非均質(zhì)巖體露天礦減振降速爆破技術(shù)方案探討

馬修利，李永剛，馬修勝

[新疆祥瑞安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心（有限公司），新疆 烏魯木齊 830002]

木壘凱源露天煤礦位于新疆昌吉州奇臺縣以東110 km，礦區(qū)地形北高南低，隨著首采區(qū)開采結(jié)束，二采區(qū)作為接續(xù)采區(qū)，開采規(guī)模已形成。該礦臺階高度為8～10 m，主采煤層?xùn)|西走向，由北向南傾斜，煤層傾角6°～11°，采用沿煤層走向縱向拉溝形成采掘工作面，沿煤層傾斜方向臺階推進，實行分區(qū)縱采的開采方式。

1 爆破技術(shù)問題

根據(jù)現(xiàn)場感振和對地面建筑物質(zhì)量的勘驗分析，在距離炮區(qū)104 m和81 m處的地面汽修間和工程機械保修間，露天爆破作業(yè)振動明顯，地面建筑物墻體出現(xiàn)裂縫，建筑物存在較大的安全隱患。

（1）現(xiàn)場采用的耦合連續(xù)集中裝藥類似球形藥包，爆破作用集中在炮孔底部，振波衰減，不受地表變化和淺層節(jié)理、裂隙的影響，位于同水平的爆破振動較大[1]。

（2）單位起爆藥量和炮孔裝藥密度偏大，使起爆能過于集中作用。炮孔鄰近系數(shù)偏小，使孔間裂隙優(yōu)先形成造成的爆破能量較早泄逸，未充分利用爆破能量，進而影響爆破效果。

2 巖性條件與爆破作用影響

（1）礦區(qū)干旱、少雨、多風(fēng)，巖體節(jié)理、裂隙較發(fā)育、呈非均質(zhì)，縱波在其內(nèi)部傳播過程中，較均質(zhì)巖體吸收的振波能量和質(zhì)點振動速度大，傳播速度慢，特征周期長，容易衰減而迅速變?nèi)鮗2-3]。因此，揭露的非均質(zhì)巖體抵抗振波的破壞能力差，在近距離爆破作用下，爆破振動會對巖體質(zhì)點上方地面房屋造成破壞[4-5]。

（2）露天礦深孔爆破來自入射于巖體的沖擊波和爆炸物散射而成的壓縮應(yīng)力波及爆生氣體對巖體的破碎作用。由于壓縮應(yīng)力波峰值隨著裝藥表面到炮孔壁距離的增大而急劇下降，對于非均質(zhì)巖體爆破，采用小包裝不耦合裝藥，其動應(yīng)力場是軸對稱的，可使應(yīng)力波相互疊加，爆破能量在巖體中均勻分配，可減輕應(yīng)力波對巖壁的破碎作用[6-7]。

（3）反射波的強度與弱面和巖體的波阻抗差值有關(guān)，選用波阻抗值和基巖相近的膨化硝銨炸藥為工業(yè)炸藥，加強爆生氣體對巖石的破碎作用；選用非電導(dǎo)爆管起爆網(wǎng)絡(luò)，降低起爆材料傳爆速度；減少一次起爆孔數(shù)和單位起爆藥量，延長毫秒微差起爆時間，使爆破振動減弱。

3 爆破技術(shù)方案

3.1 爆破參數(shù)

根據(jù)對爆破施工方案、爆破區(qū)位環(huán)境和非均質(zhì)巖體爆破振動危害的評估分析，設(shè)計改用直徑120 mm、質(zhì)量5 kg的小藥包不耦合分段或連續(xù)集中裝藥，不耦合系數(shù)為1.25，藥包裝藥密度為950.00 kg/m3，上段藥柱藥量為炮孔藥量的40%，下段藥柱為60%，炸藥單耗為0.36 kg/m3，按不同的炮孔深度和爆破參數(shù)計算炮孔裝藥量，炮孔鄰近系數(shù)在1.25～1.59選取，以縮小應(yīng)力降低區(qū)和無拉應(yīng)力區(qū)的作用范圍。

3.2 爆破技術(shù)要求

（1）爆破形成的大塊必須符合該礦采用的4.0 m3液壓反鏟的采裝要求，即大塊尺寸小于1.2 m3，爆堆伸出不超過3～4 m，爆堆沉降小于1～2 m。

（2）對于10 m爆破臺階，設(shè)計要求至少有一個側(cè)向自由面和正向自由面，多排孔鑿巖爆破，平行正向自由面方向每排不少于6個炮孔。

（3）由于節(jié)理、裂隙的作用，巖體從強度最低的弱面裂開，導(dǎo)爆管雷管由于爆后應(yīng)力的持續(xù)及雷管延時間隔參差不齊，每段間隔時間都確定為25 ms。

4 破巖機理

（1）爆破距離一定時，炸藥在爆轟中釋放出來的部分能量轉(zhuǎn)換成彈性波所引起的地表淺層振動，由于起爆藥量的減少而相對減弱。與此同時，在保持分段藥量不增加的同時，增加段數(shù)；也可在不加大爆破振動強度的同時，增加爆破量，實測爆破最大振速均未超過2 cm/s的要求值。

（2）非均質(zhì)巖體毫秒間隔時間應(yīng)長于彈性振動延續(xù)時間，短于或等于巖石開始移動時間。適宜的毫秒間隔時間使得后組藥包在前組藥包爆破后，巖石開始形成裂縫，但在尚未拋出時爆炸最為合適，間隔時間過短，變成瞬發(fā)爆破，無法使前、后起爆的深孔產(chǎn)生的振波相互干擾而加重振害。

（3）采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，使炮孔沿藥卷周邊留環(huán)狀間隙，沿炮孔軸向留有裝藥間隔，降低炮孔壁上沖擊波所帶來的尖峰壓力，使炮孔在長度方向上的藥量分布更加均勻，進而降低爆破振動強度，縮短爆破彈性振動時間。

（4）擴大爆破自由面，改變和擴散其縱波的傳播方向，使能量在四周分散作用。反之，爆破自由面減少，后爆孔則因自由面較少而受到較大的夾制作用，使爆炸應(yīng)力波相互疊加，使得應(yīng)力提高而加重振害。

5 爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

采用非電導(dǎo)爆管逐孔毫秒微差起爆網(wǎng)絡(luò)，起爆點位于臺階坡頂側(cè)向自由面處，爆轟平行于正向自由面方向傳爆，避免爆破作用集中在正向自由面有地面臨時建筑的主要方向上。

（1）104 m起爆炮區(qū)，單位起爆藥量360 kg，鉆鑿5排孔，V型炮孔連接的同段位5個炮孔為1個起爆單元，分段起爆單元之間75 ms微差間隔起爆，孔內(nèi)采用17段導(dǎo)爆管雷管延遲起爆（見圖1），不耦合分段裝藥，上下藥柱之間有2 m填塞間隔。

圖1 V型炮孔連接線毫秒微差爆破網(wǎng)絡(luò)

（2）81 m起爆炮區(qū)，單位起爆藥量144 kg，鉆鑿4排孔，小斜線連接的同段位2個炮孔為1個起爆單元，小斜線分段起爆單元之間采用25 ms微差時間間隔，2個起爆單元之間50 ms微差間隔起爆。

孔內(nèi)采用15段導(dǎo)爆管雷管延遲起爆（見圖2）。

圖2 小斜線起爆單元毫秒微差爆破網(wǎng)絡(luò)

6 結(jié)語

露天礦近距離爆破，地面振動持續(xù)時間較短，通常在0.1～1.5 s，振動頻率高，衰減很快，可看成是脈動或瞬時振動。在炮區(qū)爆破影響范圍內(nèi)，爆破距離和裝藥量對振動值的大小起著明顯的控制作用。由于爆破振動是一種外加載荷，炮區(qū)巖石的堅固性、完整性會對爆破振動產(chǎn)生不同的影響。根據(jù)爆破作業(yè)條件，炮區(qū)距離地面建筑越近，一次起爆孔數(shù)越多，一次單位起爆藥量越多，分段單位藥量毫秒微差間隔時間越短，爆破振動越大。

設(shè)計采用非電導(dǎo)爆管加“四通”的炮孔多種連接組合方法，以爆破網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計為研究重點，以實現(xiàn)分段單位藥量毫秒微差間隔起爆為研究內(nèi)容，選用低爆力的膨化硝銨炸藥不耦合分段或連續(xù)集中裝藥，確定合理的毫秒微差間隔時間，有效分散爆破能量，降低爆破振動強度，削弱振波對地面建筑物的破壞，可避免爆破作用集中在有地面建筑物的方向上，達到降振減速的目的。