預(yù)裂爆破技術(shù)在凹山鐵礦的應(yīng)用

王　銘　陳能革

(1.馬鋼集團礦業(yè)有限公司；2.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責(zé)任公司)

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預(yù)裂爆破技術(shù)在凹山鐵礦的應(yīng)用

王銘1,2陳能革1

(1.馬鋼集團礦業(yè)有限公司；2.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責(zé)任公司)

為減輕生產(chǎn)爆破對邊坡巖體的破壞，維護邊坡穩(wěn)定，凹山鐵礦在靠界時需實施預(yù)裂爆破。在分析了預(yù)裂成縫機理后，首先對預(yù)裂爆破主要參數(shù)，不耦合系數(shù)、線裝藥密度、預(yù)裂孔間距等進行了理論計算，然后根據(jù)計算結(jié)果進行了不同參數(shù)的預(yù)裂爆破試驗。在預(yù)裂爆破的基本要求下，通過對比分析確定了不同巖性區(qū)域中預(yù)裂爆破的合理參數(shù)。按照該參數(shù)在礦山應(yīng)用后，取得了良好的效果。

預(yù)裂爆破邊坡穩(wěn)定不耦合系數(shù)炮孔間距抗壓強度

馬鋼南山礦業(yè)公司凹山鐵礦屬大型深凹露天礦，隨著開采深度的增加，邊坡越來越高，穩(wěn)定性問題日益突出，主要表現(xiàn)在淺部臺階靠界圍巖破碎嚴(yán)重。

為降低爆破對圍巖的不利影響，保證邊坡穩(wěn)定，凹山鐵礦開展了大量的預(yù)裂爆破試驗，在靠界爆破應(yīng)用實踐中取得了良好的預(yù)裂爆破效果。

1　預(yù)裂爆破的基本要求

預(yù)裂爆破主要是通過沿開挖邊界布置密集炮孔，采用不耦合裝藥，并先于主爆區(qū)起爆形成預(yù)裂縫的方式減小爆破對永久邊坡的破壞作用，實現(xiàn)維護邊坡穩(wěn)定的目的。實施預(yù)裂爆破后應(yīng)達到以下基本要求：

(1)形成規(guī)整的預(yù)裂面且超挖量小，通常以預(yù)裂面半壁孔痕率衡量爆破后保留區(qū)圍巖的完整性，硬巖半壁孔痕率應(yīng)達到80%以上，中硬巖應(yīng)達到60%以上，軟巖應(yīng)達到30%以上[1]。

(2)巖體中原生裂隙不擴展，爆生裂隙少。

(3)預(yù)裂面不平整度小于±150 mm。

(4)預(yù)裂爆破產(chǎn)生的預(yù)裂縫寬度不宜小于10 mm[2]，且降震率應(yīng)為40%以上。

2　預(yù)裂爆破的成縫機理

目前，針對預(yù)裂爆破的成縫機理主要有3種理論，即應(yīng)力波干涉理論、以高壓氣體為主要作用的理論、爆炸應(yīng)力波和高壓氣體聯(lián)合作用理論，其中聯(lián)合作用理論為多數(shù)人所接受[3-4]。聯(lián)合作用理論認為爆炸應(yīng)力波由炮孔向周圍傳播過程中產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力超過巖石的極限抗拉強度而在孔壁甚至相鄰炮孔連線上產(chǎn)生裂縫，隨后在爆炸氣體的氣楔作用下，裂縫進一步擴展、貫通，形成預(yù)裂面。

Brown的高速攝影試驗證明:炮孔孔壁邊開裂發(fā)生在爆轟波之后，沖擊波形成的同時，而裂縫擴展較遲，可以認為是氣體產(chǎn)生的[3]，即預(yù)裂縫是由于應(yīng)力波和爆生氣體共同作用形成的。

3　預(yù)裂爆破參數(shù)計算

預(yù)裂爆破實踐中，預(yù)裂爆破參數(shù)的計算方法主要有工程類比法、經(jīng)驗公式法以及現(xiàn)場試驗法等，也有學(xué)者采用理論計算的方法計算預(yù)裂爆破參數(shù)。

3.1不耦合系數(shù)

預(yù)裂爆破通常采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，同時采用低威力炸藥。因此，不耦合系數(shù)是預(yù)裂爆破中的一個關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響炸藥爆炸后作用在孔壁上壓力的大小。爆破時作用在孔壁上的壓力

(1)

式中，P為作用在孔壁上的壓力，MPa；P0為炸藥初始爆壓，MPa；Vd為藥包體積，m3；VD為炮孔容積，m3；r為絕熱指數(shù)。

根據(jù)不耦合系數(shù)定義，式(1)可變換為

(2)

式中，D為炮孔直徑，m；d為藥包直徑，m。

為防止爆破時作用在炮孔壁上的壓力過大，造成孔壁圍巖的破壞，作用在孔壁周圍巖石內(nèi)的壓應(yīng)力應(yīng)小于巖石的極限抗壓強度[σ]壓，結(jié)合式(2)可得到

(3)

3.2線裝藥密度及裝藥長度

(1)線裝藥密度qL。預(yù)裂孔內(nèi)實際線裝藥密度

(4)

式中，qL為線裝藥密度，kg/m；ρ為炸藥密度，kg/m3。

(2)裝藥長度l1。預(yù)裂爆破采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)時，裝藥長度l1與炮孔長度l相同；若采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)，藥包直徑應(yīng)為當(dāng)量藥包直徑

(5)

式中，l1為裝藥長度，m；l為炮孔長度，m。

由不耦合系數(shù)定義，結(jié)合式(5)，可知預(yù)裂爆破采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)時裝藥長度

(6)

炮孔裝藥量

(7)

3.3炮孔間距

(1)經(jīng)驗公式法。瑞典蘭格弗斯(Langefors)[5]給出的炮孔間距

(8)

(9)

(2)理論計算法。預(yù)裂孔間距與巖石的動態(tài)抗壓強度、動態(tài)抗拉強度和炮孔直徑有關(guān)[6]。預(yù)裂爆破時為保證炮孔壁不受壓破壞且形成拉裂縫，孔壁壓力應(yīng)滿足

(10)

(11)

式中,[σ]壓為巖石的極限抗壓強度，MPa；[σ]拉為巖石的極限抗拉強度，MPa。

由于預(yù)裂縫形成過程是動態(tài)的，式(11)中巖石的抗拉強度應(yīng)取動態(tài)抗拉強度值，由式(11)可得

(12)

預(yù)裂爆破工程實踐中，應(yīng)遵循以下原則，即在滿足工程需要基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能加大炮孔間距，降低工程成本[3]，用巖石的動態(tài)抗壓強度[σ]壓替換孔壁壓力，則預(yù)裂爆破炮孔間距的最大值為：

(13)

現(xiàn)場巖體的動態(tài)抗壓強度和動態(tài)抗拉強度變化較大，實際應(yīng)用過程中往往利用巖石靜態(tài)強度指標(biāo)代入式(13)進行估算，通過現(xiàn)場試驗進行調(diào)整，以獲得更優(yōu)的預(yù)裂爆破效果。

4　工程應(yīng)用

4.1工程地質(zhì)概況

凹山鐵礦石主要為含釩磁鐵礦及假象赤鐵礦，f=4～7；圍巖主要有安山巖、凝灰?guī)r、粗面巖和閃長玢巖，f=4～12，實施預(yù)裂爆破區(qū)域巖石主要分2種：

(1)矽化黃鐵礦化輝長閃長玢巖，呈灰或灰綠色，斑狀結(jié)構(gòu)，質(zhì)地堅硬，節(jié)理發(fā)育，f=8～12。

(2)粗面巖，強風(fēng)化，質(zhì)地較疏松，節(jié)理密集成網(wǎng)，f=4～8。

為保證邊坡穩(wěn)定，提高安全性、經(jīng)濟性，凹山鐵礦先后開展了不同參數(shù)預(yù)裂爆破技術(shù)的研究與應(yīng)用。

4.2預(yù)裂爆破參數(shù)4.2.1炮孔布置及孔徑

預(yù)裂孔的作用只是形成預(yù)裂縫，不宜采用太大的孔徑和藥卷直徑[7]。礦山采用TY-370GN液壓潛孔鉆機，沿設(shè)計境界線鉆鑿預(yù)裂孔，炮孔直徑為150 mm，鉆孔傾角與臺階坡面角一致，即60°，預(yù)裂孔炮孔布置見圖1。

圖1　預(yù)裂爆破炮孔布置1—預(yù)裂孔；2—輔助孔；3—減振孔；4—主爆孔

4.2.2爆破參數(shù)

爆破參數(shù)包括不耦合系數(shù)、線裝藥密度及裝藥長度、炮孔間距。

(1)不耦合系數(shù)。根據(jù)上文已知，不耦合系數(shù)K與巖石抗壓強度存在函數(shù)關(guān)系，可根據(jù)馬鞍山礦山研究院在不同地質(zhì)條件下預(yù)裂爆破試驗數(shù)據(jù)總結(jié)的公式計算不耦合系數(shù)

(14)

凹山鐵礦預(yù)裂爆破區(qū)域圍巖強度指標(biāo)見表1。

kg/cm2

(2)線裝藥密度及裝藥長度。凹山鐵礦預(yù)裂爆破采用間隔裝藥，結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2　裝藥結(jié)構(gòu)示意

采用50 mm銨油炸藥藥卷捆綁在沿炮孔長度敷設(shè)的導(dǎo)爆索上，臺階高度12 m，孔深14.5～15 m，其中為減弱減振孔爆破對邊坡的破壞，預(yù)裂孔超深0.5～1.0 m，實際線裝藥密度

在不同巖性圍巖中實施預(yù)裂爆破裝藥長度不同，根據(jù)式(6)進行計算，結(jié)果見表2。

(3)炮孔間距。炮孔間距根據(jù)式(13)計算出最大值，結(jié)果見表2。

表2　預(yù)裂爆破參數(shù)計算結(jié)果

4.3預(yù)裂爆破結(jié)果

由于邊坡圍巖的不均質(zhì)性，圍巖內(nèi)存在部分原生裂隙、節(jié)理等，實際采用的預(yù)裂孔間距可以大于表2中計算的預(yù)裂孔間距。凹山鐵礦前期分別在矽化輝長閃長巖區(qū)域進行了預(yù)裂孔間距1.3～2.0 m的預(yù)裂爆破試驗，在粗面巖區(qū)域進行了預(yù)裂孔間距1.2～1.8 m的預(yù)裂爆破試驗。其中，采用以上預(yù)裂孔參數(shù)均能產(chǎn)生預(yù)裂縫，根據(jù)試驗結(jié)果，在凹山鐵礦應(yīng)用預(yù)裂爆破能夠達到較優(yōu)結(jié)果的參數(shù)范圍見表3。

表3　預(yù)裂爆破試驗結(jié)果

根據(jù)不同孔距試驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，孔距變大，預(yù)裂爆破效果變差，堅硬巖石與松軟、完整性差巖石相比，孔距可以適當(dāng)大些?？紤]預(yù)裂爆破的基本要求和成本因素，凹山鐵礦最終采用的預(yù)裂爆破參數(shù)見表4。

表4　最終預(yù)裂爆破試驗結(jié)果

凹山鐵礦通過實施預(yù)裂爆破，爆破后形成的臺階面基本平整，不平整度一般小于±25 cm，巖體結(jié)構(gòu)受爆破影響小，提高了邊坡的穩(wěn)定性，坡面角和境界線均達到了設(shè)計要求，預(yù)裂爆破應(yīng)用效果見圖3。

圖3　凹山鐵礦預(yù)裂爆破效果

5　結(jié)　論

(1)采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)能降低炸藥爆炸時作用在預(yù)裂孔壁的初始壓力，避免對孔壁的壓縮破壞。不耦合系數(shù)、炸藥量選取均與孔壁壓力有關(guān)，可以根據(jù)圍巖的極限抗壓強度初步計算不耦合系數(shù)。

(2)根據(jù)預(yù)裂縫成縫機理，預(yù)裂孔間距與巖石的動態(tài)抗壓強度、動態(tài)抗拉強度和炮孔直徑有關(guān)。可以通過以上參數(shù)計算預(yù)裂孔間距的最大值。

(3)在堅硬、完整性好的巖石中預(yù)裂爆破參數(shù)變動范圍較大，在保證預(yù)裂爆破質(zhì)量的前提下，為降低成本，可采用大孔距，適當(dāng)增大線裝藥密度。

(4)在松軟、完整性差的巖石中預(yù)裂爆破也可以取得較好的效果，但是半壁孔痕率較低，不平整度較大達到±25 cm，實際應(yīng)用中應(yīng)采用小孔距，并減少線裝藥密度。

(5)結(jié)合理論計算與現(xiàn)場試驗，凹山鐵礦在矽化輝長閃長巖和粗面巖區(qū)域獲得了合理的預(yù)裂爆破參數(shù)。通過預(yù)裂爆破技術(shù)的應(yīng)用，減少了生產(chǎn)爆破對邊坡圍巖的破壞，保證了邊坡的穩(wěn)定，對類似礦山實施預(yù)裂爆破具有一定的借鑒意義。

[1]汪旭光．爆破設(shè)計與施工[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2014．

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Application of Pre-splitting Blasting Technique in Washan Iron Mine

Wang Ming1,2Chen Nengge1

(1.Magang Group Mining Co., Ltd.；2.Maanshan Institute of Mining Research Blasting Engineering Co.,Ltd.)

To reduce the damage on slope surrounding rock by blasting production, and ensure the stability of slope, pre-splitting blasting near interface was needed in Washan Iron Mine. Theoretical calculation on main parameters of pre-splitting, such as decouple coefficient, linear charge density, pre-splitting hole space was conducted, after analysis the mechanism of pre-splitting blasting, then pre-splitting blasting tests with different parameters were conducted according to calculated results. With the basic requirements of pre-splitting blasting, reasonable parameters of pre-splitting blasting corresponding to different rock properties were determined by comparative analysis. After applying the above parameters, good results have been achieved.

Pre-splitting blasting， Stability of slope， Decouple coefficient， Hole space, Compressive strength

2016-06-26)

王銘(1967—),男，副總經(jīng)理，工程師，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號。