某礦高地應力采場爆破技術研究

蘇 丹 曹萬寶 吳和平

（1.湖南辰州礦業有限責任公司；2.鑫達金銀開發中心有限責任公司）

我國淺部資源已經面臨枯竭，許多礦山的開采已經進入深部，深采礦往往面臨著“三高一擾動”的挑戰。深部開采工程處于高地應力環境下［1］，由重力引起的原巖應力就可以達到20 MPa左右（埋深800～1 000 m）［2］。工程開挖所引起的應力集中水平（＞40 MPa）遠大于工程巖體的強度，采場爆破產生的爆破振動也會對采場形成動力擾動［3］。有研究表明，微差起爆有助于爆破過程中應力波的疊加，延長巖石間碰撞時間，降低爆破振動，減少對周圍巖體的影響［4］。同時能夠改善爆破效果，減少大塊的產生，降低二次破碎的成本，提升資源回收效益［5-6］。

某礦開采深度逐年增加，現已經進入深部采礦階段，由巖石自重產生的地應力逐漸增加。由于地下采掘工程的不斷拓展，導致應力集中程度更加明顯。爆破振動和高應力水平的相互作用，對采場的安全性和穩定性影響較大。礦山進行現場爆破試驗，探究單排孔及雙排孔微差起爆產生的效果，以得到更加適合礦山高應力采場的爆破方案。

1 礦區概況

礦區在深部采場選擇6個測點進行地應力測試，結果見表1。6個測點的垂直應力分量σz表現為隨埋深增加而明顯增大，28平-1#測點（埋深約655 m）垂直應力分量為6.698 MPa，32平-2#、3#測點（埋深約750 m）的垂直應力分量約10 MPa，而埋深超過930 m的4#～6#測點的垂直應力分量均達到30 MPa左右；垂直應力分量隨深度變化的規律可擬合為公式σz=0.092 5h－56.891。

綜合6個測點的地應力分量可以發現，在32平以上測點（1#～3#測點）的水平構造應力占優；而之下的40平中段自重應力占優。據此推測在32平～40平中段存在一個由水平構造應力占優向自重應力占優轉化的深度范圍。礦區側壓系數范圍為4.22～0.79，該范圍與我國大陸區域的側壓力系數分布規律基本一致。由于本次測量的測點大多位于埋深較大的深部礦區，應力分量中存在較大的剪應力，按照莫爾-庫侖理論，巖體的破壞通常是由于剪切破壞引起的。在高應力條件下由脆性向延性轉化的巖石較為明顯。

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礦區有6條工業礦體平行展布，東西走向長50～300 m，傾斜延伸1 100～2 000 m以上，傾角26°～35°，平均脈幅0.2～2.0 m，局部較厚，達4 m以上。隨著礦體向下延伸，礦體產狀變化較大，表現在傾角上由緩傾斜到傾斜進而變化到急傾斜，脈幅漸薄，但品位漸高。礦體整體為緩傾斜薄礦體，地質賦存條件簡單，礦體、圍巖中等穩固。采場地壓較大，爆破振動對采場的穩定性影響較大。

2 爆破試驗方案

為探究高地應力采場的最優起爆方式，選定某礦的3個采場（3449采場、3287采場、4145采場）進行工業試驗，采用MINIMATE PRO6型爆破振動測試設備對試驗采場和對比采場進行監測。通過3個采場的現場試驗，對爆破效果進行綜合評價，對爆破效果、大塊率、爆破振動以及技術經濟進行對比，從而探究適合本采區高應力采場的最優起爆方式。

2.1 3449采場

3449采場使用的是礦山傳統的非微差起爆方式，一次爆破2 m，爆破振動監測距離28 m，最大單響藥量2.4 kg。

2.2 3287采場

3287采場進行單排孔微差爆破試驗，多排孔一次起爆，毫秒延期起爆可以有效控制爆破后的塊度，將爆破有害效應控制在安全范圍之內［7］。采場爆破長度為10 m；采用光面爆破，光爆孔深3.3 m，孔徑42 mm，采礦進尺2.2 m。監測距離40 m；最大單響藥量11.2 kg。多排孔一次起爆，孔間延期為25 ms。

2.3 4145采場

4145采場使用雙排孔微差爆破試驗，采用單段雙排毫秒微差起爆，采場爆破長度為6 m，監測距離23.5 m，最大單響藥量11.2 kg。雙排孔排間延期時間為25 ms

3 實驗結果

3.1 大塊率

3449傳統爆破采場中大塊較明顯，3287和4145實驗采場中均無60 cm以上的大塊，在4145采場中60 cm以下的大塊數量也比3287采場少。爆破后塊度統計見表2。

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試驗采場平均大塊數約為對比采場的一半，且沒有出現超過70 cm的特大塊。說明了使用微差起爆對改善爆破塊度是有效果的，雙排起爆采場的大塊少于一次多排起爆的采場，證明雙排起爆對改善爆破塊度的效果更好。

3.2 爆破振動

（1）3287實驗采場最大振動速度為10.03 mm/s，發生在0.131 s。監測詳細數據見表3。

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（2）4145實驗采場最大振動速度為26.31 mm/s，發生在0.029 s，監測詳細數據見表4。

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（3）3449對比采場最大振動速度為10.67 mm/s，發生在0.160 s，監測詳細數據見表5。

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根據薩道夫斯基爆破振動經驗公式，基于以上測試數據，推算出當3449對比采場中炸藥量為11.2 kg時，距離爆炸中心22，40和23.5 m處質點的爆破振動速度分別為30.92，13.39和29.25 mm/s。3287實驗采場在距離爆炸中心40 m處的最大振動速度為10.03 mm/s；4145實驗采場在距離爆破中心23.5 m處的最大振動速度為26.31 mm/s。在距離爆炸中心40 m處，3287實驗采場的爆破振動速度小于3499采場，在距離爆炸中心23.5 m處，4145采場的振動振動速度也小于3499采場。結果表明，微差起爆有利于降低爆破振動。

通過實驗結果比較可知，采場應用毫秒微差爆破技術，大塊率降低了50%，爆破振動減少了3～4 mm/s，雙排起爆可以更好地降低爆破后大塊的形成。第一段起爆藥包基本不存在爆轟波疊加，會造成振動速度峰值相對較大，在具體布孔時，可由減少第一段起爆炸藥量來控制整個爆破振動。而雙排起爆具有更好的實用性，在降低爆破振動和控制大塊率的同時，一次起爆量大，可以減少準備工作時間［8］。對于這2種不同的微差起爆方式，可以根據實際爆破礦體的厚度來決定。在厚度相對較大的礦脈進行爆破時，可采用單段雙排毫秒微差起爆。

4 結語

用毫秒微差爆破開采深部高應力緩傾斜薄礦體，減少了作業準備時間，提高了勞動效率，使整個工作面暴露時間縮短，有利于控制頂板穩定，且爆破效果較好。礦脈較薄的采場可以采用一次起爆微差爆破，降低爆破振動的同時較少采場大塊的產生；在礦體稍厚的采場采用單段雙排毫秒微差起爆，可以提高一次爆破量，適應高地應力下的礦脈開采。