逐孔起爆在露天礦生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

李桂艷

（中煤平朔工業(yè)集團(tuán)公司露天工程服務(wù)分公司 ，山西 朔州 036006）

0 引言

在露天礦的生產(chǎn)過(guò)程中，爆破質(zhì)量的好壞對(duì)采掘及運(yùn)輸環(huán)節(jié)具有重要的影響，直接影響著礦井經(jīng)濟(jì)效益的好壞。露天礦進(jìn)行臺(tái)階爆破后，若爆破后的巖石塊度大，則會(huì)增加對(duì)裝載運(yùn)輸設(shè)備的磨損，礦井運(yùn)輸效率低下，嚴(yán)重時(shí)需要采取二次爆破措施，增加了施工的成本。傳統(tǒng)的爆破方式具有：同段位裝藥量大，大的震動(dòng)波對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大；爆破能量利用不完全，爆破后大塊率高；噪聲污染大等缺點(diǎn)。對(duì)現(xiàn)有的排間微差爆破技術(shù)進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)并未取得實(shí)質(zhì)性的效果，而逐孔起爆技術(shù)具有炸藥能量利用率高、震動(dòng)波較小等優(yōu)點(diǎn)，爆破效果良好，技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益顯著，經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)后，逐漸成為我國(guó)露天礦山進(jìn)行臺(tái)階爆破的主要方法。

1 工程背景

某露天礦煤層呈由東向西條帶分布，井田面積約324km2，煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量為23245Mt，井田內(nèi)主要開(kāi)采5號(hào)和6號(hào)煤層，兩層煤分別厚18.16m和36.64m，均為賦存穩(wěn)定的近水平煤層，煤層傾角均小于3°。5號(hào)煤層上部主要為堅(jiān)硬的沙礫巖，而在5號(hào)煤和6號(hào)煤之間為泥巖、粉砂巖和細(xì)砂巖，針對(duì)該部分巖層的剝離主要采用深孔爆破的方法進(jìn)行，采用從自由面開(kāi)始的排間順序微差爆破，該方法在使用過(guò)程中存在巖石碰撞作用差、爆堆寬度大的問(wèn)題。若采用由中間向兩邊的爆破方式，則會(huì)造成中部爆堆集中，高度較大的問(wèn)題，從而影響了鏟運(yùn)作業(yè)的正常進(jìn)行；若加大中間炮孔的裝藥量，則增加了爆破作業(yè)成本；總之采用該方法進(jìn)行爆破作業(yè)，會(huì)造成爆破效率低、巖石大塊率高等確定，因此計(jì)劃采用逐孔起爆技術(shù)來(lái)改良爆破效果。

2 逐孔起爆技術(shù)簡(jiǎn)介

逐孔起爆技術(shù)屬于微差爆破范疇，采用該方法進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，各個(gè)炸藥的爆破是獨(dú)立進(jìn)行的，從起爆點(diǎn)開(kāi)始，延時(shí)一定時(shí)間后逐個(gè)向后傳爆破，如此則后面爆破的炸藥有前面爆破炸藥產(chǎn)生的自由面，爆破應(yīng)力波在新自由面處發(fā)生反射，炸藥產(chǎn)生的爆破能量利用效率高，爆破振動(dòng)減小，爆破的巖石發(fā)生擠壓、碰撞作用，巖石塊度適中，爆破效果良好。

2.1 逐孔起爆網(wǎng)絡(luò)

逐孔起爆網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，圖1中所示數(shù)字為炮孔起爆的先后順序，所有炮孔均按一定的延期時(shí)間順序起爆。大量的工程時(shí)間表明，各爆破孔間的延期時(shí)間為3～8ms/m，排間距的延期時(shí)間為8～15ms/m時(shí)，會(huì)取得最優(yōu)的爆破效果。針對(duì)露天礦的臺(tái)階爆破，需要根據(jù)所要爆破的巖石巖性具體確定延期時(shí)間。當(dāng)爆破工作面的最小抵抗線為6～10m時(shí)，根據(jù)巖石性質(zhì)所確定的最優(yōu)延期時(shí)間為：若巖石為花崗巖等質(zhì)地堅(jiān)硬的巖石，延期時(shí)間通常取15～30ms；若巖石為石灰?guī)r及砂巖等中等堅(jiān)硬的巖石，延期時(shí)間通常取20～46ms；若巖石為泥巖和灰?guī)r等軟弱巖石，延期時(shí)間通常取50～70ms。在露天礦生產(chǎn)中，所采用的起爆網(wǎng)絡(luò)通常有V型、斜線型和三角型這三種，實(shí)際工程應(yīng)用中，均能取得良好的效果。

圖1 逐孔起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.2 逐孔起爆作用原理

以圖1中所示的爆破網(wǎng)絡(luò)為例，對(duì)逐孔起爆作用原理進(jìn)行簡(jiǎn)介。圖中布置了三排炮孔，根據(jù)自由面的數(shù)量和工程地質(zhì)條件來(lái)確定炮孔的起爆順序，延期時(shí)間為毫秒級(jí)，具體過(guò)程如下：

1）首先發(fā)生爆破的炮孔在爆炸應(yīng)力波及爆轟氣體的作用下在圍巖中產(chǎn)生爆破漏斗，因此可以稱為單孔漏斗爆破，在該力的作用下圍巖在主裂隙方向發(fā)生分離。此時(shí)由于炮孔內(nèi)高溫高壓氣體的存在，在爆破漏斗內(nèi)產(chǎn)生了大量的裂隙，但巖層間并未發(fā)生顯著位移。

2）在第一個(gè)炮孔爆破后，在延期雷管的作用下，第二個(gè)炮孔進(jìn)行爆破，由于第一個(gè)炮孔爆破漏斗產(chǎn)生裂隙的存在，為第二個(gè)炮孔起爆時(shí)提供了自由面，此時(shí)的最小抵抗線為第一個(gè)炮孔和第二個(gè)炮孔間的孔間距。與此同時(shí)，爆破的作用方向也發(fā)生了變化，爆破應(yīng)力波作用于自由面上的力也顯著增加，增加了巖石的破碎效果，巖石大塊率明顯降低。

3）逐孔起爆采用毫秒級(jí)延期，先爆破的炮孔所形成的應(yīng)力波還未完全消失，后續(xù)炮孔已發(fā)生爆炸，這樣會(huì)形成爆炸應(yīng)力波的疊加作用，增加了應(yīng)力波對(duì)巖石的破碎時(shí)間，從而使爆破顯著增加。

4）先爆破的炮孔產(chǎn)生的巖石飛散的過(guò)程中，后續(xù)炮孔產(chǎn)生的巖石同樣朝著新的自由面飛散，巖石間會(huì)發(fā)生彼此的碰撞，增加了巖石的破碎效果，且形成的爆堆集中。

5）由于炮孔間起爆的延期時(shí)間為毫秒級(jí)，先后起爆的炮孔會(huì)發(fā)生應(yīng)力波的疊加，為防止爆破威力過(guò)大而對(duì)巖層穩(wěn)定性破壞過(guò)大，則需將地震波的主震相相互避開(kāi)，如圖2所示。

圖2 爆破后形成的地震波

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，采用逐孔起爆方式較傳統(tǒng)起爆方式可將地震效應(yīng)減小30%～70%，由于該方法可以減小爆破振動(dòng)來(lái)來(lái)的危害，有助于提高經(jīng)濟(jì)效益，因而廣泛應(yīng)用于露天礦爆破作業(yè)中。

2.3 逐孔起爆的方法

逐孔起爆主要有：孔內(nèi)延期、孔外接力、孔內(nèi)外聯(lián)合三種方式。孔內(nèi)延期逐孔起爆，該方法通過(guò)炮孔內(nèi)的延期電雷管實(shí)現(xiàn)延期順序起爆，不需采用地表雷管進(jìn)行延期，因而具有爆破網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單、連接容易的特點(diǎn)；孔外接力逐孔起爆，該方法通過(guò)在地表各孔間連接延期電雷管來(lái)實(shí)現(xiàn)延期爆破，而炮孔內(nèi)電雷管的延期時(shí)間相同，因此無(wú)需考慮炮孔內(nèi)雷管段位的區(qū)別，裝藥更加便捷；孔內(nèi)外聯(lián)合逐孔起爆，該方法在各排爆破孔之間連接相應(yīng)段位的地表延期雷管，從而形成孔內(nèi)外的逐孔起爆，在露天礦生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。

2.4 延期時(shí)間的選擇

1）最佳孔間延期時(shí)間。

最佳孔延期時(shí)間采用如經(jīng)驗(yàn)公式（1）來(lái)進(jìn)行：

式中：t為最佳孔延期時(shí)間，ms；Q為炮孔內(nèi)平均裝藥量，kg；Γe為炸藥的密度，g/cm3；Γr為巖層容重，g/cm3；D為炸藥的爆速，m/s；Cr為震動(dòng)波在巖層中的傳播速度，m/s；S為爆破后巖石的飛散距離，mm；V為爆破后巖石的運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

由公式（1）可知，不同種類的炸藥延期時(shí)間也不同，銨油炸藥延期時(shí)間通常取15～47ms，乳化炸藥延期時(shí)間通常取17～65ms，若裝藥量較大，則取值相對(duì)較大，反之亦然。結(jié)合理論分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，當(dāng)孔間延期時(shí)間為3～8ms/m時(shí)，取得最優(yōu)的爆破效果。

2）最佳排間延期時(shí)間。

對(duì)排間延期時(shí)間影響較大的因素有爆破后產(chǎn)生的爆堆形狀及松散度，若排間的延期時(shí)間過(guò)短，則前排爆破的炮孔無(wú)充足的時(shí)間產(chǎn)生貫穿裂隙，即無(wú)法為后排起爆的炮孔產(chǎn)生自由面，則后排起爆的炮孔發(fā)生擠壓作用，導(dǎo)致爆破后巖層的松散度差；若排間的延期時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則前排爆破的產(chǎn)生的巖石已經(jīng)停止運(yùn)動(dòng)，前后兩排炮孔的應(yīng)力相互疊加作用減弱，造成爆破效果不佳，最佳的排間延期時(shí)間可用經(jīng)驗(yàn)公式（2）計(jì)算；

式中：t0為最佳排間延期時(shí)間，ms；S0為炮孔排間距，m；H0為爆破后巖石的最大運(yùn)動(dòng)高度，m；V1為炮孔堵塞段運(yùn)動(dòng)速度，m/s；V2為炮孔巖石的運(yùn)動(dòng)速度，m/s

由公式（2）可知，若炮孔直徑相對(duì)較大則取大值，反之亦然。結(jié)合理論分析及現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間，當(dāng)排間延期時(shí)間為8～15ms時(shí)，取得最優(yōu)的爆破效果。

3 工程應(yīng)用

針對(duì)該露天礦的工程實(shí)際情況，決定采取逐孔起爆的深孔爆破方式。以該礦5號(hào)煤上的沙礫巖為例進(jìn)行爆破參數(shù)設(shè)計(jì)。露天礦臺(tái)階高度的大小取決于鉆孔的深度，爆破效果及運(yùn)輸安全等因素，通常取值為10～20m，結(jié)合該礦生產(chǎn)實(shí)際，最終確定臺(tái)階高度為15m；炮孔直徑主要受鉆機(jī)型號(hào)、臺(tái)階作業(yè)高度及巖層性質(zhì)等因素的影響，最終確定孔徑為150mm，垂直布置鉆孔；鉆孔深度與臺(tái)階高度及巖層性質(zhì)有關(guān)，為增大對(duì)臺(tái)階底部巖層的爆破作用，在臺(tái)階高度15m的基礎(chǔ)上，鉆孔超深1.5m，最終取孔深16.5m。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，底盤抵抗線通常為炮孔直徑的20～50倍，因此選取炮孔直徑為8m；孔間距和孔排距的選取與最小抵抗線有關(guān)，綜合確定炮孔間距為9m，炮孔排距為5.5m；臺(tái)階坡面角與臺(tái)階巖石硬度有關(guān)，根據(jù)該礦生產(chǎn)實(shí)際，選取坡面角為70°；炮孔堵塞長(zhǎng)度根據(jù)炮孔直徑取值為6m；炸藥單耗為0.22kg/m3；該礦臺(tái)階爆破時(shí)，第一排炮孔內(nèi)裝藥量取237.6kg，第二排及之后炮孔內(nèi)裝藥量取179.6kg；為保證傳爆效果的可靠性，選用三角型逐孔起爆網(wǎng)絡(luò)，地表孔間延期時(shí)間取42ms，排間延期時(shí)間取65ms；最終確定的爆破網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

4 效果分析

采用逐孔起爆方式，巖石爆破后大塊率基本維持在3.07%左右，而傳統(tǒng)爆破方法大塊率可達(dá)到4.52%，同比降低1.45%，爆破效果得到明顯改善。爆破后大塊率降低，不僅減少了二次爆破的成本，同時(shí)提高了裝巖的效率，綜合生產(chǎn)成本減少了0.2元/m3，按年爆破巖石2000萬(wàn)m3計(jì)算，則可節(jié)約成本400余萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

圖3 三角型逐孔起爆網(wǎng)絡(luò)

5 結(jié)論

1）針對(duì)傳統(tǒng)爆破方式的不足，對(duì)逐孔起爆技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，結(jié)合該露天礦生產(chǎn)實(shí)踐確定了相關(guān)爆破參數(shù)。

2）通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益顯著，爆破后巖石大塊率降低了1.45%，實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約400余萬(wàn)元。