某礦高地應力采場爆破技術(shù)研究

蘇 丹 曹萬寶 吳和平

（1.湖南辰州礦業(yè)有限責任公司；2.鑫達金銀開發(fā)中心有限責任公司）

我國淺部資源已經(jīng)面臨枯竭，許多礦山的開采已經(jīng)進入深部，深采礦往往面臨著“三高一擾動”的挑戰(zhàn)。深部開采工程處于高地應力環(huán)境下［1］，由重力引起的原巖應力就可以達到20 MPa左右（埋深800～1 000 m）［2］。工程開挖所引起的應力集中水平（＞40 MPa）遠大于工程巖體的強度，采場爆破產(chǎn)生的爆破振動也會對采場形成動力擾動［3］。有研究表明，微差起爆有助于爆破過程中應力波的疊加，延長巖石間碰撞時間，降低爆破振動，減少對周圍巖體的影響［4］。同時能夠改善爆破效果，減少大塊的產(chǎn)生，降低二次破碎的成本，提升資源回收效益［5-6］。

某礦開采深度逐年增加，現(xiàn)已經(jīng)進入深部采礦階段，由巖石自重產(chǎn)生的地應力逐漸增加。由于地下采掘工程的不斷拓展，導致應力集中程度更加明顯。爆破振動和高應力水平的相互作用，對采場的安全性和穩(wěn)定性影響較大。礦山進行現(xiàn)場爆破試驗，探究單排孔及雙排孔微差起爆產(chǎn)生的效果，以得到更加適合礦山高應力采場的爆破方案。

1 礦區(qū)概況

礦區(qū)在深部采場選擇6個測點進行地應力測試，結(jié)果見表1。6個測點的垂直應力分量σz表現(xiàn)為隨埋深增加而明顯增大，28平-1#測點（埋深約655 m）垂直應力分量為6.698 MPa，32平-2#、3#測點（埋深約750 m）的垂直應力分量約10 MPa，而埋深超過930 m的4#～6#測點的垂直應力分量均達到30 MPa左右；垂直應力分量隨深度變化的規(guī)律可擬合為公式σz=0.092 5h－56.891。

綜合6個測點的地應力分量可以發(fā)現(xiàn)，在32平以上測點（1#～3#測點）的水平構(gòu)造應力占優(yōu)；而之下的40平中段自重應力占優(yōu)。據(jù)此推測在32平～40平中段存在一個由水平構(gòu)造應力占優(yōu)向自重應力占優(yōu)轉(zhuǎn)化的深度范圍。礦區(qū)側(cè)壓系數(shù)范圍為4.22～0.79，該范圍與我國大陸區(qū)域的側(cè)壓力系數(shù)分布規(guī)律基本一致。由于本次測量的測點大多位于埋深較大的深部礦區(qū)，應力分量中存在較大的剪應力，按照莫爾-庫侖理論，巖體的破壞通常是由于剪切破壞引起的。在高應力條件下由脆性向延性轉(zhuǎn)化的巖石較為明顯。

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礦區(qū)有6條工業(yè)礦體平行展布，東西走向長50～300 m，傾斜延伸1 100～2 000 m以上，傾角26°～35°，平均脈幅0.2～2.0 m，局部較厚，達4 m以上。隨著礦體向下延伸，礦體產(chǎn)狀變化較大，表現(xiàn)在傾角上由緩傾斜到傾斜進而變化到急傾斜，脈幅漸薄，但品位漸高。礦體整體為緩傾斜薄礦體，地質(zhì)賦存條件簡單，礦體、圍巖中等穩(wěn)固。采場地壓較大，爆破振動對采場的穩(wěn)定性影響較大。

2 爆破試驗方案

為探究高地應力采場的最優(yōu)起爆方式，選定某礦的3個采場（3449采場、3287采場、4145采場）進行工業(yè)試驗，采用MINIMATE PRO6型爆破振動測試設備對試驗采場和對比采場進行監(jiān)測。通過3個采場的現(xiàn)場試驗，對爆破效果進行綜合評價，對爆破效果、大塊率、爆破振動以及技術(shù)經(jīng)濟進行對比，從而探究適合本采區(qū)高應力采場的最優(yōu)起爆方式。

2.1 3449采場

3449采場使用的是礦山傳統(tǒng)的非微差起爆方式，一次爆破2 m，爆破振動監(jiān)測距離28 m，最大單響藥量2.4 kg。

2.2 3287采場

3287采場進行單排孔微差爆破試驗，多排孔一次起爆，毫秒延期起爆可以有效控制爆破后的塊度，將爆破有害效應控制在安全范圍之內(nèi)［7］。采場爆破長度為10 m；采用光面爆破，光爆孔深3.3 m，孔徑42 mm，采礦進尺2.2 m。監(jiān)測距離40 m；最大單響藥量11.2 kg。多排孔一次起爆，孔間延期為25 ms。

2.3 4145采場

4145采場使用雙排孔微差爆破試驗，采用單段雙排毫秒微差起爆，采場爆破長度為6 m，監(jiān)測距離23.5 m，最大單響藥量11.2 kg。雙排孔排間延期時間為25 ms

3 實驗結(jié)果

3.1 大塊率

3449傳統(tǒng)爆破采場中大塊較明顯，3287和4145實驗采場中均無60 cm以上的大塊，在4145采場中60 cm以下的大塊數(shù)量也比3287采場少。爆破后塊度統(tǒng)計見表2。

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試驗采場平均大塊數(shù)約為對比采場的一半，且沒有出現(xiàn)超過70 cm的特大塊。說明了使用微差起爆對改善爆破塊度是有效果的，雙排起爆采場的大塊少于一次多排起爆的采場，證明雙排起爆對改善爆破塊度的效果更好。

3.2 爆破振動

（1）3287實驗采場最大振動速度為10.03 mm/s，發(fā)生在0.131 s。監(jiān)測詳細數(shù)據(jù)見表3。

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（2）4145實驗采場最大振動速度為26.31 mm/s，發(fā)生在0.029 s，監(jiān)測詳細數(shù)據(jù)見表4。

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（3）3449對比采場最大振動速度為10.67 mm/s，發(fā)生在0.160 s，監(jiān)測詳細數(shù)據(jù)見表5。

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根據(jù)薩道夫斯基爆破振動經(jīng)驗公式，基于以上測試數(shù)據(jù)，推算出當3449對比采場中炸藥量為11.2 kg時，距離爆炸中心22，40和23.5 m處質(zhì)點的爆破振動速度分別為30.92，13.39和29.25 mm/s。3287實驗采場在距離爆炸中心40 m處的最大振動速度為10.03 mm/s；4145實驗采場在距離爆破中心23.5 m處的最大振動速度為26.31 mm/s。在距離爆炸中心40 m處，3287實驗采場的爆破振動速度小于3499采場，在距離爆炸中心23.5 m處，4145采場的振動振動速度也小于3499采場。結(jié)果表明，微差起爆有利于降低爆破振動。

通過實驗結(jié)果比較可知，采場應用毫秒微差爆破技術(shù)，大塊率降低了50%，爆破振動減少了3～4 mm/s，雙排起爆可以更好地降低爆破后大塊的形成。第一段起爆藥包基本不存在爆轟波疊加，會造成振動速度峰值相對較大，在具體布孔時，可由減少第一段起爆炸藥量來控制整個爆破振動。而雙排起爆具有更好的實用性，在降低爆破振動和控制大塊率的同時，一次起爆量大，可以減少準備工作時間［8］。對于這2種不同的微差起爆方式，可以根據(jù)實際爆破礦體的厚度來決定。在厚度相對較大的礦脈進行爆破時，可采用單段雙排毫秒微差起爆。

4 結(jié)語

用毫秒微差爆破開采深部高應力緩傾斜薄礦體，減少了作業(yè)準備時間，提高了勞動效率，使整個工作面暴露時間縮短，有利于控制頂板穩(wěn)定，且爆破效果較好。礦脈較薄的采場可以采用一次起爆微差爆破，降低爆破振動的同時較少采場大塊的產(chǎn)生；在礦體稍厚的采場采用單段雙排毫秒微差起爆，可以提高一次爆破量，適應高地應力下的礦脈開采。