提升軟硬互層巖體松動爆破綜合效能的精準設計

馬瑞成，程 鵬，喬海平，李 方，陳 浩

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；2.國家能源集團準格爾能源有限責任公司 黑岱溝露天煤礦，內蒙古 準格爾 010300)

黑岱溝露天煤礦上覆巖體以砂巖、泥巖、粘土巖為主，層理、節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體可爆性整體屬易爆巖體[1]，但層理發(fā)育且層巖分布呈“中間軟，上下硬”的似“夾心餅”狀，爆破過程中，軟弱巖層易過渡破碎、提前卸能；較硬、節(jié)理不發(fā)育的泥巖韌性大，破碎塊度也大，易出現拉底現象，用高單耗爆破方案時，能量易從軟弱部位泄露，對于改善硬巖破碎效果有限，如何控制臺階松動爆破效果是值得認真探討的問題。黑岱溝煤礦露天15m臺階平整度在0～3m內浮動，松動爆破的炮孔深度均按統一深度穿鑿，設計控制統一堵塞高度；另外，炮孔內含水超過1m則裝填乳化炸藥，因此，松動爆破的炸藥單耗、成本較高。本文力圖通過用空氣間隔裝藥和大密集系數爆破技術、控制堵塞高度和裝藥高度、空氣與水介質耦合的松動爆破精準設計方案，在改善爆破效果的前提下，降低松動爆破成本，提升生產技術及管理水平[2]。

1 軟硬互層巖體的爆破方案優(yōu)化

黑岱溝煤礦巖體構造呈東北高、西南低，巖層平緩，傾角一般不大于10°，巖石松動爆破臺階高度為15m。試驗在兩片區(qū)域進行，1#區(qū)范圍內臺階上部為近3m的粗砂巖，中間2.5m左右深灰色軟弱的泥巖層+粉砂巖，臺階下部9m左右為致密泥巖；2#區(qū)以砂(頁)巖、泥(頁)巖為主，上部覆蓋近1m厚的絳紫色、紫色泥巖，巖層近水平分布，橫向層理和縱向節(jié)理比較發(fā)育。

1.1 空氣間隔裝藥結構

由于中部泥巖與粉砂巖軟弱部分相對上下部分的單一巖體整體強度和完整性差，若使用連續(xù)裝藥，爆壓峰值高，裂隙發(fā)展速度快，使其先于上下巖體發(fā)生破壞，破碎后使炮孔與前方自由面過早貫通，從而導致部分爆炸能量提前泄出。為解決這一問題，采用空氣間隔裝藥來實現均衡爆壓的目的[3]，避免中部軟硬互層巖體過度粉碎，改善破碎塊度。由于該礦年采煤計劃超過3400萬t，當前生產剝采比處在上行階段，采掘節(jié)奏快，在不增加人力的條件下，需要考慮改進的裝藥結構能否和現行的生產習慣相適應，因此選擇使用適量的底部間隔，探索能否可以在不影響整體爆破效果的基礎上減少藥量，降低生產成本。間隔高度根據臺階高度控制在2～3m，使用現場混裝銨油炸藥，裝藥高度8～10m，填塞高度6～7m。鉆孔采用DM-H與CDM-75牙輪鉆機，孔徑250mm，實際臺階高度14～15m，底盤抵抗線6.5～7.5m，超深主要取決于巖石的可爆性，結合經驗選取2m超深，鉆孔深度16～17m，裝藥結構如圖1所示。

圖1 裝藥結構與巖層關系

從圖1中可知，當填塞長度取最小值6m時，中部軟弱層也與藥柱相頂部保持1～2m的距離，一定程度緩沖了爆炸沖擊。另外考慮工作破面坡度均在80°～90°，且臺階下部所堆積的是采掘后遺留的細碎渣土，底部適當減少裝藥對底盤爆破的影響并不會過大，原先采用連續(xù)裝藥時炮孔底部2～3m處的炸藥被替換成空氣，可延長了爆壓作用時間，使巖體整體獲得更長時間的爆破沖量作用[4]，針對韌性大的致密泥巖是有益的。

1.2 大密集系數布孔技術

1.3 起爆相關參數

炮孔起爆方式和起爆網絡相關參數在該礦長期實踐中已改進地較為合理成熟。采用導爆管雷管傳爆，在藥柱兩端2～3m位置各設起爆彈一個，同時反向起爆；孔間延期42ms，排間延期100ms，逐孔起爆，起爆網絡如圖2所示。這樣的設計可以保證孔間聯動貫通，從地表觀察可見明顯裂縫如圖3所示。

圖2 起爆網絡示意圖

圖3 孔間聯動效果展示

2 依據實際工況逐炮孔精確爆破設計及控制

2.1 對不平整臺階表面進行精細調整

現行松動爆破設計過程采用平均臺階高度來確定鉆孔深度，往往使爆破后同一平盤臺階高低起伏偏大，平整度差。為改善這一情況，運用GPS逐一測出布孔后各點位的高程，以得出各炮孔的合理孔深。同時，鉆機實際鉆孔的孔深也必然會產生誤差，現場實測鉆孔平均超出設計值0.5～1.0m，當炮孔數量多時，累積效應對整體裝藥量的影響不可忽略。

對逐個炮孔的實際孔深進行精確測量，可確定出裝藥和填塞高度此消彼長的變化范圍，控制填塞高度在6～7m以保證達到不發(fā)生沖孔，通過調整底部空氣間隔的長度，使裝藥量達到足夠合理的量；此外，當由布孔和鉆孔誤差導致局部孔網疏密不均，炮孔負擔面積不一時，還可再進一步協調相鄰孔的藥量。在不同工況需求下，既可實現逐孔精確裝藥，又可預防當藥量整體增減時，個別孔的藥量逾越最高或最低限度而對爆破效果產生局部影響。

在本系列試驗中，通過觀測發(fā)現，兩爆區(qū)不同巖性的分層巖體均位于自臺階頂面向下0～6m范圍之內，另一方面結合生產經驗，17～19m孔深，孔徑250mm時，為確保不發(fā)生大面積沖炮，填塞長度至少取到6m。那么，針對分層段在頂部6m內的特點，巖粉始終將分層段覆蓋壓實，少量增加填塞高度對分層巖體破碎效果的影響僅是微小的量變過程，從結構上不會改變分層巖體部分爆炸作用的主要受力形式，因此，針對該軟硬互層的特殊層狀結構，控制填塞高度至少達到6m，調整個別炮孔的裝藥與填塞高度的大小以控制總藥量的方法，是合理而可行的。

2.2 準確測量前排炮孔底盤抵抗線

由于巖石剝離持續(xù)向外采區(qū)外部推進，對邊幫控制不做嚴格的要求，最后一排仍為90°的垂直孔，最終形成的臺階坡面角大多在80°～90°；電鏟抬鏟在近地面處有一定的死角盲區(qū)，經過挖掘后坡面中下部會有部分渣土堆積，不同程度地增大了底盤抵抗線，致使坡面整體呈“上薄下厚”的形態(tài)，如圖4所示。另外因人工布孔-鉆機找位的鉆孔方式而產生的孔位偏移也難以把控，加之爆區(qū)輪廓不規(guī)則，致使前排炮孔實際抵抗線各不相同?！侗瓢踩?guī)程》要求，露天深孔臺階爆破個別飛散物對設備的安全允許距離應按設計確定，針對露天礦至少應保證不影響下一水平平臺的通行和運輸；為避免臺階前排上部別飛石沖上道路，且保證下部破碎充分，不留根底，同時控制裝藥量成本，有必要對前排炮孔設計逐一進行調整。

圖4 臺階坡面“上薄下厚”形態(tài)

使用英國MDL公司Quarryman@Pro巖石表面成像和三維激光掃描系統采集坡面空間信息，得到臺階的實際坡角情況；由于坡面從上薄到下厚的形態(tài)是非均勻過渡的，故取折中的角度用于計算底盤抵抗線，該折算的角度最終范圍多落在75°～80°之間。而后在鉆孔全部完成后，根據鉆孔作業(yè)安全條件[6]，逐孔計算前排孔的底盤抵抗線Wd。

Wd≤Hcotα+B

式中，α為臺階坡面角，取75°～80°；H為臺階高度，取15m；B為實測前排鉆孔中心至坡頂線的距離，m。

試驗中許多前排孔Wd接近9m，對于超過Wd設計值上限(7.5m)的孔位，結合實際孔深情況，適當降低，乃至取消空氣間隔，增加裝藥量保證達到9m，同時考慮上部薄的情況，增加填塞高度至7～7.5m；對個別Wd小于設計值下限(6.5m)的孔位，則適當提高空氣間隔高度進行協調。試驗爆破的爆堆前沿正好落在刮路機推出的內側隔墻之中，對前沖的控制恰到好處，也良好地控制了爆堆表面的巖塊塊度，爆堆前沖控制效果如圖5所示。

圖5 爆堆前沖控制效果圖

3 空氣與水介質耦合裝藥爆破技術

爆區(qū)局部含少量巖層水和降雨導致炮孔積水短時間難以消散，水面高度通常在1m以下，個別達到2～3m，原作業(yè)習慣為含水孔一律使用乳化炸藥連續(xù)裝藥。正常無水孔使用的是現場混裝銨油炸藥，相比于乳化炸藥，首先在施工管理層面具有單耗成本低，裝藥速度快，便于出庫調運的優(yōu)點；其次在破巖效能層面，同等體積的條件下，該礦自配的銨油炸藥的爆生氣體大于乳化炸藥，有助于巖體的裂隙拓展，提高松動效果。考慮這些條件，提出對水深小于1m的含水炮孔在距孔底2m處放置空氣間隔器，形成空氣與水介質共存的耦合裝藥結構。研究表明，水作為間隔介質，其波阻抗要大于空氣，對巖體的作用過程更加均勻，加載時間更長[7]，對巖體的破碎作用有積極作用；炮孔中固液氣三相混合時產生的破碎圈半徑比單獨固液或固氣混合時也更大[8]。這種方法對孔內少有積水和水位較低的生產環(huán)境具有很強的實用性和便利性，具有一定的推廣意義。

4 精準化爆破效果

應用空氣間隔裝藥、大密集系數和空氣與水耦合裝藥處理淺水孔的技術改進措施，進行了七次試驗，實踐表明依據此法設計的爆破仍可保證良好的松動破碎效果，測得松動系數均在1.2以上，大塊率極低，未產生根底。同時使炸藥得到合理充分地利用，最大化地節(jié)約了爆破器材成本，將松動爆破單耗從0.381降至平均0.28附近。進行精準設計后，七次試驗的主要參數和單耗控制的結果見表1。

另一方面，對炮孔參數的逐一調整使施工與設計的相符程度大大提高，使得爆破過程更加可控。表1中單耗偏離范圍中正值表示實際單耗高于設計單耗，負值表示實際單耗低于設計單耗。七次試驗中單耗偏離設計的最大正值為4.12%，最大負值為-4.32%。作為對比，對該礦2018年6個月內進行的90次同參數不同規(guī)模，僅使用銨油炸藥的松動爆破進行單耗統計，實際單耗最大為0.476，最大偏離正值為24.9%，最小為0.294，偏離負值為-22.8%；偏離值超過10%的共有15次，占16.7%；負偏離值超過-10%的共有21次，占23.3%?？梢娋珳驶O計對單耗的控制起到了顯著作用。

表1 精細爆破設計參數與效果

5 結 論

1)在軟硬互層復雜巖體條件下，運用空氣間隔裝藥、大密集系數布孔和水氣耦合的水孔處理方式，在改善松動爆破效果的基礎上，進一步減小單耗，大幅降低成本。借助測量與設計方法，可實現，對不平整臺階和不均勻底盤抵抗線位置炮孔的精準調整和控制，確保爆破達到良好預期效果。

2)針對該“中間軟，上下硬”的巖體結構，為進一步減小中間軟弱層泄能的風險，將炮孔密集系數設從2.17提升到2.33和2.81均是可行的，靠近2.33時更優(yōu)，在類似以砂巖，泥巖為主的巖體中，本方案有一定的參考價值。同時，結合生產實際需要，試用2～3m左右的空氣間隔裝藥，減小裝藥量換取更長的爆破作用時間和更均衡的孔內爆壓，達到了在保證爆破效果的前提下降低單耗節(jié)約成本的目的。

3)精準化設計過程使設計意圖和控制目標在施工時得到充分落實，令爆破的最終結果趨于穩(wěn)定化，給予技術人員更大的信心和把握，對生產管理水平的提高有重要的意義。