非均質巖體露天煤礦爆破技術方案設計研究

馬修利，李永剛，馬修勝，藺海洋

（1.新疆祥瑞安全生產技術服務中心有限公司，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆北塔山牧場煤礦有限公司，新疆 奇臺 831800）

新疆北塔山牧場煤礦是一座正在生產中的露天煤礦，位于奇臺縣北東160km 處，礦田東西長1.22km，南北寬0.85km，面積1.0225km2，屬于內陸亞干旱荒漠氣候帶，礦區晝夜溫差大，多風、少雨，受干旱氣候影響，上部巖層裂隙發育，節理明顯，巖體受結構面影響均質性很差，屬非均質巖體。在進行露天礦深孔爆破作業中，會出現爆堆不規整、飛石傷人和大塊率高等一系列爆生災害，給礦區正常安全生產帶來隱患。

1 巖性分析

該礦區南高北低、東高西低，地勢起伏較大，巖石傾斜方向由南向北，傾角9°左右，受干旱氣候條件影響，巖體風化剝蝕嚴重，裂隙作用明顯。巖石賦存自上而下為第四系戈壁土、中砂巖和硬砂巖，上部戈壁土厚度4～12m，可直接開挖，下部基巖層需要爆破，巖體硬度f=5～7。

1.1 沿走向巖性變化分析

（1）受地形變化影響，采場東部巖體完整性較西部差，裂隙比較發育，爆破以后容易產生大塊。

（2）從東幫所揭露的巖石臺階巖性變化分析，裂隙分布不均勻，裂隙多為沿傾斜方向延伸和分布，并以剪節理作用為主，局部地段也受張節理作用，方位不穩定。根據現場統計，爆破以后巖體大塊發生率30%左右，大塊平均尺寸：1.8m×1.6m×1.2m。

1.2 沿傾向巖性變化分析

（1）由南向北上部巖石臺階受風化作用明顯，所形成的裂隙影響深度可達23m 左右，隨著開采深度加大，深部臺階裂隙相對較少，裂隙作用減弱，大塊率發生率較臺階上部減少18%左右。

（2）受結構面影響，爆堆不規整，破碎的巖塊最容易從受裂隙作用大的地方拋出，拋出距離8-12m 不等。

1.3 開采斷面巖性分析

（1）基巖爆破臺階在受到剪節理和張節理共同作用的炮區，巖體完整性很差，爆破以后的巖塊形狀各異，塊度相對減小。

（2）爆破巖石臺階自上而下，裂隙作用逐漸減弱，裂隙頻率下降，巖體結構逐漸趨于均質化，可見圖1-2。

圖1 上部爆破臺階非均質巖體結構

2 爆破作業條件分析

2.1 斜層理爆破作用明顯

該礦斜層理作用明顯，通過對爆破現場勘驗分析發現，爆破產生的動應力所造成的裂隙密度、延伸長度和裂隙產狀各不相同。

圖2 深部爆破臺階非均質巖體結構

（1）斜層理多沿巖體傾斜方向分布，和南部邊幫臺階自由面貫通形成弱層，從而使爆生氣體和爆炸應力波對巖體的破壞作用減弱，一些爆生氣體從裂隙面釋出，巖體破碎強度下降，降低了對正常破碎圍巖的有效作用時間和壓力作用時間，導致爆破后極高壓力的氣體鉆入裂隙層面使其擴張，擠壓其周圍巖石，是巖石大塊向傾斜自由面拋擲過于分散的原因，根據統計分析，臺階底部巖體沿自由面被拋擲的距離比預計的遠約3～4m。

（2）北部邊邦巖層傾斜方向和臺階坡面方向呈逆傾向，爆生氣體不易從自由面釋出，增大了爆生氣體和爆炸應力波對破碎圍巖的有效作用和壓力作用時間，后沖作用增強、爆堆隆起、巖體拋出距離減少。

2.2 排間爆破作用加強

該礦采用沿巖層傾斜方向直線型排間布孔，非電導爆管排間毫秒微差小規模爆破，排間作用方向明顯，由于排間起爆方向和斜層理裂隙分布方向相一致，南部邊邦巖石臺階沿自由面順層方向受爆生氣體和爆炸應力波作用使原有裂隙進一步錯動和擴張而產生大塊。

3 爆破設計方案

3.1 優選爆破參數和裝藥結構

對比現場采用的爆破參數和裝藥結構，設計確定爆破巖石臺階高度10m，不耦合分段裝藥，不耦合系數1.20，炮孔炸藥單耗0.31kg/m3，藥包裝藥密度960kg/m3，藥包重量4.5kg，藥包長度0.6m，選用孔徑120mm 的潛孔鉆機垂直打眼，膨化銨油炸藥為工業炸藥，按不同的炮孔深度和爆破參數計算炮孔裝藥量，爆破參數計算可見表1。

表1 爆破參數

（1）適當增大炮孔臨近系數，加大巖塊在爆破過程中的碰撞擠壓作用，保證同時起爆的兩相鄰炮孔之間的徑向裂隙不過早地相互貫通。

（2）由于連續耦合集中裝藥藥量在炮孔底部，造成臺階下部巖石過度破碎，而臺階上部巖石由于爆破作用減弱產生大塊。減少炮孔裝藥量，采用分段不耦合柱狀裝藥，增大炮孔裝藥高度，加強對臺階上部巖石爆破作用。

（3）降低炮孔內的裝藥密度，減輕爆轟波對后排孔巖石的壓力，以達到減少爆炸沖擊波對孔壁的正壓作用時間，使裂隙區的范圍不至于擴大。

3.2 爆破技術要求

采用非電導爆管加“四通”的多排孔“V”型斜線毫秒微差起爆網路深孔爆破。

（1）設計要求在接近臺階坡面進行剝離作業的爆破巖石臺階，至少有一個側向自由面和正向自由面，起爆點位于臺階上部側向和正向自由面交匯處，爆轟由外向內沿斜線方向傳爆。

（2）由于剝離工作平盤寬度32m，采用三角形布孔，每次布3 排孔，每排不少于7 個炮孔，使炮區沿正向自由面方向炮孔數應多于側向自由面。

（3）爆破形成的巖石大塊必須符合4m3單斗液壓挖掘機的采裝要求即：大塊尺寸不許超過1.2m3，爆堆伸出不超過4～5m，爆堆沉降不低于2～3m。

（4）孔內藥包采用導爆管雷管延遲起爆，延長孔內炸藥起爆時間，以防止爆破飛石將后起爆孔的起爆網路炸斷而產生拒爆。

（5）由于節理、裂隙的作用，巖體首先從強度最低的弱面裂開，考慮到爆后應力的持續及雷管延時間隔參差不齊，爆破網路導爆管雷管每段間隔時間都確定為25ms。

4 結束語

新疆北塔山牧場煤礦受干旱氣候影響，巖石風化剝蝕程度嚴重造成節理裂隙發育，給露天礦正常爆破作業帶來重大安全隱患。設計選用優化的爆破參數和裝藥結構進行裝藥布孔，采用非電導爆管多排孔“V”型斜線毫秒微差起爆網路深孔爆破，可有效解決該礦非均質巖體爆破大塊率高、爆堆不規整的爆破質量問題，也為安全生產探索出了可供借鑒的創新之路。