司家營研山露天鐵礦預裂爆破技術應用研究

禹朝群，溫海波，陳慶凱，胥國強

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司家營研山露天鐵礦預裂爆破技術應用研究

禹朝群1，溫海波2，陳慶凱2，胥國強3

(1.河北鋼鐵集團礦山設計有限公司，河北 唐山市 063700；2.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3.河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦，河北 唐山市 063700)

為了降低爆破振動對最終邊幫穩(wěn)定性的影響以及解決爆破振動擾民問題，依據(jù)巖石損傷與斷裂力學理論，對預裂爆破成縫機理進行了分析。通過對預裂縫的形成條件與形成過程的分析，給出了預裂爆破參數(shù)的計算公式，并結合司家營研山鐵礦的巖石性質(zhì)，計算出了研山采場預裂爆破參數(shù)。通過爆破振動監(jiān)測結果可知，預裂爆破平均降振率為39%，降振效果較好。

預裂爆破；巖石損傷；斷裂力學；爆破振動；爆破參數(shù)

在露天礦開采過程中，臺階深孔爆破產(chǎn)生的爆破地震效應，對露天邊坡巖體結構的穩(wěn)定性會產(chǎn)生較大的影響[1]。因此，在露天臺階爆破中，既要利用爆破產(chǎn)生的能量盡可能地破碎礦巖，又要控制炸藥爆炸對被保護邊坡的破壞。預裂爆破形成的預裂縫具有保護邊坡的作用，一方面，預裂縫可以阻斷主爆孔爆破時產(chǎn)生的應力波向保護區(qū)域傳播，從而達到減震的效果；另一方面，預裂縫可以阻斷主爆孔爆破時產(chǎn)生的裂縫向邊坡的延伸，從而保障邊坡巖體結構的完整性[2?4]。本文依據(jù)巖石損傷與斷裂力學理論，確定了研山鐵礦露天采場邊坡預裂爆破公式，對其預裂爆破參數(shù)優(yōu)化研究有一定的實際意義。

1 預裂爆破參數(shù)設計

預裂爆破技術具有超挖量少、有效降低主爆區(qū)周邊巖體擾動等優(yōu)點，廣泛應用于各種形式的巖石爆破開挖工程[1-8]。根據(jù)研究成果，影響預裂爆破效果的因素很多，其作用機理也十分復雜，到目前為止對預裂爆破形成預裂縫(面)的機理尚沒有定論。針對預裂爆破學者提出的理論主要有3種：應力波疊加理論、爆炸瓦斯高壓靜力作用理論、應力波理論和爆炸瓦斯綜合作用理論等[5, 9?10]。目前應用最廣的是應力波與爆炸氣體綜合作用原理。巖土等爆破后，爆破應力波首先作用于孔壁，在孔壁周圍形成大量徑向裂紋，在爆炸性氣體準靜態(tài)應力場作用下，初始徑向裂紋繼續(xù)擴展，在炮孔中心連線方向形成一條預裂縫(面)[6]。

1.1 裝藥不耦合系數(shù)

由于一般常規(guī)巖體爆破所產(chǎn)生的沖擊壓力遠大于巖石的抗壓強度，爆破對爆源中心巖體破壞嚴重，為此，預裂爆破常采用非耦合裝藥結構，目的是既能夠使孔間拉開預裂縫，又不會在孔壁周圍形成壓碎區(qū)[11]。不耦合系數(shù)是鉆孔直徑與藥包直徑的比值，根據(jù)巖石斷裂力學理論及巖石損傷理論[12]，不耦合系數(shù)一般根據(jù)巖石的極限抗壓強度計算確定。

1.2 炮孔直徑

預裂爆破通常選擇小孔徑的炮孔，可以減少對周圍巖石的破壞，提高半孔率與坡面平整度。但是孔徑越小，現(xiàn)場施工越困難，同時也很難控制不耦合率。一般實際施工中預裂炮孔的直徑取60~150 mm。結合司家營研山鐵礦鉆機的實際情況，預裂炮孔孔徑選擇為115 mm。

1.3 炮孔間距

預裂爆破炮孔間距的選擇應該能夠使相鄰炮孔之間的裂縫貫通。因此，孔間距小于炸藥爆炸在孔間產(chǎn)生裂紋的最大長度。結合巖石損傷理論與斷裂力學理論，應力波作用下產(chǎn)生的初始裂紋長度[12]：

爆生氣體作用下產(chǎn)生的裂紋長度：

炮孔間距計算，滿足式(3)：

≤2(a+a)+d(3)

1.4 裝藥線密度

裝藥線密度是指炮孔裝藥量與炮孔裝藥長度的比值。綜合考慮相關工程經(jīng)驗及理論計算，由以下公式確定其取值[13]：

式中，q為裝藥線密度，kg/mq為體積裝藥密度，g/m3，為不耦合系數(shù)。

1.5 孔間起爆時間

預裂爆破孔間爆破時差以先爆炮孔應力波剛到或剛超過后爆孔為宜，理論最佳延遲時間通過式(5)計算[14]；

式中，C為縱波速度，m/s；C為橫波速度，m/s。

2 司家營研山鐵礦預裂爆破

2.1 爆破參數(shù)設計

研山北幫采場?30 m臺階需要進行靠幫作業(yè)，邊坡巖性主要為中風化的砂巖，由于風化嚴重，自身穩(wěn)定性差，其物理力學參數(shù)見表1。為保證邊坡穩(wěn)定及采場的正常生產(chǎn)秩序，需要對其實施預裂爆破。

設計采用2#巖石乳化炸藥，其相關參數(shù)為：密度0=1.15 g/cm3；爆速C=5200 m/s。根據(jù)邊坡巖體的力學性質(zhì)及現(xiàn)場情況，不耦合系數(shù)為4.05，最終設計參數(shù)見表2。

2.2 預裂爆破現(xiàn)場實驗

2018年2月開始對研山露天采場北幫?30 m水平到界邊坡實施了6次預裂爆破。主爆區(qū)及緩沖孔均采用矩形布孔，預裂炮孔采取平行于坡面角的63°左右傾斜孔進行施工，主爆孔和緩沖孔均采用垂直鉆孔。按照設計的線裝藥量，首先對每孔的藥量進行分配，然后用膠帶、炮線或者綁帶將導爆索和炸藥按要求和竹片進行綁扎，其中1米綁扎1節(jié)乳化炸藥。然后將綁扎好的竹片慢慢放置于孔中。預裂孔裝藥時要遵循底部加強裝藥、中間段正常裝藥、上部減弱裝藥的原則，預裂孔底部裝藥密度為800 g/m，中間部位裝藥為700 g/m，頂部裝藥為 400 g/m[15]，具體爆破參數(shù)見表2。

表1 研山巖體物理力學參數(shù)

表2 預裂爆破參數(shù)

施工期間，每次預裂爆破都對永久邊坡進行爆破振動監(jiān)測并收集數(shù)據(jù)，其中測點1#在后法寶村，測點2#在東法寶村，預裂爆破降振效果統(tǒng)計見表3。

2.3 預裂爆破效果及減震效果

2.3.1 預裂爆破效果分析

預裂爆破的效果主要從坡面半孔率、坡面平整度、孔口位置巖體破碎狀況、有無根底、孔壁巖石上有無爆生裂紋、有無超挖現(xiàn)象以及對保留巖體的降振效果等幾個方面來進行評價。通過分析上述6次預裂爆破的效果可得出如下結論：

(1) 如圖1所示，預裂爆破的半孔率較大，整體上并未出現(xiàn)明顯超挖現(xiàn)象，爆破后整體上根底較少，局部由于施工和裝藥原因?qū)е抡ㄋ幏植疾痪鶆驈亩a(chǎn)生少量根底。

圖1 預裂爆破效果

(2) 爆破后邊坡坡面不平整度控制在20 cm左右，坡面平整度控制較好，預裂孔壁基本上沒有產(chǎn)生新生裂紋。

表3 預裂爆破減震效果統(tǒng)計

注：理論計算速度通過該礦山爆破振動的衰減公式(=48.6、=1.23)計算得到。

(3) 爆后主爆區(qū)大塊率比較低，爆堆前沖距離較短，后沖較小。

2.3.2 減震效果分析

在預裂爆破過程中，為了掌握預裂爆破產(chǎn)生的爆破振動情況，礦山利用TC-4850N 爆破振動監(jiān)測儀器進行振動監(jiān)測，分別在采場東幫附近后法寶村、東法寶村布置固定監(jiān)測點，分別標記為監(jiān)測點1#、2#。預裂爆破最大單響藥量在100~160 kg之間，根據(jù)回歸得到的研山采場邊坡質(zhì)點振動速度公式，可以得到距離爆源不同位置處的 1#，2#測點的振動計算值，然后再與實測值進行比較計算降振率。如表3所示，預裂爆破的降振率最大可達到51%，平均降振率為39%，預裂爆破降振效果明顯。

3 結 論

為研究預裂爆破技術的降振效果，在司家營研山露天鐵礦進行了多次預裂爆破試驗，得到了以下幾點結論：

(1) 本文依據(jù)礦山實際的巖體性質(zhì)，并且結合巖石損傷與斷裂力學理論計算得到了適用于該礦山的預裂爆破參數(shù)。

(2) 通過對6次預裂爆破試驗效果分析可知，預裂爆破的半孔率較大，未出現(xiàn)明顯的超挖現(xiàn)象，根底較少，坡面平整度控制較好，預裂孔壁基本上沒有產(chǎn)生新生裂紋，爆后主爆區(qū)大塊率比較低，爆堆前沖距離較短，后沖較小。

(3) 通過對爆破振動監(jiān)測結果分析可知，預裂爆破的降振率最大可達到51%，平均降振率為39%，預裂爆破降振效果明顯。

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(2019?02?14)

禹朝群(1983—)，男，河南泌陽人，工程師，主要從事采礦工藝設計及研究工作，Email: yucq126@163. com。