導向孔誘導成縫在露天礦靠幫爆破中的應用

閆永富，王文才，趙永崗

(1.內蒙古科技大學礦業與煤炭學院，內蒙古 包頭 014010；2.包鋼鋼聯股份有限公司，內蒙古 包頭 014010；3.包鋼集團公司白云鐵礦，內蒙古 包頭 014010)

露天礦靠幫控制爆破是露天礦形成最終邊坡形態的關鍵工作，靠幫工作質量的好壞直接影響到后期邊坡的穩定性。目前國內露天礦山為了提高邊坡的服務期限一般是采用預裂控制爆破，并且這類型的控制爆破技術也取得了較好的實際效果。但是由于露天礦開采受多因素影響，有些靠幫區域受地質因素或人為因素的影響，導致靠幫爆破施工組織預留的作業空間不具備采用預裂控制爆破。而且常規的臺階爆破由于炸藥量較大，爆破能量的控制難度較大，所以不能保證最終形成邊坡的完整性。因此需要一種既可以調控爆破能量釋放，又可以誘導爆破裂縫發展方向的爆破技術來解決這種爆破問題。

在解決調控爆破能量釋放的技術中，間隔裝藥是一種通過改變裝藥量和裝藥位置實現炸藥能量釋放控制的技術。劉占全等[1]成功地將間隔裝藥控制爆破技術應用到了24 m高臺階爆破中，并且指出進一步的研究可以在靠幫爆破中使用該技術。尤元元等[2]也在靠幫爆破中使用了氣體間隔技術，并且證明氣體間隔技術可以在減少裝藥量的同時控制爆破能量釋放，改善爆破效果。馬瑞成等[3]通過研究不同巖性炮孔爆破，得出間隔裝藥技術可以更加合理的將炸藥能量進行分布，按照巖體被破碎的實際能量所需進行調配，可以改善爆破質量。

在解決爆破裂縫發展方向控制方面，導向孔爆破具有良好的應用效果。導向孔爆破技術是一項對常規爆破技術進行優化的特殊爆破技術，該爆破技術利用一些具有引導爆破能量和裂縫傳導方向的導向炮孔，在主爆孔發生爆炸時，引導爆破能量按照預先設計的爆破能量傳導方向進行做功的技術。陳勇等[4]通過研究發現使用導向孔對巷道進行切頂卸壓淺孔爆破時，導向孔可以增加自由面，產生應力集中和裂縫導向，增加裂縫區范圍，提高裂縫貫通率。魏炯等[5]通過研究導向孔對兩爆破孔間成縫過程影響也獲得導向孔具有幫助裂紋的擴展或貫通的優點[6-7]。

通文獻[1-3]的研究，證明可以通過間隔裝藥來實現調控炸藥能量釋放的目的。通過文獻[4-5]的研究，證明導向孔可以實現控制爆破裂縫發展的目的。靠幫控制爆破對炸藥能量釋放要求嚴格，對裂縫貫通位置要求精度高，因此將間隔裝藥技術與導向孔技術聯合使用可以實現一些空間不具備預裂控制爆破區域的控制靠幫爆破，但是具體的技術融合以及工程驗證還需要進行研究。筆者以白云鄂博西礦二次境界優化過程中出現的場地空間不適用常規預裂靠幫爆破的工程為基礎，對導向孔誘導成縫靠幫控制爆破技術進行研究和應用。

1 工程概況

白云鄂博西礦位于內蒙古西北部白云鄂博礦區西部，是一座多金屬露天礦山。該礦山建礦初期為山坡露天礦，后經采剝延深目前已經形成了一座深度超過180 m的深凹露天礦。由于白云鄂博西礦的成因比較復雜，且后期受到多次地質構造影響，導致邊坡巖體巖性賦存繁雜，地質構造復雜。受到生產組織以及區域巖性的影響，有時只能為靠幫區域留下狹窄的作業區域，這些區域無法使用常規的預裂靠幫爆破進行最終的控制靠幫爆破，這會對下一步的生產組織以及采場邊坡安全造成嚴重的影響。

采場在局部進行境界優化工程中的二次靠幫時，在采場北幫1620水平處遺留下一處長約60 m，寬3～5 m，臺階高度在12 m的待靠幫作業區域。該區域巖性頂部為黃土0.8 m；上部為強風化變質白云巖5 m；下部為中度風化變質白云巖6.2 m。臺階整體巖性上部松軟，下部偏軟。借鑒類似巖性區域采用常規預裂靠幫爆破時，無論如何調整預裂爆破參數都無法克服最終坡面出現大面積掛幫巖體的情況，本區域設計采用一種新式的控制爆破靠幫技術進行靠幫作業，類似區域和本區域現場效果對比如圖1所示。

圖1 現場效果對比Fig.1 Comparison of field conditions

2 導向孔誘導控制爆破技術

導向孔誘導控制爆破技術包括兩個關鍵技術，一個是間隔裝藥調控爆破能量釋放技術，另一個是導向孔的誘導爆破裂縫發展技術，將兩種技術有效地進行優化整合是導向孔誘導控制爆破技術的關鍵。導向孔誘導爆破的炮孔信息如表1所示。

表1 炮孔信息

導向孔與正常炮孔配合作用，對爆破作用進行誘導，拉裂貫穿形成裂縫。導向孔爆破作用過程如表2所示。

表2 導向孔爆破作用

3 爆破方案設計

白云鄂博西礦采場目前可供穿孔的作業設備種類型號較多，但是考慮到小孔徑的邊坡潛孔鉆具有穿孔精度高、穿孔角度可調范圍廣，且日常使用較多、作業人員操作熟練等優勢，所以選用120 mm孔徑的邊坡潛孔鉆進行導向孔誘導成縫爆破的穿孔工作。

3.1 爆破參數選取

1)炸藥單耗q。白云鄂博西礦在類似區域進行正常預裂靠幫爆破時的炸藥單耗一般在0.4～0.75 kg/m3，考慮到本次爆破需要的爆破能量要高于一般的預裂爆破，但是由于沒有預裂爆破的降振、減振保護，所以單耗選取以保守原則進行選取，選取炸藥單耗q=0.5 kg/m3。

2)孔距a。根據炮孔直徑d=120 mm，參照本礦山預裂爆破參數設置經驗及文獻中關于光面爆破的參數選取建議[8]：通常孔距a和孔徑d的關系為a=(9～20)d，巖石的阻抗和強度較大，且完整性較好，比值可選大些，反之則比值宜選小一些[2]。則孔距a的選取范圍為1.08～2.40 m，取a=2.4 m。由于導向孔是為了誘導控制正常孔的拉裂方向，所以位于2個正常孔之間，與正常孔的孔距為1.2 m，炮孔布置如圖2所示。

圖2 炮孔布置Fig.2 Layout of blasthole

3)炮孔長度L。炮孔長度L主要由段高H，炮孔傾角α，超深h共同決定：

L=(H+h)/sinα

(1)

由于段高H=12 m，炮孔傾角α=60°，超深h=1 m，所以計算可得L=15 m。

4)正常孔單孔裝藥量Q單

Q單=qaLW

(2)

式中：Q單為單孔裝藥量，kg；W為光面爆破最小抵抗線，m，本區域為3～5 m，其他參數同前。經計算正常孔單孔裝藥量在55～90 kg，具體以炮孔距離自由面的現場抵抗線進行裝藥計算。

5)導向孔單孔裝藥量。導向孔內炸藥主要任務是克服根底和制造準靜壓環境，劉麗梅等[9]通過對多孔粒狀銨油炸藥的爆炸反應研究，獲知露天多孔粒狀銨油炸藥的比容約為970 L/kg。導向孔的炮孔有效最大體積約為170 L，則20 kg的炸藥可以產生19 400 L的氣體，氣體體積與容器體積之比為114，足以造成準靜壓的環境。

6)起爆時間設置。爆生氣體對裂縫的作用需要數十毫秒[10-11]，因此為了保證導向孔內爆生氣體的充分膨脹，所以導向孔要先于正常孔10 ms以上起爆，為了保證靜壓環境的有效性，設計導向孔先于正常孔50 ms起爆。

3.2 裝藥結構設計

由于受本單位炸藥種類的影響，只能使用現場混裝乳化炸藥進行爆破，但是由于現場混裝乳化炸藥威力較大，單位體積炸藥比重較大，且無法進行不耦合裝藥，所以需對裝藥結構進行優化。優化的目的在于合理分配及控制裝藥的爆炸能，降低炸藥對后側巖體的損壞程度，并且配合導向孔在設計線上形成平整的塌落面。理論上間隔裝藥的裝藥設計為底部為高猛度高威力炸藥，中部間隔，中上部低威力炸藥，頂部惰性填塞。但是考慮到本單位沒有高威力炸藥以及低威力炸藥，所以考慮正常孔的炮孔內炸藥威力主要是通過利用空氣間隔器來改變藥柱高度從而控制炸藥的爆炸威力。導向孔裝藥的作用是為了克服根底和產生大量的爆生氣體，所以導向孔采用空氣柱進行間隔，裝藥結構如圖3所示。

圖3 裝藥結構Fig.3 Charge structure

3.3 爆破網路設計

由于孔內炸藥采用分段間隔裝藥，如果采用常規的起爆方式：雷管引爆起爆具，起爆具引爆炸藥的起爆順序進行爆破，想要孔內全段同時起爆則需要在每段炸藥內放置一套起爆具和雷管，該種引爆方式現場施工工序較繁瑣，且施工難度較大，存在較大的安全隱患。 因此本次采用導爆索全孔同時起爆的方式進行炸藥引爆設計，炮孔內使用雙股導爆索，導爆索在裝藥高度進行纏繞并且綁扎小石塊，之后下放到孔內，孔口雙股導爆索綁扎好后用石塊壓牢固，之后再進行炸藥分段裝填與間隔和填塞。綁扎小石塊的主要目的是起配重的作用，另外在小石塊上纏繞多圈導爆索也可以加強導爆索的爆能提高引爆炸藥的可靠度。由于本區域爆破只有一排孔，且爆區長度較小，總炸藥量為2 550 kg，單次起爆藥量并不是很大。且對導爆索進行分段延時設置時，安全性比較差，很難保證短延時炮孔發生爆炸時不把長延時炮孔起爆網路破壞。因此綜合考慮，本次起爆網路采用地表導爆索同時起爆設計，炮孔不設置延時間隔。

該種全段起爆具有爆轟波相互干擾小，爆生氣體產生集中，爆生氣體充分作用于空氣間隔柱，降低了爆炸能量對孔壁的損傷。同時爆轟氣體與爆轟波作用于孔壁，在導向孔連接處形成拉裂破壞區域，并迅速拉裂形成貫通裂隙。其他爆破能量沿著抵抗線較小的臺階臨空面推動巖體向自由面方向拋擲，在此過程中對前方巖體造成破碎。

4 結果分析

按照以上爆破設計實施爆破之后，爆堆上可見清晰的半壁孔巖塊，部分邊坡坡面能見到殘缺的半壁孔。分析原因是由于該區域巖性較軟，其次使用了耦合裝藥，所以難以形成完整的半壁孔，只能看到局部半壁孔。

通過觀測半壁孔的位置發現，半壁孔出現明顯痕跡的位置為導向孔中空氣間隔所在位置高度。分析原因是由于爆破時，空氣柱對爆破能起到了調控緩釋放和引導爆破拉裂方向的作用，致使巖石按照導向孔的方向被拉裂，爆破后現場揭露半壁孔情況如圖4所示。

圖4 爆破后現場揭露半壁孔情況Fig.4 Condition of half wall hole after blasting

經過采掘之后，該區域邊坡揭露后發現成型邊坡坡面平整度和坡度較好，雖然半壁孔率低，但是經過采掘后最終邊坡外形整體上符合設計坡面要求，采掘后現場邊坡情況如圖5所示。

圖5 采掘后現場邊坡情況Fig.5 Condition of the slope after excavation

5 結語

1)導向孔配合使用空氣柱間隔裝藥可以實現誘導控制拉裂爆破，可以有效地誘導爆破塌落以及裂縫的發展方向。

2)空氣柱間隔可以有效地均衡炸藥爆破能量，尤其是導向孔內的大段空氣柱可以很好地創造爆轟準靜壓環境。

3)在作業空間不允許預裂爆破或者光面爆破時，可以采取導向孔誘導爆破技術彌補不耦合裝藥的不足，從而進行邊幫靠幫作業。

4)對導向孔誘導爆破中炸藥能量分配的進一步研究可以使得導向孔誘導爆破在控制、成型爆破中發揮更加重要的作用。