紅云灘西礦預裂爆破淺談

陳沖 肖斌

摘 要：紅云灘西礦自2007年露天開采以來，為保護邊坡穩定，形成階梯式開采，一直采取預裂爆破方式控邊坡成型。經過不斷的嘗試改進，取得了良好的效果，邊坡成型良好、穩定，半孔率達到95%以上。以下就些許經驗，拋磚引玉與大家共同交流。

關鍵詞：紅云灘西礦；預裂爆破

1 預裂爆破基本原理

預裂爆破的基本原理是綜合利用緩沖原理、等能原理、斷裂力學機理和應力疊加原理，結合爆破現場實際情況，通過合理的設計其爆破孔網參數、裝藥參數及裝藥結構和起爆網路達到其主要技術要求。所謂緩沖原理就是優選合適的炸藥和裝藥結構，以緩和爆轟壓力對巖石孔壁的沖擊作用，減少或避免粉碎區和次生裂縫的產生，使爆炸能量得到合理分配和利用。其方法一是選用爆速低、猛度小和威力大的炸藥（根據實際情況，本礦山選用膨化硝銨炸藥）；二是采用具有合理的不耦合系數及裝藥結構形式的不耦合裝藥。

等能原理是指選擇合適的裝藥量，使每個炮孔產生的爆炸能與每個孔擔負的預裂面積所需要的能量相等，沒有多余的能量造成其他破壞性裂隙，即預裂爆破的藥量恰好等于分離巖體并形成一定的斷裂面積所需要的藥量。

應力疊加原理，即為了控制裂隙面僅沿炮孔中心連線形成。應用應力疊加理論需要沿預裂面布置一排適當加密的炮孔，并同時起爆，在炮孔連線上形成應力疊加，使疊加后的拉應力大于巖石的抗拉強度，而其他方向的爆破拉力低于巖石的強度，裂隙僅沿炮孔中心連線形成。

斷裂力學機理：由于巖石是一種各向異性的多裂隙脆性材料，巖體內存在著某些自然裂紋，在高壓爆生氣體作用下，孔間拉應力使原有裂紋呈張開型。如果其應力強度因子大于巖石的斷裂韌性，裂紋將擴展；如果應力強度因子大于大于巖石的斷裂韌性，裂紋將高速擴展；如果應力強度因子小于巖石的斷裂韌性，裂紋將停止擴展。

總上所述，預裂爆破的力學理論是巖體爆破成縫機理的基礎，在巖體爆破成縫過程中，應力波和爆生氣體共同作用的結果形成了貫通裂縫，其中，爆生氣體起著決定作用。預裂爆破裂隙形成的全過程大體可分為開裂、擴展和止裂3個階段：在成排孔預裂爆破時，爆生氣體以較高的壓力峰值瞬間作用于炮孔壁上并使孔壁四周產生許多徑向微裂紋，其大小和方向是隨機的；隨后在壓力作用下繼續擴展；由于相鄰炮孔的存在，改變了炮孔壁附近環向應力分布，造成炮孔間連心線方向上的拉應力集中，由于巖體的抗拉強度最小，最易發生拉斷或剪斷破壞。所以，巖體在爆生氣體的準靜態壓力作用下，在炮孔間連線方向形成的集中拉應力首先大于巖體的動態抗拉強度，從而產生開裂裂縫。巖體在炮孔壁處產生開裂縫以后，改變了內部應力分布，此時，爆生氣體尚未楔入裂縫內。然而，由于開裂縫的存在，使得裂縫尖端區域內的應力強度因子大于巖體的動態斷裂韌性，導致巖體在炮孔連線方向上造成張開型斷裂破壞。隨著裂縫向相鄰炮孔方向的擴展，爆生氣體開始逐漸楔入裂縫內，進一步改變了巖體的受力狀態。由于爆生氣體的作用持續了一段時間，而且巖體內空腔體積增大，加之氣體的泄漏等，作用于炮孔壁上的壓力已有明顯的降低。當裂縫擴展到一定長度和孔壁壓力降到一定值時，在此條件下，若裂縫尖端區域內的應力強度因子小于巖體動態平面應變斷裂韌性值，就會發生裂縫。

2 預裂爆破具體施工步驟及注意事項

2.1 地質情況的收集與了解

爆破工作，是以爆破作為技術手段，以達到施工目的。而礦山爆破的作用對象是巖石，所以要做好爆破工作，必須先了解我們的施工對象——巖石。預裂爆破要達到良好的效果，同樣需要我們先了解施工部位的巖石性質、巖體構造、地質狀況。這是我們確定爆破方案的依據。紅云灘礦區地表有少量砂及礫石、碎石塊，局部有鹽漬土；礦體的頂底板圍巖多為安山質晶屑凝灰巖、安山質凝灰巖，個別工程中可見礦體底板為花崗巖。礦區內的礦石為磁鐵石英巖，堅硬較穩固。巖石的物理力學性質參數如下：

體重：礦石：3.76 t/m3

巖石：2.6 t/m3

硬度系數（f）：礦石10～12

巖石：6～8

松散系數：礦、巖均為1.5。礦區地質構造比較發育。

2.2 工作面的安排與預裂孔的布置

為了減小震動，降低爆破的后坐力，須將工作面控制成沿預裂邊的細長條形（圖1）。根據爆破理論，自由面越多越完整，爆破震動越小。如圖1所示，在預裂孔前排布置一排或兩排爆破孔，既能保證良好的自由面，又能控制起爆藥量。預裂孔長度應比爆破區域長L，如圖1緩沖區S，L的長度根據炮孔直徑，及巖體的完整性確定，本礦山一般取值4 m。

預裂孔間距確定，炮孔間距一般取孔徑的8～12倍。巖石硬，取大值，巖石軟，取小值。巖石完整取大值，巖石破碎，取小值。

2.3 穿孔質量控制

預裂爆破的最終效果是要形成平整規則的預裂面，預裂面半孔率要達到80%以上。所以預裂爆破效果如何，預裂孔的質量非常重要。根據我們多年預裂爆破的經驗，在整個預裂爆破的過程中，預裂孔穿孔環節對最終效果的影響達到50%以上。方位、傾角這是對預裂孔穿孔的兩個最重要的技術要求。如圖2所示，a為方位角。現場施工時，采用前后樁的方法確定方位角，即分別在b，c兩點垂直水平面樹立兩個樁子，讓鉆桿跟兩根樁子處于同一平面即可。傾角如圖4中設計邊坡角度。穿孔過程中應不斷地觀察巖石硬度的變化，并記錄在案以備計算藥量及裝藥時提供依據所用。

2.4 裝藥

預裂孔采用不耦合，不連續裝藥方式。裝藥的過程中藥包應盡可能地避開巖石破碎的位置。線裝藥密度一般采用工程類比法，并從實際爆破效果進行論證。孔底加強一般為線裝藥量的3～4倍，巖石硬則取大值，軟則取小值，裝藥長度一般為1～1.5m。裝藥示意圖如圖3所示。

2.5 緩沖孔的使用

當巖體特別破碎或巖石性質特別脆時，應增加緩沖孔以加強對預裂面的保護。緩沖孔的布置如圖4所示。

緩沖孔的裝藥量一般為爆破孔的一半左右，底部裝藥，適當充填后，上部不充填。

2.6 起爆順序

爆破網絡設計時，預裂孔應先于爆破孔起爆，一般時間間隔為先于50～100ms，緩沖孔與主題爆破孔一起起爆。

2.7 根據實際情況，不斷調整

預裂爆破是一門實用經濟的爆破技術手段，在高塹邊坡的施工中應用廣泛。爆破效果好的情況下可降低開挖成本、降低邊坡危害等。但是在實際的爆破工作中，巖體情況、地質情況變化多端，常常出現許多不確定性因素。作為爆破技術人員，應隨時根據巖體性質、構造地質、水文地質的變化不斷地調整技術參數，靈活運用所學知識服務礦山才是對我們的最終要求和最基本的要求。以上皆為個人淺薄之談，盼能向大家多多學習交流。

參考文獻

[1]李智.綜采工作面開切眼深孔預裂爆破技術的應用探討[J].科技創新與應用，2016，（3）：124-124.

[2]尹吉，王明君.預裂爆破技術在某露天礦中的應用[J].露天采礦技術，2014，（9）：65-67.

（作者單位：1.廣安市礦山救護大隊；2.新疆地礦局第四地質大隊）