層理發育軟硬層疊巖體大密集系數爆破技術研究

王桂林,王德勝，魯文岐，喬海平，李 方，陳 浩

(1.國家能源集團準格爾能源有限責任公司，內蒙古 準格爾 010300；2.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083)

1 黑岱溝煤礦巖體特征

黑岱溝露天煤礦的覆蓋巖體為層理發育的各類沉積巖，最上部黃土之下的泥巖、粘土巖及砂巖可用露天臺階松動爆破法剝離。巖體的臺階高15 m，臺階坡面角65°～70°，待松動爆破各類巖體的特征對爆破效果有一定的影響。

1)巖性差異大。巖體中有粉砂巖、頁巖、泥巖和細砂巖等，不僅種類多，巖體結構也從節理、裂隙發育到質地均勻無裂隙。巖石的抗拉、抗壓等物理力學特性差異大，爆破過程中易出現破碎的巖石大小不均勻，尤其臺階頂部致密韌性大的泥巖和底部硬度較大的砂巖中，易出現不合格“大塊”或“根(拉)底”現象，需要采取大密集系數爆破，增大后爆炮孔的有效自由面積，創造更多的自由面數量，改善層理發育、軟弱互層巖體的破碎效果。

2)層理發育、節理構造不均衡且復雜。因為爆破區域各類巖體層理發育、巖層分界明顯，節理裂隙發育差異大。爆破應力波進入這些巖體構造時，能量反射、透射、泄漏嚴重，需加強對節理、裂隙影響爆破效果的探索。采用孔內空氣間隔裝藥均衡爆壓及逐孔起爆等技術，來提高炸藥破巖能量利用率，改善裂隙巖體的爆破效果。

3)軟硬互層巖體的破碎。臺階上部填塞段和臺階底部分別是韌性大、強度高的砂巖和泥巖，中部是軟弱的粘土巖，沿臺階垂直高度上呈現了“上硬、下韌和中部軟”的軟弱互層，似“夾心餅”狀的巖體。為避免排間或炮孔間、臺階底部巖體的不充分破碎，減少不合格巖石大塊產出，現行的爆破技術設計需要改善。為此，基于現場正交試驗，優化此類巖體大密集系數及空氣間隔裝藥爆破技術參數，改善破巖質量，同時也可降低松動爆破成本。

2 大密集系數爆破技術破巖模擬

層(節)理發育、軟弱互層的巖體爆破過程，較均質巖體更為復雜，對裂隙巖體爆破現象進行分析非常困難。數值模擬技術在求解爆炸荷載的超動態問題方面獨有的優勢，對再現爆破過程有著重要價值。為此，可用LS-DYNA 3D模擬大密集系數布孔、逐孔起爆時，同排炮孔間和前后相鄰炮孔間，在爆炸荷載作用下巖石的破壞特性。因為黑岱溝煤礦臺階高度15 m，所以取模型高30 m，底面長30 m、寬24 m。根據炮孔直徑φ250 mm，超深2.0 m，孔距16 m，排距5.0 m，炮孔填塞長度6.5 m，炮孔底部空氣間隔，間隔高度2.0～3.0 m，建立臺階爆破模型(見圖1)。

圖1 深孔臺階爆破模型Fig.1 Deep hole step blasting model

選擇最難爆的泥巖，現場測定巖體的節理、裂隙分布特征，按照霍克—布朗公式修正、取樣、實驗測定巖石力學參數后，獲得其力學性能參數如表1所示。利用現場混裝車，采用礦用車輛廢油加工多孔粒狀銨油炸藥，其性能如表2所示。

表1 修正后被爆破巖體的物理力學參數

表2 黑岱溝露天煤礦現場混裝銨油炸藥的性能參數

1)邊界條件及介質參數。對稱建模，計算時構建1/2模型即可。模型正面為對稱邊界，左面、右面、底面和背面為無反射邊界；臺階的頂面、坡面和底盤處為自由面，并對自由面處的位移進行約束，且自由面的位移和波不加限制。

孔內水深超過孔底間隔高度時裝填乳化炸藥，炮孔的裝藥結構如圖2所示。在計算孔底的空氣間隔裝藥量時，輸入的介質參數如表3所示。

圖2 深孔松動爆破裝藥結構Fig.2 Charge structure of deep-hoe loose blasting

ρ0/(kg·m-3)C0C1C2C3C4C5C6E0/GPaV01.22500000.40.402.5×1051.0

2)模擬結果及分析。在臺階坡底和頂部距離炮孔中心，每隔0.5 m各取1個監測單元，求出各單元應力峰值，考察用底部空氣間隔裝銨油炸藥和乳化炸藥時，被爆巖體中的有效應力發展趨勢(見圖3)。考察結果表明，采用孔底空氣間隔裝乳化和銨油炸藥時，待爆巖體中的有效應力均超過巖石的動態抗拉強度，說明都可以對被爆巖體進行有效破碎。

圖3 大密集系數爆破臺階底部和頂部被爆巖體監測單元的Mises有效應力Fig.3 Mises effective stress of the monitoring unit of the rock mass to be explored at the bottom and top of the step with big dense coefficient

3 爆破方案

現行爆破方案是使用DM-H和CDM 型牙輪鉆機穿鑿垂直炮孔、炸藥混裝車裝填炮孔炸藥和高精度塑料導爆管雷管逐孔起爆技術 ，采用臺階深孔松動爆破對巖體進行剝離。其參數如下：孔徑250 mm，孔、排距為7 m ×10 m， 臺階高15 m，孔深17.5 ～18.0 m，超深2.5～3.0 m。炸藥為現場混裝車配置，無水的干孔裝銨油炸藥，炮孔水深超過1.0 m裝乳化炸藥。以干孔為例，每孔裝藥量516～540 kg，平均單耗為0.40～0.42 kg/m3。

由于現行爆破方案屬常規布孔，在炮孔連續裝藥，炸藥綜合單耗較高的條件下，仍存在軟巖過渡破碎，硬巖破碎塊度不均勻，底部韌性大的巖體時有根(拉)底發生。因此，根據礦區的巖性、構成等實際條件，改進爆破設計方案，確定新的爆破技術參數，用空氣間隔裝藥技術均衡孔內炮轟氣體壓力，延長破巖作用時間，采用大密集系數布孔技術改善巖石破碎效果。

3.1 炮孔布置

采用CDM75牙輪鉆機穿孔，炮孔直徑為250 mm;臺階高15.0 m，炮孔超深2.0 m，炮孔深17.0 m；三角形布置炮孔，炮孔的孔距和排距分別為14.0～15.0 m和5.5～6.0 m，炮孔密集系數為2.5～2.7。

3.2 炮孔的裝藥結構設計

用炸藥混裝車裝填普通多孔粒狀銨油炸藥，密度0.866 g/cm3，爆速2 700～2 800 m/s；為了均衡炮孔壓力，適應黑岱溝煤礦軟硬巖體互層疊置的特點和降低炸藥單耗，采用空氣間隔裝藥結構。現場為了適應混裝車裝藥速度快，避免中部間隔的裝藥停頓和二次裝填起爆彈的繁瑣手續，孔底空氣間隔裝藥的間隔高度為2.0～3.0 m。因為提高整體裝藥高度，便于臺階頂部填塞段致密細砂巖石的有效破碎，所以炮孔填塞長度取6.5 m(見圖2)，單耗0.26～0.29 kg/m3。

3.3 爆區銜接及壓渣問題

為滿足黑岱溝煤礦日剝離超過40萬t的大規模生產需求，必須保證電鏟的挖掘裝載效率，松動爆破現場難以做到清渣。為避免大量壓渣對松動爆堆松散程度的影響，爆破時控制壓渣厚度以不超過15 m為宜。

大范圍的連片穿孔及大規模爆破，可以提高穿孔設備、電鏟和其他礦山大型履帶式設備的作業效率，減少因為避炮造成的無效輔助作業時間，因此合理的爆區規劃是露天礦至關重要的內容。為此，根據現場情況確定松動爆破巖體的后沖、側沖破裂范圍為4.3～5.0 m，爆區的前后和側向分割帶寬度取9.0 m；側向爆區間分割采用大于90°的鈍角，以減小夾制作用，保障銜接處爆破效果，側向分割角度取140°～146°，以保障相鄰爆區的有效銜接(見圖4)。

圖4 爆區布置Fig.4 Arrangement of blasting areas

3.4 延時時間及起爆網路

待爆巖體層理發育，軟硬巖層疊置，采用毫秒延時起爆，使待爆巖體在爆轟壓力的壓縮作用過程中，下一個相鄰的炮孔就被起爆，避免過長時間的延時使已被壓縮閉合的層(節)理，在炸藥爆轟卸載波的作用下重新張開，泄漏爆轟氣體，損失破巖能量。故設計孔間毫秒延時時間為42 ms，排間延時時間為100 ms，采用高精度塑料導爆管雷管逐孔起爆技術，最大限度提高爆破能量對裂隙巖體的破碎和降低爆破振動，起爆網路如圖5所示，深孔松動爆破后巖石破碎效果如圖6所示。

圖5 逐孔起爆網路Fig.5 Hole-by-hole detonation network

圖6 爆破效果Fig.6 Blasting effect

選擇主要影響因素孔距、排距和孔底間隔高度，按三水平正交排列表組織爆破現場正交試驗，爆破后跟蹤統計不合格巖石，試驗獲得的適合黑岱溝煤礦松動爆破的技術參數如表1所示。

表4 黑岱溝露天煤礦裂隙巖體臺階深孔松動爆破技術參數

4 結語

露天煤礦巖體層理發育、不同巖種的力學性能參數差異大，常出現軟硬巖層互相疊置的現象。傳統爆破難以克服不合格巖石大塊率、根(拉)底率較高，炸藥單耗偏高，軟弱巖石過渡破碎，爆破過程及后續鏟裝、運輸粉塵大的困難。黑岱溝露天煤礦大密集系數松動爆破的實踐表明，合理的大密集系數布孔和空氣間隔裝藥技術，不僅可實現層理發育、軟硬疊置巖體良好的破碎效果，經濟效益也很顯著。

1)大密集系數布孔顯著改善了后爆炮孔的自由面條件，增加了后爆孔的自由面積，對于層理發育、裂隙發育差異大的巖體改善破碎效果有重要作用，提高了延米爆破量21%，節省大量穿孔量。

2)空氣間隔裝藥技術均衡炮孔內的爆轟氣體壓力，延長了爆轟氣體的有效破巖時間，對黑岱溝韌性大的泥巖，和類似“夾心餅”狀軟硬疊置層理發育的巖體有效破碎具有重要作用，降低了炸藥單耗25%以上。

3)毫秒延時逐孔起爆技術配合大密集系數布孔技術，改善了軟硬疊置巖體的破碎效果，有效控制了爆破振動等有害效應，為黑岱溝煤礦松軟邊坡維護和50 m高臺階拋擲坡面泄壓小滑體的安全防護創造了有利條件。