高臺階預裂爆破技術在山達克南礦體擴幫工程中的應用

袁 康

（中冶集團資源開發有限公司）

山達克露天銅金礦建于上世紀90年代，其南礦體是具有500萬t/a采礦能力的大型露天礦山，經過多年的開采，已于2018年2月閉坑，但露天境界下部邊幫和底部還殘留部分礦體，為回收該礦體實施擴幫工程。常規的露天礦山擴幫都是從上至下整體擴幫，保持最終邊坡角不變，而山達克露天銅金礦南礦體擴幫是在已形成最終邊幫中下部通過削減安全平臺寬度、加陡下部邊坡角的延深工程。由于最終邊坡已經并段，無法按照12 m生產臺階進行擴幫鉆爆作業，只能利用現有安全平臺采取高臺階預裂爆破。查閱國內外文獻，目前高臺階預裂爆破技術還不夠成熟，特別是大范圍24 m高臺階預裂爆破，在礦山行業和水電行業極其少見。為實現擴幫后高陡邊坡的穩定，經理論計算，進行爆破設計和參數優化，最終確定了合理的高臺階預裂爆破參數［1］。

1 南礦體邊坡現狀

南礦體露天坑已形成348 m（高程974～626 m）高的最終邊幫，并段高度為24 m，安全平臺寬10 m，最終邊坡角為45°（758 m標高以上）和42°（758 m標高以下），坡面角為67°，擴幫區域為734～578 m，最終邊坡角為47°～54°，整體最終邊坡角為45°～49°。根據現場調查，擴幫區域邊坡巖石以粉砂巖和閃長斑巖為主，巖石硬度屬于中硬～較硬型，f=8～14，巖體節理非常發育，采用SIROVISION三維數字攝影測量和巖體結構分析，粉砂巖主要分布2組優勢節理組：第一組為86°∠83°、第二組為159°∠63°，節理長度為1～5 m，節理間距在0.1～0.8 m，體積節理密度為19.39條/m3，RQD值為51%。閃長斑巖主要分布3組優勢節理組：第一組為63°∠82°、第二組為264°∠10°、第三組84°∠2°，節理長度為2～10 m，節理間距在0.1～1 m。體積節理密度為17.88條/m3，RQD值約為56%［1-3］。巖石物理力學參數見表1。

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2 高臺階預裂爆破相關參數理論計算

在高臺階預裂爆破中，主要參數是不耦合系數、炮孔間距，為使預裂爆破獲得理想的效果，還應考慮線裝藥密度、炸藥性能、孔間分組延時、地質構造等因素。

2.1 不耦合系數

在不耦合裝藥條件下，預裂爆破在孔壁上產生的沖擊壓力Pr［2］為

令Pr≤8KRt，求得裝藥不藕合系數K d為

式中，db、dc分別為炮孔直徑和藥卷直徑，mm；ρ0、V分別為炸藥的密度和爆速，ρ0=1 g/cm3，V=3 200 m/s；n為爆炸氣體撞碰孔壁時壓力增大系數，n=8～11取10；K為在沖擊載荷下巖石抗壓強度增大系數，K=10～12取11；Rt為單軸抗拉強度，MPa。

將上述參數代入式（2），化簡得：

由此可知，高臺階預裂爆破不耦合系數Kd與巖石單軸抗拉強度Rt的-0.167次冪成正比。Rt與Kd關系曲線如圖1所示，計算得出閃長斑巖Kd=4.74，粉砂巖Kd=4.38。

2.2 炮孔間距

在沖擊壓縮條件下，初始裂隙長度R1為［2］

式中，r為炮孔半徑，mm；α為應力波衰減指數，α=β為系數；μ為巖石泊松比。

爆炸氣體準靜壓作用下裂隙擴張長度R2為

式中，KIC為巖石靜態斷裂韌性，kg/cm3/2；P0為爆炸氣體準靜壓

因此，預裂爆破最大炮孔間距E為對閃長斑巖對粉砂巖將ρ0=1 g/cm3，V=3 200 m/s，K=10～12，n=8～11，a=69 mm代入式（4）～（6）得出閃長斑巖E=1.23～1.9 m，粉砂巖E=1.45～2.26 m。

3 高臺階預裂爆破設計及優化

3.1 爆破參數選取

根據上述預裂爆破主要參數理論計算，結合現場經驗，選取爆破設計參數（表2、表3）。

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3.2 爆破區域地形復測

擴幫區域已形成高陡邊坡，傳統的全站儀無法對安全平臺邊沿和臨空面進行復測，采用Maptek IsiteXR3三維激光掃描儀對采坑全方位掃描，經系統自帶軟件進行數據處理，可得到礦坑三維模型。

3.3 三維爆破設計

采用3Dmine礦業軟件進行三維爆破設計，將三維激光掃描礦坑模型導入擴幫模型，進行對比分析，按照擴幫施工順序進行爆區設計，重點計算不同深度前排最小抵抗線、連續和間隔裝藥位置等，利用三維動態效果進行多角度、全方位審核和模擬，根據分析結果優化鉆孔三維設計參數。

3.4 爆破藥量控制

微震監測技術主要用于監測巖體變形和破壞過程，裂紋產生、擴展、摩擦時內部積聚的能量以應力波的形式釋放，產生微震事件［4］。礦山邊坡中微震事件的產生主要是由于爆破直接作用的結果，例如2019年10月份進行了8次爆破，爆后監測到微震事件65次，爆破時間、藥量、位置、震級及微震事件統計見表4。

從表3看出，爆破震級、振速、微震事件與單段起爆藥量密切相關，通過微震監測數據統計分析得出，單段起爆藥量越大，爆破震級和振速也相應增大，微震事件增多，單段起爆藥量超過500 kg時，震級大于1.2，爆后微震事件明顯增加；單段起爆藥量小于500kg時，震級小于1.2，爆后產生的微震事件較少，且微震活動呈低微震強度特征，能量積累與釋放尺度呈低能級狀態。因此擴幫爆破震級控制在1.2以下，單段起爆藥量小于500 kg，總藥量一般小于7 000 kg。

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3.5 鉆孔精度控制

超深孔施工難度大，容易出現鉆孔偏移，采用全站儀測量孔口坐標和方位導向線，采用電子坡度尺測量鉆孔傾角。施工中應及時糾偏，如圖2所示，應保持炮孔水平投影與方位導向線重合，為方便糾偏，可在方位導向線上安設三角架，懸掛鉛垂儀，使方位導向線、鉛垂線和鉆桿水平投影三線合一，處于同一個平面。

3.6 爆破效果評價

2018年4月實施擴幫工程以來，完成了施工難度最大的734～626 m全境界擴幫，高邊坡預裂爆破開挖后，通過長臂反鏟清坡，可獲得如圖3所示的預裂效果，經數字攝影測算，坡面平整度基本上都能達到±500 mm，半壁孔痕率［5］達到80%以上。

4 結論

（1）山達克南礦體邊坡巖石破碎，節理裂隙十分發育，在已形成的高陡邊坡上實施高臺階預裂爆破，施工難度極大，三維激光掃描、微地震監測、三維爆破設計等先進手段的應用，確保了高臺階預裂爆破的順利實施。

（2）理論和實踐表明，高臺階預裂爆破能獲得理想的效果，尤其是對露天礦擴幫開采或陡幫開采作業面狹窄、不具備分臺階預裂爆破的礦山有著重要的指導和實踐意義

（3）由于高臺階預裂爆破緊臨高邊坡作業，應做好安全防護和邊坡穩定性監測工作，做到提前預警，發現問題及時處理，避免安全事故發生。