預裂爆破在吉勞金礦高陡邊坡的應用

李鵬飛，丘小強，王 寶，張 豪

(1.福州大學 紫金礦業學院，福州 350116；2.福州大學 爆炸技術研究所，福州 350116；3.紫金礦業集團 股份有限公司，福建 上杭 364200)

預裂爆破技術具有改善超挖欠挖、降低爆破振動、提高最終邊坡穩定性、形成平整預裂面的優點，被廣泛應用于臨近高陡邊坡控制爆破中，規范的施工流程以及合理的爆破參數設計是預裂爆破成功的重要保證[1]。

塔吉克斯坦吉勞金礦巖性較差，節理裂隙發育，南部邊幫1935臺階以上邊坡已經達到最終境界。隨著開采深度的逐年增加，邊坡垮塌、浮石滾落等現象時有發生，對預裂爆破要求較高，從以往該礦山預裂爆破情況來看，爆破效果很差，邊坡坑坑洼洼，超挖欠挖嚴重，基本難以見到半壁孔，軟巖部位問題尤為嚴重，急需改進預裂爆破技術。圖1為吉勞露天礦預裂爆破現狀。

圖1 吉勞露天礦預裂爆破現狀Fig.1 Current situation of pre-split blasting in Jilau open-pit mine

1 工程地質概況

塔吉克斯坦吉勞礦區位于南天山成礦帶西段，目前主要工作點在南部邊幫，其南部邊幫1935臺階以上邊坡已達到最終境界。吉勞金礦設計最大邊坡高度為495 m(+1 700～+2 195 m)，最終邊坡角南側邊幫46°，臺階高度10 m，臺階坡面角70°。吉勞礦邊坡地質條件較簡單，吉勞斷層貫穿整個露天坑，南部邊坡斷層附近巖體破碎，隨著開采深度的不斷增加，頻繁的爆破振動容易造成邊坡整體失穩，是影響邊坡穩定性的重要不利因素，因此有必要采取控制爆破技術，降低爆破振動。

2 預裂爆破參數理論計算

2.1 不耦合系數的計算

裝藥不耦合系數主要包括徑向不耦合系數Kd與軸向不耦合系數Kl，對于預裂爆破要求在孔壁周圍不能形成壓碎區，同時要在孔間連線處形成貫穿預裂縫[2]，即需滿足以下條件：

P=σr|r=rb≤(1-ξ)σdc

(1)

λP=βσθ|r=rb≥(1-ξ)σdt

(2)

式中，σr|r=rb=P—孔壁處的初始徑向壓應力；σθ|r=rb=λP—孔壁處的初始切向拉應力；β—初始切向拉應力集中系數，一般取β=2；σdc、σdt—巖石極限抗壓強度與動態抗拉強度；λ—巖石中應力波側壓系數，一般取λ=μ/(1-μ)；μ—泊松比；ξ—損傷變量。

當采用分段空氣間隔裝藥結構時，徑向軸向均有空氣間隔，此時孔壁初始壓力可用式(3)計算[3]：

(3)

式中：ρ0、D、n—炸藥密度、爆速、孔壁壓力增大倍數，一般取n=10。

根據式(1)～(3)可得裝藥不耦合系數應滿足的關系式為：

(4)

2.2 線裝藥密度及單孔藥量的計算

根據上述不耦合系數可以計算出預裂爆破線裝藥密度及單孔藥量分別為：

(5)

Q=q線l

機遇：VR技術發展較快，在旅游市場發展潛力大；企事業單位對VR全景技術的需求量大；企業通過VR全景技術制作宣傳片并進行營銷推廣的市場潛力大。

(6)

式中：q線—線裝藥密度，kg/m；Q—單孔藥量，kg；l—炮孔深度，m；d—炮孔直徑，mm。

2.3 炮孔間距計算

關于兩孔間預裂成縫，目前普遍認可的理論是爆炸應力波和爆生氣體共同作用下的爆破成縫理論[4]。為簡化計算，計算炮孔間距時可以認為初始裂紋在爆炸應力波作用下產生，然后在爆生氣體作用下使之擴展貫穿，該作用下預裂成縫理論模型如圖2所示。圖2中rb表示炮孔半徑；r1、rs分別表示爆炸應力波與爆生氣體作用下產生的裂紋長度。

圖2 相鄰孔間預裂縫形成示意圖Fig.2 Schematic diagram of the formation of pre-cracks between adjacent holes

由圖2可知預裂孔距可表示為：

A=2r1+2rb+rs

(7)

爆炸應力波作用下孔壁產生的初始裂紋長度為：

(8)

式中：α—巖石中應力波衰減指數，α=2-λ。

爆生氣體作用下形成貫穿裂縫，可用下列平衡表示[5]：

(9)

整理可得：

(10)

由式(7)、(8)、(10)可得孔距表達式為：

(11)

3 預裂爆破現場試驗

試驗選擇在塔吉克斯坦吉勞金礦1915平臺進行，該部位巖石巖性較差，節理裂隙發育，對預裂爆破要求較高，前期需嚴格監督鉆孔質量。鑒于炮孔深度較大，為保證爆破效果，對以往裝藥結構進行優化，采用分段空氣間隔裝藥結構。由于孔底夾制力較大，為加強孔底巖石破碎作用，需設置孔底1.5 m的加強裝藥段。同時孔口巖石較松軟，在孔口設置2 m長的減弱裝藥段，為充分保護孔壁，試驗前準備一定數量的PVC管，將炸藥用黑色防水膠布捆綁于導爆索與繩子上，并將其放置于PVC管中，再次進行捆綁固定。檢查合格后，由三人一組將其仔細放入孔內，放置過程中要注意盡量將炸藥放置于炮孔中心位置，避免炸藥與孔壁直接接觸，孔口露出1.5 m長度的導爆索，PVC管要置于保留邊坡一側。為了防止炮孔填塞時炮泥從孔間滑入孔底影響不耦合效果，孔口應先拿紙袋堵塞后再填土，將本次試驗所用到的巖石物理力學參數與炸藥參數列于表1和表2中。

表1 1915平臺巖石物理力學參數表

表2 炸藥物理參數

根據表1、2相關數據，結合本文所提出的參數確定方法，計算得到預裂爆破參數及典型裝藥結構圖，見表3、圖3。

表3 預裂爆破試驗參數

圖3 裝藥結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the charge structure

由于現場藥卷規格有限，可用于預裂爆破的為直徑32 mm、長度0.3 m的2號巖石乳化藥卷。實際裝藥時需對該藥卷進行現場加工，例如正常裝藥段與加強裝藥段分別采用2個、3個藥卷進行捆綁組合裝藥，以便調節不耦合系數，表3中3.97/2.0/1.32分別代表減弱裝藥段/正常裝藥段/加強裝藥段對應的徑向不耦合系數。

為盡可能確保各個炮孔內的炸藥同時起爆，孔外也采用導爆索將炮孔間炸藥連接。為減小主爆區對預裂效果的影響，主爆區與預裂孔之間設置一排緩沖孔，采用逐孔起爆方式。主爆孔與緩沖孔采用孔間7 m長，17或25 ms地表導爆管雷管；排間7 m長，42或67 ms地表導爆管雷管；孔內采用15 m長、400 ms延期雷管。按照上述方案在吉勞金礦南部邊幫1915平臺進行預裂爆破試驗。

4 試驗結果及分析

從爆破效果圖4以及爆破效果統計表4可以看出，本次試驗半壁孔率高于80%，且不平整度小于15 cm，說明此次預裂爆破效果良好。與該礦山以往預裂爆破相比，預裂面平整度、半壁孔保存率均有較大提升。再與該礦山未進行預裂爆破的邊坡相比，其對邊坡的保護作用非常明顯，說明此次試驗不耦合系數控制合理，小直徑藥卷分段空氣間隔裝藥結構適用于塔吉克斯坦吉勞露天礦特殊軟巖地質環境，能很好地起到穩定邊坡的作用。

圖4 1915平臺預裂爆破爆后效果圖Fig.4 The effect of pre-split blasting on the 1915 platform after blasting

表4 爆破效果統計表

5 結論

針對塔吉克斯坦吉勞金礦地質條件復雜，節理裂隙發育的情況，采用分段空氣間隔裝藥結構進行預裂爆破試驗，試驗效果良好，半壁孔率高于80%，不平整度小于15 cm，邊坡超挖欠挖現象明顯改善，大大降低了邊坡滑坡的數量和范圍，對節省邊坡維護費用，提高礦山服務年限具有重要意義。