預裂爆破技術在凹山鐵礦的應用

王　銘　陳能革

(1.馬鋼集團礦業有限公司；2.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責任公司)

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預裂爆破技術在凹山鐵礦的應用

王銘1,2陳能革1

(1.馬鋼集團礦業有限公司；2.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責任公司)

為減輕生產爆破對邊坡巖體的破壞，維護邊坡穩定，凹山鐵礦在靠界時需實施預裂爆破。在分析了預裂成縫機理后，首先對預裂爆破主要參數，不耦合系數、線裝藥密度、預裂孔間距等進行了理論計算，然后根據計算結果進行了不同參數的預裂爆破試驗。在預裂爆破的基本要求下，通過對比分析確定了不同巖性區域中預裂爆破的合理參數。按照該參數在礦山應用后，取得了良好的效果。

預裂爆破邊坡穩定不耦合系數炮孔間距抗壓強度

馬鋼南山礦業公司凹山鐵礦屬大型深凹露天礦，隨著開采深度的增加，邊坡越來越高，穩定性問題日益突出，主要表現在淺部臺階靠界圍巖破碎嚴重。

為降低爆破對圍巖的不利影響，保證邊坡穩定，凹山鐵礦開展了大量的預裂爆破試驗，在靠界爆破應用實踐中取得了良好的預裂爆破效果。

1　預裂爆破的基本要求

預裂爆破主要是通過沿開挖邊界布置密集炮孔，采用不耦合裝藥，并先于主爆區起爆形成預裂縫的方式減小爆破對永久邊坡的破壞作用，實現維護邊坡穩定的目的。實施預裂爆破后應達到以下基本要求：

(1)形成規整的預裂面且超挖量小，通常以預裂面半壁孔痕率衡量爆破后保留區圍巖的完整性，硬巖半壁孔痕率應達到80%以上，中硬巖應達到60%以上，軟巖應達到30%以上[1]。

(2)巖體中原生裂隙不擴展，爆生裂隙少。

(3)預裂面不平整度小于±150 mm。

(4)預裂爆破產生的預裂縫寬度不宜小于10 mm[2]，且降震率應為40%以上。

2　預裂爆破的成縫機理

目前，針對預裂爆破的成縫機理主要有3種理論，即應力波干涉理論、以高壓氣體為主要作用的理論、爆炸應力波和高壓氣體聯合作用理論，其中聯合作用理論為多數人所接受[3-4]。聯合作用理論認為爆炸應力波由炮孔向周圍傳播過程中產生的切向拉應力超過巖石的極限抗拉強度而在孔壁甚至相鄰炮孔連線上產生裂縫，隨后在爆炸氣體的氣楔作用下，裂縫進一步擴展、貫通，形成預裂面。

Brown的高速攝影試驗證明:炮孔孔壁邊開裂發生在爆轟波之后，沖擊波形成的同時，而裂縫擴展較遲，可以認為是氣體產生的[3]，即預裂縫是由于應力波和爆生氣體共同作用形成的。

3　預裂爆破參數計算

預裂爆破實踐中，預裂爆破參數的計算方法主要有工程類比法、經驗公式法以及現場試驗法等，也有學者采用理論計算的方法計算預裂爆破參數。

3.1不耦合系數

預裂爆破通常采用不耦合裝藥結構，同時采用低威力炸藥。因此，不耦合系數是預裂爆破中的一個關鍵參數，它直接影響炸藥爆炸后作用在孔壁上壓力的大小。爆破時作用在孔壁上的壓力

(1)

式中，P為作用在孔壁上的壓力，MPa；P0為炸藥初始爆壓，MPa；Vd為藥包體積，m3；VD為炮孔容積，m3；r為絕熱指數。

根據不耦合系數定義，式(1)可變換為

(2)

式中，D為炮孔直徑，m；d為藥包直徑，m。

為防止爆破時作用在炮孔壁上的壓力過大，造成孔壁圍巖的破壞，作用在孔壁周圍巖石內的壓應力應小于巖石的極限抗壓強度[σ]壓，結合式(2)可得到

(3)

3.2線裝藥密度及裝藥長度

(1)線裝藥密度qL。預裂孔內實際線裝藥密度

(4)

式中，qL為線裝藥密度，kg/m；ρ為炸藥密度，kg/m3。

(2)裝藥長度l1。預裂爆破采用連續裝藥結構時，裝藥長度l1與炮孔長度l相同；若采用間隔裝藥結構，藥包直徑應為當量藥包直徑

(5)

式中，l1為裝藥長度，m；l為炮孔長度，m。

由不耦合系數定義，結合式(5)，可知預裂爆破采用不耦合裝藥結構時裝藥長度

(6)

炮孔裝藥量

(7)

3.3炮孔間距

(1)經驗公式法。瑞典蘭格弗斯(Langefors)[5]給出的炮孔間距

(8)

(9)

(2)理論計算法。預裂孔間距與巖石的動態抗壓強度、動態抗拉強度和炮孔直徑有關[6]。預裂爆破時為保證炮孔壁不受壓破壞且形成拉裂縫，孔壁壓力應滿足

(10)

(11)

式中,[σ]壓為巖石的極限抗壓強度，MPa；[σ]拉為巖石的極限抗拉強度，MPa。

由于預裂縫形成過程是動態的，式(11)中巖石的抗拉強度應取動態抗拉強度值，由式(11)可得

(12)

預裂爆破工程實踐中，應遵循以下原則，即在滿足工程需要基礎上，應盡可能加大炮孔間距，降低工程成本[3]，用巖石的動態抗壓強度[σ]壓替換孔壁壓力，則預裂爆破炮孔間距的最大值為：

(13)

現場巖體的動態抗壓強度和動態抗拉強度變化較大，實際應用過程中往往利用巖石靜態強度指標代入式(13)進行估算，通過現場試驗進行調整，以獲得更優的預裂爆破效果。

4　工程應用

4.1工程地質概況

凹山鐵礦石主要為含釩磁鐵礦及假象赤鐵礦，f=4～7；圍巖主要有安山巖、凝灰巖、粗面巖和閃長玢巖，f=4～12，實施預裂爆破區域巖石主要分2種：

(1)矽化黃鐵礦化輝長閃長玢巖，呈灰或灰綠色，斑狀結構，質地堅硬，節理發育，f=8～12。

(2)粗面巖，強風化，質地較疏松，節理密集成網，f=4～8。

為保證邊坡穩定，提高安全性、經濟性，凹山鐵礦先后開展了不同參數預裂爆破技術的研究與應用。

4.2預裂爆破參數4.2.1炮孔布置及孔徑

預裂孔的作用只是形成預裂縫，不宜采用太大的孔徑和藥卷直徑[7]。礦山采用TY-370GN液壓潛孔鉆機，沿設計境界線鉆鑿預裂孔，炮孔直徑為150 mm，鉆孔傾角與臺階坡面角一致，即60°，預裂孔炮孔布置見圖1。

圖1　預裂爆破炮孔布置1—預裂孔；2—輔助孔；3—減振孔；4—主爆孔

4.2.2爆破參數

爆破參數包括不耦合系數、線裝藥密度及裝藥長度、炮孔間距。

(1)不耦合系數。根據上文已知，不耦合系數K與巖石抗壓強度存在函數關系，可根據馬鞍山礦山研究院在不同地質條件下預裂爆破試驗數據總結的公式計算不耦合系數

(14)

凹山鐵礦預裂爆破區域圍巖強度指標見表1。

kg/cm2

(2)線裝藥密度及裝藥長度。凹山鐵礦預裂爆破采用間隔裝藥，結構如圖2。

圖2　裝藥結構示意

采用50 mm銨油炸藥藥卷捆綁在沿炮孔長度敷設的導爆索上，臺階高度12 m，孔深14.5～15 m，其中為減弱減振孔爆破對邊坡的破壞，預裂孔超深0.5～1.0 m，實際線裝藥密度

在不同巖性圍巖中實施預裂爆破裝藥長度不同，根據式(6)進行計算，結果見表2。

(3)炮孔間距。炮孔間距根據式(13)計算出最大值，結果見表2。

表2　預裂爆破參數計算結果

4.3預裂爆破結果

由于邊坡圍巖的不均質性，圍巖內存在部分原生裂隙、節理等，實際采用的預裂孔間距可以大于表2中計算的預裂孔間距。凹山鐵礦前期分別在矽化輝長閃長巖區域進行了預裂孔間距1.3～2.0 m的預裂爆破試驗，在粗面巖區域進行了預裂孔間距1.2～1.8 m的預裂爆破試驗。其中，采用以上預裂孔參數均能產生預裂縫，根據試驗結果，在凹山鐵礦應用預裂爆破能夠達到較優結果的參數范圍見表3。

表3　預裂爆破試驗結果

根據不同孔距試驗結果可發現，孔距變大，預裂爆破效果變差，堅硬巖石與松軟、完整性差巖石相比，孔距可以適當大些。考慮預裂爆破的基本要求和成本因素，凹山鐵礦最終采用的預裂爆破參數見表4。

表4　最終預裂爆破試驗結果

凹山鐵礦通過實施預裂爆破，爆破后形成的臺階面基本平整，不平整度一般小于±25 cm，巖體結構受爆破影響小，提高了邊坡的穩定性，坡面角和境界線均達到了設計要求，預裂爆破應用效果見圖3。

圖3　凹山鐵礦預裂爆破效果

5　結　論

(1)采用不耦合裝藥結構能降低炸藥爆炸時作用在預裂孔壁的初始壓力，避免對孔壁的壓縮破壞。不耦合系數、炸藥量選取均與孔壁壓力有關，可以根據圍巖的極限抗壓強度初步計算不耦合系數。

(2)根據預裂縫成縫機理，預裂孔間距與巖石的動態抗壓強度、動態抗拉強度和炮孔直徑有關。可以通過以上參數計算預裂孔間距的最大值。

(3)在堅硬、完整性好的巖石中預裂爆破參數變動范圍較大，在保證預裂爆破質量的前提下，為降低成本，可采用大孔距，適當增大線裝藥密度。

(4)在松軟、完整性差的巖石中預裂爆破也可以取得較好的效果，但是半壁孔痕率較低，不平整度較大達到±25 cm，實際應用中應采用小孔距，并減少線裝藥密度。

(5)結合理論計算與現場試驗，凹山鐵礦在矽化輝長閃長巖和粗面巖區域獲得了合理的預裂爆破參數。通過預裂爆破技術的應用，減少了生產爆破對邊坡圍巖的破壞，保證了邊坡的穩定，對類似礦山實施預裂爆破具有一定的借鑒意義。

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Application of Pre-splitting Blasting Technique in Washan Iron Mine

Wang Ming1,2Chen Nengge1

(1.Magang Group Mining Co., Ltd.；2.Maanshan Institute of Mining Research Blasting Engineering Co.,Ltd.)

To reduce the damage on slope surrounding rock by blasting production, and ensure the stability of slope, pre-splitting blasting near interface was needed in Washan Iron Mine. Theoretical calculation on main parameters of pre-splitting, such as decouple coefficient, linear charge density, pre-splitting hole space was conducted, after analysis the mechanism of pre-splitting blasting, then pre-splitting blasting tests with different parameters were conducted according to calculated results. With the basic requirements of pre-splitting blasting, reasonable parameters of pre-splitting blasting corresponding to different rock properties were determined by comparative analysis. After applying the above parameters, good results have been achieved.

Pre-splitting blasting， Stability of slope， Decouple coefficient， Hole space, Compressive strength

2016-06-26)

王銘(1967—),男，副總經理，工程師，243000 安徽省馬鞍山市經濟技術開發區西塘路666號。