大型露天礦剝離期間深孔臺(tái)階爆破技術(shù)的應(yīng)用研究

摘要：從布設(shè)露天臺(tái)階爆破孔、掏槽爆破露天臺(tái)階、露天臺(tái)階準(zhǔn)光面分層爆破等方面闡述了大型露天礦剝離期間深孔臺(tái)階爆破技術(shù)，將本文所述深孔臺(tái)階爆破技術(shù)應(yīng)用與某大型露天礦剝離期間進(jìn)行深孔臺(tái)階爆破施工，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)證明了將本文所述深孔臺(tái)階爆破技術(shù)可提高施工質(zhì)量，具有應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：大型露天礦；剝離工程；深孔臺(tái)階爆破技術(shù)；應(yīng)用研究

0" "引言

臺(tái)階爆破又稱為階梯爆破，是改善露天礦爆破質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)空氣間隔臺(tái)階，均衡生產(chǎn)采剝比，有助于延緩前期大量剝巖，從而推遲礦區(qū)邊幫暴露的問(wèn)題。隨著露天礦采場(chǎng)的進(jìn)一步開(kāi)采，礦區(qū)開(kāi)采需要擴(kuò)幫[1]。

采場(chǎng)巖層錯(cuò)綜復(fù)雜，臺(tái)階巖石風(fēng)化較為嚴(yán)重，裂隙節(jié)理、斷面的形成，使臺(tái)階存在不同程度的缺陷。臺(tái)階風(fēng)化、臺(tái)階缺陷，則會(huì)導(dǎo)致臺(tái)階發(fā)育擴(kuò)展裂紋，影響最終的爆破質(zhì)量[2]。為了追求更高的深孔臺(tái)階爆破質(zhì)量，開(kāi)采人員不斷調(diào)整炮孔裝藥結(jié)構(gòu)，炮孔上部連續(xù)裝藥，并在底部留存空氣層，隔絕炮孔與藥柱底部的靜態(tài)氣體壓力。當(dāng)露天臺(tái)階的深孔炸藥被引爆時(shí)，爆轟產(chǎn)生的能量以靜態(tài)壓力的形式，作用于炮孔周圍的巖體上。炮孔底部的空氣層受到靜態(tài)壓力的壓縮，氣體間隔體積持續(xù)減小，爆轟產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力也隨之減小，藥柱周圍的破碎區(qū)發(fā)生變化，爆破破碎區(qū)域較為平整，從而提升爆破質(zhì)量[3]。

然而，大型露天礦的環(huán)境較為復(fù)雜，起爆點(diǎn)的設(shè)置常存在不合理問(wèn)題，爆轟波傳播的能量并不均勻，爆破可能存在超挖或欠挖問(wèn)題，影響最終的爆破質(zhì)量[4]。臺(tái)階爆破可分為深孔臺(tái)階爆破和淺孔臺(tái)階爆破，本文結(jié)合實(shí)例，對(duì)大型露天礦剝離期間深孔臺(tái)階爆破技術(shù)的應(yīng)用展開(kāi)研究。

1" "深孔臺(tái)階爆破技術(shù)要點(diǎn)

1.1" "布設(shè)露天臺(tái)階爆破孔

在露天礦剝離期間，露天臺(tái)階在爆破作用下的破碎過(guò)程較為復(fù)雜。從破碎結(jié)構(gòu)上來(lái)看，可以分為壓碎圈、裂隙圈和振動(dòng)圈[5]。根據(jù)巖石破碎情況，選擇單排布孔與多排布孔相結(jié)合方式，更加規(guī)范地劃分臺(tái)階爆破區(qū)域，便于后續(xù)爆破操作。露天臺(tái)階爆破作用圈如圖1所示。

振動(dòng)圈的半徑遠(yuǎn)大于壓縮圈和裂隙圈，振動(dòng)能量對(duì)周圍環(huán)境造成的危害也較大。采用單排布孔與多排布孔相結(jié)合方式時(shí)，將布孔邊界劃分平整。其中多排布孔以三角形為主，爆破孔分布較為均勻。采用三角形布孔時(shí)，設(shè)置一個(gè)頂端爆破孔，向下依次增加一個(gè)或多個(gè)爆破孔，填補(bǔ)爆破邊界[6]。從能量分布的角度來(lái)看，單排布孔與多排布孔的結(jié)合，能夠有效控制爆破塊度，對(duì)于提升臺(tái)階爆破質(zhì)量具有重要作用。

1.2" "掏槽爆破露天臺(tái)階

掏槽爆破也稱為掏槽眼爆破，其作用是為臺(tái)階爆破提供新的自由面。在實(shí)施露天臺(tái)階爆破的過(guò)程中，露天臺(tái)階受到的夾制作用力較大，該作用力強(qiáng)度與炮孔深度成正比[7]。因此，為了克服露天臺(tái)階原有夾制力與地應(yīng)力疊加對(duì)爆破帶來(lái)的影響，須重新分配爆炸能量，使掏槽眼底部范圍內(nèi)的能量利用率更高。

切底式掏槽在爆破孔底部聚集能量，在切割爆破時(shí)，炸藥在掏槽眼中起爆，爆轟波沿著炸藥起爆點(diǎn)進(jìn)行軸向傳播。當(dāng)爆轟波傳播到爆破孔底部時(shí)，環(huán)槽爆轟力向周圍環(huán)形平面射流，從而獲得更高的爆破孔利用率。掏槽爆破參數(shù)如表1所示。

掏槽爆破時(shí)，掏槽眼深度取2.5m，炮孔深度根據(jù)實(shí)際需要確定。掏槽眼傾斜角度取72°，掏槽眼數(shù)量取8個(gè)，以此確保掏槽爆破的質(zhì)量。切縫藥包在爆破過(guò)程中，在掏槽切縫根部形成一個(gè)抑制區(qū)。在爆炸氣體的靜態(tài)作用下，掏槽位置能夠降低超挖、欠挖量，加強(qiáng)切縫尖端的集中應(yīng)力，從而避免裂紋向缺口的方向擴(kuò)展。

柔性切縫藥包定向斷裂能夠約束掏槽外部與炸藥之間的接觸，防止稀疏波進(jìn)入爆轟反應(yīng)區(qū)。在此過(guò)程中，爆轟壓力在切縫處沖擊波的作用下，形成初始裂縫，并向掏槽區(qū)域進(jìn)發(fā)，以減弱非切縫處的孔壁破壞。

1.3" "露天臺(tái)階準(zhǔn)光面分層爆破

光面爆破就是使爆破后的露天臺(tái)階形成光滑平整輪廓的爆破技術(shù)。在露天臺(tái)階上實(shí)施光面爆破時(shí)，可在其上、下分層界面上，采用光面爆破與常規(guī)爆破相結(jié)合的準(zhǔn)光面爆破技術(shù)，以確保臺(tái)階分層界面的平整性與完整性。

在爆破過(guò)程中，分層界面上的爆破孔較少、周邊孔較多。在第一分層進(jìn)行裝藥爆破之后，如果露天臺(tái)階界面不夠光滑平整，在進(jìn)行第二分層裝藥爆破之后，露天臺(tái)階界面光滑平整度可得到滿足。準(zhǔn)光面爆破分層界面如圖2所示。圖2中：A、B為一、二分層的爆后界面；W為爆后界面與炮孔的距離；a為兩個(gè)炮孔的間距。

在掏槽爆破之后，爆破孔內(nèi)存在較高的彈性應(yīng)變能。該能量通過(guò)轉(zhuǎn)化，能夠減少炸藥的消耗與動(dòng)力擾動(dòng)。此時(shí)分層界面的臺(tái)階爆破有效應(yīng)力表示為：

（1）

式（1）中：σe為臺(tái)階爆破的有效應(yīng)力，σ1為應(yīng)力張量，σ2為平均應(yīng)力。

在露天臺(tái)階爆破的過(guò)程中，受動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度與靜態(tài)壓力共同作用，臺(tái)階巖石的拉伸屈服極限為5MPa。在此極限值的條件下，該拉伸屈服極限值作為塑性狀態(tài)值，能夠根據(jù)露天臺(tái)階爆破環(huán)境，調(diào)整最佳起爆距離，最大限度地提升大型露天礦剝離期間露天臺(tái)階的爆破質(zhì)量。

2" "實(shí)例驗(yàn)證與分析

2.1" "工程概況

某大型露天礦海拔在1500～1700m之間，地形不平，多數(shù)為山丘，巖層厚度一般為20～50m。該礦的礦體在東西方向分布長(zhǎng)度約10km，南北方向?qū)挾燃s1km，由10多個(gè)主礦體和100多個(gè)附屬礦體組成，是典型的大型露天礦產(chǎn)資源。根據(jù)該礦地形地貌，其水平爆破區(qū)域高程在930～940m之間，為此需調(diào)整爆破孔深、孔數(shù)、炸藥量。該大型露天礦的水平爆破區(qū)域平面如圖3所示。

露天礦水平爆破區(qū)域平面如圖3所示。該露天礦的水平爆破區(qū)域長(zhǎng)度約為130m，寬度約為25m，臺(tái)階高度（孔深）約為12m，爆破量約為35200m3，炸藥量約為6.48t。該爆破工程采用三角形的爆破布孔方式，由南向北的孔距設(shè)定為10m，排距設(shè)定為8m，孔邊距設(shè)定為4～4.5m，炸藥單耗約為0.184kg/m3，孔深約為12m，炮眼約80個(gè)。在此區(qū)域進(jìn)行爆破之后，對(duì)區(qū)域內(nèi)的眼痕率進(jìn)行爆破質(zhì)量分析。

2.2" "驗(yàn)證方法

為了驗(yàn)證本文所述大型露天礦剝離期間深孔臺(tái)階爆破技術(shù)，是否滿足實(shí)際爆破需求，以該大型露天礦為例，按照本文所述爆破技術(shù)，對(duì)該大型露天礦在剝離期間進(jìn)行深孔臺(tái)階爆破施工，并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。之后對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和整理，以便確定實(shí)施爆破的質(zhì)量。

本文選取出1～64炮眼（共64個(gè)），前16個(gè)炮眼深度約為2.2m，其余炮眼深度均為2.0m，其中掏槽眼布置8個(gè)。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，將最大超挖量140～270mm、最大欠挖量85～175mm、最低眼痕率50%～70%，作為該大型露天礦剝離期間深孔臺(tái)階爆破的設(shè)計(jì)值。

將實(shí)際超挖量、實(shí)際欠挖量、實(shí)際眼痕率，作為對(duì)該大型露天礦的深孔臺(tái)階爆破的檢測(cè)值。將設(shè)計(jì)值與檢測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，即可得出本文設(shè)計(jì)的大型露天礦剝離期間深孔臺(tái)階爆破技術(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)論。

2.3" "檢測(cè)結(jié)果

按照本文所述深孔臺(tái)階爆破技術(shù)和驗(yàn)證方法，組織該大型露天礦在剝離期間進(jìn)行深孔臺(tái)階爆破施工。之后對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、整理和列表。該大型露天礦剝離期間深孔臺(tái)階爆破的檢測(cè)值如表2所示。

從表2可以看出，采用本文設(shè)計(jì)的大型露天礦剝離期間深孔臺(tái)階爆破技術(shù)，對(duì)該大型露天礦的深孔臺(tái)階進(jìn)行爆破后，在1～64號(hào)炮眼的深孔臺(tái)階爆破中，實(shí)際超挖量在65～124mm的范圍內(nèi)變化，實(shí)際欠挖量在10～48mm的范圍內(nèi)變化，實(shí)際眼痕率在65%～88%的范圍內(nèi)變化。實(shí)際超挖量和實(shí)際欠挖量，均大幅度低于最大超挖量和最大欠挖量。實(shí)際眼痕率則大幅度高于最低眼痕率。

2.4" "對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析

在實(shí)施臺(tái)階爆破的過(guò)程中，超挖量越大，爆破范圍越大，臺(tái)階周邊爆振裂隙范圍越大，越不利于臺(tái)階爆破成型質(zhì)量；欠挖量越大，爆破范圍越小，臺(tái)階周邊爆振裂隙范圍越小，越不利于臺(tái)階爆破成型質(zhì)量。眼痕率是檢驗(yàn)爆破質(zhì)量的主要指標(biāo)，眼痕率越高，爆破質(zhì)量越高。

本文根據(jù)該大型露天礦剝離期間深孔臺(tái)階爆破現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了最大超挖量、最大欠挖量和最低眼痕率，在該設(shè)計(jì)值范圍之內(nèi)，即可保證深孔臺(tái)階爆破質(zhì)量。應(yīng)用本文所述大深孔臺(tái)階爆破技術(shù)進(jìn)行爆破施工之后，實(shí)際超挖量、實(shí)際欠挖量均明顯低于最大超挖量、最大欠挖量；實(shí)際眼痕率明顯高于最低眼痕率。檢測(cè)結(jié)果表明，應(yīng)用本文所述深孔臺(tái)階爆破技術(shù)，提高了深孔臺(tái)階爆破施工質(zhì)量，達(dá)到了本文的研究目的。

3" "結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大型露天礦剝離期間深孔臺(tái)階爆破超挖、欠挖量較高，導(dǎo)致爆破質(zhì)量降低的問(wèn)題， 從布設(shè)露天臺(tái)階爆破孔、掏槽爆破露天臺(tái)階、露天臺(tái)階準(zhǔn)光面分層爆破等方面，闡述了大型露天礦剝離期間深孔臺(tái)階爆破技術(shù)。將研究成果應(yīng)用于大型露天礦剝離期間深孔臺(tái)階爆破的實(shí)際工程中，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)驗(yàn)證，應(yīng)用本文所述爆破技術(shù)提高了爆破施工質(zhì)量，達(dá)到了研究目的。

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