露天礦層狀巖體爆破拋擲方向及參數優化

夏岸雄 張建華 張 鵬 李森茂 王 濤

(1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070；2.甘肅省化工研究院，甘肅 蘭州 730000；3.廣州宏大爆破股份有限公司，廣東 廣州 510623)

露天礦層狀巖體爆破拋擲方向及參數優化

夏岸雄1張建華1張 鵬1李森茂2王 濤3

(1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070；2.甘肅省化工研究院，甘肅 蘭州 730000；3.廣州宏大爆破股份有限公司，廣東 廣州 510623)

為了優化爆破參數，探究了露天礦層狀巖體傾向與爆破拋擲方向之間的關系。以黃麥嶺露天礦山為例，進行現場單孔爆破漏斗試驗，然后統計爆破后的大塊和飛石，繪制爆破漏斗剖面圖。最后進行孔網參數的正交試驗研究，應用Split-desktop軟件記錄爆破后的塊度分布，確定了最優方案。研究表明，當爆堆拋擲方向與巖層傾向垂直時爆破效果最好。礦石/易爆巖石以及難爆巖石的最優孔網參數分別為5.5 m×3.7 m，5 m×3.5 m。研究成果為露天礦中深孔臺階爆破提供了科學依據。

露天礦 層狀巖體 參數優化 爆破漏斗 正交試驗

拋擲爆破是指在炸藥爆炸時，利用炸藥的能量，被爆破巖體的一部分沿最小抵抗線方向拋向采空區的爆破方法。拋擲爆破在露天礦中應用十分廣泛。其優點[1]是節省了大量巖土廢石的剝離和搬運工作，據統計，拋擲量可以占到總量的30%左右[2]，而且爆破后的巖土塊度碎小，提高了設備生產率,縮短了剝離工作所需時間，經濟效益顯著。

然而露天礦層狀巖體中存在各種結構面、弱面和軟弱夾層，如裂隙、斷層、節理等。在進行拋擲爆破時，它們使得應力波[3]在界面上不斷發生反射和折射，阻礙著爆炸應力波的傳播，從而加劇了應力波能量的衰減，削弱爆破效果。因此研究層狀巖體與爆破拋擲方向的空間位置關系顯得十分必要。

本研究以黃麥嶺露天礦為例，進行單孔漏斗試驗，闡述拋擲爆破機理，研究巖層傾向與拋擲方向的位置關系對爆破效果的影響。最后進行爆破參數優化研究[4]，以求出合理的孔網參數。

1 爆破漏斗機理研究

利文斯頓(Livingston C.W.)[5-6]提出一套以能量為基礎的巖石爆破破碎的爆破漏斗理論。他認為，巖石性質、炸藥性能、藥包質量、藥包埋置深度等因素是炸藥在巖石爆破時傳給巖石能量和速度大小的依據。同時，在巖石性質一定的條件下，爆破能量的多少又取決于藥包質量，能量釋放速度取決于炸藥的傳爆速度。

利文斯頓通過現場藥包爆破試驗發現：藥包質量越大則藥包臨界埋深(自由面巖石僅有裂隙或微量片落發生時的藥包中心埋深)越大，藥包質量越小則藥包臨界埋深越小；藥包質量不變而改變藥包埋置深度也會有不同的效果。據此利文斯頓提出了藥包處于臨界埋深Ln與炸藥量Q之間的關系是

(1)

其中，E是應變能力系數，m/kg1/3。E的物理意義是在一定的裝藥量Q條件下巖石表面開始破裂時巖石可能吸收的最大爆破能量。當巖石和炸藥性質一定時E是常數[7]。

如果當藥包的埋深達到某個深度時,形成的漏斗體積最大。而當藥包埋深大于或者小于該埋深時,產生的漏斗體積變小,則此時的埋深稱為最適宜深度W0。它表明此時爆破的能量利用率最高。通常采用深度比Δ[8]來表示埋置深度與臨界深度，則最適宜深度比Δ0=W0/Ln。Δ0是巖石的重要指標，通常在脆性巖石中Δ0較小，約0.5；在塑性巖石中偏大，接近1。

周傳波等人[9-10]通過單孔爆破漏斗試驗求得Ln、E、W0等參數。然后以最佳埋深為裝藥深度,進行變孔、排距同藥量爆破漏斗試驗，以確定合理的孔距和排距。

2 單孔爆破漏斗試驗研究

2.1 炮孔地質情況概述

爆破漏斗試驗炮孔在礦層頂板片麻巖地段。炮孔北部為綠色片麻巖,含少量石英脈及鉀長石脈,炮孔南部為二長片麻巖,白云鈉長片麻巖。以鉆孔為圓心，10 m半徑范圍無明顯裂隙，主要構造為片麻巖的片理面，其產狀203°∠28°。

試驗炮孔位置在34～36線的100 m平臺，坐標X為3 456.338 m，Y為11 092.454 m，Z為99.24 m。

2.2 試驗方案[11-12]

(1)用D25鉆機鉆孔，孔深11.5 m。與臺階大爆破深度一致(孔中水多，水面離孔口1 m)。

(2)裝藥量：自制乳化炸藥224 kg(密度1.18 g/cm3)、裝藥8 m,裝好起爆系統(起爆彈位于孔底2 m處)，待發泡10 min后填炮灰3.5 m。本次試驗的炮孔長8 m，直徑0.14 m,長徑比大于17，視為延長藥包。

(3)起爆網路采用非電導爆管，并采用孔內使用400 ms導爆管雷管作為起爆具，孔外采用25、42、65 ms導爆管雷管做地表延期。用起爆器起爆，起爆藥柱的爆速大于乳化炸藥的穩定爆速級臨界爆速。

(4)起爆后用人工和相應的設備清理爆破后的松散巖石。按最大邊長大于1 m確定大塊的比例；在清理完松動的巖塊后，對形成的漏斗參數進行測定，爆破漏斗體積計算表和特性表分別見表1和表2。

表1 爆破漏斗體積計算結果Table 1 Blasting crater volume calculation

表2 爆破漏斗特性Table 2 Blasting crater characteristics

2.3 試驗結果

爆堆描述：爆破漏斗東西長10 m、南北寬9.4 m，漏斗深2.79 m。破碎區是以炮孔中心點為基點，東面寬4.6 m，南面寬3.4 m,西面寬6.3 m，北面寬8.1 m；裂隙區是以炮孔中心點為基點，東面寬5.3 m，南面寬4.8 m，西面寬6.3 m，北面寬13.2 m。漏斗東南西三面爆堆低，塊度小，北面形成一個東西長13.6 m、南北寬11.8 m、高1.6 m的爆堆，爆堆中大塊多，后沖嚴重。漏斗南北方向差別較大，南部只有4.8 m，北部有13.4 m，而且北部斜坡面傾角27°，與爆前測的傾角28°相近。爆破漏斗東西方向和南北方向剖面圖見圖1所示。

圖1 爆破漏斗剖面Fig.1 Blasting crater profiles

爆破后大塊統計:最大單邊長度>1.0 m的有62個，體積和138.4 m3，其中漏斗中有14個，爆堆中有48個，在漏斗北部有一個大塊尺寸為6.3 m×4.7 m×3.3 m，體積為97.7 m3。爆破飛石情況:炮孔中心20 m以外有5個，最遠42.6 m。飛石都出現在炮孔的北部。

由表1可知漏斗體積為391.19 m3。可求得炸藥單耗q=224/391.19=0.57 kg/m3，大塊率為35.4%。如果不計算那一個特大石塊，q=224/(391.19-97.7)=0.76 kg/m3,此時大塊體積和40.7 m3,大塊率為13.9%。

2.4 試驗結論

(1)根據漏斗形狀及塊度分布看:南北方向破壞長度大于東西方向，東西方向大塊少，南北方向大塊多；漏斗東西方向以鉆孔中心線為對稱軸近似對稱，說明炸藥作用在此處巖石的爆能在東西方向是相同的，破壞半徑4.8～6.2 m。

(2)南部是反巖層傾向爆破,巖層產生了松動，但位移小，巖層相互夾制。北部是沿巖層傾向爆破，巖層易沿層面沖起，產生后沖和大塊，可以說爆能在北部產生的破壞是沿著層面的。

丁林敏[13]在研究中運用ANSYS模擬和現場試驗相結合的方法進行了爆破參數優化,指出:當巖層傾向與臺階坡面垂直時，炸藥爆炸的應力波對巖石的破碎作用比巖層與坡面傾向相反的情況下要好。丁一鳴[14]通過塊度分布試驗也得出了相同的結論。本次試驗結果也驗證了以上理論的正確性。

因此在爆破設計時，如果要得到較好的破碎塊度，控制大塊率，降低炸藥單耗，宜選擇東西方向爆破，即巖層傾向垂直的方向作為爆堆拋擲方向。

3 爆破參數優化研究

3.1 試驗方案與結果

根據黃麥嶺礦山[16-17]的地質資料，確定礦區內基本的孔網參數為：孔距4.5～5.5 m、排距3～4 m，其他參數：超深1.5 m，抵抗線3.6 m，堵塞高度2.8 m，孔深11.5 m，孔徑140 mm。孔網參數是影響爆破效果的主要因素，因此作為爆破參數優化的對象。由于參數的范圍已知，試驗[15]將參數細分成6個水平，孔距的變化幅度是0.5 m，排距變化幅度為0.3 m。隨后根據組合方案進行現場爆破試驗，根據這些試驗方案的評價指標，篩選出最優的方案組合。試驗方案及結果見表3。

表3 爆破方案及結果Table 3 The combination of blasting scheme

3.2 爆破效果分析

從表3可以看出，當孔距不變，排距從3.4 m變化到4 m時(方案1、2、3和方案4、5、6)，塊度逐漸增多，大塊率逐漸變大，排距達到4 m時，大塊率超過3%；當排距不變，而孔距從5 m變化到5.5 m時(方案1、6和方案2、5和方案3、4)，塊度變化減小，大塊率逐漸變小。這說明孔距對大塊率的影響大，而排距的變化不能有效改善爆破效果，從而排除方案1和方案6，孔距控制在3.4～3.7 m。

從表3還可以看出，對于礦石/易爆巖石，孔距為5.5 m(方案2、3)比在5 m(方案4、5)時的炸藥單耗要低，單孔負擔面積要大，但根底沒有明顯增加，大塊率仍然控制在3%以內，因此確定孔距5.5 m為最佳，最后綜合各個評價指標確定方案2為最優方案，即孔網參數為5.5 m×3.7 m。

對于難爆巖石，方案5的大塊率達到8.39%，予以排除，方案4比方案3的單耗低，比方案2的單孔負擔面積大，但根底沒有明顯增多，大塊率仍然在3%以內，因此選定方案4為最優方案。考慮到現場布孔的可操作性，最后確定孔網參數為5 m×3.5 m。

從表3還可以得出爆破大塊率與炸藥單耗有關：單耗增加，大塊率降低；單耗降低，大塊率上升。

4 結 語

在露天礦層狀巖體中深孔爆破過程中，爆破拋擲方向與巖層傾向之間的關系對爆破效果的影響不能忽略，當二者互相垂直時大塊率小，單耗低，爆破效果最佳，對于黃麥嶺礦山而言，宜選擇東西方向爆破。礦石/易爆巖石以及難爆巖石的最優孔網參數分別為5.5 m×3.7 m，5 m×3.5 m。此時炸藥單耗低，穿孔量大；如果選擇南北方向爆破，可適當增大孔網參數，合理控制炸藥用量，此時會降低穿孔量，但是大塊率高，北部后沖不易控制。

試驗存在的不足：

(1)大漏斗爆破，用人工清理，勞動強度大，清理難到位，大塊難處理，漏斗下部人工作業受空間限制和安全影響，因此推算出漏斗深度偏小。

(2)南部巖層相互夾制，人工清理困難，沒有按計劃完全清理巖石，有地段清理不到位，影響了南部相關參數的準確性。

(3)本次試驗是單孔爆破漏斗試驗，由于巖體地質的復雜性造成試驗結果存在一定的偶然性和偏差，因此為了得到更為準確的結果，應進行多排孔的爆破漏斗試驗。

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(責任編輯 徐志宏)

Blasting Throwing Direction of the Layered Rock in Open-pit Mine and its Parameter Optimization

Xia Anxiong1Zhang Jianhua1Zhang Peng1Li Senmao2Wang Tao3

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430070，China;2.GansuResearchInstituteofChemical，Lanzhou730000，China; 3.GuangdongHongdaBlastingCo.，Ltd.，Guangzhou510623，China)

The relationship between rock dip and blasting throwing direction of the layered rock in open-pit mine was explored to optimize the blasting parameters.Taking Huangmailing Open-pit Mine as an example，single-hole blasting crater experiment in field was carried on.Then，the blasting crater profile was drawn by recording large blocks and flying rocks after blasting.Finally，the paper made the orthogonal test of spacing pattern parameters to determine the optimal solution with the application of the Split-desktop software for recording fragment distribution after blasting.The research indicated that the blasting effect is the best when the throwing direction of rock piles is vertical to the rock dip.The best spacing pattern parameters of the ore/explored rock and hard rock is 5.5 m×3.7 m，5 m×3.5 m respectively.The research provides a scientific basis for moderate longhole bench blasting in open-pit mine.

Open-pit mine，Layered rock，Parameter optimization，Blasting crater，Orthogonal test

2013-10-14

夏岸雄(1989—)，男，碩士研究生。

TD235.31

A

1001-1250(2014)-03-040-04