剛果(金)露天金屬礦預裂爆破技術

張震宇 祁曉鑫

(中鐵九局集團有限公司大連分公司)

由中國中鐵剛果(金)礦業建設有限公司承擔剝離施工任務的華剛礦業銅鈷礦D坑采場位于剛果(金)加丹加省科盧韋奇市西南，采場西幫為20世紀90年代比利時人開采遺留區域，西幫風化程度較高，巖性破碎，穩定性較差。現階段采場采掘重點部位為采場西部1 252 m水平的 RSF(CU2)主礦體，該區域臨近采場西幫固定邊坡，采用傳統爆破技術無法滿足邊坡穩定性控制需求。為此，本研究采用預裂爆破技術對該邊坡穩定性進行控制。

1 預裂爆破試驗方案

結合礦山實際情況和現有穿孔設備，預裂爆破試驗選用Atlas-D55鉆機鉆鑿預裂孔，該鉆機鉆孔直徑為152 mm，可以打傾斜鉆孔，能夠滿足預裂孔鉆孔需求。采用空氣間隔不耦合裝藥預裂爆破方案[1-4]。

1.1 預裂孔不耦合系數

采用不耦合裝藥方式的目的是為了降低孔內炸藥量和爆炸后的初始壓力，避免炮孔周圍巖石過度粉碎，以形成更完整的預裂縫。預裂爆破不耦合系數的計算公式為

(1)

式中，Kv為不耦合系數；Sc為單軸極限抗壓強度，kg/cm2。

根據礦山地質情況，采場西幫RSF礦體普氏系數f=12，經過換算，可知RSF抗壓強度(σc)為120 MPa，即1 200 kg/cm2。經式(1)計算可得，Kv=3.9。

不耦合系數也可采用下式計算

Kv=D/d，

(2)

式中，D為鉆孔直徑，mm；d為藥卷直徑，mm。

試驗采用的卷裝乳化炸藥單個質量為2 kg，長560 mm，直徑38 mm，根據式(2)計算出的實際不耦合系數為4，可滿足不耦合系數取值條件。

1.2 鉆孔間距與線裝藥密度

采場西幫巖石為層狀硅化白云巖，該巖體硅化程度較高，巖體較硬，抗壓強度約為120 MPa。參照類似礦山在該力學狀態下巖石的預裂爆破參數取值，可得出鉆孔直徑φ、線裝藥密度QL和鉆孔間距a的相互關系，如表1所示。

表1 國內外部分露天礦山巖體強度和預裂爆破參數經驗取值

注：巖體抗壓強度為σ為120 MPa。

對表1中的數據進行回歸分析，可知相關性系數為0.964，線性回歸曲線的相關性系數為0.998 6(圖1)。

圖1中σ與QL的線性關系可用下式表示：

QL=7.648 5φ+258.66 .

(3)

將鉆孔直徑152 mm代入式(3)，可得QL=1 421.232 g/m，本研究QL實際取值為1 400 g/m。

同理，可得φ與a的線性關系式：

圖1 σ與QL的線性關系

a=0.767 3φ+4.879 8 .

(4)

將鉆孔直徑152 mm代入式(4)中，可得a=121.5 094 cm，本研究a實際取值為1.2 m。

1.3 預裂炮孔裝藥結構

本研究預裂孔的裝藥結構采用空氣間隔徑向不耦合裝藥方式[5-8]。在預裂炮孔中將3卷乳化炸藥(共6 kg)用寬膠帶捆扎綁緊后置于孔底，起爆藥柱用寬膠帶固定于孔內管上，并按照線裝藥密度1 400 g/m 進行間隔裝藥，上端充填段充填長度為3 m，裝藥結構如圖2所示。

圖2 徑向空氣間隔不耦合裝藥結構

1.4 預裂爆破孔網參數設定

本研究露天礦設計段高為15 m，邊坡角60°，為提升爆破效果，采用分層爆破方式[9-10]。一次爆破段高為7.5 m，其中主炮孔選用阿特拉斯DML型牙輪鉆進行穿孔作業，鉆孔直徑為250 mm，采用乳化炸藥耦合裝藥方式，炸藥密度為1.05 g/cm3，在相同段高及巖性條件下，炮孔裝藥系數為0.5，炸藥單耗為0.6 kg/m3，炮孔密集系數為1.15，經計算得出的底盤抵抗線為6.1 m。炮孔排距取6 m，根據炮孔密集系數計算出的主炮孔間距為7 m，超深取值1 m。預裂孔孔間距為1.2 m，沿著邊坡境界線進行穿孔作業，坡頂線與坡底線的水平間距為4.3 m，遠離坡底線0.7 m布置緩沖孔，因此緩沖孔與預裂孔的排間距為5 m，根據炮孔密集系數得出緩沖孔間距為6 m，炮孔布置平面如圖3所示。

1.5 預裂爆破孔網參數設定

在其他爆破參數固定的條件下，單排孔爆破或多排孔爆破時，第1排孔裝藥量的計算公式為

Qk=qahtWD，

(5)

圖3 炮孔布置示意

式中，q為單位炸藥消耗量，kg/m3；ht為臺階高度，m；WD為底盤抵抗線，m。

經計算得出主炮孔第1排孔的單孔裝藥量為Qk=192.15kg，實際取值為190kg。多孔爆破時，后排孔應取第1排孔單孔藥量的1.1～1.3倍，考慮到最少預留4.5 m填塞高度，后排孔取第1排孔單孔藥量的1.1倍，即后排孔單孔裝藥量為210 kg。正常情況下緩沖孔藥量取值應為主炮孔藥量的50%～60%，為減小緩沖孔爆破沖擊波對固定邊坡的擾動，緩沖孔采用D55潛孔鉆機進行穿孔作業，裝藥結構為孔底30 kg乳化炸藥耦合裝藥，上部裝藥結構為卷裝乳化炸藥12卷，每3卷1組用寬膠帶捆扎后置于孔內，頂部確保3.5 m填塞高度。

1.6 起爆網絡和起爆方式

試驗中預裂爆破設置主炮孔3排、緩沖孔1排、預裂孔1排。考慮到預裂爆破裝藥復雜、作業時間長，每次爆破的預裂長度控制在100 m以內。預裂孔選用導爆索連接起爆網絡，齊發起爆形成預裂縫，起爆時間優先于主炮孔100 ms，主炮孔與緩沖孔采用25 ms微差逐孔起爆方式。

1.7 爆破施工注意點

①預裂爆破須采用清渣爆破方式，減小主炮孔爆破后沖，保證爆破質量；②前排抵抗線可根據情況適當縮小，避免由于抵抗線過大造成后沖對預裂效果產生影響；③導爆索網路連接應考慮爆轟波的傳爆方向,必須確保每條支路的接頭迎著傳爆方向，夾角應大于90°；④導爆索網路在敷設過程中，應避免腳踩和沖擊、碾壓導爆索；⑤保證預裂孔穿孔區域作業面平整，確保鉆孔角度統一，使預裂孔形成于同一個預裂面上。

2 預裂爆破試驗效果

本研究預裂爆破試驗區位于采場西部臨近采場西幫的RSF(CU2)主礦體區域，礦石種類為層狀硅化白云巖，極限抗壓強度約為120 MPa，普氏系數f=12，礦石密度為2.6 5 t/m3，礦石硅化程度較高，巖石完整性較好，可爆性差。嚴格按照本研究設計參數在預裂爆破試驗區域共進行了4次緩沖預裂爆破試驗。爆破后爆堆表面預裂縫較明顯，主炮孔爆堆隆起正常，經采裝作業后，除節理裂隙發育程度較高的部位以外，預裂孔的半孔率達到80%以上，圍巖破壞不明顯，預裂縫連續性較好，邊坡巖體的穩固性得到了充分保護，預裂孔和緩沖孔之間沒有根底，主炮孔大塊率小于1%，采裝效率較高，達到了預期的爆破效果(圖4)。

圖4 爆破效果

3 結 論

(1)在進行預裂爆破方案設計時，應綜合分析礦山地質條件及所爆巖體的主要力學性質和主要參數，在理論分析及經驗公式計算的基礎上，確定預裂孔孔徑、線裝藥密度、孔距，而后通過現場試驗分析爆破效果，進一步驗證預裂爆破參數取值的合理性。

(2)當巖石抗壓強度較高，巖體完整程度較好時，可采用空氣間隔徑向不耦合裝藥預裂爆破技術，爆炸后產生的高壓氣體對孔壁的徑向作用，有利于預裂孔間預裂縫形成，且預裂孔底加強裝藥有利于預裂孔底部的巖石充分致裂和適當破碎。

(3)由底盤抵抗線推算出的主炮孔的孔網參數以及單孔裝藥量，對于爆破施工有較好的指導意義。

參 考 文 獻

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