不同孔徑導向孔在研山鐵礦BHPO預裂爆破中的應用

劉小偉 周 蒙 王洪輝

(河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司)

司家營研山鐵礦為河北鋼鐵集團礦業公司下屬特大型礦山企業，其中露天礦年采剝總量超8 000萬t，選用KY-310牙輪鉆機穿孔，選用WK-20B電鏟采裝，-67 m以下設計臺階高度15 m，炮孔直徑大于50 mm、孔深大于5 m，為標準的深孔爆破，穿孔設備和鏟運設備大型化極大地提高了生產率，但是由于炮孔孔徑較大一次爆破用藥量較多，給邊坡穩定性帶來巨大的影響[1]。司家營礦區本著安全第一綠色先行的態度，針對礦區特殊的地質構造，組建邊坡爆破施工技術小組，根據不同的導向孔孔徑確定出最適合司家營礦區的預裂爆破參數。

1 工程試驗

結合司家營礦區的現有邊坡靠界狀況，選取北邊坡-18 m位置進行不同孔徑導向孔工程試驗，根據礦山現有鉆機型號，選取D120、D150、D200孔徑潛孔鉆分別進行工程試驗，分析每種孔徑導向孔爆破后形成的預裂面平整度和穩固性及爆破震動影響，總結出最適合礦山靠界邊坡的爆破方案。考慮炮孔孔徑越小爆破后邊坡越穩定的特點，本次試驗裝藥炮孔最終選取D120孔徑潛孔鉆，本次試驗的具體預裂爆破參數如表1所示。

表1 預裂孔參數

1.1 試驗方案

司家營北區分公司爆破作業區經過多次爆破實踐，根據礦山設計臺階高度15 m鉆孔角度65°計算得出炮孔孔深L=15/sin65°≈16 m。當預裂孔孔徑D=120 mm時，炮孔孔間距L′=(7～12)D≈(0.84～1.44)m，本次試驗L′取1.2 m。藥卷采用該礦山長期使用的φ32 mm乳膠炸藥，根據礦山多次爆破實踐總結，堵塞長度N=(1.5～2.0)D=(1.8～2.4)m，由于礦山周邊村莊較多，爆破施工條件復雜，所以堵塞長度一般取最大值，即N=2.4 m。當該礦山采用上述預裂參數時，爆破效果良好，施工進度也明顯加快[2]。

線裝藥密度一般根據巖體的軟弱程度而定，即巖體較硬選大值，巖體較軟選小值，本次試驗線裝藥密度M控制在(0.4～0.6)kg/m。一般情況下由于預裂孔孔底夾制作用較大，線裝藥密度Md一般取正常線裝藥密度M的2～3倍，試驗選取1.6 kg/m。而接近孔口位置由于夾制作用較小，線裝藥密度Mk一般取正常線裝藥密度M的0.4～0.6倍，試驗選取0.2 kg/m。不耦合系數S的取值一般根據炮孔直徑與藥卷直徑之比來確定，所以本次試驗不耦合系數S=D/φ=120/32=3.75,預裂孔爆破參數都已經確定，下面根據不同孔徑的導向孔分別開展爆破試驗。

導向孔的應用機理主要是，利用預裂孔與導向孔穿鑿時產生的細小裂隙，在預裂孔爆炸壓力的作用下，延著裂隙方向開裂的過程[3]，達到預期爆破效果的目的。圖1～圖3分別為D120、D150、D200導向孔在預裂爆破應用中的平面布置圖。

圖1 D120導向孔平面(單位：m)

圖2 D150導向孔平面(單位：m)

圖3 D200導向孔平面(單位：m)

1.2 試驗效果

(1)D120導向孔爆區，導向孔7個,預裂孔8個,共15個炮孔。爆破后預裂孔處巖石破碎度較高半壁痕不明顯，而導向孔位置半壁痕較為顯著，平均半壁痕率可以達到50%并且巖石整體性完好，最長半壁痕長度為8 m，半壁痕連續性比較差。

(2)D150導向孔爆區，導向孔7個，預裂孔8個，共15個炮孔。爆破后預裂孔處巖石破碎度較高半壁痕不明顯，而導向孔位置半壁痕較為顯著，平均半壁痕率可以達到60%并且巖石整體性完好，最長半壁痕長度為10 m，半壁痕連續性一般。

(3)D200導向孔爆區，導向孔7個，預裂孔8個，共15個炮孔。爆破后預裂孔處巖石破碎度較高半壁痕不明顯，而導向孔位置半壁痕較為顯著，平均半壁痕率可以達到65%并且巖石整體性完好，最長半壁痕長度為炮孔孔深16 m，半壁痕連續性較好。

1.3 試驗結論

在節理裂隙發育較為明顯的巖體中，為了能更好地保護邊坡的穩定性，避免發生邊坡超挖或者欠挖現象的發生，如何選擇導向孔孔徑至關重要。導向孔在鉆機鉆鑿過程中炮孔周邊均產生裂隙，但是在預裂孔爆炸瞬間，爆生氣體沿導向孔自由面的方向擴展，使導向孔和預裂孔之間的裂隙優先開裂成型，而導向孔孔徑越大裂隙也就越多，在爆生氣體作用下開裂的越快也越完整。導向孔孔徑越大預裂爆破后效果越好，但根據礦山作業場地的特殊情況，最大只能選取D200潛孔鉆進行邊坡穿孔作業，無法選取更大的鉆機進行邊坡靠界穿孔作業。

2 震動分析

預裂爆破效果主要從2個方面去評定：一是爆破后巖體的平整度與穩定性，二是預裂爆破時產生的沖擊波與地震波。巖體的平整度與穩定性可以從后續的開挖效果來評定，而沖擊波與地震波只能從爆破危害程度方面來界定。該礦山之前采用高精度導爆管雷管與導爆索聯合進行邊坡預裂爆破，置于孔外的導爆索起爆時產生了巨大的沖擊波，非常不利于礦山周邊居民較多的環境特點。現在礦山采用數碼電子雷管和導爆索聯合進行預裂爆破，將導爆索置于孔內3 m以下并進行填塞，爆破時基本無任何聲響，取得了較好的社會效益和經濟效益[4]。但是邊坡爆破震動的影響一直沒有較好的解決方案。這次BHPO預裂爆破法導向孔的應用，主要是為了解決巖體平整度與地震波對預裂爆破效果的影響問題。下面根據不同孔徑導向孔，爆破時產生的爆破震動波形來圈定最合理的導向孔孔徑。圖4～圖6分別為D120、D150、D200導向孔在預裂爆破時產生的震動波形圖。

圖4 D120導向孔震動波形(峰值1.12 mm/s)

2.1 D120導向孔震動波形圖

爆破震動對周圍建筑物破壞性較大的主要是縱波，所以通常根據縱波的大小來判定爆破震動的大小，圖4中一共包含4種波形，這4種波都是縱波，根據質點震動的軌跡可以看出，大約在0.307 2 s時，CH3質點震動速度達到最大1.12 mm/s，對周圍建筑物破壞程度達到最大值。

2.2 D150導向孔震動波形圖

圖5中根據質點震動的軌跡可以看出，大約在0.051 2 s時，CH1質點震動速度達到最大0.86 mm/s，對周圍建筑物破壞程度達到最大值。

圖5 D150導向孔震動波形(峰值0.86 mm/s)

圖6 D200導向孔震動波形(峰值0.58 mm/s)

2.3 D200導向孔震動波形圖

根據圖6中質點震動的軌跡可以看出，大約在爆破瞬間，CH1質點震動速度達到最大0.58 mm/s，對周圍建筑物破壞程度達到最大值。

2.4 導向孔震動分析

預裂炮孔參數不變的情況下，根據不同孔徑的導向孔爆炸時產生的震動波形圖可以看出，導向孔孔徑越大爆破震動波越小，其主要原因是導向孔孔徑越大預裂孔的自由面就越大，爆炸時能量受阻就越小，所以爆破時產生的震動波就越小。爆炸能量得到充分利用后使預裂面易于形成，同時爆破震動也適當減小，因此D200導向孔在該礦提高預裂爆破效果和降震方面具有重要工程意義[5]。圖7為不同孔徑導向孔質點震動速度，圖8為不同孔徑導向孔半壁孔率。

根據圖7和圖8可以看出，利用導向孔進行預裂爆破時，導向孔孔徑越大爆破質點振動速度越小,半壁孔率越高，所以為了得到更好的爆破效果，在導向孔預裂爆破中，導向孔孔徑越大爆破時預裂效果越好,爆破震動也越小。

圖7 不同孔徑導向孔質點震動速度

圖8 不同孔徑導向孔半壁孔率

3 結 論

(1)根據3種孔徑導向孔在爆破后，整體預裂面的半壁痕率可以看出，孔徑越大爆破后巖體整體性越好，半壁痕長度越長連續性越好，所以針對司家營礦區北邊坡的地質狀況，最終采用D200導向孔進行邊坡控制爆破效果最好。

(2)從導向孔在降震方面的試驗結果可以看出，導向孔孔徑越大炮孔自由面就越大，爆破時震動能量受阻就越小，給外界帶來的爆破震動就越小，給該公司帶來了較好的社會和經濟效益。

(3)結合不同孔徑導向孔在司家營礦區的應用，經過長時間試驗和總結，已經摸索出一套非常適合該礦區的爆破技術參數。該礦區爆破技術團隊會繼續努力不斷進步，把爆破技術團隊打造成技術領先、行業一流的團隊。