預(yù)裂爆破在吉勞金礦高陡邊坡的應(yīng)用

李鵬飛，丘小強，王 寶，張 豪

(1.福州大學(xué) 紫金礦業(yè)學(xué)院，福州 350116；2.福州大學(xué) 爆炸技術(shù)研究所，福州 350116；3.紫金礦業(yè)集團 股份有限公司，福建 上杭 364200)

預(yù)裂爆破技術(shù)具有改善超挖欠挖、降低爆破振動、提高最終邊坡穩(wěn)定性、形成平整預(yù)裂面的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于臨近高陡邊坡控制爆破中，規(guī)范的施工流程以及合理的爆破參數(shù)設(shè)計是預(yù)裂爆破成功的重要保證[1]。

塔吉克斯坦吉勞金礦巖性較差，節(jié)理裂隙發(fā)育，南部邊幫1935臺階以上邊坡已經(jīng)達到最終境界。隨著開采深度的逐年增加，邊坡垮塌、浮石滾落等現(xiàn)象時有發(fā)生，對預(yù)裂爆破要求較高，從以往該礦山預(yù)裂爆破情況來看，爆破效果很差，邊坡坑坑洼洼，超挖欠挖嚴重，基本難以見到半壁孔，軟巖部位問題尤為嚴重，急需改進預(yù)裂爆破技術(shù)。圖1為吉勞露天礦預(yù)裂爆破現(xiàn)狀。

圖1 吉勞露天礦預(yù)裂爆破現(xiàn)狀Fig.1 Current situation of pre-split blasting in Jilau open-pit mine

1 工程地質(zhì)概況

塔吉克斯坦吉勞礦區(qū)位于南天山成礦帶西段，目前主要工作點在南部邊幫，其南部邊幫1935臺階以上邊坡已達到最終境界。吉勞金礦設(shè)計最大邊坡高度為495 m(+1 700～+2 195 m)，最終邊坡角南側(cè)邊幫46°，臺階高度10 m，臺階坡面角70°。吉勞礦邊坡地質(zhì)條件較簡單，吉勞斷層貫穿整個露天坑，南部邊坡斷層附近巖體破碎，隨著開采深度的不斷增加，頻繁的爆破振動容易造成邊坡整體失穩(wěn)，是影響邊坡穩(wěn)定性的重要不利因素，因此有必要采取控制爆破技術(shù)，降低爆破振動。

2 預(yù)裂爆破參數(shù)理論計算

2.1 不耦合系數(shù)的計算

裝藥不耦合系數(shù)主要包括徑向不耦合系數(shù)Kd與軸向不耦合系數(shù)Kl，對于預(yù)裂爆破要求在孔壁周圍不能形成壓碎區(qū)，同時要在孔間連線處形成貫穿預(yù)裂縫[2]，即需滿足以下條件：

P=σr|r=rb≤(1-ξ)σdc

(1)

λP=βσθ|r=rb≥(1-ξ)σdt

(2)

式中，σr|r=rb=P—孔壁處的初始徑向壓應(yīng)力；σθ|r=rb=λP—孔壁處的初始切向拉應(yīng)力；β—初始切向拉應(yīng)力集中系數(shù)，一般取β=2；σdc、σdt—巖石極限抗壓強度與動態(tài)抗拉強度；λ—巖石中應(yīng)力波側(cè)壓系數(shù)，一般取λ=μ/(1-μ)；μ—泊松比；ξ—損傷變量。

當(dāng)采用分段空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)時，徑向軸向均有空氣間隔，此時孔壁初始壓力可用式(3)計算[3]：

(3)

式中：ρ0、D、n—炸藥密度、爆速、孔壁壓力增大倍數(shù)，一般取n=10。

根據(jù)式(1)～(3)可得裝藥不耦合系數(shù)應(yīng)滿足的關(guān)系式為：

(4)

2.2 線裝藥密度及單孔藥量的計算

根據(jù)上述不耦合系數(shù)可以計算出預(yù)裂爆破線裝藥密度及單孔藥量分別為：

(5)

Q=q線l

機遇：VR技術(shù)發(fā)展較快，在旅游市場發(fā)展?jié)摿Υ螅黄笫聵I(yè)單位對VR全景技術(shù)的需求量大；企業(yè)通過VR全景技術(shù)制作宣傳片并進行營銷推廣的市場潛力大。

(6)

式中：q線—線裝藥密度，kg/m；Q—單孔藥量，kg；l—炮孔深度，m；d—炮孔直徑，mm。

2.3 炮孔間距計算

關(guān)于兩孔間預(yù)裂成縫，目前普遍認可的理論是爆炸應(yīng)力波和爆生氣體共同作用下的爆破成縫理論[4]。為簡化計算，計算炮孔間距時可以認為初始裂紋在爆炸應(yīng)力波作用下產(chǎn)生，然后在爆生氣體作用下使之?dāng)U展貫穿，該作用下預(yù)裂成縫理論模型如圖2所示。圖2中rb表示炮孔半徑；r1、rs分別表示爆炸應(yīng)力波與爆生氣體作用下產(chǎn)生的裂紋長度。

圖2 相鄰孔間預(yù)裂縫形成示意圖Fig.2 Schematic diagram of the formation of pre-cracks between adjacent holes

由圖2可知預(yù)裂孔距可表示為：

A=2r1+2rb+rs

(7)

爆炸應(yīng)力波作用下孔壁產(chǎn)生的初始裂紋長度為：

(8)

式中：α—巖石中應(yīng)力波衰減指數(shù)，α=2-λ。

爆生氣體作用下形成貫穿裂縫，可用下列平衡表示[5]：

(9)

整理可得：

(10)

由式(7)、(8)、(10)可得孔距表達式為：

(11)

3 預(yù)裂爆破現(xiàn)場試驗

試驗選擇在塔吉克斯坦吉勞金礦1915平臺進行，該部位巖石巖性較差，節(jié)理裂隙發(fā)育，對預(yù)裂爆破要求較高，前期需嚴格監(jiān)督鉆孔質(zhì)量。鑒于炮孔深度較大，為保證爆破效果，對以往裝藥結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，采用分段空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)。由于孔底夾制力較大，為加強孔底巖石破碎作用，需設(shè)置孔底1.5 m的加強裝藥段。同時孔口巖石較松軟，在孔口設(shè)置2 m長的減弱裝藥段，為充分保護孔壁，試驗前準備一定數(shù)量的PVC管，將炸藥用黑色防水膠布捆綁于導(dǎo)爆索與繩子上，并將其放置于PVC管中，再次進行捆綁固定。檢查合格后，由三人一組將其仔細放入孔內(nèi)，放置過程中要注意盡量將炸藥放置于炮孔中心位置，避免炸藥與孔壁直接接觸，孔口露出1.5 m長度的導(dǎo)爆索，PVC管要置于保留邊坡一側(cè)。為了防止炮孔填塞時炮泥從孔間滑入孔底影響不耦合效果，孔口應(yīng)先拿紙袋堵塞后再填土，將本次試驗所用到的巖石物理力學(xué)參數(shù)與炸藥參數(shù)列于表1和表2中。

表1 1915平臺巖石物理力學(xué)參數(shù)表

表2 炸藥物理參數(shù)

根據(jù)表1、2相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合本文所提出的參數(shù)確定方法，計算得到預(yù)裂爆破參數(shù)及典型裝藥結(jié)構(gòu)圖，見表3、圖3。

表3 預(yù)裂爆破試驗參數(shù)

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the charge structure

由于現(xiàn)場藥卷規(guī)格有限，可用于預(yù)裂爆破的為直徑32 mm、長度0.3 m的2號巖石乳化藥卷。實際裝藥時需對該藥卷進行現(xiàn)場加工，例如正常裝藥段與加強裝藥段分別采用2個、3個藥卷進行捆綁組合裝藥，以便調(diào)節(jié)不耦合系數(shù)，表3中3.97/2.0/1.32分別代表減弱裝藥段/正常裝藥段/加強裝藥段對應(yīng)的徑向不耦合系數(shù)。

為盡可能確保各個炮孔內(nèi)的炸藥同時起爆，孔外也采用導(dǎo)爆索將炮孔間炸藥連接。為減小主爆區(qū)對預(yù)裂效果的影響，主爆區(qū)與預(yù)裂孔之間設(shè)置一排緩沖孔，采用逐孔起爆方式。主爆孔與緩沖孔采用孔間7 m長，17或25 ms地表導(dǎo)爆管雷管；排間7 m長，42或67 ms地表導(dǎo)爆管雷管；孔內(nèi)采用15 m長、400 ms延期雷管。按照上述方案在吉勞金礦南部邊幫1915平臺進行預(yù)裂爆破試驗。

4 試驗結(jié)果及分析

從爆破效果圖4以及爆破效果統(tǒng)計表4可以看出，本次試驗半壁孔率高于80%，且不平整度小于15 cm，說明此次預(yù)裂爆破效果良好。與該礦山以往預(yù)裂爆破相比，預(yù)裂面平整度、半壁孔保存率均有較大提升。再與該礦山未進行預(yù)裂爆破的邊坡相比，其對邊坡的保護作用非常明顯，說明此次試驗不耦合系數(shù)控制合理，小直徑藥卷分段空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)適用于塔吉克斯坦吉勞露天礦特殊軟巖地質(zhì)環(huán)境，能很好地起到穩(wěn)定邊坡的作用。

圖4 1915平臺預(yù)裂爆破爆后效果圖Fig.4 The effect of pre-split blasting on the 1915 platform after blasting

表4 爆破效果統(tǒng)計表

5 結(jié)論

針對塔吉克斯坦吉勞金礦地質(zhì)條件復(fù)雜，節(jié)理裂隙發(fā)育的情況，采用分段空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)進行預(yù)裂爆破試驗，試驗效果良好，半壁孔率高于80%，不平整度小于15 cm，邊坡超挖欠挖現(xiàn)象明顯改善，大大降低了邊坡滑坡的數(shù)量和范圍，對節(jié)省邊坡維護費用，提高礦山服務(wù)年限具有重要意義。