用垂斜截面仿預裂爆破法處理臺階斷界的實踐

孟慶浩 郭春陽 和鐵柱 池恩安

（1.保利新聯(lián)爆破工程集團有限公司，貴州 貴陽 550025；2.保利久聯(lián)控股集團有限責任公司，貴州 貴陽 550025）

0 引言

露天礦堅硬巖臺階斷界施工普遍采用爆破、挖掘機輔助開挖法，諸如蒂爾登鐵礦、馬鋼南山鐵礦、別斯庫都克礦和英坪礦等國內(nèi)外露天礦，但在臺階斷界處普遍存在爆破質(zhì)量差，嚴重影響緊鄰保留區(qū)后續(xù)開挖、鉆爆施工，領(lǐng)域內(nèi)從業(yè)者期待出現(xiàn)較常規(guī)斷界工法更優(yōu)、更簡便的臺階斷界新技術(shù)。貝克利礦、大寶山礦和布沼壩礦等諸多礦山應用定向爆破斷裂控制技術(shù)來處理邊坡斷幫問題，在主爆區(qū)與邊坡之間能夠形成預期的裂縫，削弱了主爆孔爆破對保留巖體的破壞，開挖后能形成規(guī)整輪廓面且穩(wěn)定性高，受此啟發(fā)而提出融入預裂爆破的設(shè)計思想來處理堅硬巖臺階斷界問題，然而此構(gòu)想尚缺少典型工程案例參鑒，亟需廣大同仁集智來解決堅硬巖露天礦臺階斷界施工問題［1-4］。

1 工程概況

吉朗德露天煤礦（簡稱吉礦）位于新疆巴里坤縣城北西方向約150 km處，該礦剝離工程采用爆破破巖——單斗挖掘機采裝——自卸卡車由坑內(nèi)移動坑線或半固定坑線運至井田外排土場排棄。2020年初，該礦剝采工程已形成15個12 m高的工作臺階。礦坑內(nèi)水平掌子面由西向東觀察，巖層沒有較大的起伏，各平臺以淺灰色細砂巖為主，少部分區(qū)域夾有中砂巖（厚0.1～0.2 m）和泥巖（厚0.1～0.2 m），鈣質(zhì)膠結(jié)且膠結(jié)好，層厚，裂隙不甚發(fā)育，巖質(zhì)新鮮，粒徑0.01～0.1 mm，密度 2.6 g/cm3，單軸抗壓強度 40～60 MPa，抗拉強度3.5～4.8 MPa，屬于堅硬巖。

吉礦北幫臺階工作線長約1 400 m，常因現(xiàn)場礦情、生產(chǎn)調(diào)度指令而將臺階“打斷”劃分為多個穿爆區(qū)；同一臺階先鉆爆施工的區(qū)段稱之為先爆區(qū)，緊鄰后鉆爆施工的區(qū)段稱之為保留后爆區(qū)（簡稱保留區(qū)）。臺階斷界處是指先爆區(qū)和保留后爆區(qū)的分界位置，應用常規(guī)的垂直截斷面爆破開挖斷界法和垂斜截面爆破開挖斷界法來處理吉礦堅硬巖臺階斷界問題，施工費用高，生產(chǎn)效益低，斷界處爆破質(zhì)量差且嚴重影響保留區(qū)后續(xù)鉆爆施工。

2 堅硬巖臺階斷界法

2.1 垂直截斷面爆破開挖斷界法

早期，吉礦應用垂直截斷面爆破開挖斷界法來處理堅硬巖臺階斷界問題，其設(shè)計思路如圖1（a）所示：通過爆破碎巖、挖掘機輔助修整斷界面而形成垂直截斷狀輪廓面，斷界處布設(shè)的炮孔孔位呈鋸齒狀，孔徑120 mm，炮孔間距4.6 m，斷界炮孔4個，孔深12 m，超深1.5 m，乳化炸藥（爆速約4 400 m/s）耦合裝藥，填塞長度均為3 m，單孔爆破單耗為0.45 kg/m3。因臺階斷界處炮孔呈鋸齒狀，炮孔稀疏，細砂巖屬于堅硬巖，受緊鄰保留區(qū)鉗制，垂直截斷面的幾何構(gòu)狀不利于巖石爆破外推，先爆區(qū)斷界處巖石爆破外推效果不明顯，緊鄰保留區(qū)巖體拉裂嚴重，爆破效果如圖1（b）所示。

實施垂直截斷面爆破開挖斷界法，斷界處爆破質(zhì)量差，保留區(qū)巖石拉裂嚴重，開挖后斷界區(qū)域出現(xiàn)6個大塊，3處根底，保留區(qū)壁面上有4處懸塊，臺階巖體較為堅硬，挖掘機修整后亦不能形成規(guī)整截斷面。斷界處共4個炮孔（炮孔鉆爆施工費用約1 050元/個），爆后挖掘機因修整斷界截斷面而發(fā)生臺班3 h（500元/h），破碎錘破碎大塊而發(fā)生臺班0.8 h（500元/h），爆破處理根底3處（約80元/處），粗略施工費用6 340元。此外，先爆區(qū)拉裂、破壞了緊鄰保留區(qū)巖體的完整性，致使保留區(qū)出現(xiàn)裂縫長達6 m，松動范圍3.5 m，鉆機無法在松動的保留區(qū)臺階面上鉆孔，爆破作業(yè)人員亦難控制拉裂、松動區(qū)域的裝藥量，保留區(qū)易產(chǎn)生爆破飛石，增加了設(shè)備避炮方面的調(diào)度工作。

2.2 垂斜截面爆破開挖斷界法

垂直截斷面的幾何構(gòu)狀不利于巖石外推，為減弱臺階保留區(qū)對先爆區(qū)巖石外推的鉗制，結(jié)合半“V”形構(gòu)狀面有利于創(chuàng)造爆破外推自由面，提出垂斜截面爆破開挖斷界法：即在臺階斷界處將炮孔布設(shè)成斜線（呈半“V”形），垂斜截面幾何構(gòu)狀有助于巖石爆破外推、挖掘機修整堅硬巖石斷面后形成垂斜截面輪廓［5］，如圖2（a）所示：炮孔孔排距為6 m×3.5 m，孔徑120 mm，斷界斜線上布設(shè)炮孔個數(shù)m=4，由幾何關(guān)系可知炮孔間距s=4.6 m，斷界斜線長度l=（m-1）s=13.8 m，斷界炮孔4個，孔深12 m，超深1.5 m，乳化炸藥耦合裝藥，填塞長度3 m，單孔爆破單耗0.48 kg/m。斜截面斷界法的幾何構(gòu)狀雖有利于臺階斷界處巖石外推，能減弱保留區(qū)對先爆區(qū)巖石外推的鉗制，但保留區(qū)巖石仍有不同程度拉裂，爆破效果如圖2（b）所示。

實施垂斜截面爆破開挖斷界法，斷界處巖石外推明顯，斷界處爆破質(zhì)量有所提升，但保留區(qū)巖石存在不同程度的拉裂現(xiàn)象。開挖后出現(xiàn)3個大塊，2處根底，保留區(qū)壁面有2處懸塊，挖掘機修整后能形成不規(guī)整的垂斜截面輪廓。臺階斷界處炮孔共4個（每個炮孔鉆爆施工費用約1 050元），爆后挖掘機因清理斷界輪廓面而發(fā)生臺班1.3 h（500元/h），破碎錘破碎大塊而發(fā)生臺班0.3 h（500元/h），爆破處理根底2處（約80元/處），發(fā)生粗略施工費用5 160元。先爆區(qū)拉裂、破壞了緊鄰保留區(qū)巖石的完整性，保留區(qū)裂痕最長達3 m，松動范圍2.5 m，鉆機在緊鄰保留區(qū)鉆孔過程中有“卡桿”現(xiàn)象，后續(xù)爆破作業(yè)中有爆破飛石產(chǎn)生。

2.3 垂斜截面仿預裂爆破斷界法

2.3.1 垂斜截面仿預裂爆破斷界法設(shè)計思路

一是斜截面幾何構(gòu)狀有利于消減緊鄰保留區(qū)對先爆區(qū)巖石爆破外推的鉗制，兼顧該礦臺階臨空面是垂直坡面角，故設(shè)計為垂斜截面（半“V”形垂構(gòu)狀面）；二是易于通過調(diào)整預裂炮孔爆破單耗來改善爆破效果；三是預裂爆破使產(chǎn)生的裂隙不能任意發(fā)展而只能沿著炮孔連心線方向形成一條裂縫，能有效減輕巖石拉裂，解決斷界處保留區(qū)輪廓面不平整、散塊掛幫等問題，為保留區(qū)后續(xù)鉆爆施工提供安全作業(yè)條件［6］。此外，在整個過程中并不注重揭露巖石破碎的具體力學過程而是著重解決具體工程問題，為確保可以根據(jù)地礦條件和具體礦情靈活設(shè)計垂斜截面、預裂爆破等相關(guān)參數(shù)，使其具有技術(shù)難度低、靈活性高且施工成本低等特點，故設(shè)計為垂斜截面仿預裂爆破開挖斷界法。

2.3.2 +1 264 m臺階垂斜截面仿預裂爆破斷界法

+1 264 m臺階主爆區(qū)炮孔排距為6 m×3.5 m，4排炮孔，前排抵抗線2.5 m，超深1.5 m，填塞長度3 m。+1 264 m臺階斷界處垂斜截面仿預裂爆破斷界設(shè)計如圖3（a）所示：在斷界處設(shè)置斷界斜線，由爆區(qū)孔排距幾何關(guān)系可推知，斷界斜線長度l=15 m，斜線與臨空面坡頂線所成的爆破外推傾角∠α=130.6°，仿預裂炮孔直徑為120 mm，孔深12 m。斜線上設(shè)置仿預裂炮孔個數(shù)m=7，爆破時相鄰仿預裂炮孔在斷界連心斜線上應力互相加強，互為導向孔，仿預裂炮孔間距s=l/（m-1）=2.5 m，符合經(jīng)驗公式中預裂孔距為15～25倍孔徑的觀點［7］。因斷界斜線上仿預裂炮孔較為密集，預裂炮孔底部實施加強裝藥后可不設(shè)超深，炮孔底部加強裝藥高度的經(jīng)驗取值范圍為（0.15～0.17）Id，底部裝乳化炸藥，裝藥長度為 2 m［8-9］。仿預裂炮孔內(nèi)進行間隔裝藥，相鄰預裂炮孔呈互耦狀裝藥，孔內(nèi)設(shè)置2個間隔區(qū)段，孔內(nèi)藥柱間隔長度為1.5 m，選用阻塞柔性編織袋作為間隔材料。為確保斷界處巖體不過度損傷，單個仿預裂炮孔爆炸產(chǎn)生的徑向壓力應小于巖石的極限動態(tài)抗壓強度，以孔壁不發(fā)生粉碎、不產(chǎn)生不定向裂隙為原則，即δ壓＜［δ動壓］、δ拉＜［δ動拉］，仿預裂炮孔內(nèi)間隔裝銨油炸藥，線裝藥密度q1=9 kg/m，爆速約為2 900 m/s。此外，仿預裂爆破能降低作用于炮孔壁上的爆炸壓力，為保證臺階斷界處巖石爆破外推效果，減少根底產(chǎn)生，預裂斜線兩端的仿預裂炮孔采用全耦合裝藥［10］。斷界斜線上的仿預裂炮孔先于主爆區(qū)110 ms齊爆，有利于止裂和減振［11］。垂斜截面仿預裂爆破斷界法爆破現(xiàn)場實施效果如圖3（b）所示。

實施斜截面仿預裂爆破斷界法斷界處爆破質(zhì)量優(yōu)良，先爆區(qū)未對保留區(qū)巖體造成明顯拉裂，斷界處開挖后未出現(xiàn)大塊、根底和懸石，形成了規(guī)整垂斜截面。斷界炮孔共7個（每個預裂炮孔鉆、爆施工費約720元），斷界處施工費用約為5 040元。保留后爆區(qū)壁面無懸塊，斷界輪廓面平整，有利于保留區(qū)后續(xù)穿孔、爆破施工。

2.4 堅硬巖臺階斷界法效果對比

綜上，對吉礦堅硬巖臺階斷界法中各項指標進行比較，如表1所示。垂斜截面仿預裂爆破斷界法較垂直截斷面爆破開挖斷幫法、垂斜截面爆破開挖斷界法而言，大塊、根底、斷界輪廓面懸掛的散巖等爆破質(zhì)量指標數(shù)據(jù)更優(yōu)，開挖后能形成規(guī)整的輪廓面，能消除緊鄰保留區(qū)后續(xù)鉆爆施工隱患，且發(fā)生的施工費用相對較少。

3 結(jié) 論

垂斜截面構(gòu)狀有利于堅硬巖臺階巖石爆破外推，垂斜截面爆破開挖斷界法優(yōu)于垂直截斷面爆破開挖斷界法；借助預裂爆破易于成縫和止裂的優(yōu)勢，垂斜截面仿預裂爆破開挖斷界法優(yōu)于垂斜截斷面爆破開挖斷界法。垂斜截面仿預裂爆破開挖法更適用于解決吉礦堅硬巖臺階斷界問題。

垂斜截面仿預裂爆破斷界法重在宣揚堅硬巖爆破開挖斷界法的設(shè)計思想，受制于礦山地質(zhì)條件、具體礦情，很難定性出垂斜截面仿預裂爆破開挖斷界法中涉及的準確相關(guān)爆破參數(shù)，經(jīng)驗或經(jīng)驗公式可能不太精確，但著重解決當前的具體工程問題。