相鄰炮孔互為導向空孔技術在酒鋼西溝礦的應用

吳相石

（酒泉鋼鐵（集團）有限責任公司）

酒鋼西溝石灰石礦（以下簡稱西溝礦）位于甘肅省嘉峪關市西南45 km 處的祁連山脈北麓，平均海拔2 800 m，占地面積25 km2，是一座現代化露天礦山［1］。礦巖主要有變質凝灰巖、鈣質千枚巖、硅質灰巖等，普氏硬度系數f=6～8，礦石密度2.7 g/cm3，裂隙、節理發育明顯。現西溝礦隨著開采臺階的下降，固定幫高度逐年增加，采場東部山頭下方為3 200 m 卷揚操作房，為了保證3 200 m卷揚設施的繼續使用，采用東部分期開采方式，保證采場東部固定幫的穩定顯得至關重要。

西溝礦東部固定幫海拔3 296 m，長約300 m，臺階高度為12 m，預裂孔孔深設計為14 m，預留清掃平臺設計寬度為15 m。由于西溝礦固定幫預裂爆破長期采用線裝藥方式，加工炸藥藥卷和裝填炸藥的過程都很繁瑣，增加了爆破作業時間而且還費力，爆破效果還一般。近年來，西溝礦還采用了孔底集中裝藥的預裂爆破技術［2-3］，孔底集中裝藥和線裝藥的預裂爆破效果相同，酒鋼黑溝礦采用的孔底集中裝藥的預裂爆破也取得了顯著的效果［4-5］。但對于西溝礦東部需要分期開采，固定幫的穩定性非常重要，所以在以往的大孔徑孔底集中裝藥的預裂爆破技術中加入相鄰炮孔互為導向空孔技術，即在每個裝藥孔的兩側各穿一個導向空孔。這個導向空孔既有助于徑向裂縫向空孔方向發展［6-8］，又對其他方向的徑向裂縫發展起到抑制作用。

1 導向空孔孔壁壓力計算

1.1 預裂孔孔壁壓力

根據《西溝礦固定幫及臨幫區域控制爆破技術應用研究》，空氣不耦合裝藥時孔壁綜合壓力計算簡化公式為

式中，Cf為空氣沖擊波碰撞壓力增壓系數，取1.2～1.3；Kd=db/de，db、de分別為炮孔直徑和連續藥卷等效直徑，m；ρe為炸藥密度，kg/m3；爆生氣體的初始平均壓力P0為

式中，v為炸藥的爆速，m/s；K為炸藥絕熱等熵指數，通常取3。

根據上式，得到孔壁壓力隨當量不耦合系數之間的變化關系。

保證預裂爆破成功的必要條件是炸藥在炮孔中爆炸產生的壓力不壓壞孔壁和在預定方向成縫。隨著當量不耦合系數的增加，孔壁壓力是逐漸減小，且孔壁壓力大于巖體的動態抗拉強度，小于巖體的抗壓強度。隨著線裝裝藥密度的增加（當量不耦合系數減小），孔壁壓力是逐漸增大，但孔壁壓力仍然大于巖體的動態抗拉強度，小于巖體的抗壓強度。

1.2 導向孔孔壁壓力

根據預裂爆破成縫聯合作用理論，要求炸藥具有一定的爆速、猛度以及爆生氣體盡量多等性質。按照這些要求，預裂爆破要采用低猛度、低爆速、低密度以及傳爆性能良好的炸藥，可以消除或縮小炮孔周圍巖石過粉碎。上述計算表明，徑向不耦合系數滿足2.5～4，孔壁壓力大于動態抗拉強度，才能形成質量較好的預裂縫。

在空孔爆破成縫過程中，存在空孔（圖1 中B）作為兩側正常預裂孔的導向孔。當炸藥爆炸時，B孔的存在改變了炮孔邊緣的應力分布，在炮孔連線方向產生應力集中，當集中拉應力大于巖體動態抗拉強度時，則在炮孔連線方向上首先產生裂紋。

當Y孔的應力傳到B孔處時，B孔的存在將使應力明顯大于無B孔時的應力值，這就是空孔的應力集中效應。根據彈性力學理論，B孔在相鄰炮孔連線方向出現最大拉應力。Y孔和B孔同時起爆，則B孔兩側Y孔爆炸應力分別傳到B孔，在B孔處產生拉應力的集中，針對一般中硬巖，B孔處產生拉應力集中系數約為1.5～2 倍非導向孔處的應力。空孔的存在改變了預裂孔間的應力分布，預裂孔炸藥爆破后，隨著爆炸能量傳播，在空孔中間產生應力疊加，當相鄰兩側炮孔的應力疊加值超過空孔巖石動態抗拉強度時，即可形成預裂縫。

3 預裂爆破方案

爆破位置在采場東部3 284～3 272 m 水平臺階中部固定幫部位，爆區位于采場東部3 284 m 水平北部礦石區域，地質情況復雜，中厚層細晶灰巖夾透鏡體薄層細晶灰巖夾層，礦石節理發育明顯。

3.1 炸藥性能參數

炸藥通常采用2#巖石乳化炸藥，其爆速不小于3 200 m/s，殉爆距離不小于3 cm，猛度不小于12 mm，抗水性極好。

3.2 裝藥結構

采用相鄰炮孔互為導向空孔的孔底集中裝藥結構。炮孔為垂直炮孔，藥卷直徑為70 mm，不耦合系數為3.6。

3.3 爆破參數

3.3.1 預裂孔參數

預裂爆破的主要參數有不耦合系數、線裝藥密度、炮孔直徑和炮孔間距等。應用中，根據西溝礦現有的設備和已有的經驗，類比確定這些參數。

（1）鉆孔直徑D。采用現有設備為KY-200 型牙輪鉆鉆機，鉆孔直徑D=200 mm。

（2）鉆孔間距a。適宜的鉆孔間距應該達到讓相鄰的鉆孔炸藥爆炸后，產生的應力波相互疊加和影響，以確保沿鉆孔中心連線拉開一道平整的裂縫。預裂爆破的孔距一般為孔徑的8～12 倍，即a=（8～12）D，硬巖一般取較小值，軟巖取較大值。

經驗公式為

式中，k為不偶合系數。

計算得出a=2.0 m。

（3）不耦合系數k。不耦合系數一般為2.4～5，經驗公式為

式中，σy為巖石抗壓強度，Pa。

計算得出k=3.6 cm。

（4）線裝藥密度qx。預裂爆破的線裝藥密度是指每米鉆孔的實際裝藥量，對于f=6～8 的礦石，qx一般應取1.2～2.5 kg/m，不包括鉆孔底部的加強藥。經驗公式為qx=78.5D2k-ρ2g/m（式中，ρ為2#巖石乳化炸藥炸藥密度1 g/cm3）。

計算得出qx=2 400 g/m。

根據西溝礦以往幾次預裂爆破經驗，取底部裝藥20 kg。線裝藥長度取10 m，最終孔底集中裝藥量Q=20+2.4×10=44 kg。

3.3.2 緩沖孔參數

為了減小主爆孔爆破時對固定幫產生的沖擊，在主爆孔與預裂孔之間增加1排緩沖孔，其爆破參數一般采用主爆孔爆破參數的1/2～2/3，取值為a×b=（2.5 m×3.5 m）～（3.5 m×5 m）。東部礦巖比較松軟、破碎，取中間值3 m×5 m。鉆孔直徑D=200 mm時，緩沖孔孔深為13 m，與預裂孔之間的距離為3 m，單孔裝藥量為180 kg。

3.3.3 導向空孔參數

前述已計算出預裂孔孔距為2 m，在距2 個預裂孔各1 m的中間位置布置1個導向空孔。

3.4 預裂孔的裝藥與填塞

先在預裂孔孔底放20 kg底藥，再用2根1段導爆管雷管連結到起爆具放至底藥上，最后再加24 kg 直徑為70 mm 的2#巖石乳化炸藥卷。將氣體間隔器下至距離孔口2 m處，保證填塞高度2 m左右，見圖2。

3.5 起爆網絡

為了減小爆破震動對東山頭固定幫的影響，主爆孔和緩沖孔采用普通高精度導爆管雷管實現逐孔微差起爆，預裂孔采用導爆索同時起爆，超前主爆孔100 ms起爆。

4 結論

預裂爆破的裝藥結構一般有2種形式：采用定位并將裝藥的塑料管控制裝在炮孔中央，爆破效果好，但費用較高；另一種是將藥卷順序連續或者間隔綁在導爆索上，緩緩送入孔內，費用較低，但操作起來費時費力。

從爆破后的現場來看，采用導向空孔的孔底集中裝藥方式的預裂爆破達到了預期效果，固定幫半壁孔痕率達到85%以上，增強了固定幫的穩定性，同時有效地減小了爆破振動對東山頭固定幫的影響。實踐證明采用導向空孔技術的孔底集中裝藥的預裂爆破效果改善很明顯，只要在后期通過不斷優化預裂爆破參數，就能更好地完成西溝礦東山頭固定幫的預裂爆破任務。