金屬礦山深部硬巖爆破的討論*

李 林，郭連軍，張大寧，徐鴻博

(遼寧科技大學， 遼寧鞍山市 114000)

隨著經濟的高速發展，對礦產資源需求的增加以及面臨淺部資源日漸枯竭的情況，國內外的很多金屬礦陸續轉入了深部或超深開采狀態。據不完全統計［1］，到21世紀20年代，我國有1/2的露天礦將轉入地下開采，同時，有2/3的地下礦也即將轉入深部開采或超深開采，然而面對深部巖石的復雜條件，采用爆破崩落礦石的開采方法將又迎來全新的挑戰。例如:如何在深部巖石復雜應力環境下實施爆破;又如何控制爆破來降低對采場穩定性的影響;再者是如何能優化爆破設計來節能減排，達到高質量的爆破效果，以提高生產效率。

國外開采深度超過千米的金屬礦山已將近百余多座。南非Witwatersrand地區的Tau Tona金礦在2008年開采至地下3900 m，超過南非3585 m的East Rand金礦［2］。Tau Tona金礦在2009年開采深度達到3910 m，成為目前世界上開采深度最深的礦山。與國內外的眾多深部金屬礦相比，雖然中國的金屬礦開采深度尚淺，但是即將會有一大批金屬礦也會進入深部開采。例如山東招遠玲瓏金礦、云南會澤鉛鋅礦、廣東韶關凡口鉛鋅礦、湖北鄂州程潮鐵礦都已進入了深部開采，河南靈寶崟鑫金礦豎井掘進深度已達 1500 m［3］。

進入深部開采環境后，將面臨高地應力、高溫、高提升等問題。目前的采礦方法和爆破方法是否適應以后的深部開采，尤其是隨著深部開采后期的智能爆破和大規模機械化開采。深部巖石由于長期受高地應力的影響，其各種特性與淺部巖石特性相比會有很大的差異，再者深部巖石在開采時就具有巖爆、巖石冒落、失穩等開采動力災害現象，如果不能選擇合適的爆破方式和控制爆破能量，將會加劇這些動力災害現象。

1 硬巖深部爆破的動力學特性

由于其形成年代和形成環境不同，不同巖石甚至是同一巖層，由于巖石的層理，節理及產狀的分布不同，其結構和力學性能也會呈現很大的差別。而且，深部硬巖處于高地應力賦存條件下，環境復雜，巖石的各種特性與淺部巖石性質更是有著很大的差異。炸藥在巖石介質中的爆炸是一個非常復雜的過程，目前還沒有一套完整而系統的理論分析體系和定量計算依據，這也為深部巖石爆破理論研究增添了更多的困難。

1.1 深部硬巖的性質

由于高地應力的存在，在淺部十分普通的硬巖，在深部則可能表現出軟巖的特征，從而引起巷道和圍巖的大變形;淺部的原巖大多處于彈性狀態，而深部的原巖處于“潛塑性”狀態，各向不等壓的原巖應力場引起的壓、剪應力超過巖石強度，造成巖石的潛在破壞狀態［4］，同時巖石的變形將會從脆性向延性轉變。這可能對巖石的爆破是一種“好處”，但是這種“好處”會給深部巷道、巖爆等一系列的動力災害提供機會。

深部地壓通常有兩種形式:變形地壓和沖擊地壓［5］。變形地壓是因開挖產生的圍巖位移所引起的壓力，這也是地壓的最基本形式。沖擊地壓是一種巖石動力學現象，它是圍巖內聚的大量彈性變形能在一定誘因下突然釋放而表現的一種形式，在硬巖金屬礦山叫做巖爆。深部高應力條件下，圍巖具有產生大變形的內外部條件，將產生微觀或宏觀破裂、巖層移動、巷道底板、片幫、冒頂、斷面收縮、支架破壞、采場垮落等，只有改善圍巖應力分布狀態，抑制圍巖變形，阻止圍巖失穩和破壞，才能減少巖爆等開采動力災害。

1.2 深部硬巖的爆破及其控制

由于深部巖石處于復雜環境之下，對于在淺部開采所采用的爆破方式就不能直接用于深部巖石爆破，必須充分考慮到巖石所處的高地應力、高溫以及巖石誘變出的各種性質來實施爆破。而且需考慮到因爆破所引起的圍巖損傷、各種裂紋的衍生和擴張，爆破震動引起的巖爆、圍巖失穩等情況。開采系統對原巖的擾動(動載荷)加上高地應力的雙重作用使深部巖石處于動靜組合受力狀態下［1］。

巖體是十分復雜的非均勻、非連續的地質體。巖體中的爆炸效應也是相當復雜的，相比較其深部巖體中的爆炸則更為復雜，其爆破地震波的傳播、擾動都有很大的區別。深部巖體中初始地應力可以達到與巖體單軸破壞強度相比擬的量級，當巖體具有該量級的初始地應力時，地應力對巖體中爆炸效應，特別是對破壞的影響比較明顯。研究表明，在不超過巖體的強度范圍內，即使增加不大的初始地應力量值，也可能顯著地改變巖體爆破破碎的特性，因此在深部巖體條件下，巖體的三向爆炸破壞效應可以減小，直至當地壓很大時破壞消失［6］。

采用爆破落礦是目前硬巖金屬礦山最主要的落礦方式，因此在巷道掘進和工作面上經常需要爆破，巖體在不斷地受到擾動和平衡過程中有的暫時局部達到穩定，有的則發生失穩等現象。爆破震動對巖石來說具有震動積累的效果，這就為巖石的瞬移和失穩提供了能量基礎。為此有必要研究爆破對深部硬巖開采帶來的各種影響。

2 深部硬巖的巖爆和動力災害預防

硬巖礦山淺部開采中一般通過支護、崩落圍巖、充填等方式來控制地壓及其帶來的危害，但是在深部開采中，運用支護、崩落圍巖、充填等方式是遠遠不能夠解決地壓及其危害的，特別是由于爆破產生的一些誘導因素使得巖體在時間、空間和能量方面具有很多不確定性，最終導致巖爆、圍巖失穩等一系列開采動力災害。

在巖體中存在大量的裂隙、節理，使得巖體的爆破復雜化。對于深部巖體爆破，首先要用控制介質變形和破壞過程的手段來控制爆破的效果。在有裂隙、節理的爆炸條件下，固體介質的變形特性將導致爆源與裂隙間巖石的附加破碎，而附加破壞與靜止裂隙相互撞擊將導致裂隙相鄰區域的巖石破壞增強，長期的爆破使得原巖體在空間和能方面的積累、震動效果的積累都將導致巖體各種性質的突變，成為深部開采中不可預防和估量的危險。在深部，巖石爆破的控制和開采動力災害有著密不可分的關系，若能很好的控制爆破，開采動力災害爆發的幾率就降低很多，否則開采動力災害發生的頻率會居高不下，不僅嚴重影響了生產，也會給生命財產帶來巨大的損失。所以，控制好硬巖深部的爆破是預防開采動力災害的重要因素。

2.1 深部硬巖的巖爆

巖爆為地下開挖體空間周圍巖體(包括斷層滑移)的突然破壞，并伴隨著受壓巖體的應變能的急劇釋放，巖爆往往以巖片彈射、大量巖石崩塌或者礦震的形式表現出來［7］。深部巖石由于重力引起的垂直原巖應力和巖石在構造運動過程中仍存有部分構造應力，二者的共同疊加形成高地應力。深部巖石在高地應力的作用下相當于在巖石內部施加了部分預應力，使深部硬巖成為儲能體，即深部原巖具有能量源和能量匯的特性，在一定條件下，巖石內積蓄的變形能會釋放出來，轉變為動能［8］。而在深部實施爆破就會給巖石釋放能量提供機會，造成巖爆和圍巖失穩等一系列災害問題。

在深部由爆破產生的震動積累、能量聚集、誘發節理、巖爆、圍巖失穩等都是需特殊關注的問題。各種誘導因素的結合、條件的分析，都將成為深部硬巖爆破亟待解決的核心問題。對于巖爆發生的機理，陶振宇教授認為，巖石內部積聚了很大的彈性應變能，一旦受到機械沖擊作用或爆破動力擾動就會突然釋放出來，形成巖爆。有關統計資料顯示，礦山巖爆的2/3發生在生產爆破之后［9］。

2.2 深部爆破對巖爆形成的誘因及預防

在深部開采中，由于各種爆破引起的礦震現象是很常見的。為此很多礦山為了檢測巖爆和大的礦震現象，大都布置了微震檢測系統，獲取了大量的有關爆破引起礦震和巖爆等動力災害的現場資料。大量數據表明，爆破與礦山地震之間存在著直接聯系，并且爆破是礦山地震的主要誘導因素之一。

爆破對巖石不僅有震動積累效果，同時還有能量積累效果。兩者在某種意義之下又可以相互轉換，只要其中一種達到了巖石破裂的要求，巖石即可發生巖爆、圍巖失穩、片幫等一系列災害。通常對巖爆預防的方式是采用微震監測系統實時監測，輔助于支護來預防巖爆。面對爆破對巖爆發生的影響，不能從單純意義上進行監測與支護，應該深入了解其巖石性質、節理發育、斷層滑移、解理破壞等方面綜合考慮，制定詳細的防護措施，把爆破引起巖爆的可能性降到最低。礦山支護、崩落圍巖、等控制地壓的方法都可以為深部硬巖的開采提供很重要的作用。這些方法雖能起到控制地壓的作用，卻無法在深部或超深狀態下巖爆和圍巖失穩等開采帶來的動力災害預防方面取得突破性作用。國外深部硬巖巖爆支護基本上采用噴射混凝土、錨網及其聯合支護，或是其發展形式如南非的錨網加索帶支護。開采方法的合理選擇、開采順序的優化、井巷工程的合理布置及斷面形狀選擇、采場與井巷支護方式的選擇，對預防或減輕巖爆災害有著重要的意義。

3 硬巖深部爆破落礦工藝與方法討論

在金屬礦山淺部開采中，傳統的房式采礦法把階段分為礦房和礦柱，先采礦房后采礦柱，留下的大量礦柱可以支撐圍巖，控制地壓活動，或者采完之后崩落圍巖、充填采空區等方式去控制地壓。但是在深部開采中，礦柱承受很大的靜壓力，開采后期回收礦柱時頂板沉降快，結果會導致嚴重的巖爆問題。所以在深部開采中運用常規的淺部開采方式是相當不妥的。而且在巷道的切割、采準、回采過程都需要通過爆破的方式來破壞巖石以達到開挖落礦的目的，但爆破產生的爆破震動對已開完巷道和原巖體的穩定性又產生了很大的危害，這是開采過程中無法避免的。目前對連續采礦模式研究尚淺，對爆破崩落礦石還是有相當的依賴性，很有必要把爆破對深部開采的影響納入研究的范疇。

在深部爆破時，為了減少由爆破引起的開采動力災害，控制開采過程中的單次落礦量，降低崩礦步距和爆破的能量，可以減緩巖體能量釋放的過程，為巖體達到動態平衡提供時間，有效的控制巖爆或者圍巖失穩等一系列動力災害。在淺部開采中，無底柱分段崩落法采用擠壓爆破落礦，階段高度可以達到80～150 m，回采巷道間距和崩礦步距都可以達到很大，炮孔直徑也逐漸增大，隨之每次落礦也就增大了。但是，在深部開采中由于高地應力的存在導致巖石的很多性質發生了變化，為此只能控制單次爆破的能量和落礦量，降低崩礦步距來平衡復雜情況下地應力的動態平衡，同時就降低了由爆破引發的開采動力災害發生的頻率。在深部開采時，需要把淺部的空場采礦法、充填采礦法和崩落采礦法等開采技術進行限制性的修正才能夠運用到其開采中，充分考慮因爆破帶來的負面影響。

在深部爆破時，必須考慮在高地應力，高溫情況下實施爆破的條件。對于爆破所采用的孔網參數、裝藥參數、起爆參數和炸藥類型的調整和限制，合理地布置爆破方式，必須得進行室內與現場試驗綜合驗證。在爆破過程中采取微差控制爆破，逐孔起爆，降低階段爆破炸藥能量的釋放;通過高精度數碼雷管精確控制微差時間，通過移頻技術降低爆破振動的主頻。工程中常用爆破震動記錄儀對爆破震動情況實施監測和采集，然后通過小波變換時頻分析法或者HHT法進行爆破震動信號處理。采集所得到的信號經EMD分解后，每一個IMF分量都有不同的震幅和頻率，通過對每個信號的分析處理，調整爆破參數可以達到降低爆破震動的影響，進而控制爆破震動誘發開采動力災害的幾率。

在深部爆破時，針對不同的巖石和高地應力狀況，選擇與其相匹配的炸藥來調整炸藥能量的輸出結構，降低無效能耗引起的地震，獲得特定巖石最佳的爆破破碎及損傷效果，從而有效的控制爆破帶來的負面影響。隨著炸藥生產工藝的改進和混裝炸藥車推廣使用，使礦山根據需要適當調整炸藥能量輸出成為可能。例如:在采礦過程中掘進和落礦的目的不同，掘進主要是圍巖的崩落成巷，而落礦是礦巖的崩落，面對不同的巖體則需要不同的炸藥和爆破參數與其匹配，才能達到炸藥的有效利用，降低無效能耗引起的地震及其災害。為了能夠更好的掌握巖石與炸藥相匹配的關系，需要通過動態實驗了解巖石的各種動力學特性。

4 結語

深部開采及其深部爆破是金屬礦山發展的趨勢。本文分析了深部硬巖的賦存、高地應力、如何通過爆破方式管理高地應力、如何減少開采動力災害、充填采礦法在深部開采中的運用、爆破優化等方面，闡述了深部開采及其深部爆破的問題。分析了由于爆破震動導致的巖爆、巷道失穩等開采動力災害，通過優化爆破設計，合理進行地壓管理，減少災害發生，可為深部開采提供較安全的環境。

［1］古德生，李夕兵.現代金屬礦床開采科學技術［M］.北京:冶金工業出版社，2006.

［2］TauTona Anglo Gold.South Africa［EB/OL］.http://mining Technology.com/projects/tautona_goldmine/.

［3］王軍強.崟鑫金礦巖爆與發生機理初探［J］.礦山壓力與頂板管理，2005(4):121-124.

［4］李夕兵，姚金蕊，宮鳳強.硬巖金屬礦山深部開采中的動力學問題［J］.中國有色金屬學報，2011(10).

［5］郭 超.金屬礦山深部開采的若干關鍵問題［J］.工業技術，2009.

［6］錢七虎，王明洋.巖土中的沖擊爆炸效應［M］.北京:國防工業出版社，2010:74-75.

［7］李庶林，桑玉發，等.深井硬巖巖爆巷道支護研究［J］.巖石力學與工程學報，1998(11).

［8］錢七虎.非線性巖石力學的新進展－深部巖石力學的若干關鍵問題［M］.北京:科學出版社，2004:10-17.

［9］王賢能，黃秋潤.動力擾動對巖爆的影響分析［J］.山地研究，1998，(16)3:188-192.