預(yù)裂爆破技術(shù)在大型露天礦山的應(yīng)用

李建華

（首鋼礦業(yè)公司，河北唐山064404）

預(yù)裂爆破技術(shù)在大型露天礦山的應(yīng)用

李建華

（首鋼礦業(yè)公司，河北唐山064404）

簡要論述了預(yù)裂爆破技術(shù)的爆破成縫原理和在工程建設(shè)中的應(yīng)用情況，并以露天礦山為例，闡述了預(yù)裂爆破技術(shù)在保護(hù)邊坡穩(wěn)定中的作用，同時文章對預(yù)裂爆破施工過程中常遇到的有代表性的問題進(jìn)行了論述，并提出了相應(yīng)的解決辦法，希望對類似施工起到指導(dǎo)和借鑒作用。

預(yù)裂爆破；預(yù)裂爆破成縫原理；邊坡穩(wěn)定

作為一種控制爆破技術(shù)，預(yù)裂爆破廣泛應(yīng)用于原巖基坑的爆破、公路高邊坡和港口的開挖、露天及地下礦山控制爆破等工程建設(shè)領(lǐng)域。近年來隨著礦山安全生產(chǎn)工作越來越受重視，邊坡穩(wěn)定已成為一項重要的研究課題。影響露天礦山邊坡穩(wěn)定性的因素有地質(zhì)條件、巖性、水文、爆破振動等，其穩(wěn)固程度往往是幾個因素共同作用的結(jié)果。單從可控制來講，礦區(qū)地質(zhì)條件和巖性屬于不能選擇的自然屬性。在礦山初步設(shè)計階段，我們可通過優(yōu)化爆破技術(shù)方案來減少邊坡地質(zhì)及巖性條件差對邊坡穩(wěn)定性造成的影響；對于水文地質(zhì)條件差的礦山邊坡，爆破后可采取疏水、噴漿、錨固等措施以減輕裂隙水、自然降水及徑流對邊坡造成的破壞。

露天礦山的邊坡大都是爆破后采用挖掘的方式形成的坡面，為使其在礦山服務(wù)期內(nèi)相對穩(wěn)定，采用緩沖、預(yù)裂、光面等爆破技術(shù)，同時輔以減小爆區(qū)規(guī)模及單響最大藥量等降振措施，降低爆破施工對邊坡造成的破壞，最大限度地保證礦山服務(wù)期內(nèi)的邊坡穩(wěn)定。

對比緩沖爆破，光面和預(yù)裂爆破更能有效降低爆破對邊坡巖體的損傷。實施小孔徑的預(yù)裂爆破在實際的施工中具有超前主爆區(qū)爆破且易于施工等特點，因而被許多大型露天礦山廣泛采用。

1 預(yù)裂爆破對實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定的作用

預(yù)裂爆破是超前主爆區(qū)的控制爆破，基于保護(hù)邊坡巖體的完整性，提高穩(wěn)固程度，從而保證邊坡穩(wěn)定的一種爆破技術(shù)。預(yù)裂爆破形成的貫穿預(yù)裂縫將被保護(hù)區(qū)和開挖區(qū)分開，使開挖區(qū)爆破應(yīng)力波在裂縫面上因傳播介質(zhì)的變化而發(fā)生反射和衰減，通過預(yù)裂縫的應(yīng)力波強(qiáng)度大大減弱，可有效降低對被保護(hù)巖體的破壞，因此而被廣泛應(yīng)用。

大型露天礦山多使用孔徑為260mm、310mm的大型鉆機(jī)，在實施預(yù)裂爆破時常選用100～200mm等小孔徑鉆機(jī)穿孔，同時采用徑向不耦合裝藥，以降低炸藥對孔壁施加的爆破壓力。預(yù)裂孔內(nèi)裝藥的不耦合系數(shù)越大，作用在孔壁上的爆破壓力呈指數(shù)衰減程度越多，使邊坡巖體的整體性、穩(wěn)定性得以保護(hù)。國內(nèi)大多數(shù)礦山預(yù)裂孔不采用垂直穿孔，而采用與礦山設(shè)計階段坡面角相同的傾斜孔，傾斜孔的好處在于使階段坡面巖石符合力學(xué)原理，其穩(wěn)固程度得到提高，可更好地實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定。

2 預(yù)裂爆破成縫原理

露天礦山的預(yù)裂爆破，沿著設(shè)計邊界線穿一排密集孔（與臺階高度相同，常見孔徑為100～200 mm），采用不耦合裝藥技術(shù)，爆破后炮孔連線沿著設(shè)計邊界開裂出一條縫隙，從而將被保護(hù)巖體與爆破開挖區(qū)斷開。

預(yù)裂爆破一次成功，需要滿足兩個條件：一是爆破沖擊波及爆轟氣體作用對預(yù)裂孔壁，尤其是待保護(hù)巖體一側(cè)的孔壁不至于壓壞；二是當(dāng)預(yù)裂孔爆破后，預(yù)裂孔連線方向形成裂隙并連接成縫。炸藥爆炸后，爆炸應(yīng)力波與高壓氣體的聯(lián)合作用，使預(yù)裂孔連線方向產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，孔壁兩側(cè)產(chǎn)生相對的拉應(yīng)力集中；一旦預(yù)裂孔間距很近，則孔間連線兩側(cè)全部是拉應(yīng)力區(qū)，并達(dá)到足以拉斷巖石的程度；在預(yù)裂爆破作用過程中，爆轟氣體在預(yù)裂縫最終形成中起著主導(dǎo)作用。在實際應(yīng)用中，一般孔徑越小則半孔率越高，但為保證穿孔效率，大型露天礦山常采用孔徑為110～150mm的潛孔鉆機(jī)鉆鑿預(yù)裂孔，并采用徑向不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。實踐證明只要調(diào)整相鄰炮孔的距離或孔內(nèi)裝藥量便可達(dá)到成縫的目的。

3 預(yù)裂爆破施工工藝

3.1 穿孔方式

半孔率是衡量預(yù)裂爆破效果的一個重要指標(biāo)，孔徑越小，半孔率就越高，一般大型礦山使用潛孔鉆機(jī)穿預(yù)裂孔，孔徑為110～150mm?？拙嗳】讖降?0～14倍，硬巖取小值，軟巖取大值。預(yù)裂爆破的原則是不留根底和不破壞臺階底部的完整性，因此在大型露天礦山中常用潛孔鉆機(jī)穿與設(shè)計坡面角角度相同的傾斜孔，傾斜孔底標(biāo)高與階段坡面坡底標(biāo)高一致，如圖1所示。

3.2 裝藥方式

為降低預(yù)裂爆破對孔壁的破壞作用，通常選用低密度、低爆速炸藥，結(jié)構(gòu)上采用不耦合裝藥方式，不耦合系數(shù)以2～5為宜，在允許的線裝藥密度的情況下，不耦合系數(shù)可隨孔距的減小而適當(dāng)增大。巖石抗壓強(qiáng)度大時，應(yīng)取較小的不耦合系數(shù)值［1］。以首鋼水廠鐵礦為例：炮孔內(nèi)采用乳化藥卷固定在竹竿上，孔底采用加強(qiáng)裝藥，上部間隔藥包用導(dǎo)爆索串聯(lián)起來，同時需注意的是炸藥與邊坡一側(cè)不緊貼。如圖2所示。

圖1 傾斜預(yù)裂孔示意圖Fig.1 Sketch of inclined presplit hole

圖2 預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of charging construction of presplit blasting

3.3 填塞要領(lǐng)

預(yù)裂爆破的填塞目的是延長孔內(nèi)爆破高溫高壓氣體的作用時間，填塞長度以預(yù)裂孔爆破后不產(chǎn)生傘沿和后翻為目標(biāo)，常取炮孔直徑的12～20倍。填塞時通常先將炸藥包裝袋等柔軟可支撐物堵塞炮孔后用孔渣填塞。

3.4 起爆方式

大型露天礦山預(yù)裂爆破常采用孔底起爆，孔底的加強(qiáng)裝藥可有效克服炮孔底部的巖石夾制作用，中部不耦合間斷裝藥結(jié)構(gòu)可減小對邊坡的破壞作用。

3.5 爆破微差控制

預(yù)裂爆破一般采用毫秒微差爆破降低爆破振動，并按照環(huán)境要求設(shè)計單響最大藥量。預(yù)裂孔超前主爆區(qū)起爆，超前時間一般不少于100ms。以水廠鐵礦為例，常采用分組串聯(lián)方式：以3～10個炮孔為一組，組內(nèi)導(dǎo)爆索連接傳爆，組間延時100～300 ms順序微差起爆［2］。

4 預(yù)裂爆破效果評價

預(yù)裂爆破效果評價以爆區(qū)采裝作業(yè)完畢后的半孔率作為主要的評價指標(biāo)，半孔率指標(biāo)要求在硬巖中不少于80%，軟巖中不少于50%［3］。部分礦山同時輔以預(yù)裂縫寬度以及降振效果等指標(biāo)來衡量其效果。一般要求爆破后巖體在預(yù)裂面上形成貫通裂縫，地表預(yù)裂縫寬度不小于1cm。對于爆破降振則主要是通過設(shè)計及施工來控制，通過孔距、裝藥參數(shù)、單孔最大藥量、有效填塞等方法，來滿足預(yù)裂爆破對飛石控制的要求。

5 預(yù)裂爆破技術(shù)在露天礦山應(yīng)用中的常見問題和防治措施

5.1 預(yù)裂爆破后形不成整齊的壁面

對于均質(zhì)穩(wěn)定的巖體，預(yù)裂爆破后形不成整齊的壁面是設(shè)計施工中的常見問題，原因一般有三個方面：一是孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，炮孔頂部形成傘沿或后翻，孔底超爆或欠挖底板不平。二是不耦合裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量不當(dāng)造成預(yù)裂孔的過爆或欠挖。三是微差時間控制不合理造成爆破效果不理想。

預(yù)裂爆破效果不佳，往往是一個或幾個原因同時作用的結(jié)果，在施工中要根據(jù)工地的巖石種類、地質(zhì)構(gòu)造特征以及施工機(jī)具等條件，恰當(dāng)?shù)卮_定鉆孔直徑、炮孔間距、裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)等參數(shù)，并不斷進(jìn)行調(diào)整和總結(jié)經(jīng)驗。對于預(yù)裂爆破主要參數(shù)的確定可以采用理論計算法、經(jīng)驗公式法、工程類比法等方法，有時用兩種以上方法綜合考慮來確定預(yù)裂爆破參數(shù)，以期達(dá)到理想的效果［4］。

5.2 爆破飛石

預(yù)裂爆破只有一個自由面，由于巖體的夾制作用和形成預(yù)裂縫的要求，爆破飛石的產(chǎn)生往往不可避免，但并非無計可施，我們可以通過改變炮孔間連線的起爆點來控制爆破飛石的移動方向，通過調(diào)整孔距、藥量及齊爆炮孔個數(shù)及組間微差時間來有效減少爆破飛石危害。

5.3 過破碎巖體邊坡的施工

對于巖體破碎的邊坡，常遇到穿孔精度尤其是孔深不達(dá)標(biāo)的問題，同時按常規(guī)的爆破施工方案往往形成超爆，從而影響邊坡穩(wěn)定性。對于該類邊坡的爆破施工，我們可依施工經(jīng)驗適當(dāng)增大孔距，采取與邊坡境界線平行前移1～2.5個炮孔間距步孔的施工方案，同時對藥量進(jìn)行適當(dāng)縮減，爆破后經(jīng)挖掘機(jī)的采掘超挖可形成相對穩(wěn)固的壁面。如邊坡巖體過于破碎的壁面，還可采用注漿封閉、錨噴支護(hù)等方案，實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定。

6 預(yù)裂爆破技術(shù)前沿展望

6.1 預(yù)裂爆破由裝藥爆破向靜態(tài)劈裂方向發(fā)展

安全是其中一個非常重要的推動因素，當(dāng)前預(yù)裂爆破主要采用炸藥爆破的方式，不可避免得要產(chǎn)生飛石危害，為保證爆破安全，可采用靜態(tài)劈裂技術(shù)，不使用或使用少量炸藥，通過機(jī)械穿孔及靜態(tài)劈裂技術(shù)使炮孔連線沿著預(yù)定軌跡開裂成縫。

6.2 低密度、低爆速炸藥的研制

當(dāng)前我國露天礦山預(yù)裂爆破多采用銨油、乳化藥卷等炸藥，國外礦山采用爆破峰值壓力比常規(guī)炸藥低的專用炸藥用于預(yù)裂爆破工程中。根據(jù)ICI理想爆轟模型，降低炸藥密度不僅可以降低爆速，同時也會導(dǎo)致爆轟壓力的減小。在實際的非理想爆轟條件下，雖然炸藥的爆速和爆轟壓力會低于理論計算值，但它們都隨著炸藥密度減小而降低的規(guī)律是相同的，同時低爆速炸藥可有效減小炸藥對邊坡巖體的破壞作用，因此低密度、低爆速炸藥的研制可有效改善預(yù)裂爆破效果。國內(nèi)乳化密度一般為1.05～1.25g/cm3，銨油炸藥密度約為0.8～1.0g/cm3。有關(guān)研究人員曾使用0.5g/cm3的水膠炸藥與銨油炸藥等進(jìn)行比較，結(jié)果表明低密度、低爆速炸藥超挖量相對較少，半孔率也相對提高［5］。因此借鑒國外礦山的經(jīng)驗，低密度、低爆速炸藥的研制對于提高預(yù)裂爆破的效果將具有積極的意義。

6.3 爆破介質(zhì)的利用

預(yù)裂爆破通常以孔內(nèi)空氣作為介質(zhì)傳播爆轟波，實際的施工中由于是在完整巖體上的穿爆作業(yè)，炮孔內(nèi)的水不能很好地隨裂隙散失，因此在預(yù)裂爆破施工中水孔往往不可避免，我們注意到炸藥爆破能量可以水為介質(zhì)進(jìn)行有效傳播，節(jié)理裂隙發(fā)育的邊坡水孔爆破往往將產(chǎn)生較大的破壞造成超爆，在完整性好的巖體中不會形成多少新的裂隙，可以達(dá)到很好的預(yù)裂爆破效果；因此在爆破設(shè)計和施工中我們可以將水作為一種很好的爆轟傳播介質(zhì)在預(yù)裂爆破中加以應(yīng)用。

國外礦山在爆破介質(zhì)的應(yīng)用上除空氣和水外也有一些特殊的例子：澳大利亞PTY炸藥公司研制的Stemlok氣囊袋施工簡便，其內(nèi)裝有醋酸和碳酸鈉小瓶，混合后可產(chǎn)生膨脹氣體，實現(xiàn)氣囊式間隔裝藥；美國西部某煤礦也采用Stemlok氣囊袋，不同的是采用硬紙管進(jìn)行不耦合裝藥［5］。

綜合國內(nèi)外礦山的施工經(jīng)驗，基于爆破介質(zhì)的研究也是預(yù)裂爆破技術(shù)發(fā)展的一個方向；隨著對爆破介質(zhì)的研究和實踐，預(yù)裂爆破技術(shù)也必將得到新的發(fā)展。

7 結(jié)論

本文結(jié)合國內(nèi)外礦山預(yù)裂爆破技術(shù)的原理和應(yīng)用情況，做了簡要的論述，結(jié)合作者的設(shè)計施工經(jīng)驗對邊坡預(yù)裂爆破施工過程中遇到的三個問題進(jìn)行了論述，提出了相應(yīng)的解決辦法；并對預(yù)裂爆破技術(shù)的展望提出了一些自己的看法，希望對工程技術(shù)人員的邊坡預(yù)裂爆破設(shè)計施工起到指導(dǎo)和借鑒的作用。

［1］翁春林，葉加冕.工程爆破［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2014：139-141.

［2］齊寶軍，璩世杰，王愛民，等.水廠鐵礦鄰近邊坡控制爆破技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.爆破，2009，26（3）：38-39，68.

［3］李寶祥.金屬礦床露天開采［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1992：31.

［4］王德勝，龔 敏.露天礦山臺階中深孔爆破開采技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007：58-59.

［5］熊代余，顧毅成.巖石爆破理論與技術(shù)新進(jìn)展［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2002：64-68.

Application of pre-blasting technology in large-scale open-pit mine

LI Jianhua
（Beijing Steel Corporation Mining Industry，Tangshan Hebei 064404，China）

The blasting into joint principle of presplit blasting technology and application in the engineering construction are discussed briefly in this paper，and taking the open-pit mine as an example，and the paper expounds the presplit blasting technology which play an important role in protecting slope stability，at the same time the representative of the problems which often occur in the process of presplit blasting construction have been discussed，then the corresponding solution method is put forward.The study will play a role of guidance and reference for similar construction.

presplit blasting；presplit blasting into joint；slope stability

TD235.37＋1

Α

1671-4172（2015）03-0074-03

李建華（1982-），男，工程師，碩士研究生，采礦工程專業(yè)，主要研究方向為爆破設(shè)計與施工及礦山開采設(shè)計。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.016