露天礦山無導爆索光面爆破技術的研究

2020-10-30 03:36:20唐喜明

水泥技術 2020年5期

唐喜明

1 引言

露天礦山的邊坡穩定性管理一直是礦山管理中的一項重要工作。影響露天礦山邊坡穩定性的因素有很多，除礦體的賦存條件、圍巖的物理力學性質、工程地質和水文地質等自然影響因素外，還有采剝工藝、開采程序和生產爆破等人為影響因素。在人為影響因素中，臨近最終邊坡的爆破作業對邊坡穩定性的影響尤為重要。實踐表明，降低爆破振動對最終邊坡的不良影響，對提高邊坡穩定性、減少邊坡的維護費用、提升礦山形象至關重要。

降低爆破振動的方法主要為光面（或預裂）控制爆破法。但在礦山開采過程中，受廠家生產時間、訂貨量、保質期等因素影響，經常會出現庫存無導爆索，最終無法采用光面爆破的情況，導致不得不采用一般的爆破方法，致使邊坡受到不同程度的破壞，造成超挖或圍巖強度、穩定性降低，帶來安全隱患。為解決上述問題，本文針對在無導爆索的情況下，如何實施光面爆破進行了研究。

2 光面爆破工作原理及特點

2.1 光面爆破的實施步驟

沿露天礦山的開采邊界布置一排密集炮孔，采用線性不耦合裝藥結構，在主爆區起爆之后，通過導爆索實現光面爆破孔由孔口向孔底起爆。利用爆炸應力波的導向作用及爆生氣體的擴縫作用使爆破裂隙沿設計的開挖邊界形成平整坡面。

2.2 光面爆破孔的形成

爆炸應力波由炮孔向四周傳播，在孔壁及炮孔連線方向出現裂縫，隨后在爆炸氣體作用下，使原裂縫延伸擴大，最后形成平整的開裂面。

2.3 預裂成縫機理

預裂成縫包括應力波的作用過程和高壓氣體的作用過程，兩個過程有先后，但又連續不可分割。

（1）應力波作用過程

預裂成縫第一個過程是應力波的作用過程，當應力波從孔壁向四周傳開后，產生切向拉應力，當拉應力超過巖石的抗拉強度時巖石破裂。最初的裂縫出現在炮孔壁向外的短距離內，如果應力波在兩孔之間能夠發生疊加，那么，在此區段內，合成拉應力也能使巖石產生裂縫。這些裂縫給預裂面的形成創造了有利的導向條件。

（2）高壓氣體作用過程

爆炸高壓氣體緊接著應力波作用到孔壁上，它的作用時間比應力波要長得多。炮孔周圍形成準靜態的應力場，相鄰炮孔相互作用，并相互位于應力場中。孔中連線方向產生很大的拉應力，孔壁兩側產生拉應力集中。如果孔的間距很近，則炮孔之間連線兩側全部是拉應力區，并達到足以拉斷巖石的程度。爆炸氣體作用是預裂縫最終形成的基本條件，起著主導的作用。

2.4 光面爆破的主要特點

（1）巖石的抗拉強度比抗壓強度小得多，光面爆破利用巖石抗拉強度低的性質，充分發揮炸藥爆炸拉應力作用，使光爆層巖石產生一定程度的破碎。

（2）光面爆破炮孔為弱裝藥，其爆炸能量主要形成光爆面和抵抗線方向剪切面，不足以對光爆層巖石進行有效破碎。但由于底部夾制作用大，需在底部進行加強裝藥。

2.5 導爆索作用

通過上述原理分析，光面爆破所使用的導爆索的作用主要是實現空氣間隔，控制藥量，實現孔內乳化炸藥逐節起爆，從而可實現應力波在孔內的不斷疊加。

基于此，在光面爆破作用機理下，在無導爆索的情況下，可以通過采用竹片綁扎乳化炸藥、孔內毫秒延期導爆管雷管起爆，實現光面控制爆破。

3 無導爆索光面爆破的主要參數選擇

無導爆索光面爆破技術相應的爆破參數與傳統的導爆索光面爆破參數的選擇基本一致，但仍需根據多次的爆破試驗不斷調整選定的參數，形成有效的PDCA循環，以保證光面爆破邊坡的成型質量，確保邊坡安全。本文僅針對無導爆索光面爆破的主要參數進行描述。

3.1 最小抵抗線

式中：

Wmin——光爆孔最小抵抗線

d——炮孔直徑（與主爆孔直徑一致）

3.2 孔距

3.3 不耦合系數與裝藥量

（1）不耦合系數

光面爆破實施效果的好壞，影響因素為不耦合系數的選取。不耦合系數是指炮孔直徑與裝入炮孔的藥包直徑的比值，不耦合系數選取合理，則光面爆破效果好。當不耦合系數為1時，藥包的爆轟波可直接傳遞給巖石，且效率最大；當不耦合系數增大時，炮孔直徑大于藥包直徑，藥包四周存在空隙，從而降低了爆炸的峰壓，進而降低或避免了過度粉碎巖石，也使爆壓作用時間增長，提高了爆破能量利用率。光面爆破正是利用此規律而得以實現，光面爆破的不耦合系數一般取2～4，結合實際，一般采用120mm或140mm孔徑炮孔，配合使用32mm、50mm、60mm乳化炸藥藥卷，使不耦合系數符合設計要求。

（2）裝藥量

石灰石礦山巖石堅固性系數f=8左右，光面爆破單耗q=0.19～0.38kg/m3，通過光面爆破試驗，根據邊坡成型質量等因素選取具體的、合理的單耗值，從而計算出光面爆破單孔藥量。但光面爆破孔自孔底至孔口，由于各個區域所受的夾制作用有所區別，該作用自孔底至孔口逐步減少，因此光面爆破線裝藥密度分為藥量加強段、藥量減弱段。一般來說，線裝藥密度按照底部1～2m區域藥量加強，單耗是正常區域的2倍，在接近孔口區域，線裝藥密度是正常區域的1/2～1/3，具體長度根據爆破試驗效果調整。

需要說明的是，雖然采用無導爆索的裝藥結構，但其裝藥量的計算方式與采用導爆索的光面爆破裝藥量計算方式一致。

4 無導爆索裝藥施工方法

采用導爆索裝藥結構的光面爆破，其起爆方向為從孔口向孔底起爆的正向起爆方式；無導爆索光面爆破是反向起爆的方式，其施工方法如下：

根據上述計算的孔內藥量，將炸藥與提前加工好的竹片按照設計要求進行綁扎，并將導爆管雷管置于底部，實現孔內連續裝藥，如裝藥高度過低時，可采用空氣間隔裝藥。綁扎完畢后，兩人操作，將竹片與炸藥放入炮孔內，并在孔口固定，后與主爆區起爆網絡連接，實現起爆。

采用此種裝藥結構時，光爆孔內、光爆孔之間不宜再分段，宜采用同一段位，相鄰兩孔同時起爆后，不僅兩孔周圍各自形成一個應力場，而且在炮孔之間的連心面上，應力波發生疊加，形成應力加強帶。當巖石介質所受到的切向拉應力大于巖石的極限抗拉強度時，沿兩孔連心面形成貫穿裂縫，從而實現光面爆破。也正因為如此，需控制爆破規模，若同時起爆的光面爆破孔數過多，爆破振動過大，則巖體的破壞程度也會隨之增加，不利于邊坡保護。

5 無導爆索光面爆破應用實例

廣東省某大型露天礦山日產礦石3.5萬噸，礦山開采深度大，邊坡線較長，目前已暴露出的固定邊坡尚有1 000多米沒有處理。雖然當地火工材料供應能提供導爆索，但其訂貨周期為一個月，且一次訂貨量需40 000m。因受導爆索供貨影響，采用導爆索結構的光面爆破技術存在困難，而采用一般的爆破方法會使邊坡受到不同程度的破壞，降低圍巖的穩定性，為以后的凹陷深部開采帶來安全隱患。

隨著剝離、開采的不斷深入，邊坡處理在爆破作業中占比越來越大，為了有效控制邊坡的穩定性，該礦山結合實際，采用毫秒延期導爆管雷管替代導爆索的無導爆索的光面爆破技術。通過試爆，不斷優化爆破參數，取得了較好的效果，并總結出一套經驗數據，為邊坡處理提供了較好的依據。其相應的光爆參數如下：

5.1 孔徑d

根據礦山實際，選用孔徑d=120mm。

5.2 孔距a

光面爆破的實質是使炮孔之間產生貫通裂縫，以沿著設計開挖輪廓線形成規整的斷裂面，因此孔距對形成貫通裂縫有著非常重要的作用。孔距的大小主要取決于圍巖巖性、節理裂隙發育程度、炸藥的性質、不耦合系數和光爆層厚度，可按式（1）計算：

一般情況下，圍巖堅硬完整，巖石的抗拉強度則相對較低，孔距可適當加大；反之，孔距相應較小。孔距a比抵抗線小或相等時，光爆效果才能較好地實現。在本實例中，通過試爆，選定的光爆孔孔距為1.5m。

5.3 最小抵抗線

對于光面爆破，最小抵抗線即為光爆層的厚度，可通過炮孔密集系數m來確定。m=a/W，一般取m=0.8～1.0，具體應根據工程試驗經驗確定。當巖石性質、地質構造等條件發生變化時，m值應做相應的調整，最終應通過現場的爆破試驗確定。在本實例中，取Wmin=2m。

5.4 孔深L

炮孔布置如圖1所示，裝藥結構如圖2所示。

5.5 單孔裝藥量計算

式中，q為炸藥單耗，根據爆破試驗，該礦山的裝藥單耗q=0.38kg/m3，單孔藥量Q=18.81kg，按照藥卷裝箱規格修正后的單孔裝藥量為19.2kg。

5.6 裝藥結構

光爆孔采用不耦合裝藥結構。在爆破試驗中，先選用不耦合系數K為2.5，在孔壁區域產生過粉碎，半孔率低。后配合使用60mm、32mm乳化炸藥藥卷，增大不耦合系數，調整為K=120/32=3.75。為了克服炮孔底部的阻力，經試驗，在底部1.6m的區域，將60mm、32mm乳化炸藥藥卷以雙捆的形式綁扎在竹片上，剩余長度采用32mm乳化炸藥藥卷以單捆的形式綁扎在竹片上。具體裝藥量計算、裝藥結構見表1、圖3。

5.7 起爆網絡

采用一次分段延期起爆法，光面爆破孔與主爆孔采用毫秒延期雷管同次分段起爆。主爆孔采用1段毫秒延期導爆管雷管，光面爆破孔采用6段毫秒延期導爆管雷管，確保光面爆破孔延后主爆孔150～200ms起爆。由于光面爆破孔藥柱較長，為確保光面爆破孔的爆破質量，每個光面爆破孔采用3發導爆管雷管，分別置于底部、中部、孔口段。