剛果（金）露天銅鈷礦預(yù)裂爆破技術(shù)的應(yīng)用

祁曉鑫

（中鐵九局集團(tuán)有限公司大連分公司，遼寧 大連 116000）

露天礦山開采過程中，由于各礦山的地質(zhì)環(huán)境不同，邊坡巖體的力學(xué)特征差異，多發(fā)生崩塌、滑坡等安全事故，影響正常生產(chǎn)，甚至造成生命財(cái)產(chǎn)損失，從而增大邊坡清理、治理費(fèi)用，乃至縮短礦山開采壽命。因此，確保邊坡的穩(wěn)定性，有效地控制邊坡失穩(wěn)事故的發(fā)生，對(duì)確保露天采場(chǎng)的安全生產(chǎn)起著十分重要的意義。由于礦體賦存空間的限制，構(gòu)成露天礦山邊坡的巖體、結(jié)構(gòu)、地下水條件以及原應(yīng)力狀態(tài)都具有明顯的不可選擇性。只能而且必須通過利用既定條件和改善可控因素來(lái)實(shí)現(xiàn)。臨近采場(chǎng)固定邊幫爆破作業(yè)的效果，對(duì)于采場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性有著直接的影響，采用預(yù)裂爆破技術(shù)，嚴(yán)格地控制炸藥爆炸能量釋放和介質(zhì)破碎過程，形成預(yù)裂縫，減小爆破沖擊波對(duì)邊坡的破壞和擾動(dòng)，確保邊坡巖體的完整性和巖石強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到控制邊坡穩(wěn)定性的目的。

預(yù)裂爆破技術(shù)從施工角度來(lái)講，預(yù)裂爆破技術(shù)能夠在邊坡坡面上形成預(yù)裂面，從而避免超挖、欠挖，有利于提升挖機(jī)刷坡作業(yè)效率。從安全方面來(lái)講，預(yù)裂爆破技術(shù)能夠保證被保留巖體不被或者很少地被破壞，保證邊坡的穩(wěn)定性，確保采場(chǎng)內(nèi)生產(chǎn)安全。從經(jīng)濟(jì)的角度講，預(yù)裂爆破技術(shù)能夠提升爆破效果，減少和避免對(duì)邊坡巖傘、大塊及邊坡噴錨的處理費(fèi)用。此外，預(yù)裂爆破后，邊坡壁面看起來(lái)十分整齊，不像普通爆破形成的壁面那樣不規(guī)則，不存在巖傘、浮石，避免對(duì)下方施工造成威脅。

剛果（金）某露天銅鈷礦位于剛果（金）盧阿拉巴省科盧韋齊，自2013年開工至今已開采8年時(shí)間，年采剝總量近5000萬(wàn)m3，現(xiàn)采場(chǎng)總降深超250m，采場(chǎng)高邊坡控制是露天采場(chǎng)重點(diǎn)關(guān)注的重點(diǎn)課題。自2015年以來(lái)，隨著采場(chǎng)西幫的陸續(xù)靠界，臨近邊坡的控制爆破也成為礦山生產(chǎn)關(guān)注的重點(diǎn)，固定邊坡控制爆破效果對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，是保證礦山安全生產(chǎn)的重要影響因素。

本文結(jié)合剛果（金）某露天銅鈷礦山的地質(zhì)和工況條件，并結(jié)合剛果（金）當(dāng)?shù)鼗鸸て泛驼ㄋ幍漠a(chǎn)品特點(diǎn)，通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，不斷優(yōu)化預(yù)裂爆破相關(guān)參數(shù)，最終形成了一套成熟的預(yù)裂爆破施工方案，在確保邊坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，最大程度地提升了爆破效果，為露天礦山的安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

1 預(yù)裂爆破工藝原理

預(yù)裂爆破就是沿開挖邊線密集布置炮孔，采用不耦合裝藥或者裝填低威力炸藥，在主爆區(qū)之前起爆，從而在爆區(qū)與保留區(qū)之間形成與裂縫，以減弱主爆區(qū)爆破時(shí)對(duì)保留巖體的破壞并形成平整輪廓面的爆破作業(yè)。保證預(yù)裂爆破成功的必要條件是炸藥在炮孔中爆炸產(chǎn)生的壓力不壓壞孔壁和沿預(yù)定的方向成縫，當(dāng)炸藥與孔壁留有空隙時(shí)，炮孔所受的壓力會(huì)大大降低。孔壁壓力接近巖石的極限抗壓強(qiáng)度或低于極限抗壓強(qiáng)度。使炮孔壓力不致壓碎孔壁并使炮孔之間巖石產(chǎn)生裂縫。

如果幾個(gè)相鄰炮孔中的炸藥同時(shí)爆破，爆炸應(yīng)力波以炮孔為中心呈放射狀向外傳播，一般在其切線方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，由兩個(gè)爆破孔出發(fā)，沿半徑方向擴(kuò)展的應(yīng)力波，在兩孔的中點(diǎn)相會(huì)，并產(chǎn)生干擾，兩波的匯合處產(chǎn)生的合理垂直于兩個(gè)爆破孔軸線的連接面,因此兩個(gè)炮孔軸線的連接面成為受拉面，整個(gè)拉應(yīng)力的作用使巖體沿此面斷裂。而應(yīng)力波不一定會(huì)形成貫穿裂縫，但肯定會(huì)形成閉合裂縫，對(duì)于單孔而言這些裂縫是無(wú)規(guī)則的，對(duì)于雙孔而言，兩孔連線方向的裂縫最長(zhǎng)，對(duì)炮孔四周來(lái)說(shuō)，兩孔連線方向?yàn)樽畋∪趺妫捎趹?yīng)力集中及應(yīng)力波的干擾，所以兩孔之間最易形成裂縫，與此同時(shí)，爆破產(chǎn)生的爆生氣體，使兩孔之間的裂縫延伸擴(kuò)大，當(dāng)爆生氣體威力恰到好處時(shí)，便形成貫通縫，并且此方向裂縫的發(fā)展，勢(shì)必阻止其他方向裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，從而有效保護(hù)爆破孔其他方向的巖壁。

2 預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)

2.1 固定邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)及地質(zhì)情況

本采場(chǎng)預(yù)裂爆破作業(yè)區(qū)域?yàn)镽AT巖層。RAT巖層層厚＞100m，巖石為紫紅、淺灰綠色，礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖，常含有少量的赤鐵礦，接觸面附近多為暗紫紅色泥質(zhì)膠結(jié)的礫巖。

在構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈部位及上接觸面附近常有弱裂隙充填型孔雀石、硅孔雀石等礦化，礦化一般厚度不大，是本區(qū)礦化體底板標(biāo)志層。巖石比較完整，強(qiáng)度高，巖石軸向抗壓強(qiáng)度為60.76MPa（風(fēng)干）、33.74MPa（飽和），粘聚力為8.25MPa（風(fēng)干）、6.17MPa（飽和），內(nèi)摩擦角為33.88°。該巖組巖體為層狀、塊狀結(jié)構(gòu)類型。

采場(chǎng)設(shè)計(jì)段高12m，臺(tái)階坡面角60°，下盤RAT巖層傾角33°，邊坡上部風(fēng)化侵蝕嚴(yán)重，強(qiáng)度較低，下部強(qiáng)度好。按照礦體底板傾角設(shè)計(jì)最終邊坡角為33°，經(jīng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，邊坡安全系數(shù)為1.219。

2.2 預(yù)裂孔爆破參數(shù)

（1）孔徑。結(jié)合本礦山的實(shí)際情況和現(xiàn)有穿孔設(shè)備，鉆孔作業(yè)選用Atlas-D60鉆機(jī)施工，該鉆機(jī)鉆孔直徑D=152mm，且可以打傾斜鉆孔，可以滿足預(yù)裂孔鉆孔需求。

（2）孔深。按照露天開采設(shè)計(jì)，固定邊坡邊坡角為60°，超深h=1m。預(yù)裂孔鉆孔深度L1=(H1+h1)sin60°=15m。

（3）預(yù)裂孔距。預(yù)裂孔孔間距一般取孔徑的8～12倍，即a=(8～12)D=1.22～1.82m。爆破作業(yè)區(qū)域?yàn)镽AT巖層，巖石為紫紅、淺灰綠色，礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖，常含有少量的赤鐵礦，接觸面附近多為暗紫紅色泥質(zhì)膠結(jié)的礫巖。預(yù)裂孔孔距取1.2m、1.5m和1.8m分別進(jìn)行爆破試驗(yàn)，通過多次試驗(yàn)得出，孔距取1.8m，爆破后邊坡各預(yù)裂孔之間貫通裂縫形成較差，刷坡后邊坡存在傘巖。當(dāng)孔距取1.5m和1.2m爆破后邊坡刷坡效果較好，因此綜合經(jīng)濟(jì)考慮預(yù)裂孔孔距取a=1.5m。

（4）預(yù)裂孔不耦合系數(shù)。不耦合系數(shù)按照公式計(jì)算：

式中：D——炮孔直徑，取152mm；

W——預(yù)裂成品乳化炸藥SPILITEX的直徑，為32mm，一段長(zhǎng)度600mm、每段長(zhǎng)度0.5kg。

經(jīng)計(jì)算不耦合系數(shù)m=4.75。

（5）預(yù)裂孔單孔藥量。線裝藥密度按照如下公式計(jì)算：

式中：ρ0——炸藥密度，取1.05g/cm3；

m——不耦合系數(shù)，計(jì)算得m=4.75；

D——炮孔直徑，取152mm；

計(jì)算得q1=0.8kg/m，預(yù)裂孔長(zhǎng)度15m，其中預(yù)裂孔上部3m不裝藥，裝藥長(zhǎng)度為12m，為了保證爆破效果孔底裝1m內(nèi)裝3段藥柱，因此單孔裝藥量為0.8kg/m×12+2kg=11.6kg。預(yù)裂孔內(nèi)的成品乳化炸藥SPILITEX與CORDTEX導(dǎo)爆索連接后置于預(yù)裂孔內(nèi)，爆破使用的導(dǎo)爆索為CORDTEX，CORDTEX導(dǎo)爆索內(nèi)部裝藥為黑索金，混合鈍化劑。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)需要截取適當(dāng)長(zhǎng)度的導(dǎo)爆索使用。特別需要注意的是要保證使用鋒利的刀片快速割斷導(dǎo)爆索，盡量減少摩擦。預(yù)裂孔不進(jìn)行填塞。裝藥結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

圖1 預(yù)裂炸藥綁扎

圖2 導(dǎo)爆索連接

2.3 緩沖孔和主爆孔的爆破參數(shù)

（1）第一排緩沖孔的爆破參數(shù)。第一排緩沖孔的目的主要為避免在邊坡中上部留下傘巖，且避免傷及邊坡，故首排緩沖孔應(yīng)布置在邊坡中部。由于邊坡角與爆破漏斗張開角接近，只要第一排緩沖孔沿坡面布置即可與第二排緩沖孔中炸藥爆炸作用進(jìn)行疊加。第一排緩沖孔距預(yù)裂孔的距離b1由段高H和邊坡角θ確定：b1=0.5Hcotθ=3.5m。孔距取孔徑的20～25倍，計(jì)算得3.0m～3.8m，因?yàn)榕R近永久邊坡取大值，孔距a1取4m。孔深L2=3.5tan60°=6m。緩沖孔使用MGMBUSTER成品乳化炸藥卷藥，每卷尺寸65mm×560mm，單卷2kg，3卷一組置于孔底放置4組，單孔藥量24kg，填塞高度約3.8m。

（2）第二排緩沖孔的爆破參數(shù)。第二排預(yù)裂孔平面位置布設(shè)在邊坡坡腳線上，第一排緩沖孔與第二排緩沖孔間的排距b2由段高H及邊坡坡度θ計(jì)算：。計(jì)算得排距b2=3.4m，孔距a2同取4m。第二排緩沖孔孔深L3=(H3+h3)=13m。孔內(nèi)放置MGMBUSTER成品乳化炸藥卷藥，3卷一組置于孔底放置14組，單孔藥量84kg，填塞高度約5.2m。

（3）主爆孔爆破參數(shù)。根據(jù)巖性，主爆孔孔距取6m，排距取5m。主爆孔孔深L4=(H4+h4)=13m。孔內(nèi)填裝散裝乳化炸藥，散裝乳化炸藥延米藥量25kg/m，填塞高度6m，裝藥高度9m，單孔裝藥量為175kg。

圖3 炮孔布設(shè)剖面圖

2.4 起爆網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)巖石的性質(zhì)，裂隙發(fā)育程度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及爆破規(guī)模，為了改善爆破破碎質(zhì)量，降低炸藥消耗，減少爆破地震效應(yīng)，擬采用微差爆破方式，因每個(gè)臺(tái)階只有向上和朝向最小抵線方向兩個(gè)自由面，故選孔間微差起爆方式。藥孔之間微差爆破，是為了改善爆破效果和降低爆破震動(dòng)；基本思路是使每個(gè)炮孔都具備有自由破碎的條件，孔間或排間要有一定的延遲時(shí)間，以保證后爆巖體具有側(cè)向臨空面。根據(jù)大量工程爆破經(jīng)驗(yàn)和理論研究成果，同時(shí)考慮到本礦山現(xiàn)有延期雷管的分段情況本工程選用剛果（金）當(dāng)?shù)谹EL公司生產(chǎn)的孔間微差間隔時(shí)間為17ms的延期雷管，孔內(nèi)選用500ms延期雷管。為了起到保護(hù)邊坡的作用，預(yù)裂孔優(yōu)先緩沖孔200ms起爆，導(dǎo)爆索無(wú)延時(shí)，預(yù)裂孔同時(shí)起爆。

3 爆破安全距離驗(yàn)算

3.1 爆破地震校核

根據(jù)爆破最大的藥量計(jì)算，爆破地震對(duì)周圍建（構(gòu)）筑物的影響程度，可按下式計(jì)算：

式中：R——為爆破震動(dòng)安全允許距離，m；

Q——齊發(fā)爆破總量，取175kg；

K,α——與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的條數(shù)和衰減指數(shù)，K取200，α取1.5。

V——保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許速度，cm/s根據(jù)爆破安全規(guī)范查取V=0.9cm/s

根據(jù)實(shí)際計(jì)算得R=205m。

而周圍建（構(gòu)）筑物與爆破區(qū)域距離大于300m故爆破地震對(duì)周圍建（構(gòu)）筑物的影響很少。

3.2 爆破飛石安全距離

飛石安全距離可按下式計(jì)算：

式中：Rf——爆破飛石安全距離m。

d——炮孔直徑mm。

本設(shè)計(jì)確定爆破區(qū)域周圍300m半徑為警戒范圍線能滿足安全要求。

4 預(yù)裂爆破效果分析

4.1 預(yù)裂爆破適用區(qū)域爆破效果分析

經(jīng)過多次預(yù)裂爆破試驗(yàn)，在邊坡巖體完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育的區(qū)域預(yù)裂爆區(qū)爆破后效果良好，預(yù)裂孔形成明顯貫通縫，爆破后邊坡未明顯受到爆轟沖擊波損害，經(jīng)過挖機(jī)刷坡作業(yè)后，發(fā)現(xiàn)預(yù)裂孔形成光滑預(yù)裂面，可以在固定幫上觀察到明顯半壁孔，半壁孔整體成孔率在80%以上，見圖4。緩沖孔和主爆孔區(qū)域爆破后爆堆隆起均勻，爆破料塊度適中，采裝效率。

圖4 預(yù)裂爆破效果

然而在邊坡巖性整體性較好區(qū)域爆破效果與預(yù)裂孔和緩沖孔的孔排距，孔底超深以及孔底加強(qiáng)藥量的多少有著直接關(guān)系，爆破參數(shù)偏小就會(huì)破壞半壁孔的或者導(dǎo)致邊坡孔消失，直接影響邊坡的穩(wěn)定性，爆破參數(shù)偏大就會(huì)在預(yù)裂孔的根部產(chǎn)生根底，需要對(duì)其進(jìn)行二次處理。因此需要根據(jù)具體地質(zhì)條件，不斷優(yōu)化調(diào)整相關(guān)爆破參數(shù)。

4.2 預(yù)裂爆破限制區(qū)域爆破效果分析

在邊坡巖體破碎，或者巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育區(qū)域進(jìn)行空氣間隔不耦合裝藥預(yù)裂爆破作業(yè)，爆破后發(fā)現(xiàn)預(yù)裂孔爆破后，巖體的節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)育，爆破后巖體較破碎，半壁孔成孔率較低。對(duì)于該區(qū)域經(jīng)過試驗(yàn)采用緩沖爆破技術(shù)，同時(shí)適當(dāng)減少單孔藥量能取得較好的爆破效果。

5 結(jié)語(yǔ)

2015年以來(lái)，隨著礦山的開采降深，預(yù)裂爆破施工次數(shù)的逐漸增多，同時(shí)隨著地質(zhì)條件的不斷變化，預(yù)裂爆破的參數(shù)也在隨之調(diào)整優(yōu)化。本礦山進(jìn)行固定邊坡預(yù)裂爆破施工超百次，經(jīng)過不斷優(yōu)化預(yù)裂爆破相關(guān)參數(shù)，現(xiàn)在預(yù)裂爆破施工方案已基本成熟。從爆破效果來(lái)看，固定邊坡半壁孔整體成孔率較高，邊坡穩(wěn)定性較好，為礦山安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。此外，爆破后爆堆爆破料塊度較小，能夠保證采裝作業(yè)裝車效率，也為礦山生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著銅鈷價(jià)格的上漲，目前剛果（金）的露天銅鈷礦山逐漸增多，該預(yù)裂爆破技術(shù)針對(duì)剛果（金）的地質(zhì)條件和火工品和炸藥的類別在剛果（金）有著很強(qiáng)的指導(dǎo)意義和參照價(jià)值。