研山鐵礦永久邊坡形成中預裂爆破工藝的應用實踐

田　靖　田益琳　尹　裕　霍丹丹

(1.河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

河北灤縣研山鐵礦屬于鞍山式沉積變質鐵礦床，為冀東礦脈的重要組成部分[1-2]。該礦山年產礦石1 500萬t，是一大型露天礦山。目前，礦區最高開采水平為42 m，最低開采水平為-142 m，臺階高度為12～15 m，作業臺階多，部分臺階需要靠界形成永久邊坡。此外，隨著礦山開采深度逐漸增大，部分邊坡巖體出現失穩現象。良好的預裂爆破效果，不僅可以在一定程度上維護邊坡巖體穩定性，而且可以有效“屏蔽”主爆區炮孔產生的爆破振動效應。為此，本研究采用預裂爆破工藝對該礦露天邊坡進行靠界處理。

1　預裂爆破工藝原理

預裂爆破是目前礦山生產普遍采用的一種爆破方式，主要是沿開采境界線布置炮孔，采用不耦合裝藥方式，先于主爆區炮孔起爆，力求在炮孔連心線上形成1條自上而下的連續裂縫或預裂縫[3]。當預裂爆破炮孔距足夠小時，相鄰且同時起爆的預裂炮孔內的炸藥爆炸產生的徑向壓縮應力波在到達相鄰炮孔時仍會在孔壁位置產生較高程度的切向拉伸應力集中現象(圖1)，促使預裂孔中心連線方向上的炮孔徑向裂紋最早發生和最快發展，并在后繼爆轟氣體壓力與該類裂紋共同作用于裂紋尖端形成的拉應力集中效應的作用下與相鄰預裂孔貫通(圖2)，形成一定寬度的預裂縫，從而降低主爆區爆破振動對邊坡的影響。與常規孔距爆破相比，在相鄰預裂孔連線方向上消耗的能量最多，從而導致炮孔周圍其他方向上巖石發生的彈性破壞程度相應減小。在此種情況下，炸藥爆炸釋放的能量在炮孔周圍不同方向上的消耗將不具有中心對稱性，即在預裂孔之間形成連續裂縫的同時，其他方向上巖石產生的破壞程度將顯著下降。

圖1　切向拉伸應力分布示意

圖2　炮孔徑向裂紋尖端切向拉伸應力集中示意

實施預裂爆破時，通過在開采境界位置形成1條連續裂縫，雖然能夠顯著降低主爆區爆破對邊坡巖體的振動效應，但在主爆區緊鄰預裂縫時，爆區后排孔的后沖作用仍有可能對邊坡巖體造成沖擊破壞。為此，在預裂孔和主爆區之間布置緩沖孔，適當減小孔網參數和單孔裝藥量，有助于減弱該沖擊作用，最大限度地維護邊坡巖體穩定性。

2　預裂爆破試驗

2.1　試驗區概況

研山鐵礦東幫-67 m以上水平具備靠界條件，但東幫臨近新河，新河作為定水頭補給水源，最近處距離露天采場最終境界線不足50 m，向采場內大量涌水[4]，采用防滲地連墻處理后已基本不再滲水，但經滲水的侵蝕作用致使東幫巖石風化嚴重，且采場礦石運輸永久道路布置于東幫。本研究預裂爆破試驗區位置如圖3所示，區內巖石主要為強風化綠泥巖與第四系等松軟混合巖層。

圖3　研山鐵礦邊坡預裂爆破作業位置示意

2.2　爆破方案及參數取值

2.2.1爆破方案

根據研山鐵礦實際情況，本研究爆破試驗采用預裂+緩沖爆破方案。結合礦山現有裝備，選用潛孔鉆機穿孔，使用乳化炸藥或2#巖石炸藥藥卷，采用不耦合裝藥結構。當預裂孔為傾斜孔、主炮孔為垂直孔時，需要在兩者之間布置緩沖孔，其作用是減輕主炮孔起爆過程中對預裂孔外側邊坡巖體的后沖作用。本研究緩沖孔直徑為105 mm，鉆孔角度為90°，緩沖孔與預裂孔間距為7 m，緩沖孔排間距為3 m，孔距為4 m。緩沖孔布置如圖4所示。

圖4　緩沖孔設計(單位：m)

2.2.2爆破參數設計

孔網參數設計必須綜合考慮爆區地形特點、臺階高度、巖石種類、炸藥種類等因素[5]，按照本研究預裂爆破設計方案，預裂爆破孔主要技術參數取值如表1所示，各孔孔深及裝藥量見表2。

在松軟、完整性差的巖石中進行預裂爆破宜采用小孔徑炮孔，并減少裝藥密度[6-8]。按照本研究預裂爆破設計方案，緩沖孔主要技術參數取值如表3所示，裝藥結構如圖5所示。

表1　預裂爆破炮孔技術參數

表2　預裂孔各孔孔深及裝藥量

2.2.3起爆網絡

本研究爆破炮孔包括預裂孔、緩沖孔、主炮孔3類，運用起爆網路等時線理論[9-10]，設計的起爆網絡如圖6所示。爆破網絡中，緩沖孔共有10個，孔內采用5段傳爆導爆管雷管，孔外均采用1段傳爆導爆管雷管；預裂孔共30個，預裂孔內外均采用雙股導爆索起爆。

2.3　試驗效果

為準確評估本研究爆破方案的降振效果，2臺測震傳感器分別布置于近爆區和遠爆區位置(圖7)，根據測得的質點振動速度(表4)計算出的降振率平均約為23.1%。

本研究邊坡預裂爆破形成的預裂縫如圖8所示，預裂爆破在巖體部位形成了半壁孔。

表3　預裂爆破緩沖孔技術參數

圖5　緩沖孔裝藥結構示意

圖6　起爆網絡示意

圖7　降振監測點布置示意

測點編號銨油炸藥總消耗/kg最大段藥量/kg測點距爆區/m振動速度/(cm/s)1#2#12.596501059.500.101056.630.13

3　結　語

為確保研山鐵礦邊坡穩定，采用預裂爆破工藝實現部分臺階靠界形成永久邊坡。

圖8　預裂爆破試驗效果

設計了詳細的預裂爆破方案，設計了預裂孔、緩沖孔的技術參數，并對爆破網絡進行了設計。實踐表明：該方案實施后對于臺階的降振效果較明顯，降振率平均約23.1%，符合相關爆破規程要求。在同等爆破效果的前提下，經相關計算分析本研究爆破方案相對于其余爆破方法而言，延米爆破量提高了27.3%，炸藥單耗降低約35.1%，成效顯著，對于類似礦山也有一定的借鑒意義。

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