導(dǎo)向孔誘導(dǎo)成縫在露天礦靠幫爆破中的應(yīng)用

閆永富，王文才，趙永崗

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.包鋼鋼聯(lián)股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3.包鋼集團(tuán)公司白云鐵礦，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

露天礦靠幫控制爆破是露天礦形成最終邊坡形態(tài)的關(guān)鍵工作，靠幫工作質(zhì)量的好壞直接影響到后期邊坡的穩(wěn)定性。目前國內(nèi)露天礦山為了提高邊坡的服務(wù)期限一般是采用預(yù)裂控制爆破，并且這類型的控制爆破技術(shù)也取得了較好的實(shí)際效果。但是由于露天礦開采受多因素影響，有些靠幫區(qū)域受地質(zhì)因素或人為因素的影響，導(dǎo)致靠幫爆破施工組織預(yù)留的作業(yè)空間不具備采用預(yù)裂控制爆破。而且常規(guī)的臺(tái)階爆破由于炸藥量較大，爆破能量的控制難度較大，所以不能保證最終形成邊坡的完整性。因此需要一種既可以調(diào)控爆破能量釋放，又可以誘導(dǎo)爆破裂縫發(fā)展方向的爆破技術(shù)來解決這種爆破問題。

在解決調(diào)控爆破能量釋放的技術(shù)中，間隔裝藥是一種通過改變裝藥量和裝藥位置實(shí)現(xiàn)炸藥能量釋放控制的技術(shù)。劉占全等[1]成功地將間隔裝藥控制爆破技術(shù)應(yīng)用到了24 m高臺(tái)階爆破中，并且指出進(jìn)一步的研究可以在靠幫爆破中使用該技術(shù)。尤元元等[2]也在靠幫爆破中使用了氣體間隔技術(shù)，并且證明氣體間隔技術(shù)可以在減少裝藥量的同時(shí)控制爆破能量釋放，改善爆破效果。馬瑞成等[3]通過研究不同巖性炮孔爆破，得出間隔裝藥技術(shù)可以更加合理的將炸藥能量進(jìn)行分布，按照巖體被破碎的實(shí)際能量所需進(jìn)行調(diào)配，可以改善爆破質(zhì)量。

在解決爆破裂縫發(fā)展方向控制方面，導(dǎo)向孔爆破具有良好的應(yīng)用效果。導(dǎo)向孔爆破技術(shù)是一項(xiàng)對(duì)常規(guī)爆破技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化的特殊爆破技術(shù)，該爆破技術(shù)利用一些具有引導(dǎo)爆破能量和裂縫傳導(dǎo)方向的導(dǎo)向炮孔，在主爆孔發(fā)生爆炸時(shí)，引導(dǎo)爆破能量按照預(yù)先設(shè)計(jì)的爆破能量傳導(dǎo)方向進(jìn)行做功的技術(shù)。陳勇等[4]通過研究發(fā)現(xiàn)使用導(dǎo)向孔對(duì)巷道進(jìn)行切頂卸壓淺孔爆破時(shí)，導(dǎo)向孔可以增加自由面，產(chǎn)生應(yīng)力集中和裂縫導(dǎo)向，增加裂縫區(qū)范圍，提高裂縫貫通率。魏炯等[5]通過研究導(dǎo)向孔對(duì)兩爆破孔間成縫過程影響也獲得導(dǎo)向孔具有幫助裂紋的擴(kuò)展或貫通的優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

通文獻(xiàn)[1-3]的研究，證明可以通過間隔裝藥來實(shí)現(xiàn)調(diào)控炸藥能量釋放的目的。通過文獻(xiàn)[4-5]的研究，證明導(dǎo)向孔可以實(shí)現(xiàn)控制爆破裂縫發(fā)展的目的?？繋涂刂票茖?duì)炸藥能量釋放要求嚴(yán)格，對(duì)裂縫貫通位置要求精度高，因此將間隔裝藥技術(shù)與導(dǎo)向孔技術(shù)聯(lián)合使用可以實(shí)現(xiàn)一些空間不具備預(yù)裂控制爆破區(qū)域的控制靠幫爆破，但是具體的技術(shù)融合以及工程驗(yàn)證還需要進(jìn)行研究。筆者以白云鄂博西礦二次境界優(yōu)化過程中出現(xiàn)的場(chǎng)地空間不適用常規(guī)預(yù)裂靠幫爆破的工程為基礎(chǔ)，對(duì)導(dǎo)向孔誘導(dǎo)成縫靠幫控制爆破技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用。

1 工程概況

白云鄂博西礦位于內(nèi)蒙古西北部白云鄂博礦區(qū)西部，是一座多金屬露天礦山。該礦山建礦初期為山坡露天礦，后經(jīng)采剝延深目前已經(jīng)形成了一座深度超過180 m的深凹露天礦。由于白云鄂博西礦的成因比較復(fù)雜，且后期受到多次地質(zhì)構(gòu)造影響，導(dǎo)致邊坡巖體巖性賦存繁雜，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。受到生產(chǎn)組織以及區(qū)域巖性的影響，有時(shí)只能為靠幫區(qū)域留下狹窄的作業(yè)區(qū)域，這些區(qū)域無法使用常規(guī)的預(yù)裂靠幫爆破進(jìn)行最終的控制靠幫爆破，這會(huì)對(duì)下一步的生產(chǎn)組織以及采場(chǎng)邊坡安全造成嚴(yán)重的影響。

采場(chǎng)在局部進(jìn)行境界優(yōu)化工程中的二次靠幫時(shí)，在采場(chǎng)北幫1620水平處遺留下一處長(zhǎng)約60 m，寬3～5 m，臺(tái)階高度在12 m的待靠幫作業(yè)區(qū)域。該區(qū)域巖性頂部為黃土0.8 m；上部為強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)白云巖5 m；下部為中度風(fēng)化變質(zhì)白云巖6.2 m。臺(tái)階整體巖性上部松軟，下部偏軟。借鑒類似巖性區(qū)域采用常規(guī)預(yù)裂靠幫爆破時(shí)，無論如何調(diào)整預(yù)裂爆破參數(shù)都無法克服最終坡面出現(xiàn)大面積掛幫巖體的情況，本區(qū)域設(shè)計(jì)采用一種新式的控制爆破靠幫技術(shù)進(jìn)行靠幫作業(yè)，類似區(qū)域和本區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)效果對(duì)比如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)效果對(duì)比Fig.1 Comparison of field conditions

2 導(dǎo)向孔誘導(dǎo)控制爆破技術(shù)

導(dǎo)向孔誘導(dǎo)控制爆破技術(shù)包括兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，一個(gè)是間隔裝藥調(diào)控爆破能量釋放技術(shù)，另一個(gè)是導(dǎo)向孔的誘導(dǎo)爆破裂縫發(fā)展技術(shù)，將兩種技術(shù)有效地進(jìn)行優(yōu)化整合是導(dǎo)向孔誘導(dǎo)控制爆破技術(shù)的關(guān)鍵。導(dǎo)向孔誘導(dǎo)爆破的炮孔信息如表1所示。

表1 炮孔信息

導(dǎo)向孔與正常炮孔配合作用，對(duì)爆破作用進(jìn)行誘導(dǎo)，拉裂貫穿形成裂縫。導(dǎo)向孔爆破作用過程如表2所示。

表2 導(dǎo)向孔爆破作用

3 爆破方案設(shè)計(jì)

白云鄂博西礦采場(chǎng)目前可供穿孔的作業(yè)設(shè)備種類型號(hào)較多，但是考慮到小孔徑的邊坡潛孔鉆具有穿孔精度高、穿孔角度可調(diào)范圍廣，且日常使用較多、作業(yè)人員操作熟練等優(yōu)勢(shì)，所以選用120 mm孔徑的邊坡潛孔鉆進(jìn)行導(dǎo)向孔誘導(dǎo)成縫爆破的穿孔工作。

3.1 爆破參數(shù)選取

1)炸藥單耗q。白云鄂博西礦在類似區(qū)域進(jìn)行正常預(yù)裂靠幫爆破時(shí)的炸藥單耗一般在0.4～0.75 kg/m3，考慮到本次爆破需要的爆破能量要高于一般的預(yù)裂爆破，但是由于沒有預(yù)裂爆破的降振、減振保護(hù)，所以單耗選取以保守原則進(jìn)行選取，選取炸藥單耗q=0.5 kg/m3。

2)孔距a。根據(jù)炮孔直徑d=120 mm，參照本礦山預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)置經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)中關(guān)于光面爆破的參數(shù)選取建議[8]：通?？拙郺和孔徑d的關(guān)系為a=(9～20)d，巖石的阻抗和強(qiáng)度較大，且完整性較好，比值可選大些，反之則比值宜選小一些[2]。則孔距a的選取范圍為1.08～2.40 m，取a=2.4 m。由于導(dǎo)向孔是為了誘導(dǎo)控制正?？椎睦逊较颍晕挥?個(gè)正?？字g，與正?？椎目拙酁?.2 m，炮孔布置如圖2所示。

圖2 炮孔布置Fig.2 Layout of blasthole

3)炮孔長(zhǎng)度L。炮孔長(zhǎng)度L主要由段高H，炮孔傾角α，超深h共同決定：

L=(H+h)/sinα

(1)

由于段高H=12 m，炮孔傾角α=60°，超深h=1 m，所以計(jì)算可得L=15 m。

4)正?？讍慰籽b藥量Q單

Q單=qaLW

(2)

式中：Q單為單孔裝藥量，kg；W為光面爆破最小抵抗線，m，本區(qū)域?yàn)?～5 m，其他參數(shù)同前。經(jīng)計(jì)算正?？讍慰籽b藥量在55～90 kg，具體以炮孔距離自由面的現(xiàn)場(chǎng)抵抗線進(jìn)行裝藥計(jì)算。

5)導(dǎo)向孔單孔裝藥量。導(dǎo)向孔內(nèi)炸藥主要任務(wù)是克服根底和制造準(zhǔn)靜壓環(huán)境，劉麗梅等[9]通過對(duì)多孔粒狀銨油炸藥的爆炸反應(yīng)研究，獲知露天多孔粒狀銨油炸藥的比容約為970 L/kg。導(dǎo)向孔的炮孔有效最大體積約為170 L，則20 kg的炸藥可以產(chǎn)生19 400 L的氣體，氣體體積與容器體積之比為114，足以造成準(zhǔn)靜壓的環(huán)境。

6)起爆時(shí)間設(shè)置。爆生氣體對(duì)裂縫的作用需要數(shù)十毫秒[10-11]，因此為了保證導(dǎo)向孔內(nèi)爆生氣體的充分膨脹，所以導(dǎo)向孔要先于正常孔10 ms以上起爆，為了保證靜壓環(huán)境的有效性，設(shè)計(jì)導(dǎo)向孔先于正常孔50 ms起爆。

3.2 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于受本單位炸藥種類的影響，只能使用現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥進(jìn)行爆破，但是由于現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥威力較大，單位體積炸藥比重較大，且無法進(jìn)行不耦合裝藥，所以需對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化的目的在于合理分配及控制裝藥的爆炸能，降低炸藥對(duì)后側(cè)巖體的損壞程度，并且配合導(dǎo)向孔在設(shè)計(jì)線上形成平整的塌落面。理論上間隔裝藥的裝藥設(shè)計(jì)為底部為高猛度高威力炸藥，中部間隔，中上部低威力炸藥，頂部惰性填塞。但是考慮到本單位沒有高威力炸藥以及低威力炸藥，所以考慮正?？椎呐诳變?nèi)炸藥威力主要是通過利用空氣間隔器來改變藥柱高度從而控制炸藥的爆炸威力。導(dǎo)向孔裝藥的作用是為了克服根底和產(chǎn)生大量的爆生氣體，所以導(dǎo)向孔采用空氣柱進(jìn)行間隔，裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)Fig.3 Charge structure

3.3 爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)

由于孔內(nèi)炸藥采用分段間隔裝藥，如果采用常規(guī)的起爆方式：雷管引爆起爆具，起爆具引爆炸藥的起爆順序進(jìn)行爆破，想要孔內(nèi)全段同時(shí)起爆則需要在每段炸藥內(nèi)放置一套起爆具和雷管，該種引爆方式現(xiàn)場(chǎng)施工工序較繁瑣，且施工難度較大，存在較大的安全隱患。 因此本次采用導(dǎo)爆索全孔同時(shí)起爆的方式進(jìn)行炸藥引爆設(shè)計(jì)，炮孔內(nèi)使用雙股導(dǎo)爆索，導(dǎo)爆索在裝藥高度進(jìn)行纏繞并且綁扎小石塊，之后下放到孔內(nèi)，孔口雙股導(dǎo)爆索綁扎好后用石塊壓牢固，之后再進(jìn)行炸藥分段裝填與間隔和填塞。綁扎小石塊的主要目的是起配重的作用，另外在小石塊上纏繞多圈導(dǎo)爆索也可以加強(qiáng)導(dǎo)爆索的爆能提高引爆炸藥的可靠度。由于本區(qū)域爆破只有一排孔，且爆區(qū)長(zhǎng)度較小，總炸藥量為2 550 kg，單次起爆藥量并不是很大。且對(duì)導(dǎo)爆索進(jìn)行分段延時(shí)設(shè)置時(shí)，安全性比較差，很難保證短延時(shí)炮孔發(fā)生爆炸時(shí)不把長(zhǎng)延時(shí)炮孔起爆網(wǎng)路破壞。因此綜合考慮，本次起爆網(wǎng)路采用地表導(dǎo)爆索同時(shí)起爆設(shè)計(jì)，炮孔不設(shè)置延時(shí)間隔。

該種全段起爆具有爆轟波相互干擾小，爆生氣體產(chǎn)生集中，爆生氣體充分作用于空氣間隔柱，降低了爆炸能量對(duì)孔壁的損傷。同時(shí)爆轟氣體與爆轟波作用于孔壁，在導(dǎo)向孔連接處形成拉裂破壞區(qū)域，并迅速拉裂形成貫通裂隙。其他爆破能量沿著抵抗線較小的臺(tái)階臨空面推動(dòng)巖體向自由面方向拋擲，在此過程中對(duì)前方巖體造成破碎。

4 結(jié)果分析

按照以上爆破設(shè)計(jì)實(shí)施爆破之后，爆堆上可見清晰的半壁孔巖塊，部分邊坡坡面能見到殘缺的半壁孔。分析原因是由于該區(qū)域巖性較軟，其次使用了耦合裝藥，所以難以形成完整的半壁孔，只能看到局部半壁孔。

通過觀測(cè)半壁孔的位置發(fā)現(xiàn)，半壁孔出現(xiàn)明顯痕跡的位置為導(dǎo)向孔中空氣間隔所在位置高度。分析原因是由于爆破時(shí)，空氣柱對(duì)爆破能起到了調(diào)控緩釋放和引導(dǎo)爆破拉裂方向的作用，致使巖石按照導(dǎo)向孔的方向被拉裂，爆破后現(xiàn)場(chǎng)揭露半壁孔情況如圖4所示。

圖4 爆破后現(xiàn)場(chǎng)揭露半壁孔情況Fig.4 Condition of half wall hole after blasting

經(jīng)過采掘之后，該區(qū)域邊坡揭露后發(fā)現(xiàn)成型邊坡坡面平整度和坡度較好，雖然半壁孔率低，但是經(jīng)過采掘后最終邊坡外形整體上符合設(shè)計(jì)坡面要求，采掘后現(xiàn)場(chǎng)邊坡情況如圖5所示。

圖5 采掘后現(xiàn)場(chǎng)邊坡情況Fig.5 Condition of the slope after excavation

5 結(jié)語

1)導(dǎo)向孔配合使用空氣柱間隔裝藥可以實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)控制拉裂爆破，可以有效地誘導(dǎo)爆破塌落以及裂縫的發(fā)展方向。

2)空氣柱間隔可以有效地均衡炸藥爆破能量，尤其是導(dǎo)向孔內(nèi)的大段空氣柱可以很好地創(chuàng)造爆轟準(zhǔn)靜壓環(huán)境。

3)在作業(yè)空間不允許預(yù)裂爆破或者光面爆破時(shí)，可以采取導(dǎo)向孔誘導(dǎo)爆破技術(shù)彌補(bǔ)不耦合裝藥的不足，從而進(jìn)行邊幫靠幫作業(yè)。

4)對(duì)導(dǎo)向孔誘導(dǎo)爆破中炸藥能量分配的進(jìn)一步研究可以使得導(dǎo)向孔誘導(dǎo)爆破在控制、成型爆破中發(fā)揮更加重要的作用。