裂隙巖體爆破技術在露天礦山的應用研究

趙飛

（保利新聯爆破工程集團有限公司，貴州貴陽 550002）

0 引言

巖體中常常含有溶洞、節理、裂隙等天然薄弱結構面，節理裂隙發育使巖體具有非連續性和各向異性，爆破施工中爆轟氣體容易快速泄漏，爆破后常常出現大塊、根底、門坎等現象，影響整體爆破效果，導致爆破成本增加[1]。如何保證在現場混裝炸藥的條件下實現裂隙巖體最優爆破效果，需要首先解決裂隙巖體的可爆性分析方法、合理的爆破工藝與參數以及爆破振動效應預防與控制等關鍵技術問題。

然而，裂隙巖體中深孔爆破設計主要依據經驗以及半理論半經驗方法，理論研究遠遠滯后于工程實踐的需要，在現場混裝炸藥等爆破新工藝的背景下，為實現溶洞、節理、裂隙發育地質條件下爆破施工安全、高效、有序進行，迫切需要突破或完善傳統的爆破理論，研發新技術，以滿足新工藝、復雜地質條件對爆破技術的要求。

1 裂隙巖體構造分析

別斯庫都克露天煤礦位于新疆哈密地區巴里坤縣，設計生產能力300萬t/a。礦區地貌形態為殘丘狀剝蝕平原，海拔1269～1339m，東西比高70m。礦區因采煤造成的礦坑涌水量為1524m3/d（灌溉季）、1076m3/d（非灌溉季），年產生量為55.63萬m3/a，涌水量較大，地下有暗河存在。

礦田主體構造為北陡南緩的短軸向斜，向斜軸向312°~132°，北西、南東兩端翹起，中部Ⅱ線下褶。在礦田北緣有一條區域性斷裂構造，裂隙比較發育，該斷層為一條逆斷層，斷層走向128°，傾向北東，斷距和傾角不明。

溶洞、節理、裂隙等薄弱結構面會對爆破作業產生以下影響：

（1）容易造成鉆桿卡釬，降低鉆孔效率。

（2）導致炮孔的最小抵抗線發生變化，爆炸應力波先從最薄弱處反射拉伸破壞，弱化臺階自由面的破壞作用，大塊增多，同時底盤抵抗線處形成根底。若裂隙與自由面距離較近或裂隙與自由面貫通，破碎巖塊容易從裂隙處拋出形成爆破飛散物，增加安全隱患。

（3）裂隙穿過炮孔，會增加裝藥難度，同時造成炸藥浪費；爆破時爆生氣體發生泄漏，造成泄能作用，大大降低炸藥的能量利用率和巖石破碎程度。

2 臺階爆破方案及參數

主爆區周圍的環境較好，爆破方案主要采用深孔臺階微差爆破破碎巖石、松碎煤層，連續耦合裝藥。同時采取以下幾種方法控制爆破震動和爆破飛石：①前排炮孔在不影響破碎塊度的前提下，增加抵抗線長度，減少爆破飛石；②嚴格控制孔深、單孔藥量；③采用微差爆破法，進行逐孔起爆，嚴格控制一次起爆總藥量。

深孔臺階爆破主要參數如下：

（1）臺階高度H=12m，采用大孔徑潛孔鉆機穿孔，孔徑為150mm，采用梅花形布孔；

（2）底盤抵抗線W=4.8m，炮孔深度L=13.0m，孔距a=7m，排距b=3m；

（3）根據現場巖石節理裂隙發育及風化程度，炸藥單耗取0.55kg/m3，單孔裝藥量Q=140kg，采用耦合連續裝藥結構；

（4）起爆網路采用數碼電子雷管微差起爆，孔間延時時間為50ms、排間延時時間為110ms；

（5）爆破安全警戒范圍為200m。

實際施工當中，可根據巖石的硬度、節理裂隙發育情況等條件適當調整炮孔的孔距、排距[2]。當巖石硬度系數比較小、風化程度高時，孔排距參數值可適當增大；當巖石硬度系數較大時，即巖石完整性較好，未經風化或微風化，孔排距參數值可適當減小。

3 裂隙巖體爆破技術措施

針對別礦裂隙巖體的性質和特征，通過理論分析、試驗研究與工程應用相結合的綜合手段，對現場混裝炸藥的性能、裂隙巖體混裝炸藥爆破關鍵技術以及爆破振動災害的防控技術進行了系統的應用研究，取得了良好的效果。采用的裂隙巖體爆破技術措施主要如下：

3.1 改善混裝炸藥爆炸破巖效果

現場混裝銨油炸藥爆炸性能隨成分配比、裝藥直徑、裝藥密度、存放時間等指標的變化而改變，掌握保證炸藥最佳爆炸性能下銨油炸藥的配比、裝藥密度、存放時間和不同巖性條件下現場混裝乳化炸藥最優配比，從而有效提高炸藥的利用率，降低了炸藥消耗量。

3.2 采用裂隙巖體可爆性檢測分析方法

綜合裂隙巖體密度、縱波波速、巖體堅固性系數、炸藥單耗和巖體結構面平均間距等裂隙巖體可爆性分級評判指標[3]，建立裂隙巖體可爆性分級系統。在巖體完整性描述中，引入巖體結構面平均間距指標，彌補了采用巖體縱波波速單一指標來反映巖體完整性的不足。從而提高可爆性分級系統的可靠性，為爆破設計與施工提供有力的支撐，提高了炮孔利用率和爆破施工的安全性。

3.3 建立現場混裝炸藥與巖石破壞效果的隨機優化匹配系統

基于炸藥與巖石匹配的基本原理，建立基于模糊理論和神經網絡的炸藥與巖石破壞效果隨機優化匹配系統。該系統將現場地質調查和聲波測試等手段實時獲取的巖石性質系數、預期塊度分布、預期爆堆尺寸、爆破安全指標等作為輸入參數，即可自動計算所需炸藥性能參數，并根據性能參數自動選擇已有成品炸藥型號或不同性能的混裝炸藥，提高炸藥利用率，改善爆破效果，提高鏟裝效率，降低爆破振動等有害效應。

3.4 采用裂隙巖體毫秒延時爆破與空氣間隔裝藥的關鍵參數確定方法

提出基于爆堆塊度分布合理的裂隙巖體逐孔爆破最佳毫秒延時間隔時間的確定方法[4]；通過現場試驗及數值模擬，揭示了裂隙巖體空氣間隔裝藥爆破中不同空氣柱位置、不同空氣柱比例對爆破效果的影響機理；提出了裂隙巖體空氣間隔裝藥爆破中最佳空氣柱位置和空氣柱比例[5]。通過確定的逐孔爆破最佳延期時間，可獲得合理的爆堆塊度分布，提高了后續生產效率；根據裂隙巖體空氣間隔裝藥研究成果，對于節理裂隙巖體，不宜采用孔底空氣間隔裝藥爆破，在藥包上部和中部采用10%~20%的空氣間隔比例進行空氣間隔裝藥爆破，可明顯改善爆破效果，降低爆破振動和爆破成本。

3.5 采用裂隙巖體混裝炸藥爆破振動主動控制技術

基于自適應最優核理論，尋找段藥量、爆心距、毫秒延時間隔時間、段數、孔底空氣間隔裝藥比例對爆破地震波頻帶能量及頻帶能量持續時間的影響規律，提出不同爆心距下降振的最佳毫秒延時間隔時間及最佳空氣層比例的確定方法[6]。提出的爆破振動主動控制技術，較傳統的降振方法降振效果更為明顯。

4 爆破效果評價

通過采取一系列技術措施，爆破有害效應得到有效控制，爆破效果明顯改善，具體如下：

（1）炸藥與巖石波阻抗相匹配，炸藥單耗降低0.03~0.05kg/m3，炸藥能量利用率提高約5%，巖石整體破碎效果更好。

（2）優化起爆網路后，有效降低了爆破振動；爆堆呈堆積狀，局部有隆起現象，爆堆集中便于采裝；同時沿側向自由面巖塊拋出距離明顯減小，爆破飛石隱患降低。

（3）采用空氣間隔裝藥，明顯改善了裂隙等薄弱結構面處局部的巖石破碎效果，巖石大塊率降低了約5%，降低了破碎成本，提高了采裝效率，如圖1~圖2所示。

圖1 裂隙巖體爆破前形態

圖2 裂隙巖體爆破后效果

5 結論

節理裂隙等薄弱結構面破壞了巖體結構的均勻性，增加了爆破施工的難度。別斯庫都克露天煤礦開采中，通過詳細分析巖體性質、節理裂隙走向、大小等結構面狀況，匹配適用的炸藥品種，采用合理的裝藥結構，優化起爆網路和設計方案，有效解決了裂隙巖體爆破難度大、巖石大塊率高的技術難題。所采取的爆破技術措施安全有效，顯著降低了爆破有害效應，改善了爆破效果，提高了開采作業效率，取得了顯著的安全和經濟效益，值得在露天礦開采中廣泛推廣應用。