研山鐵礦階梯孔邊坡控制爆破參數研究

劉小偉 刁鵬飛 周 蒙 劉亞堃

（1.河北鋼鐵集團礦業有限公司；2.河北鋼鐵集團灤縣司家營鐵礦有限公司；3.河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司）

強風化邊坡開挖時，預裂爆破很難形成預裂縫，達到保護邊坡控制爆破效果，因而誕生出一種利用爆區炮孔深度階梯遞減形式，通過控制爆破參數和單孔裝藥量，爆后形成較穩定邊坡的階梯孔邊坡控制爆破［1］。本研究在考慮采場邊坡巖石三向混合應力狀態的基礎上，通過理論計算爆破載荷作用下巖石破壞產生的壓碎圈與裂隙圈［2-3］半徑，結合現場爆破實際情況，通過爆破裝藥半徑確定藥包與邊坡的距離，從而實現階段孔邊坡控制爆破孔徑參數與藥包與邊坡距離的選定，再通過上述2個重要爆破參數確定其他參數，以保證良好的爆破效果。

1 階梯孔邊坡控制爆破工藝

階梯孔邊坡控制爆破是通過階梯式的炮孔深度，利用炸藥爆炸產生的壓碎圈Rc、裂隙圈Rd原理，沿設計邊坡輪廓線爆破形成較為完整的邊坡，其工藝重點就是合理選擇爆破參數，使爆破裂隙圈半徑無限接近于孔底炸藥包至坡面的垂直距離，即Rd≈R，階梯孔邊坡控制爆破工藝見圖1。

爆破裂隙圈半徑Rd與炮孔半徑r、巖石物理力學性質和炸藥性能直接相關，因為巖石物理力學性質和炸藥性能存在相對固定性，所以在爆破參數選定時，炮孔直徑D以及藥包距離邊坡的距離是階梯孔邊坡控制爆破關鍵技術參數，選擇的主要依據為爆破載荷作用下巖石破壞的范圍。

2 爆破載荷作用下巖石破壞范圍

2.1 爆破載荷作用下巖體破壞準則

炸藥在巖體爆炸的過程中，由于爆炸應力和爆生氣體的聯合作用，在巖石中以炮孔中心，由近及遠依次為壓碎區（粉碎區）、裂隙區和彈性振動區的破壞分區［3］。

炸藥爆炸時產生的透射沖擊波，在爆炸巖體中由近及遠不停傳播而不斷衰減，巖體中任意一點的徑向應力σr與透射到巖石中的沖擊波初始壓力P、對比距離r0以及載荷傳播衰減指數α存在式（1）關系；巖體中同點的切向應力σθ和軸向應力σz可通過切向應力系數b與巖石動態泊松比μd與徑向應力σr形成式（2）、式（3）關系。

式中，r0為r/r b；rb為計算點到裝藥中心點的距離，m；r為炮孔半徑，m；，正號對應沖擊波區，負號對應應力波區。

實踐表明，巖石抗壓而不抗拉，其抗壓強度遠大于抗拉強度，工程爆破中，巖石爆破中的巖體受壓拉混合三向應力狀態作用，巖體受壓形成壓碎區，巖體受拉力破壞形成裂隙區，巖石任意一點應力強度σi可表示為

將式（1）、式（2）、式（3）代入式（4），得到

依據Miss準則［4］，如果巖石任意一點應力強度σi達到巖石單軸受力破壞強度σ0時，即式（6）、式（7）所示狀態，則巖石發生動態受壓拉破壞。

巖體的動態抗壓強度σc和抗拉強度σt決定了巖體破壞壓碎圈和裂隙圈的形成狀態，同時，爆破工程中常見巖石的動態抗壓強度σcd與加載應變率成正比，可近似用式（8）表示兩者關系。

2.2 壓碎圈與裂隙區范圍計算

巖石中炸藥爆炸后，爆炸對炮孔四周造成沖擊形成爆轟壓力P0，從而轉化為透射入巖石的沖擊波初始壓力P，兩者之間受到炸藥密度ρ0、巖體密度ρ、炸藥爆速D v以及巖石中聲速CP的影響［4］，有式（9）、（10），其中爆轟產物的膨脹絕熱指數γ，一般等于3。

炸藥在巖體中爆炸后，沖擊波在炮孔周圍的巖石形成壓碎區，壓碎區半徑Rc為

在壓碎圈之外應力波繼續傳播破壞巖體，形成裂隙圈，裂隙圈半徑RP受到巖石的應力波載荷傳播衰減指數、巖石的動態抗壓強度σc和動態抗拉強度σt以及兩區域間的徑向應力σR影響。

2.3 研山鐵礦爆區破壞范圍計算

研山鐵礦使用的是現場混裝銨油炸藥和乳化炸藥，以現場混裝銨油炸藥為例，炸藥密度ρ0=850kg/m3，爆速D v=4 200m/s，根據不同巖石的性能參數，由式（12）計算求得差異巖石中形成的壓碎圈和裂隙圈的半徑，如表1所示。

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根據哈努卡耶夫和戴俊的研究，埋入巖石中的炸藥爆炸，計算得出，壓碎圈半徑是裝藥半徑的2～3倍，裂隙圈半徑是裝藥半徑的10～15倍，這種情況與實際基本相符。

3 工程試驗

3.1 爆破參數選定

選取有代表性的黑云變粒巖邊坡巖體試驗區域，目前研山鐵礦主要鉆機型號包括φ310 mm、φ250 mm牙輪鉆機，φ165 mm、φ150 mm、φ120 mm潛孔鉆機，根據表2內黑云變粒巖數值計算各孔徑鉆機計算出的炮孔藥包至邊坡的垂直距離R，具體見表2。

根據現場實踐，為達到邊坡控制爆破的目的，應選用鉆孔直徑相對較小的炮孔，可以有效控制爆破振動，同時更加易于控制爆破裂隙圈半徑Rd，因此，試驗選用孔徑較小的120 mm潛孔鉆機。

為了增加試驗對比性，將預裂孔控制爆破與階梯孔控制爆破使用同類的爆材、炸藥和爆破工藝，且同水平相近總藥量間隔實施，通過爆破振動數據監測和現場開挖效果進行對比試驗。

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3.2 爆破試驗數據

爆破振動數據使用Blast-UM型爆破振動監測儀采集，通過處理軟件的到X、Y、Z3個方向的原始波形圖，將波形圖進行高通濾波可以得到真實的爆破振動三維波形［5］，如圖2所示。

因為監測爆區位置是不斷變化的，所以其水平切向和水平徑向的監測值是不準確的，因此，在進行爆破振動速度監測時，需采用矢量合速度，即將X、Y、Z3個方向上的波形進行矢量合成得到質點合速度，如圖3所示。

通過多次對比爆破試驗監測數據如表3所示。

注：A為預裂孔控制爆破，B為階梯孔控制爆破。

3.3 爆破試驗效果

通過試驗數據及現場開挖情況分析，采用階梯孔邊坡控制爆破時，利用爆破壓碎圈和裂隙圈機理，計算選定的爆破孔徑和藥包至邊坡的距離，符合邊坡保護開挖的要求。同時由于后排孔裝藥少，可有效減少爆破后沖振動［6-7］，其產生的爆破振動與預裂孔邊坡控制爆破的振動無明顯差異，也能夠實現對固定邊坡起到保護作用。

4 應用總結

階梯孔邊坡控制爆破技術在降低了爆破施工難度、提高爆破效率的同時，有效的保障了邊坡控制效果，在研山鐵礦強風化邊坡工程中已經取得了初步成果。本文通過爆破載荷作用下巖體破壞準則，量化計算出階梯孔邊坡控制爆破的關鍵爆破參數，給后續研究提供了理論支持。但由于在礦山生產實際當中地質結構變化較大，本次量化計算中未考慮其對其他爆破參數的影響，所以針對此方面還需展開進一步的試驗研究和探討，以取得更好的效果。