晉寧磷礦楊梅山區域高臺階深孔爆破設計及應用

唐俊瑞

（云南磷化集團有限公司晉寧磷礦，云南 昆明 650607）

0 引 言

近年來，隨著露天礦開采向深部的推進，礦體頂板出露巖石量急劇增大，且風化較低，硬度較大，主要為石英砂巖及含礫石英砂巖、白云巖、夾泥質白云巖、泥質巖等，f＝5～8.由于產能要求和工作面條件影響因素，采用小孔徑、小孔網參數、低臺階爆破技術，從爆破進度、爆破效果、成本控制上不能充分滿足生產的需求.為能提高穿爆施工進度，改善爆破效果，有效控制爆破成本，在巖石性質、地質條件、周邊環境、鏟裝設備及采用爆破技術條件滿足的情況下，采用增加炮孔鉆鑿深度（臺階高度），合理調增孔網參數，在安全允許的條件下，相應加大單孔裝藥量，達到增大一次爆破巖石量、改善爆破效果、提高鉆機穿孔效率、降低鉆機油耗，減少成本具有重要意義［1－4］.

1 高臺階深孔爆破設計及鉆鑿設備選型

高臺階深孔的鉆孔深度為15m.

1.1 鉆孔形式選取

露天深孔爆破的鉆孔形式一般分為垂直孔和傾斜深孔，單一從爆破效果來看，斜孔優于垂直孔，主要是斜孔的抵抗線均一；但鉆鑿斜孔的技術操作比較復雜，孔的長度相應比垂直孔長，而且裝藥過程中易發生堵孔.為方便鉆機操作，提高鉆孔速度，因此，采用垂直布孔.

1.2 布孔方式

布孔方式有單排布孔和多排布孔兩種.多排布孔又分為方形、矩形、三角形（梅花形）三種.布孔方式的合理選擇，可為爆破創造良好的條件，爆破效果好，大塊率較低；反之，則爆破條件相對較差.根據對比，采用三角形交錯布置炮孔可以使炸藥能量分布均勻，減少根底大塊，還能更好地調整爆破實際密集系數；因此，采用三角形（梅花形）.

1.3 鉆機選型

采用柱齒類潛孔鉆，山特維克（DI500）鉆機，孔徑152mm，單根鉆桿長度L＝5m.其主要特點為：

①沖擊的鑿入能量不經鉆桿而直接傳遞到鉆頭，能量損傷小.

② 沖擊器工作中以強吹高壓氣體方式，排出孔底的巖渣，效果顯著，有利于提高鑿巖速度；

③沖擊器置于孔底，方向定位好，一般不會出現斜孔或彎孔現象；

④可在節理、破碎巖體中作業，適用范圍廣，可打直孔，也可打傾斜孔.

2 爆破參數

2.1 炮孔直徑d

爆破的孔徑大小主要取決于鉆機類型、臺階高度和巖石性質.晉寧磷礦主要使用潛孔機，鉆機孔徑大小為φ152mm，φ140mm，φ110mm，φ102 mm幾種.根據現有鉆機型號情況，同時考慮到孔徑越大，越有利于炸藥的穩定傳爆和達到理想爆轟，利于充分釋放炸藥能量從而提高延米爆破量.因此，此次深孔臺階爆破實驗采用山特維克D1500潛孔鉆機，孔徑φ152mm.

2.2 鉆孔深度L與超深Δh

鉆孔深度由臺階高度和超深確定.臺階高度一般采用10～12m臺階，也有采用15～20m高臺階，臺階高度的取值大小主要考慮為鉆孔、爆破和鏟裝創造安全和高效率的作業條件，主要取決于鏟裝設備選型和礦巖開挖技術條件.根據我礦現有鏟裝設備型號和開挖技術，同時考慮充分發揮鉆機效率，增大一次爆破巖石量，加快爆破作業進度，改善爆破效果，確定開挖臺階高度為14m.超深是指鉆孔超出臺階底盤標高的那一段孔深，其作用是用來克服臺階底盤巖石的夾制作用，使爆破后不留殘根，而形成平整的底盤.超深選取過大，將造成鉆孔和炸藥的浪費，增大對下一個臺階頂盤的破壞，使下臺階鉆機穿孔時易塌孔；并且會增大爆破地震波的強度；超深不足將產生根底或抬高底盤的標高，而影響裝運工作［5］.超深值與巖石堅硬程度、炮孔直徑、底盤抵抗線有關［6］，其值可按下式確定：

經計算Δh＝1.52～2.28m或者Δh＝0.99～3.15m.

在堅硬巖石中爆破，系數取大值；相反在硬度較小巖石中爆破，系數取小值.根據實踐經驗，確定超深為1m.

鉆孔深度L、臺階高度H、超深Δh滿足下列關系式：

式中，L為炮孔深度，m；H 為臺階高度，m；Δh為超深，m.

綜合確定鉆孔深度L＝15m.

2.3 底盤抵抗線W1

底盤抵抗線是指從臺階坡底線到第一排孔中心軸線的水平距離.它是一個重要的爆破參數，過大的底盤抵抗線會造成根底多、大塊率高、后沖作用大；過小則不僅浪費炸藥、增大鉆孔工作量，而且易產生飛石危害.底盤抵抗線的大小與炸藥威力、巖石可爆性、巖石破碎塊度要求以及鉆孔直徑、臺階高度和坡面角等因素有關.為了克服爆破時的最大阻力，避免臺階底部出現“根底”，一般都采用底盤抵抗線作為爆破參數設計的依據.按照深孔鉆機安全作業的要求，底盤抵抗線W1應滿足下列關系：

式中，W1為底盤抵抗線，m；α為臺階坡面角，（°），α＝65°；H 為臺階高度，m；H＝14m；B為鉆孔中心至臺階坡面頂邊的安全距離B＝2.5m.）

代入取值，可得W1＝9.03m.

根據爆破實踐經驗，底盤抵抗線與臺階高度H 之間存在如下關系，W1＝（0.6～0.9）H 或W1＝8.4～12.6m且滿足，巖石堅硬，臺階高度小，系數取小值；反之，系數取大值.綜合上述計算，確定底盤抵抗線W1為9.0m.

2.4 孔距a和排距b的取值

孔距（a）是指同一排深孔中相鄰兩鉆孔中心線間的距離.對于孔距a值，一般都按下式確定.a＝M Wd（式中：a為孔間距，m；M為炮孔鄰近系數，）為了獲得良好的爆破條件，可取M＝0.7～0.85；經計算a＝6.3～7.65m；根據實踐經驗取a＝7m.由于在布置鉆孔時，通常使所有鉆孔的間距都是相等的，因此不難列出孔排距b的計算公式為

為了獲得良好的爆破效果，國內外普遍采用大孔間距、小排距的方式，再考慮到每孔裝藥量，經現場測定為16.5kg／m及保證填塞高度L′，最終確定孔排距b＝5.5m.

2.5 填塞長度L′

填塞高度是一個重要的爆破參數，堵塞長度關系到堵塞工作量的大小、炸藥能量利用率和空氣沖擊波的危害程度.合理的堵塞長度應能防止爆炸氣體產物過早地沖出孔外，同時又使臺階上部巖石能得到充分破碎.根據經驗，按底盤抵抗線Wd的大小，填塞高度滿足：

L′＝（0.5～0.75）Wd或L′＝4.5～6.75m再按照《爆破安全規程》的規定，填塞高度不小于孔深的，因此L′取≥5m.

2.6 炸藥單耗q

影響單位炸藥消耗量的主要因素有巖石的可爆性、炸藥特性、自由面條件、起爆方式和塊度要求.因此，選取合理的單位炸藥消耗量，一般需要通過多次試驗或經過長期生產實踐來驗證.采用下列公式

式中：r為巖石容重；f為普氏系數.

結合我礦生產實踐，經過多次試驗，綜合確定q＝0.33kg／m3（可視現場實際情況進行調整）.

3 典型爆破分析

此次爆破位于東二采118～119勘探線，2310 m水平（東采區東擴區域，楊梅山地帶），總設計孔數99個，爆破點距民房650m，采用網絡管微差爆破.

3.1 穿孔設備選型

主爆區炮孔采用山特維克DI500鉆機穿鑿，孔徑152mm.

3.2 臺階爆破參數

①炮孔深度和超深：炮孔深度L＝15m

超深Δh＝1m

②底盤抵抗線：W1＝9m

③孔距和排距：孔間距a＝7m排間距b＝5.5m

④填塞長度：L′取≥5m

⑤炸藥單耗q＝0.33kg／m3，平均單孔裝藥量189kg，總炸藥量18711kg.

3.3 裝藥結構

主爆區采用連續集中裝藥，為保證每孔炸藥可響性，采用雙管連線，先往炮孔（經檢查為干孔）內裝入蓬化炸藥，裝到一定高度的時候，將起炮雷管反向插入直徑為70mm的巖石乳化炸藥卷內，然后將網絡管纏繞在藥卷柱壁上，放入炮孔內，再放入蓬化藥，然后再將起炮雷管正向插入直徑為70mm的巖石乳化炸藥卷內，將其纏繞在藥卷柱壁上放入孔內，再裝藥（見圖1）.

圖1 裝藥結構示意圖Fig.1 Charge structure schematic diagram

3.4 起爆網路

采用網絡導爆管連接逐孔爆破技術，地表孔間延時65ms，排間延時為：

1排與2排，微差：17ms；2排與3排，微差：（17＋65）ms；3排與4排，微差：（17＋65＋65）ms；4排與n排，微差：［17＋65＋65＋（n－2）65］ms；孔內延時500ms；如圖2所示.

圖2 爆破設計網絡示意圖Fig.2 Blasting design network diagram

3.5 爆破振動速度的驗證

根據大量實測資料證實，質點振動速度與一次爆破的裝藥量大小，測點至爆源的距離、地質地形條件和爆破方法因素有關［7］.根據現場對主爆區周邊地質地形條件進行察看，資料收集分析，地質條件屬堅硬巖石，K取150，衰減指數a取1.5.計算對采區周邊最近村莊震速（最大響藥量，由于采用逐孔爆破技術，Q＝189kg）為：

通過驗算得出結論：單孔裝藥量增至189kg，地震波到達爆源距最近村莊的質點振動速度為0.11cm／s，小于土坯房、毛坯房質點振動安全允許速度，不會對采區周邊民房造成影響.

3.6 爆破效果

此爆區爆破后，靠近邊坡邊沿，設置了保護孔，拉縫明顯，沒有對東邊坡造成影響.爆堆隆起1.2～2.0m，巖石塊度破碎較均勻，大塊率控制在3%～5%以內，巖石破碎塊度及深度滿足鏟裝要求，爆破效果比較理想，達到了預期效果［6］.

4 原爆破技術相關技術參數

炮孔深度和超深：炮孔深度L＝10m

超深Δh＝0.8m

底盤抵抗線：Wd＝5.0m

工作臺階高度（H）：9.2m

孔距和排距：孔間距a＝5m，排間距b＝4.5m

布孔方式：三角形（梅花形）

布孔角度：90°（垂直孔）

填塞長度：L′取≥3.4m

炸藥單耗q＝0.33kg／m3.

5 新舊技術比較

5.1 鉆機柴油消耗

根據實際應用過程中，對一定時期內生產過程中鉆機油耗及鉆機進尺量進行統計、分析、計算得出：鉆鑿15m孔鉆機柴油消耗量為1.2kg／m；鉆鑿10m孔鉆機柴油消耗量為1.09kg／m，僅從每米進尺油耗來看，15m孔單米進尺油耗偏高.但在鉆鑿總方量一定的情況下，由于鉆孔深度的加深，延米爆破量（孔網參數）的增大，鉆機移動時間的減少，降低了巖石爆破單方柴油消耗量.經大量數據統計、整理、分析計算得出，15m深孔爆破技術巖石爆破穿孔單方柴油消耗為0.033kg／m3，原10m深孔爆破技術巖石爆破穿孔單方柴油消耗為0.053kg／m3，巖石爆破穿孔單方柴油消耗降低了0.02kg／m3.鉆機柴油消耗總成本明顯降低，據統計柴油消耗成本可降低37.5%，有效節約了爆破穿孔成本.

5.2 鉆機效率

經現場進行監測、分析得出，在作業平臺條件同等的情況下，鉆機鉆鑿15m深孔（延米爆破量為35.93m3／m），鉆機效率為33m／h；小時形成穿爆方量1185.69m3；鉆鑿10m孔（延米爆破量為20.7m3／m），鉆機效率為38m／h，小時形成穿爆量786.6m3，每小時可多形成爆破量399.1m3.由于延米量的增大，從形成爆破方量（千米進尺量）上，大大提高了鉆機生產效率，加快了穿孔作業進度.

5.3 警戒工作

晉寧磷礦采區周邊，耕地較多，大多數在爆破警戒范圍內，經常有附近村民農作，若放炮過于頻繁，會給現場清理、警戒工作帶來困難.每次清理現場需～1h，嚴重影響施工進度.該項目的實施，降低了爆破頻繁帶來的警戒因難，同時降低爆破對周邊村民的影響，提高了施工進度.

5.4 爆破成本

采用15m深孔爆破技術，炮孔深度（臺階高度）增大，底盤抗線Wd增大，相應孔、排間距也隨之增大；在總爆破量一定的情況下，在增大一次爆破巖量的同時，鉆鑿孔數明顯減少，網絡導爆管使用數量也隨之明顯減少，經一定生產時期的統計、分析、計算，新技術的應用，網絡管使用數量可減少62%，每立方爆破量減少網絡管使用費0.135元.有效降低了爆破器材使用成本［8］.

5.5 對各生產工序的影響

穿孔爆破主要是對礦體圍巖進行松動、破碎，使其滿足采裝的要求.穿爆工作的超前進行，是采剝生產作業的必要條件，但較為頻繁的爆破施工又會對采剝作業的正常進行造成一定影響.該技術方案的應用，可避免由于頻繁爆破對采裝、運輸、調度工序造成影響，減少采裝、運輸、調度等工序的停頓次數，提高采剝作業效率［9］.

6 綜合分析

在同種巖石性質、地質條件下，兩種爆破技術設計方案，測試結果如表1所示.

表1 不同爆破技術設計方案指標測試情況Table 1 Different blasting technology design index tests

由表1可以看出，兩種爆破技術方案相比較，15m深孔爆破技術與10m深孔爆破技術比較，鉆機小時鉆孔進尺量略低，但由于延米爆破量的增大，從形成爆破方量上來看，小時穿孔形成爆破實施方量遠遠大于10m深孔爆破技術，鉆機效率得到了充分發揮.通過數據結果可以看出，這兩種技術方案15m深孔爆破技術鉆機每米鉆孔進尺柴油消耗雖然較高，但在總爆破方量一定的情況下，單方巖石鉆機柴油消耗較低，鉆機柴油消耗總量減少；數據結果還表明，15m深孔爆破技術網絡管使用投入成本明顯降低，單方巖石爆破網絡管使用成本遠遠低于10m深孔爆破技術.通過上述分析，15m深孔爆破技術的應用，有利于提高穿爆作業效率，降低巖石穿孔鉆機柴油消耗及爆破成本.

7 結 語

該爆破技術的推廣應用，著重解決爆破施工進度、爆破影響、鉆機穿孔使用成本、鉆機效率，爆破成本等問題，潛在經濟效益大.與原有爆破技術相比較，具有很大的低成本優勢和實施效應優勢.但該技術主要適用于多排孔自由面比較好的區域臺階爆破，布孔方式采用三角形布孔，起爆順序從鄰近工作臺階坡頂線第一排孔開始起爆，爆破效果較好.爆破圍巖如果只有一個臨空面，兩邊巖石夾制作用較大，且排數比較少時，爆破效果則達不到預期開挖深度和破碎質量.

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