避免炮孔壓力壓碎孔壁產(chǎn)生炮孔間巖石裂縫，實現(xiàn)降壓減振、保護巖體完整穩(wěn)定的功效。預(yù)裂爆破剖面效果圖如圖1所示。

3 預(yù)裂爆破技術(shù)實施要點

3.1 預(yù)裂爆破施工技術(shù)要求

預(yù)裂縫應(yīng)實現(xiàn)貫通，并應(yīng)在地表形成特定寬度的開裂效果。針對項目中硬度巖_{c1e67c8752c5d74d28e909095d66057f}石，應(yīng)控制預(yù)裂縫寬不低于1cm，高硬度巖石預(yù)裂縫寬應(yīng)達到0.5cm。鑒于松軟巖石通過1cm寬預(yù)裂縫減振效果不明顯，應(yīng)通過大量現(xiàn)場試驗得出最佳預(yù)裂縫寬度。

預(yù)裂面不平整度即通過預(yù)裂孔爆破形成預(yù)裂面的凸凹程度。為驗證鉆孔施工及爆破參數(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)，控制預(yù)裂面挖掘施工的不平整度低于15cm，并以此標(biāo)準(zhǔn)核驗、調(diào)整施工數(shù)據(jù)[5]。確保預(yù)裂爆破預(yù)裂面的炮孔痕跡留存率高于80%，并控制近炮孔區(qū)域巖石產(chǎn)生程度較深的爆破裂縫。

3.2 預(yù)裂爆破施工技術(shù)參數(shù)

炮孔孔徑通常應(yīng)設(shè)置為50～200mm區(qū)間范圍，對深孔應(yīng)選擇采用較大孔徑。炮孔間距應(yīng)設(shè)置為孔徑大小的8～12倍，間距大小應(yīng)隨著巖石堅硬程度的提高而減小。不耦合系數(shù)是指炮孔內(nèi)徑同藥卷直徑的比值，本項目應(yīng)取2～4，具體可根據(jù)巖石堅硬程度確定。將線裝藥密度控制在250g/m至400g/m之間。

應(yīng)將藥卷均勻散綁于傳爆線位置。藥卷分散間距應(yīng)小于50cm，且應(yīng)小于藥卷的裂爆距離。鑒于巖石孔底存在較大的夾制作用，應(yīng)增加底部藥包裝藥密度，一般為線裝藥密度的2～5倍。不宜在距孔口1m深位置進行裝藥。合理控制塞填段深度，避免塞填過小形成漏斗狀態(tài)，塞填過大形成裂縫狀態(tài)。

4 預(yù)裂爆破技術(shù)在露天金礦項目的應(yīng)用

4.1 鉆爆參數(shù)及裝藥工藝設(shè)計

4.1.1 鉆爆機械及材料選取

根據(jù)本露天金礦項目實際需求，選取CM351型液壓履帶潛孔鉆機實施鉆進。施工設(shè)計鉆孔孔徑為115mm，對應(yīng)爆破孔徑應(yīng)按120mm設(shè)置。本項目主要采用對應(yīng)量級的80及32型乳化炸藥，選擇非電毫秒導(dǎo)爆管起爆器實施起爆。

4.1.2 裝藥結(jié)構(gòu)及鉆孔排距設(shè)計

根據(jù)不同爆破方式選擇不同裝藥結(jié)構(gòu)，主爆孔、緩沖孔主要采用連續(xù)式裝藥結(jié)構(gòu)，預(yù)裂孔采用非耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu)，并將非耦合系數(shù)設(shè)定為1.82。預(yù)裂爆破采用非耦合間隔裝藥方式，即將藥卷同竹片一起綁扎，通過導(dǎo)爆管實施起爆。

在預(yù)裂孔底2m位置定量增加裝藥量，頂端堵塞位置1m處定量減少裝藥量，中間段按正常藥量裝藥。按超前段100ms起爆模式完成起爆。主爆區(qū)裝藥按集中裝藥和分段間隔裝藥結(jié)構(gòu)方式完成。裝藥結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

參考施工部位和巖石地質(zhì)狀況，將預(yù)裂孔洞間距設(shè)定為1m，確定中抵抗線厚度在2.5～3m區(qū)間范圍?？刂票瓶组g距不宜太大，通常按略大于預(yù)裂孔抵抗線厚度1.3～1.5倍為宜，將本項目爆破孔間距設(shè)為3.5～4.5m。

4.1.3 起爆順序

本項目預(yù)裂爆破按如下順序起爆：首先起爆邊坡與裂孔，隨后按從外向內(nèi)的次序依次完成各段爆破孔的起爆，最后完成對緩沖孔的起爆。爆破孔1～10段通過非電毫秒導(dǎo)爆管延時起爆方式完成，控制爆破孔同預(yù)裂孔時延微差大于100ms。

4.2 爆破孔布設(shè)及鉆孔施工

爆區(qū)完整臺階搭建完畢后，應(yīng)用CM351型鉆機實施作業(yè)面鉆孔。實施鉆孔前，應(yīng)先將爆區(qū)浮渣清除，對爆破場地整平處理，以便后續(xù)鉆機操作時的鉆孔定位，避免鉆孔過程中炮孔堵塞及卡鉆情況發(fā)生。

利用120mm直徑規(guī)格潛孔鉆機實施斜孔、垂直孔的鉆設(shè)。鉆孔起始于最前排孔，并逐漸后移。鉆孔布設(shè)模式為花形垂直孔。將預(yù)裂孔間距設(shè)定為1m，斜孔傾斜角度設(shè)為65°。將主爆孔同預(yù)裂孔間設(shè)置為65°緩沖孔，預(yù)裂孔排距按3m長度設(shè)置。

4.3 炮孔裝藥和起爆

4.3.1 炮孔填塞段

在預(yù)裂孔1m深位置通過編制袋塞堵，上端位置填充松渣。填充填塞段可增加爆破生成氣體的作用時長，有助于炮孔形成預(yù)裂面。

4.3.2 炮孔底部加強段

此區(qū)段長度基本等同于炮孔填塞段，基于底部存在硬質(zhì)巖石作用，所以應(yīng)增加線裝藥密度?？椎讌^(qū)段巖石量較大，通常高于線裝藥密度的20倍。

4.3.3 預(yù)裂孔

預(yù)裂孔通過順延孔軸方向非耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu)裝藥，以空氣作為中間間隔介質(zhì)，并利用串聯(lián)采藥卷實施起爆。為確保孔壁的完整性良好，將藥卷置于孔中心位置，并通過藥差定位方式將藥卷與竹片綁扎。底端1～2m區(qū)域內(nèi)增加裝藥量，頂端區(qū)域則需適當(dāng)減少裝藥量。

4.3.4 緩沖孔

此區(qū)段實施間隔裝藥，用干燥沙土用作隔離介質(zhì)，裝藥可參照預(yù)裂孔的結(jié)構(gòu)完成。

4.4 主爆區(qū)起爆網(wǎng)路和起爆方式

主爆區(qū)各炮孔裝配雙枚非電毫秒導(dǎo)爆管，按80mm直徑乳化炸藥實施裝藥。通過非電導(dǎo)爆管及巖石bdc70e8084026742ff5c1bf6ff32c075da22823e25d0b489c1f0fdc49d58df50作起爆藥包，簇連安裝非電導(dǎo)爆雷管，連接起爆器實施起爆操作。

通過非電微差方法實施塑料導(dǎo)爆管網(wǎng)路起爆，各爆破炮孔中裝配2支至少雙段的非電毫秒雷管。采用孔外側(cè)實施逐孔法起爆方式，即各孔之間通過裝配2支至少雙段的非電毫秒雷管，建立復(fù)式網(wǎng)路結(jié)構(gòu)。將微差設(shè)計時延為100ms，最大單響起爆藥量設(shè)定為60kg。主爆區(qū)起爆網(wǎng)路示意如圖3所示。

5 預(yù)裂爆破施工質(zhì)量控制

5.1 預(yù)裂孔成孔率控制

控制爆破應(yīng)力波對邊坡巖體的沖擊，降低巖體表面壁爆生裂隙，保證邊坡穩(wěn)定和平整性。邊坡測量放線過程中，應(yīng)精調(diào)預(yù)裂孔角度和方位，保證預(yù)裂實施場地平整[6]。通過毫秒微蓋爆破法爆破時，預(yù)裂孔應(yīng)在首排主爆孔延遲100ms后實施起爆。通過調(diào)節(jié)鉆孔精度提升預(yù)裂爆破鉆孔施工質(zhì)量。

5.2 爆破區(qū)范圍控制

爆破孔排數(shù)應(yīng)為3～5排，末排孔排距應(yīng)適當(dāng)減少，各個爆破區(qū)裝藥量應(yīng)限定在2t以下。實施爆破時，應(yīng)減少前排抵抗線距離，通常為炮孔直徑的30倍。爆破主爆區(qū)及臨近邊坡位置，應(yīng)及時清渣，特別是坡地巖根位置。

5.3 裝藥控制

捆綁裝藥過程中，需將小直徑藥卷導(dǎo)爆索綁至竹片實施裝藥，通過調(diào)節(jié)藥卷間距離和數(shù)量實現(xiàn)項目要求線裝藥密度。預(yù)裂孔裝藥時，為有效降低爆破振動和應(yīng)力波反射作用，根據(jù)本項目巖層情況，在距離地表約1m距離內(nèi)禁止裝藥。如巖石硬度小，可適當(dāng)改變裝藥長度，以避免形成破壞或產(chǎn)生漏斗現(xiàn)象。受巖石夾制作用影響，炮孔底部應(yīng)增加裝藥量，炸藥密度應(yīng)約為上端密度的3倍。

為提升近預(yù)裂面爆破孔及輔助孔成孔率，預(yù)裂爆破施工時，尤其針對本項目地質(zhì)狀況復(fù)雜的情形，應(yīng)嚴(yán)格控制爆破孔堵塞段長度和預(yù)裂裝藥量。

5.4 爆破控制

實施本項目爆破區(qū)與預(yù)裂區(qū)連線過程中，預(yù)裂藥包采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)，通過導(dǎo)爆索引爆。開挖區(qū)爆破孔同預(yù)裂孔在單次放炮內(nèi)起爆，為達到預(yù)裂目的，預(yù)裂孔應(yīng)先起爆。將預(yù)裂導(dǎo)爆索爆速控制在6000～7000m/s區(qū)間范圍，主爆區(qū)傳爆管爆速為預(yù)裂爆速的1/3。

合理選擇預(yù)裂區(qū)同爆破區(qū)連接雷管，避免預(yù)裂提前起爆引起飛石，導(dǎo)致主爆區(qū)爆破前的傳爆管受損[7]。確保預(yù)裂連接起爆雷管應(yīng)先于相鄰主爆孔100s時長。

5.5 預(yù)裂孔角度控制

項目實施過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)裂孔角度變化，保證鉆機花架上卡瓦內(nèi)徑同沖擊器外徑統(tǒng)一。鉆機沖擊器外徑應(yīng)小于鉆桿外徑。預(yù)裂孔角度為非直角時，受鉆機桿軸向開孔壓力作用影響，鉆設(shè)時水平阻力降低，鉆桿形成水平移動趨勢而形成卡瓦約束，進而導(dǎo)致卡瓦角度變化?；诖?，在設(shè)定鉆機預(yù)裂角度過程中，應(yīng)適當(dāng)調(diào)陡約1°角度。

6 結(jié)束語

在露天金礦中應(yīng)用預(yù)裂爆破技術(shù)，可提高挖掘機刷坡施工效率，有助于在邊坡形成預(yù)裂面，降低巖體受損率，增強邊坡穩(wěn)定性，保證金礦采場生產(chǎn)作業(yè)安全。良好的預(yù)裂爆破效果可減少邊坡大塊、巖傘和噴錨處理的額外費用，提升經(jīng)濟性的同時，整體壁面外觀更加規(guī)則整齊。

本文結(jié)合塔吉克斯坦某金礦地質(zhì)及工況環(huán)境，通過優(yōu)化預(yù)裂爆破工藝參數(shù)，建立合理有效的預(yù)留爆破施工方案，實現(xiàn)施工過程的科學(xué)控制，預(yù)裂爆破帶削減振動程度達到90%，實現(xiàn)對主爆區(qū)應(yīng)力波的反射吸收，達到了預(yù)期預(yù)裂效果及邊坡安全穩(wěn)定。

參考文獻

[1] 祁曉鑫.剛果（金）露天銅鈷礦預(yù)裂爆破技術(shù)的應(yīng)用[J].世界有色金屬，2022（1）：43-45.

[2] 崔年生.不耦合裝藥系數(shù)對預(yù)裂爆破效果影響的數(shù)值模擬研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2018，38（04）：10-13.DOI：10.13827/j.cnki.kyyk.2018.04.003.．

[3] 陳義.迎采掘巷深孔預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 能源與節(jié)能，2023（1）： 175-177+218.

[4] 朱必勇，焦文宇，寇向宇，等.基于數(shù)值模擬的預(yù)裂爆破參數(shù)優(yōu)化研究[J].有色金屬（礦山部分），2019，71（4）：32-36.

[5] 靖文青.深孔預(yù)裂爆破切頂卸壓護巷機理與實踐[J].煤炭技術(shù)， 2023，42（6）：75-79.

[6] 張兵兵，陳晶晶，張崗濤，等.最終邊坡預(yù)裂爆破技術(shù)參數(shù)及應(yīng)用效果分析[J].工程爆破，2018，24（6）：43-47.

[7] 馮松，李廣帥.預(yù)裂爆破技術(shù)參數(shù)設(shè)計及其減震效果研究[J].煤炭工程，2018，50（10）：150-153.