預(yù)裂爆破技術(shù)在昆陽(yáng)磷礦的應(yīng)用研究

何勤理 王智能 廖永波

（云南磷化集團(tuán)有限公司研發(fā)中心）

昆陽(yáng)磷礦經(jīng)過(guò)50 多年露天開(kāi)采，一采區(qū)已階段閉坑，二、三、四采區(qū)作業(yè)面逐步接近工業(yè)設(shè)施及終了邊坡，尤其是三采區(qū)西采場(chǎng)作業(yè)面距離修理廠房較近。爆破振動(dòng)對(duì)工業(yè)設(shè)施和邊坡穩(wěn)定性影響越來(lái)越大，搬遷廠房難度大、成本高，采用預(yù)裂爆破來(lái)解決爆破振動(dòng)問(wèn)題勢(shì)在必行。傳統(tǒng)預(yù)裂爆破要求預(yù)裂孔布置密集，鉆孔數(shù)量多，鉆孔周期長(zhǎng)，且公司內(nèi)部沒(méi)有小孔徑鉆機(jī)，以往進(jìn)行預(yù)裂爆破時(shí)需要外租小孔徑鉆機(jī)。由于巖層裂隙比較發(fā)育，風(fēng)化程度較高，導(dǎo)致小孔徑鉆孔成孔質(zhì)量差，時(shí)有堵孔現(xiàn)象發(fā)生。因此，穿孔、爆破速度往往跟不上采裝速度，預(yù)裂減震效果不明顯，對(duì)生產(chǎn)影響較大。基于上述原因，昆陽(yáng)磷礦集中采礦技術(shù)力量，在三采區(qū)西采場(chǎng)進(jìn)行大孔徑大孔距預(yù)裂爆破實(shí)踐。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

昆陽(yáng)磷礦三采區(qū)西采場(chǎng)內(nèi)無(wú)大的地質(zhì)構(gòu)造，表層巖石為砂頁(yè)巖，層理、片理發(fā)育，厚層狀，風(fēng)化后為扁平小塊，巖石的普氏硬度系數(shù)f=6～7，屬半堅(jiān)硬巖層。礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的斷裂構(gòu)造僅2 條，且規(guī)模較小，均為正斷層，走向?yàn)槟蠔|—北西向，傾角70°左右。

礦區(qū)地形北高南低，北東高，南西低，最高標(biāo)高為礦區(qū)北部的礦界邊緣，為2 335 m，最低標(biāo)高為礦區(qū)南西部礦界附近沖溝，為1 938.7 m。礦區(qū)屬二街富水區(qū)，處于地下水的補(bǔ)給徑流帶，地表、地下水向南部、西部、南西部排泄迅速。巖礦層走向南西-北東，為一傾向南東的單斜礦體，傾角一般為15°～20°，大部分在礦區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面以上。

1.2 周圍環(huán)境

三采區(qū)西采場(chǎng)處于35#～41#勘探線，長(zhǎng)600 m，現(xiàn)在作業(yè)區(qū)域?qū)捈s200 m。采場(chǎng)北部為采空區(qū)內(nèi)排土場(chǎng)，東部為三采區(qū)東采場(chǎng)，西部為四采區(qū)東采場(chǎng)，東西部均無(wú)建（構(gòu)）筑物，南部為采剝車間修理廠房和辦公室。修理廠房?jī)?nèi)有行吊等重要設(shè)備，與采場(chǎng)頂部作業(yè)臺(tái)階直線距離僅50 m左右。

1.3 開(kāi)采現(xiàn)狀

三采區(qū)西采場(chǎng)目前最低已采至2 100 m 水平，采場(chǎng)最高標(biāo)高為修理廠所處位置，約為2 160 m。

2 預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計(jì)包括預(yù)裂孔孔距和排距、預(yù)裂孔距到邊坡的頂距、預(yù)裂孔線裝藥密度、預(yù)裂孔單孔藥量以及不耦合系數(shù)等。

2.1 不耦合系數(shù)Kc

作用于炮孔的準(zhǔn)靜壓力為P1′，爆生氣體質(zhì)點(diǎn)高速碰撞孔壁所引起的增壓為P2′，作用于炮孔內(nèi)的靜態(tài)壓力為P1，作用于孔壁上的沖擊壓力為P2，作用于炮孔周圍巖石的綜合壓力為P′，作用于孔壁上的實(shí)際壓力為P。一般認(rèn)為P′在炮孔周圍產(chǎn)生初始裂紋，P1′作用下使裂紋得到進(jìn)一步擴(kuò)展，從而在2孔間形成預(yù)裂縫［1］。各量值的計(jì)算方法如下：

式中，Pk為臨近壓力，200 MPa；ρo為炸藥的密度，取1.10 g/cm3；K為炸藥的等熵絕熱指數(shù)，取3；r為空氣的等熵絕熱指數(shù)，取1.3；Kf為壓力增大系數(shù)，1.1～1.2，取1.2；Po為爆生氣體的初始平均壓力，按Po=0.1ρoD2/［2（k+1）g］計(jì)算，式中，D為炸藥爆速，昆陽(yáng)磷礦采用的巖石乳化炸藥D≥4 000 m/s；qv為炮孔體積裝藥密度，按qv=Q/［0.25πd2H］計(jì)算，式中，d為預(yù)裂鉆孔直徑，取152 mm，Q為預(yù)裂單孔裝藥量，設(shè)計(jì)取20 kg；H為預(yù)裂孔的孔深，設(shè)計(jì)取11.5 m。

根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算，Po=15 342 MPa，qv=0.12 g/cm3，P1′=71.8 MPa，P2′=42.3 MPa，P′=114.1 MPa，P=136.92 MPa，P1=86.16 MPa。

對(duì)于預(yù)裂爆破，要保證孔壁不出現(xiàn)壓碎，應(yīng)滿足

式中，σc為巖石的極限抗壓強(qiáng)度，根據(jù)以往地質(zhì)資料，取142.5 MPa。

同時(shí)應(yīng)在炮孔周圍能形成一定數(shù)量的微小裂紋，才能形成預(yù)裂縫，應(yīng)滿足

式中，σtd為巖石的動(dòng)抗壓強(qiáng)度，一般為抗拉強(qiáng)度σt的1.3～1.5 倍，根據(jù)以往地質(zhì)資料，σt=8.5 MPa，則σtd=11.05～12.75 MPa。

式（1）～式（8）聯(lián)立推導(dǎo)出如下不等式組

把各個(gè)參數(shù)代入式（9）中，求解得3.42≤Kc≤4.68。

2.2 線裝藥密度

線裝藥密度q1按下式計(jì)算

式中，r為炮孔半徑，為76 mm；當(dāng)Kc=3.42 時(shí)，q1=2.0 kg/m；當(dāng)Kc=4.68 時(shí)，q1=0.8 kg/m，所以取q1=0.8～2.0 kg/m。

2.3 炮孔間距ay

炮孔中初始裂紋半徑ro為

初始裂紋形成后，將在靜態(tài)壓力作用下進(jìn)一步擴(kuò)展，使裂紋貫穿的必要條件是P1×2r=（a-2ro）×［σt］，即預(yù)裂爆破孔間距為

式中，Ks為修正系數(shù)，取1.5。

當(dāng)σtd=11.05 MPa 時(shí)，ay=3.10 m；當(dāng)σtd=12.75 MPa時(shí)，ay=3.05 m；預(yù)裂孔距ay取3.0 m。

2.4 預(yù)裂孔排距by

根據(jù)預(yù)裂孔排距計(jì)算公式

計(jì)算得by=4.5 m。

2.5 預(yù)裂孔距邊坡境界線的頂距bd

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式

式中，bd為預(yù)裂孔距邊坡境界線的頂距，m；H為臺(tái)階高度，m；α為臺(tái)階坡面角75°。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得bd=2.14 m，取3.0 m。

2.6 預(yù)裂孔單孔裝藥量Q

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式

式中，q1為預(yù)裂孔線裝藥密度，取2.0 kg/m；L為預(yù)裂孔深度，m。計(jì)算得Q=23.0 kg。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，預(yù)裂孔參數(shù)選取值見(jiàn)表1所示。

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2.7 主爆區(qū)和緩沖排參數(shù)選取

主爆區(qū)采用孔徑為200 mm 的牙輪鉆機(jī)進(jìn)行穿孔，緩沖孔采用孔徑152 mm 的TITON-500 型液壓鉆機(jī)進(jìn)行穿孔，臺(tái)階高度為10 m。

2.7.1 主爆區(qū)參數(shù)選取

底盤抵抗線W計(jì)算公式為

式中，H為臺(tái)階高度，m。計(jì)算得W=6～9 m，取6 m；炮孔深度L計(jì)算公式為

超深h計(jì)算公式為

式中，H為臺(tái)階高度，取10 m；h=（1.0～1.5）m，取1.5 m；所以，L=11.5 m。

孔距a按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算［2］

計(jì)算得a=4.8～12.0 m，取6.5 m。

排距b按經(jīng)驗(yàn)計(jì)算

計(jì)算得b=4.8～9.0 m，取6.5 m。

主炮孔單孔裝藥量Q計(jì)算公式為

式中，q為單孔裝藥量，取0.41 kg/m3；計(jì)算得Q=173.23 kg，取170 kg。

主炮孔爆破參數(shù)詳見(jiàn)表2。

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2.7.2 緩沖排參數(shù)選取

根據(jù)緩沖孔孔距ah、排距bh［3］計(jì)算公式，ah=（0.7～0.85）a=4.55～5.53 m，取5.0 m；bh=（0.7～0.95）b=4.55～6.18 m，取5.0 m。

緩沖孔單孔裝藥量計(jì)算公式

計(jì)算得緩沖孔單孔裝藥量Qh=87.5 kg。

各爆區(qū)炮孔爆破參數(shù)匯總見(jiàn)表3。

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3 大孔徑寬孔距預(yù)裂爆破的試驗(yàn)方案

通過(guò)上述理論計(jì)算，在三采區(qū)西采場(chǎng)進(jìn)行預(yù)裂爆破試驗(yàn)。

3.1 鉆孔布置

主爆區(qū)鉆孔設(shè)備為牙輪鉆機(jī)，緩沖排和預(yù)裂排鉆孔設(shè)備為湯姆洛克TITON-500 型潛孔鉆機(jī)，主爆孔孔徑為200 mm，預(yù)裂孔和緩沖孔孔徑為152 mm，孔網(wǎng)參數(shù)按照設(shè)計(jì)施工，孔位原則上不允許有偏差，若因地質(zhì)條件影響成孔而調(diào)整孔位時(shí)，由爆破設(shè)計(jì)人員計(jì)算后重新確定，后面的主爆孔和緩沖孔同理。預(yù)裂孔的布孔長(zhǎng)度要長(zhǎng)于爆區(qū)兩端各1～3 m，根據(jù)地形條件可靈活選取，預(yù)裂爆破的鉆孔布置見(jiàn)圖1［4］。

3.2 裝 藥

將藥卷與導(dǎo)爆索綁在竹片上，形成藥串，達(dá)到設(shè)計(jì)的不耦合系數(shù)和線裝藥密度，再將藥串放入預(yù)裂孔內(nèi)［5］。緩沖孔、主爆孔爆區(qū)條件較好，采用混裝多孔車裝藥，能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模爆破高效施工。炮孔裝藥見(jiàn)圖2。

3.3 裝藥結(jié)構(gòu)

主爆孔和緩沖孔采用多孔混裝炸藥連續(xù)裝藥和間隔裝藥結(jié)構(gòu)，預(yù)裂孔采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。預(yù)裂孔、緩沖孔、主炮孔裝藥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3［6］。

3.4 起爆網(wǎng)絡(luò)

為了達(dá)到預(yù)裂的目的，預(yù)裂孔超前主爆孔1 000 ms 起爆。預(yù)裂孔孔內(nèi)采用導(dǎo)爆索連接，孔外用毫秒延期雷管分段接力起爆。主爆孔采用孔外17、37、65 ms 三種段別地表網(wǎng)絡(luò)雷管連接，起爆點(diǎn)在爆區(qū)靠臺(tái)階坡頂線邊的中間，連接17 ms 雷管并垂直于坡頂線方向布置，37 和65 ms 雷管垂直于17 ms 雷管連接線方向分列在兩邊布置，孔內(nèi)500 ms 地表網(wǎng)絡(luò)雷管實(shí)現(xiàn)逐孔起爆，最終使爆堆程V 型集中［7］。起爆網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖4。

3.5 爆破方式

同一臺(tái)階內(nèi)平臺(tái)先進(jìn)行預(yù)裂爆破，開(kāi)挖形成減震溝槽，減少爆破擾動(dòng)次數(shù)，阻止部分地震波的傳播，降低爆破振動(dòng)，同一平臺(tái)爆破方式見(jiàn)圖5［8］。

4 爆破效果

項(xiàng)目實(shí)施后，爆破效果較好，不僅降低了爆破震動(dòng)對(duì)鄰近建（構(gòu)）筑物的影響，通過(guò)預(yù)裂孔的作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊坡的保護(hù)，同時(shí)采用大孔徑大孔距預(yù)裂孔減少了預(yù)裂排鉆孔數(shù)量，取得了較好的效果，見(jiàn)圖6。

4.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)距離爆區(qū)50 m 處的修理廠監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所測(cè)得的地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為2.332 cm/s，主振頻率為23.57 Hz，遠(yuǎn)小于《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2011）規(guī)定的工業(yè)和商業(yè)建筑物爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，爆破震動(dòng)對(duì)鄰近修理廠房和辦公區(qū)的影響較小，更好地保護(hù)了建（構(gòu)）筑物的安全。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

三采區(qū)西采場(chǎng)采用大孔徑大孔距預(yù)裂爆破，比常規(guī)預(yù)裂爆破每個(gè)臺(tái)階可少鉆100個(gè)鉆孔，每個(gè)臺(tái)階可節(jié)約穿孔成本12 075 元，三采區(qū)西采場(chǎng)進(jìn)行預(yù)裂爆破的臺(tái)階個(gè)數(shù)為5 個(gè)，共節(jié)約穿孔成本60 375 元，扣除項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)費(fèi)36 723 元（包括增加炸藥的費(fèi)用12 263元），實(shí)際節(jié)約23 652元。

5 結(jié) 論

大孔徑大孔距預(yù)裂爆破在昆陽(yáng)磷礦的應(yīng)用，取得了顯著的成效，施工設(shè)備來(lái)源于本礦區(qū)，調(diào)動(dòng)簡(jiǎn)單，成孔質(zhì)量有保障，是此種預(yù)裂爆破方法成功的有利因素。專業(yè)的爆破施工隊(duì)伍確保了爆破施工嚴(yán)格按設(shè)計(jì)進(jìn)行，達(dá)到了預(yù)期的爆破效果，既保證了剝離物采裝需求，又降低了爆破振動(dòng)對(duì)工藝設(shè)施和終了邊坡的影響，縮短了預(yù)裂爆破周期，降低穿孔成本，在相同巖層的礦山有推廣使用的價(jià)值。大孔徑大孔距預(yù)裂爆破技術(shù)逐步成熟，為昆陽(yáng)磷礦其他采場(chǎng)爆破起到積極的指導(dǎo)和示范作用，在不斷探索和創(chuàng)新的同時(shí)，進(jìn)一步研究、總結(jié)、完善大孔徑大孔距預(yù)裂爆破方法。