降低結(jié)構(gòu)面發(fā)育露天礦爆破大塊率的技術(shù)措施

王 曉，張曉華，趙曰超，蘇筱嘉，楊亞明，王 珂

（1.河南迅達(dá)爆破有限公司，河南焦作 454000；2.山東省公安廳治安總隊(duì)，山東濟(jì)南 250000；3.滕州市鑫巖石料有限責(zé)任公司，山東棗莊 277000）

衡量石灰石露天礦爆破質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)是大塊率的控制水平，大塊率高，不能滿足生產(chǎn)質(zhì)量要求，二次破碎成本高，且影響生產(chǎn)產(chǎn)量，而結(jié)構(gòu)面發(fā)育地區(qū)石灰石礦山大塊率通常高于正常水平，因此控制結(jié)構(gòu)面發(fā)育地區(qū)礦山爆破的大塊率目前仍然是在不斷地探討研究的問(wèn)題。

畢可程[1]針對(duì)東山采場(chǎng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)面區(qū)段，采用多種裝藥結(jié)構(gòu)，提高裝藥高度，改變爆破能量的分配，降低大塊率和炸藥單耗，改善爆破效果；耿貴剛[2]等分析了中深孔爆破大塊產(chǎn)生的原因以及降低大塊率的技術(shù)措施；汪帥文[3]根據(jù)別斯庫(kù)都克露天煤礦地質(zhì)狀況、結(jié)構(gòu)面賦存特點(diǎn)、現(xiàn)有礦山生產(chǎn)設(shè)備情況，對(duì)此礦山開采過(guò)程中大塊率居高不下的工程難題進(jìn)行研究分析，研究巖體中結(jié)構(gòu)面因素對(duì)臺(tái)階爆破的影響規(guī)律，對(duì)礦坑各個(gè)平盤巖層特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)面分布規(guī)律及特點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 工程概況

滕州市鑫巖石料露天石灰石礦山位于魯西南丘陵區(qū)，山體總體呈北東向連綿起伏，礦山結(jié)構(gòu)面發(fā)育，有較多不規(guī)則裂隙，延伸長(zhǎng)度不均勻，多數(shù)超過(guò)10 m，風(fēng)化者多張開、夾泥。礦山現(xiàn)已形成+165 m 水平和+150 m 水平工作平臺(tái)，臺(tái)階高度均為15 m。

由于前期對(duì)地質(zhì)環(huán)境考慮不多，按常規(guī)爆破參數(shù)進(jìn)行施工，造成大塊率高，爆堆高度不正常，爆破后裝車?yán)щy，增加了施工成本，影響了礦山的生產(chǎn)產(chǎn)量，在總結(jié)前期1 個(gè)月爆破經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整爆破方案，優(yōu)化爆破參數(shù)，大塊率和塊度得到明顯改善，取得良好的爆破效果。

2 大塊集中部位及產(chǎn)出原因

1）結(jié)構(gòu)面發(fā)育的影響。巖體的強(qiáng)度受巖石強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的控制，在更多的情況下，主要受結(jié)構(gòu)面控制，巖塊的破裂面大多數(shù)是沿巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面形成的。結(jié)構(gòu)面的分布不僅對(duì)巖塊的破裂特征有重要影響，還對(duì)爆堆的塊度分布規(guī)律也有重要影響。研究表明，結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度對(duì)較大塊徑的塊度分布有控制性，即爆破后塊徑較大的石塊多分布在結(jié)構(gòu)面發(fā)育的位置。受泄能作用的影響，當(dāng)軟弱帶或軟弱面穿過(guò)爆源通向臨空面，且由爆源到臨空面間軟弱帶或軟弱面的長(zhǎng)度小于爆破藥包最小抵抗線時(shí)，炸藥的能量以“沖炮”或其他形式泄出，使爆破效果明顯降低。

2）孔口堵塞的影響。在露天礦山的深孔臺(tái)階爆破施工中，為了減少爆破飛石的危害，孔口段必須有一定長(zhǎng)度的堵塞，裝藥主要集中在炮孔中下部，重心低，導(dǎo)致臺(tái)階上表面巖石得不到足夠炸藥能量而使其不能充分破碎[4]。

3 降低大塊率的技術(shù)措施

3.1 結(jié)構(gòu)面發(fā)育部位技術(shù)措施

3.1.1 優(yōu)化爆破參數(shù)

爆破參數(shù)的確定是保證爆破效果的基礎(chǔ)，合理的爆破參數(shù)也是在實(shí)踐中不斷總結(jié)后優(yōu)化確定的。在前期爆破效果欠佳的情況下，通過(guò)對(duì)爆破參數(shù)的不斷優(yōu)化調(diào)整，最終使爆破效果得以明顯改善。在確保安全的前提下增大炮孔密集系數(shù)（縮短排距、加大孔距）、減小堵塞長(zhǎng)度，改變裝藥密度，適當(dāng)增加單耗[5]。爆破參數(shù)調(diào)整對(duì)比一覽表見表1。

3.1.2 更換炸藥品種

巖石的波阻抗對(duì)爆破能量在巖石中的傳播效率有直接影響。炸藥的波阻抗與巖石的波阻抗相匹配時(shí)，炸藥傳遞給巖石的能量最多，在巖石中引起的應(yīng)變值就大，可獲得較好的爆破效果。因此必須根據(jù)巖石的性質(zhì)選擇波阻抗合適的炸藥。

研究表明，炸藥波阻抗和巖石波阻抗的匹配時(shí)，所選炸藥的波阻抗與巖石波阻抗的比值應(yīng)在0.5～2間變化[6]。高阻值的巖體對(duì)應(yīng)于高阻值的炸藥，但兩者不成正比關(guān)系。在波阻抗較小的煤層及松軟巖層中，所用工業(yè)炸藥的波阻抗往往大于被爆介質(zhì)的波阻抗，波阻抗比取2.0，對(duì)于波阻抗較大的完整堅(jiān)硬巖石，工業(yè)炸藥的波阻抗遠(yuǎn)小于巖石的波阻抗，波阻抗比取0.5；而對(duì)于波阻抗值中等大小的一類巖石，工業(yè)炸藥的波阻抗與巖石的波阻抗接近或相等，波阻抗比取1.0。在上述3 種炸藥巖石波阻抗匹配關(guān)系下，都取得了良好的爆破效果[7]。

表1 爆破參數(shù)調(diào)整對(duì)比一覽表

地質(zhì)勘查資料表明，礦山中巖層主要為石灰?guī)r和白云巖。石灰?guī)r的波阻抗為（7～14）×106kg/（m2·s），白云巖的波阻抗為（12～17）×106kg/（m2·s），2 種巖石均屬于強(qiáng)度較大的堅(jiān)硬巖石，炸藥與巖石的波阻抗比應(yīng)大于0.5。

炸藥波阻抗為裝藥密度與爆速的乘積[2]。前期爆破中，采用巖石膨化硝銨炸藥，巖石膨化硝銨炸藥密度為800 kg/m3，爆速為3.2×103m/s，炸藥波阻抗2.56×106kg/（m3·s），炸藥與巖石的波阻抗比為0.18～0.36。改進(jìn)后裝填巖石粉狀乳化炸藥，裝藥密度900 kg/m3，爆速為3.5×103m/s，波阻抗3.15×106kg/（m3·s），炸藥與巖石波阻抗比為0.225～0.45。雖然更換為巖石粉狀乳化炸藥后，炸藥波阻抗與巖石波阻抗的匹配仍沒(méi)有達(dá)到理想狀態(tài)，但是相比巖石膨化硝銨炸藥匹配程度明顯提升。事實(shí)證明，更換為巖石粉狀乳化炸藥后，爆破效果有明顯改善。

3.1.3 優(yōu)化起爆網(wǎng)路

采用毫秒延期爆破技術(shù)，可利用應(yīng)力波疊加作用、巖塊相互碰撞作用提高巖體的破碎度，減少大塊率；但是確定合理的起爆順序、延期間隔時(shí)間是毫秒延期爆破技術(shù)的關(guān)鍵。

優(yōu)化爆破參數(shù)前，采用逐孔起爆技術(shù)，孔間采用ms3（延期時(shí)間50 ms）塑料導(dǎo)爆管雷管連接，排間采用ms5（延期時(shí)間110 ms）雷管連接，孔內(nèi)裝填ms13（延期時(shí)間650 ms）雷管，優(yōu)化前起爆網(wǎng)路連接如圖1。

圖1 優(yōu)化前起爆網(wǎng)路示意圖

為了減小巖層中結(jié)構(gòu)面對(duì)爆破產(chǎn)生的不利影響，減小泄能作用，優(yōu)化后的爆破網(wǎng)路采用3 孔齊爆，排間延期時(shí)間不變，通過(guò)增大單段起爆藥量，增大炸藥的做功能力，減少結(jié)構(gòu)面處炸藥爆炸的泄能作用。優(yōu)化后的網(wǎng)路連接如圖2。

圖2 優(yōu)化后起爆網(wǎng)路示意圖

3.2 孔口堵塞段技術(shù)措施

3.2.1 適當(dāng)減小堵塞長(zhǎng)度

如果堵塞長(zhǎng)度過(guò)大，就會(huì)減少單孔裝藥量，使爆破能量集中于炮孔底部，能量分布不均，造成孔口堵塞段產(chǎn)生大塊；相反，如果炮孔堵塞長(zhǎng)度過(guò)短，爆生氣體瞬間就會(huì)沖出炮孔，造成“沖泡”，也會(huì)產(chǎn)生大塊并存在安全隱患；合理的堵塞長(zhǎng)度，利用堵塞物的慣性阻力、堵塞物與孔壁的黏結(jié)力和摩擦阻力，增加炸藥爆炸后高溫高壓氣體的做功時(shí)間，使之前由沖擊波產(chǎn)生的裂隙在高壓氣體的楔入作用下充分發(fā)展，形成楔形塊裂破壞[8]。

優(yōu)化前堵塞長(zhǎng)度為3.0 m，爆破后孔口堵塞段大塊集中，并且由于結(jié)構(gòu)面的存在，在孔口部位出現(xiàn)了直徑超過(guò)2.0 m 的大塊，給后期的二次破碎增加了很大的成本。堵塞長(zhǎng)度可按下列公式確定：

式中：L2為堵塞長(zhǎng)度，m；W1為底盤抵抗線，m；d為炮孔直徑，m。

經(jīng)計(jì)算，堵塞長(zhǎng)度可取范圍為2.1～2.7 m。優(yōu)化后，堵塞長(zhǎng)度取2.5 m，相比改進(jìn)前堵塞長(zhǎng)度降低0.5 m，也增大了單孔裝藥量。

3.2.2 確保堵塞質(zhì)量

良好的堵塞質(zhì)量能增加爆炸氣體在孔內(nèi)的作用時(shí)間；另外，在降低堵塞長(zhǎng)度的同時(shí)，要降低“沖炮”的可能性，確保爆破效果，也必須保證堵塞質(zhì)量。堵塞材料選用級(jí)配合理的鉆屑、黏土、粗砂，嚴(yán)禁使用含有粒徑超過(guò)4 cm 石塊的材料和細(xì)小粒徑的鉆粉堵塞。深孔和堵塞段加密淺孔布置平面示意圖圖3。深孔和堵塞段加密淺孔裝藥結(jié)構(gòu)剖面圖如圖4。

圖3 深孔和堵塞段加密淺孔布置平面示意圖

圖4 深孔和堵塞段加密淺孔裝藥結(jié)構(gòu)剖面圖

3.2.3 深孔間加密淺孔

為了彌補(bǔ)孔口堵塞段爆炸能量不足而產(chǎn)生大塊，在每3 個(gè)深孔之間鉆鑿2.5 m 深的淺孔，裝填0.7 m 高炸藥，堵塞1.8 m，間接的減小了孔口段的孔排距，增大了孔口堵塞段的炸藥爆炸的能量。

4 改善爆破效果的技術(shù)

爆破參數(shù)的優(yōu)化是一個(gè)逐步試驗(yàn)的過(guò)程，通過(guò)在相同的爆破條件下，改變某一個(gè)參數(shù)后，分析爆破效果的改進(jìn)程度，確定該參數(shù)變化對(duì)改善爆破效果作用的權(quán)重。

1）通過(guò)改變炮孔密集系數(shù)，增大孔距、減小排距對(duì)降低結(jié)構(gòu)面處大塊率的效果甚微，但是有利于控制爆堆高度和臺(tái)階眉線的整齊度。

2）更換炸藥品種，使用了裝藥密度和爆速更高的粉狀乳化炸藥，使炸藥和巖石的匹配度更高，同時(shí)也提高了單耗，更換炸藥后，堵塞段以下的大塊率降低明顯，整體爆破效果明顯提升。

3）改變起爆網(wǎng)路，總的起爆順序不變，通過(guò)增加同響炮孔的個(gè)數(shù)，減少爆破的總延期時(shí)間，有利于減小堵塞段以下的大塊率，但是對(duì)爆破振動(dòng)控制不利。

4）減小堵塞長(zhǎng)度，堵塞長(zhǎng)度由3.0 m 降低為2.5 m 后，堵塞段的大塊率降低不明顯。

5）深孔間鉆淺孔，孔口堵塞段的大塊減少明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合工程實(shí)際，從現(xiàn)有理論出發(fā)，分析巖石結(jié)構(gòu)特征，采取更換炸藥品種、提高單耗、優(yōu)化起爆網(wǎng)路、增大炮孔密集系數(shù)等技術(shù)措施，使結(jié)構(gòu)面發(fā)育位置的爆破大塊率明顯降低。通過(guò)縮短堵塞長(zhǎng)度、深孔間用淺孔加密的方式，減少了孔口堵塞段大塊。通過(guò)上述技術(shù)措施的綜合利用，爆破大塊率明顯降低，降低了施工成本，從而提高了生產(chǎn)產(chǎn)量，也為結(jié)構(gòu)面發(fā)育地區(qū)的礦山爆破降低大塊率提供了經(jīng)驗(yàn)參考。