逐孔起爆在露天礦生產中的應用研究

李桂艷

（中煤平朔工業集團公司露天工程服務分公司 ，山西 朔州 036006）

0 引言

在露天礦的生產過程中，爆破質量的好壞對采掘及運輸環節具有重要的影響，直接影響著礦井經濟效益的好壞。露天礦進行臺階爆破后，若爆破后的巖石塊度大，則會增加對裝載運輸設備的磨損，礦井運輸效率低下，嚴重時需要采取二次爆破措施，增加了施工的成本。傳統的爆破方式具有：同段位裝藥量大，大的震動波對邊坡穩定性影響較大；爆破能量利用不完全，爆破后大塊率高；噪聲污染大等缺點。對現有的排間微差爆破技術進行相關改進并未取得實質性的效果，而逐孔起爆技術具有炸藥能量利用率高、震動波較小等優點，爆破效果良好，技術及經濟效益顯著，經過不斷的改進后，逐漸成為我國露天礦山進行臺階爆破的主要方法。

1 工程背景

某露天礦煤層呈由東向西條帶分布，井田面積約324km2，煤炭地質儲量為23245Mt，井田內主要開采5號和6號煤層，兩層煤分別厚18.16m和36.64m，均為賦存穩定的近水平煤層，煤層傾角均小于3°。5號煤層上部主要為堅硬的沙礫巖，而在5號煤和6號煤之間為泥巖、粉砂巖和細砂巖，針對該部分巖層的剝離主要采用深孔爆破的方法進行，采用從自由面開始的排間順序微差爆破，該方法在使用過程中存在巖石碰撞作用差、爆堆寬度大的問題。若采用由中間向兩邊的爆破方式，則會造成中部爆堆集中，高度較大的問題，從而影響了鏟運作業的正常進行；若加大中間炮孔的裝藥量，則增加了爆破作業成本；總之采用該方法進行爆破作業，會造成爆破效率低、巖石大塊率高等確定，因此計劃采用逐孔起爆技術來改良爆破效果。

2 逐孔起爆技術簡介

逐孔起爆技術屬于微差爆破范疇，采用該方法進行爆破作業時，各個炸藥的爆破是獨立進行的，從起爆點開始，延時一定時間后逐個向后傳爆破，如此則后面爆破的炸藥有前面爆破炸藥產生的自由面，爆破應力波在新自由面處發生反射，炸藥產生的爆破能量利用效率高，爆破振動減小，爆破的巖石發生擠壓、碰撞作用，巖石塊度適中，爆破效果良好。

2.1 逐孔起爆網絡

逐孔起爆網絡如圖1所示，圖1中所示數字為炮孔起爆的先后順序，所有炮孔均按一定的延期時間順序起爆。大量的工程時間表明，各爆破孔間的延期時間為3～8ms/m，排間距的延期時間為8～15ms/m時，會取得最優的爆破效果。針對露天礦的臺階爆破，需要根據所要爆破的巖石巖性具體確定延期時間。當爆破工作面的最小抵抗線為6～10m時，根據巖石性質所確定的最優延期時間為：若巖石為花崗巖等質地堅硬的巖石，延期時間通常取15～30ms；若巖石為石灰巖及砂巖等中等堅硬的巖石，延期時間通常取20～46ms；若巖石為泥巖和灰巖等軟弱巖石，延期時間通常取50～70ms。在露天礦生產中，所采用的起爆網絡通常有V型、斜線型和三角型這三種，實際工程應用中，均能取得良好的效果。

圖1 逐孔起爆網絡示意圖

2.2 逐孔起爆作用原理

以圖1中所示的爆破網絡為例，對逐孔起爆作用原理進行簡介。圖中布置了三排炮孔，根據自由面的數量和工程地質條件來確定炮孔的起爆順序，延期時間為毫秒級，具體過程如下：

1）首先發生爆破的炮孔在爆炸應力波及爆轟氣體的作用下在圍巖中產生爆破漏斗，因此可以稱為單孔漏斗爆破，在該力的作用下圍巖在主裂隙方向發生分離。此時由于炮孔內高溫高壓氣體的存在，在爆破漏斗內產生了大量的裂隙，但巖層間并未發生顯著位移。

2）在第一個炮孔爆破后，在延期雷管的作用下，第二個炮孔進行爆破，由于第一個炮孔爆破漏斗產生裂隙的存在，為第二個炮孔起爆時提供了自由面，此時的最小抵抗線為第一個炮孔和第二個炮孔間的孔間距。與此同時，爆破的作用方向也發生了變化，爆破應力波作用于自由面上的力也顯著增加，增加了巖石的破碎效果，巖石大塊率明顯降低。

3）逐孔起爆采用毫秒級延期，先爆破的炮孔所形成的應力波還未完全消失，后續炮孔已發生爆炸，這樣會形成爆炸應力波的疊加作用，增加了應力波對巖石的破碎時間，從而使爆破顯著增加。

4）先爆破的炮孔產生的巖石飛散的過程中，后續炮孔產生的巖石同樣朝著新的自由面飛散，巖石間會發生彼此的碰撞，增加了巖石的破碎效果，且形成的爆堆集中。

5）由于炮孔間起爆的延期時間為毫秒級，先后起爆的炮孔會發生應力波的疊加，為防止爆破威力過大而對巖層穩定性破壞過大，則需將地震波的主震相相互避開，如圖2所示。

圖2 爆破后形成的地震波

現場實踐表明，采用逐孔起爆方式較傳統起爆方式可將地震效應減小30%～70%，由于該方法可以減小爆破振動來來的危害，有助于提高經濟效益，因而廣泛應用于露天礦爆破作業中。

2.3 逐孔起爆的方法

逐孔起爆主要有：孔內延期、孔外接力、孔內外聯合三種方式?？變妊悠谥鹂灼鸨?，該方法通過炮孔內的延期電雷管實現延期順序起爆，不需采用地表雷管進行延期，因而具有爆破網絡簡單、連接容易的特點；孔外接力逐孔起爆，該方法通過在地表各孔間連接延期電雷管來實現延期爆破，而炮孔內電雷管的延期時間相同，因此無需考慮炮孔內雷管段位的區別，裝藥更加便捷；孔內外聯合逐孔起爆，該方法在各排爆破孔之間連接相應段位的地表延期雷管，從而形成孔內外的逐孔起爆，在露天礦生產中應用最為廣泛。

2.4 延期時間的選擇

1）最佳孔間延期時間。

最佳孔延期時間采用如經驗公式（1）來進行：

式中：t為最佳孔延期時間，ms；Q為炮孔內平均裝藥量，kg；Γe為炸藥的密度，g/cm3；Γr為巖層容重，g/cm3；D為炸藥的爆速，m/s；Cr為震動波在巖層中的傳播速度，m/s；S為爆破后巖石的飛散距離，mm；V為爆破后巖石的運動速度，m/s。

由公式（1）可知，不同種類的炸藥延期時間也不同，銨油炸藥延期時間通常取15～47ms，乳化炸藥延期時間通常取17～65ms，若裝藥量較大，則取值相對較大，反之亦然。結合理論分析及現場實踐，當孔間延期時間為3～8ms/m時，取得最優的爆破效果。

2）最佳排間延期時間。

對排間延期時間影響較大的因素有爆破后產生的爆堆形狀及松散度，若排間的延期時間過短，則前排爆破的炮孔無充足的時間產生貫穿裂隙，即無法為后排起爆的炮孔產生自由面，則后排起爆的炮孔發生擠壓作用，導致爆破后巖層的松散度差；若排間的延期時間過長，則前排爆破的產生的巖石已經停止運動，前后兩排炮孔的應力相互疊加作用減弱，造成爆破效果不佳，最佳的排間延期時間可用經驗公式（2）計算；

式中：t0為最佳排間延期時間，ms；S0為炮孔排間距，m；H0為爆破后巖石的最大運動高度，m；V1為炮孔堵塞段運動速度，m/s；V2為炮孔巖石的運動速度，m/s

由公式（2）可知，若炮孔直徑相對較大則取大值，反之亦然。結合理論分析及現場時間，當排間延期時間為8～15ms時，取得最優的爆破效果。

3 工程應用

針對該露天礦的工程實際情況，決定采取逐孔起爆的深孔爆破方式。以該礦5號煤上的沙礫巖為例進行爆破參數設計。露天礦臺階高度的大小取決于鉆孔的深度，爆破效果及運輸安全等因素，通常取值為10～20m，結合該礦生產實際，最終確定臺階高度為15m；炮孔直徑主要受鉆機型號、臺階作業高度及巖層性質等因素的影響，最終確定孔徑為150mm，垂直布置鉆孔；鉆孔深度與臺階高度及巖層性質有關，為增大對臺階底部巖層的爆破作用，在臺階高度15m的基礎上，鉆孔超深1.5m，最終取孔深16.5m。根據施工經驗，底盤抵抗線通常為炮孔直徑的20～50倍，因此選取炮孔直徑為8m；孔間距和孔排距的選取與最小抵抗線有關，綜合確定炮孔間距為9m，炮孔排距為5.5m；臺階坡面角與臺階巖石硬度有關，根據該礦生產實際，選取坡面角為70°；炮孔堵塞長度根據炮孔直徑取值為6m；炸藥單耗為0.22kg/m3；該礦臺階爆破時，第一排炮孔內裝藥量取237.6kg，第二排及之后炮孔內裝藥量取179.6kg；為保證傳爆效果的可靠性，選用三角型逐孔起爆網絡，地表孔間延期時間取42ms，排間延期時間取65ms；最終確定的爆破網絡如圖3所示。

4 效果分析

采用逐孔起爆方式，巖石爆破后大塊率基本維持在3.07%左右，而傳統爆破方法大塊率可達到4.52%，同比降低1.45%，爆破效果得到明顯改善。爆破后大塊率降低，不僅減少了二次爆破的成本，同時提高了裝巖的效率，綜合生產成本減少了0.2元/m3，按年爆破巖石2000萬m3計算，則可節約成本400余萬元，經濟效果顯著。

圖3 三角型逐孔起爆網絡

5 結論

1）針對傳統爆破方式的不足，對逐孔起爆技術進行了簡要介紹，結合該露天礦生產實踐確定了相關爆破參數。

2）通過實際應用，技術及經濟效益顯著，爆破后巖石大塊率降低了1.45%，實現成本節約400余萬元。