非均質巖體安全爆破網路設計與應用

許江鵬，凌 昊，譚勁松

（1.新疆雅化凱諾工程爆破有限公司，新疆烏魯木齊830000；2.烏魯木齊市公安局治安管理支隊，新疆烏魯木齊830017）

烏魯木齊市石人溝3號建筑用道渣石(鈣質砂巖）礦巖石完整且內部不存在軟弱結構面，巖層傾角在53°～65°之間，邊坡較穩定。受新疆干旱、少雨、多風氣候條件影響，巖體結構多呈非均質，巖石表面風化剝蝕嚴重，裂隙發育，層理明顯，尤其是在地表以下30m的淺部基巖層，其構造特征完全可以通過被揭露的采場斷面描述出來。

礦區褶皺和斷裂構造不發育，地層呈單斜產出，產狀不穩定，傾向北西，產狀為310°～330°∠56°～63°，局部倒轉。巖層受擠壓破碎，裂隙發育。

礦區出露一個礦體。分布于礦區中北部，受1-1′、3-3′兩條剖面控制，層狀，走向S上在礦區內570m，北端均延出區外，傾向寬 100～280m，產狀320°～330°∠59°～63°，產狀基本穩定，巖石破碎，裂隙發育。

礦區礦體巖性為鈣質砂巖：深灰色，亮晶結構，塊狀構造。

在該露天道渣石礦開采中，隨著生產規模擴大，所涉及的通常不是尺寸很小的巖塊，而是大范圍的包含有節理、層理、層面、軟弱夾層及水侵蝕裂隙等結構面的巖體。巖體與巖塊的性質差別很大，在工程規模范圍內，巖體具有不均勻性、不連續性與各向異性，是由結構面和結構體2個基本單元組成。結構體是由結構面所包圍的巖塊，有不同的形狀。

投產初期，該礦一次爆破大塊率最高達35%，平均大塊率超過20%（礦石粒徑超過80cm記為大塊）。

1 非均質礦體大塊率高的原因

1.1 非構造裂隙特性

礦區非構造裂隙把原本不均勻的層狀礦體自然分割成“塊體”。裂隙多無填充物。抗壓強度為11380～14560Pa，礦石容重2.6～2.7t/m3，普氏硬度系數f=7～9，屬中等硬度。對照有關資料，這種礦體屬于“塊狀難爆體”爆破后的大塊率高，且對保留區的破壞及裂隙作用強。非構造裂隙性礦體具有獨特性，當其他條件相同時，礦體中縱橫交錯的裂隙成為影響爆破效果的重要因素。

1.2 非構造裂隙削弱爆炸能量

根據國內外爆破作用理論，炸藥爆炸后，主要產生粉碎區、裂隙區及振動影響區。其對巖石做功機理為首先通過沖擊波對炸藥周圍產生爆炸沖擊，將巖石擠碎，后通過爆生氣體對粉碎區外巖體做功，使更多巖體產生裂隙達到破壞巖石的效果。沖擊波破碎巖體主要是反射波遇到自由面后形成的徑向拉應力作用的結果，爆生氣體通過對巖體的二次做功擴大爆破裂縫。天然裂隙對任何爆破能量都有一定的衰減作用，且爆破巖體原有裂隙越多，爆破能量隨裂隙衰減就越大，同時，裂隙使爆生氣體在對巖石做功前就泄溢到大氣中，減弱了爆破作用效果。因此，礦體中的非構造裂隙嚴重阻礙了炸藥爆炸能量的做功作用。

1.3“再生裂隙”造成了表面大塊

礦體受上一臺階超深及前部爆破的影響，產生了新的裂隙，即“再生裂隙”（屬于非構造裂隙）。再生裂隙是造成爆體表面大塊的根源。且爆堆表面大塊幾乎占據整個爆區大塊重量的70%以上。當炮孔填充高度不合理及爆堆前無留渣時，會造成大量不合理大塊。若增加裝藥高度，又將產生更多不可控的飛石。

以上說明，爆破效果的好壞與巖體結構面的產狀有很大關系，同時也說明，在有裂隙、軟弱夾層和軟硬互層的巖體中，爆破作用很容易從強度低、松軟部位的方向突破，這也是經常造成大塊、使巖體拋得過于分散的重要原因。

2 傾斜巖體爆破作用分析

在露天煤礦開采中，隨著生產規模擴大，所涉及的通常不是尺寸很小的巖塊，而是大范圍的包含有節理、斷層、層理、層面、軟弱夾層等結構面的巖體（圖1a、b）。巖體與巖塊的性質差別很大，在工程規模范圍內，巖體具有不均勻性、不連續性與各向異性，是由結構面和結構體2個基本單元組成。結構體是由結構面所包圍的巖塊，有不同的形狀。

單斜巖層可以是某種構造的一部分，也可以是地殼不均勻抬升或下降引起的區域性傾斜。巖體構造是多種多樣的，在露天爆破作業時，傾角大于15°的巖體，巖體對爆破作業影響顯著。

2.1 傾斜巖體與鉆機布孔

（1）炮孔沿巖層走向方向布置、臺階坡面傾向和巖層傾向相反（圖1a）。

（2）炮孔沿巖層走向方向布置、臺階坡面傾向和巖層傾向相同（圖1b）。

（3）炮孔與巖層走向斜交或垂直布置（圖1c）。（4）水平巖層與臺階平面重合（圖1d）。

2.2 傾斜巖石爆破效果分析

沿走向采用排間毫秒微差起爆，圖1a爆破后后沖較小，巖體位移較小，爆堆高，臺階底部阻力較大。圖1d爆破后可形成接近90°的臺階坡面角，沿藥包長度方向的抵抗線相等，能產生較均勻的塊度，即使沒有超深也不會產生拉底，均是較理想的爆破條件。反之，采用圖1b和圖1c布孔，爆破產生的病害會大大增多。

（1)炮孔沿走向方向布置時，臺階自由面和巖層傾斜方向相同，沿走向采用排間毫秒微差爆破，在爆破作用下，巖體以剪節理作用為主，結構面形成弱面，巖塊拋出距離較遠可達5～8m，后沖較大，爆堆較低，臺階底部容易出現拉底，臺階上部常出現欠爆現象。

（2）炮孔與巖層走向斜交或垂直布置時，臺階自由面和巖層傾斜方向垂直，沿臺階面方向巖層多，若各巖層的力學性質差別較大，則將產生不等的后沖和不規則的臺階坡面，并出現不同程度巖塊，受結構面影響，破碎的巖塊最容易從受裂隙作用大的地方拋出，爆堆拋出遠，不規整，這對爆破是不利的。

3 逐孔毫秒微差作用原理

傾斜巖體受層理作用明顯，受結構面作用和影響，原設計采用沿走向方向直線型排間毫秒微差深孔爆破巖石破碎效果不明顯。采用沿走向方向“V”斜線型逐孔毫秒微差起爆，充分利用毫秒微差間隔時間，讓傳爆方向沿走向進行，減弱爆堆拋向自由面，作用原理如下：

（1）先起爆的深孔相當于單孔漏斗爆破，在壓縮波和拉伸波的作用下，形成破裂漏斗。即爆破作用沿漏斗周邊形成主裂隙，使漏斗體巖石與原巖分離，在漏斗體內形成較多的細微破碎裂隙。此外在漏斗體外的周圍巖石中產生應力場及微裂隙。這個階段漏斗體內的巖石尚未明顯移動，深孔內的高壓爆炸氣體尚未消失。

（2）前組藥包為后組藥包創造新的工作面，在第一組深孔破裂漏斗形成后，第二組毫秒沿發的深孔緊接著起爆，以形成的破裂漏斗對后起爆的深孔來說，相當于新增加的自由面。后起爆的深孔的最小抵抗線和爆破作用方向都有所改變，增多了入射壓力波和反射拉伸波在自由面方向的破碎巖石作用。同時隨著自由面的增加，夾制性減少。巖石抵抗破碎的強度降低，有利于改善破碎效果，使爆破下的巖石塊度均勻并減少前沖和后沖作用。

（3）前組和后組藥包相互碰撞，塊度更小，若先爆的一組深孔的爆破作用在周圍巖石中產生的應力波尚未消失時，后一組深孔立即起爆，2組深孔爆破產生的應力波相互疊加，可以加強破碎效果。

（4）前一組深孔爆落的巖石飛起尚未落回時，后一組深孔爆落下的巖石也朝剛形成的補充自由面方向飛散，相互碰撞，產生補充破碎，并可以使爆堆比較集中，飛散較遠的碎石量也會減少。

4 起爆網路設計與優化

非均質傾斜巖體巖塊沿傾斜方向拋出，少部分巖塊是由爆破作用直接產生的以外，大部分巖塊是因爆炸應力波沿巖體原有的節理裂隙錯動擴張而產生。為了提高爆破效果，減少巖石大塊率，設計起爆網路如圖2所示。

圖2 起爆設計網路

（1）設計要求炮區需具有2個以上側向自由面，起爆點位于側向自由面炮區中間，為了加強爆破效果，起爆孔數不少于5排，在穿爆參數和采掘條件相同的情況下，沿正向自由面方向其炮孔數應多于側向自由面。

（2）設計采用對稱的“V”型斜線逐孔毫秒微差起爆網路，大區深孔爆破，爆轟傳播方向由側向自由面沿走向方向傳爆。

（3）炮孔之間用非電導爆管連接，孔內全部采用15段的延遲導爆管雷管起爆，以延長起爆時間防止地面飛石將爆區后面的起爆網路炸斷而產生拒爆，地表采用安全復式起爆網路，沿走向方向孔間毫秒微差75ms，“V”型斜線孔孔間毫秒微差25ms。

5 爆破效果評價

5.1 推墻作用明顯

采用“V”型逐孔斜線起爆，加大正向自由面沿走向方向的炮孔間隔時間，減少排間方向炮孔間隔時間，改變后起爆孔對前期爆孔的推墻作用方向，使推墻作用沿走向方向作用明顯。據現場觀察，爆堆拋出距離減少。

5.2 爆堆順層拋出減弱

由于設計采用了中間排孔先爆，使爆破作用方向改變，爆堆向中間堆積，巖塊順層拋出減弱，爆堆呈堆積狀，爆堆集中便于采裝。

5.3 巖體內自由面增加

采用逐孔毫秒微差起爆，巖體內每個炮孔起爆時都會有之前炮孔逐次爆破產生的3個自由面，都會受到鄰近炮孔隨后逐次起爆對其進行的3次破碎，大大增加了炮孔之間巖石反復作用次數和破碎時間，使來自于不用方向的爆破作用都相互集中在某個炮孔的巖石上，大塊率降低。

6 結語

傾斜巖體受層理結構面影響，采用沿巖層走向方向布置炮孔，實現排間毫秒微差起爆，爆堆沿正向自由面拋出距離較遠，大塊多，爆堆不規整，在爆破試驗基礎上，沿巖層走向方向“V”型斜線逐孔毫秒微差起爆，增加爆破自由面，改變爆破作用方向，巖石大塊率降低10%～20%，爆破作用效果明顯。