非均質巖體露天礦減振降速爆破技術方案探討

馬修利，李永剛，馬修勝

[新疆祥瑞安全生產技術服務中心（有限公司），新疆 烏魯木齊 830002]

木壘凱源露天煤礦位于新疆昌吉州奇臺縣以東110 km，礦區地形北高南低，隨著首采區開采結束，二采區作為接續采區，開采規模已形成。該礦臺階高度為8～10 m，主采煤層東西走向，由北向南傾斜，煤層傾角6°～11°，采用沿煤層走向縱向拉溝形成采掘工作面，沿煤層傾斜方向臺階推進，實行分區縱采的開采方式。

1 爆破技術問題

根據現場感振和對地面建筑物質量的勘驗分析，在距離炮區104 m和81 m處的地面汽修間和工程機械保修間，露天爆破作業振動明顯，地面建筑物墻體出現裂縫，建筑物存在較大的安全隱患。

（1）現場采用的耦合連續集中裝藥類似球形藥包，爆破作用集中在炮孔底部，振波衰減，不受地表變化和淺層節理、裂隙的影響，位于同水平的爆破振動較大[1]。

（2）單位起爆藥量和炮孔裝藥密度偏大，使起爆能過于集中作用。炮孔鄰近系數偏小，使孔間裂隙優先形成造成的爆破能量較早泄逸，未充分利用爆破能量，進而影響爆破效果。

2 巖性條件與爆破作用影響

（1）礦區干旱、少雨、多風，巖體節理、裂隙較發育、呈非均質，縱波在其內部傳播過程中，較均質巖體吸收的振波能量和質點振動速度大，傳播速度慢，特征周期長，容易衰減而迅速變弱[2-3]。因此，揭露的非均質巖體抵抗振波的破壞能力差，在近距離爆破作用下，爆破振動會對巖體質點上方地面房屋造成破壞[4-5]。

（2）露天礦深孔爆破來自入射于巖體的沖擊波和爆炸物散射而成的壓縮應力波及爆生氣體對巖體的破碎作用。由于壓縮應力波峰值隨著裝藥表面到炮孔壁距離的增大而急劇下降，對于非均質巖體爆破，采用小包裝不耦合裝藥，其動應力場是軸對稱的，可使應力波相互疊加，爆破能量在巖體中均勻分配，可減輕應力波對巖壁的破碎作用[6-7]。

（3）反射波的強度與弱面和巖體的波阻抗差值有關，選用波阻抗值和基巖相近的膨化硝銨炸藥為工業炸藥，加強爆生氣體對巖石的破碎作用；選用非電導爆管起爆網絡，降低起爆材料傳爆速度；減少一次起爆孔數和單位起爆藥量，延長毫秒微差起爆時間，使爆破振動減弱。

3 爆破技術方案

3.1 爆破參數

根據對爆破施工方案、爆破區位環境和非均質巖體爆破振動危害的評估分析，設計改用直徑120 mm、質量5 kg的小藥包不耦合分段或連續集中裝藥，不耦合系數為1.25，藥包裝藥密度為950.00 kg/m3，上段藥柱藥量為炮孔藥量的40%，下段藥柱為60%，炸藥單耗為0.36 kg/m3，按不同的炮孔深度和爆破參數計算炮孔裝藥量，炮孔鄰近系數在1.25～1.59選取，以縮小應力降低區和無拉應力區的作用范圍。

3.2 爆破技術要求

（1）爆破形成的大塊必須符合該礦采用的4.0 m3液壓反鏟的采裝要求，即大塊尺寸小于1.2 m3，爆堆伸出不超過3～4 m，爆堆沉降小于1～2 m。

（2）對于10 m爆破臺階，設計要求至少有一個側向自由面和正向自由面，多排孔鑿巖爆破，平行正向自由面方向每排不少于6個炮孔。

（3）由于節理、裂隙的作用，巖體從強度最低的弱面裂開，導爆管雷管由于爆后應力的持續及雷管延時間隔參差不齊，每段間隔時間都確定為25 ms。

4 破巖機理

（1）爆破距離一定時，炸藥在爆轟中釋放出來的部分能量轉換成彈性波所引起的地表淺層振動，由于起爆藥量的減少而相對減弱。與此同時，在保持分段藥量不增加的同時，增加段數；也可在不加大爆破振動強度的同時，增加爆破量，實測爆破最大振速均未超過2 cm/s的要求值。

（2）非均質巖體毫秒間隔時間應長于彈性振動延續時間，短于或等于巖石開始移動時間。適宜的毫秒間隔時間使得后組藥包在前組藥包爆破后，巖石開始形成裂縫，但在尚未拋出時爆炸最為合適，間隔時間過短，變成瞬發爆破，無法使前、后起爆的深孔產生的振波相互干擾而加重振害。

（3）采用不耦合裝藥結構，使炮孔沿藥卷周邊留環狀間隙，沿炮孔軸向留有裝藥間隔，降低炮孔壁上沖擊波所帶來的尖峰壓力，使炮孔在長度方向上的藥量分布更加均勻，進而降低爆破振動強度，縮短爆破彈性振動時間。

（4）擴大爆破自由面，改變和擴散其縱波的傳播方向，使能量在四周分散作用。反之，爆破自由面減少，后爆孔則因自由面較少而受到較大的夾制作用，使爆炸應力波相互疊加，使得應力提高而加重振害。

5 爆破網絡設計

采用非電導爆管逐孔毫秒微差起爆網絡，起爆點位于臺階坡頂側向自由面處，爆轟平行于正向自由面方向傳爆，避免爆破作用集中在正向自由面有地面臨時建筑的主要方向上。

（1）104 m起爆炮區，單位起爆藥量360 kg，鉆鑿5排孔，V型炮孔連接的同段位5個炮孔為1個起爆單元，分段起爆單元之間75 ms微差間隔起爆，孔內采用17段導爆管雷管延遲起爆（見圖1），不耦合分段裝藥，上下藥柱之間有2 m填塞間隔。

圖1 V型炮孔連接線毫秒微差爆破網絡

（2）81 m起爆炮區，單位起爆藥量144 kg，鉆鑿4排孔，小斜線連接的同段位2個炮孔為1個起爆單元，小斜線分段起爆單元之間采用25 ms微差時間間隔，2個起爆單元之間50 ms微差間隔起爆。

孔內采用15段導爆管雷管延遲起爆（見圖2）。

圖2 小斜線起爆單元毫秒微差爆破網絡

6 結語

露天礦近距離爆破，地面振動持續時間較短，通常在0.1～1.5 s，振動頻率高，衰減很快，可看成是脈動或瞬時振動。在炮區爆破影響范圍內，爆破距離和裝藥量對振動值的大小起著明顯的控制作用。由于爆破振動是一種外加載荷，炮區巖石的堅固性、完整性會對爆破振動產生不同的影響。根據爆破作業條件，炮區距離地面建筑越近，一次起爆孔數越多，一次單位起爆藥量越多，分段單位藥量毫秒微差間隔時間越短，爆破振動越大。

設計采用非電導爆管加“四通”的炮孔多種連接組合方法，以爆破網絡優化設計為研究重點，以實現分段單位藥量毫秒微差間隔起爆為研究內容，選用低爆力的膨化硝銨炸藥不耦合分段或連續集中裝藥，確定合理的毫秒微差間隔時間，有效分散爆破能量，降低爆破振動強度，削弱振波對地面建筑物的破壞，可避免爆破作用集中在有地面建筑物的方向上，達到降振減速的目的。