預裂爆破在晉寧磷礦露天坑邊坡的應用

夏鋼源 方建國

（1．云南磷化集團有限公司；2．馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責任公司）

我國磷礦80%分布于云南、貴州、四川、湖北和湖南五省。以資源的數量、質量而言，云南滇池地區居冠，有昆陽、海口、晉寧、安寧等五大礦區，其中晉寧磷礦屬大型淺海相沉積層狀磷塊巖礦床。晉寧磷礦地處昆明市晉寧區六街鎮，資源保有儲量為3.08億t，有1#～10#資源采坑，目前在6#（主采坑）進行采剝作業，設計開采儲量為9 002.58萬t，平均品位（P2O5）為27.0%。

隨著礦山開采深度逐漸增大，維護邊坡穩定成了安全生產管理工作的重點。為提高邊坡穩定性，降低主爆區產生的爆破振動效應，本研究以晉寧磷礦6#采坑為研究對象，運用經驗公式和現場爆破漏斗試驗相結合的方法確定預裂爆破參數，開展預裂爆破邊坡控制技術研究，以期為類似工程提供一定的借鑒作用。

1 晉寧磷礦礦區概況

1.1 地質概況

礦區內出露地層為震旦系燈影組上段至下二疊統茅口組，呈一走向南北向東傾斜的單斜構造，其中下寒武統梅樹村組賦存大型層狀磷塊巖礦床。礦層頂板（?1m4、?1q、D2h、D3z）為堅硬巖組，平均極限抗壓強度為111.84 MPa（干）和82.28（濕）MPa，黏聚力為17.25 MPa，內摩擦角為43°38′。礦層底板（?1m1、Zbdn3）為堅硬至半堅硬巖組。礦石松散系數為1.63～1.93，一般接近1.7，頂板巖石松散系數約為1.9，爆破后巖石松散程度較高，宜采用邊坡控制爆破技術。

1.2 開采現狀

目前，6#坑作為晉寧磷礦主要開采對象，在高程2 130 m水平以下進入凹陷露天開采，按照露天采礦設計，將逐步形成以上盤不同巖層為臺階邊坡的終了臺階坡面，不同的巖性對于邊坡穩定性采取的措施不同。當開采延深到2 020 m水平時，已經接近設計標高，邊坡也接近設計終了邊坡。因此，為減小爆破振動的影響，維護露天邊坡的穩定性，對露天邊坡采用預裂控制爆破技術。

1.3 周圍環境

本次設計地段位于6#坑東采場128#勘探線，高程標高為2 020 m，爆破范圍長約60 m、寬約30 m，臺階高度為10 m。整體區域位于V形谷谷底，離爆破區域東部約1 km處有一小山灣村，周邊無其他重要設施需要保護，爆破條件類型簡單。

2 爆破漏斗試驗

利文斯頓認為球形炸藥包在巖體中爆炸時，巖石吸收的爆破能量大小和速度與巖石性質、炸藥性能、藥包大小和裝藥埋置深度等因素有關，提出了以能量平衡為準則的巖石爆破破碎的爆破漏斗理論。根據利文斯頓爆破漏斗理論：在不同深度起爆定量藥包和確定深度起爆不同藥包，二者效果是相同的。因此，采用爆破漏斗試驗確定爆破設計參數具有重要指導意義［1］。

2.1 單位炸藥消耗量的確定

在確定不同種類巖石的單位炸藥消耗量時，采用標準爆破漏斗容積作為計算的依據。本研究選用確定深度下起爆不同藥包來進行標準爆破漏斗試驗，采用目前在用的直徑150 mm穿孔設備。礦巖巖性為白云巖，用推土機清理出20 m×20 m的平整試驗場地，按要求將全部松渣去除。利用鉆機穿4個孔深1 m的鉆孔，為避免單孔爆破漏斗之間相互影響，將炮孔間距設為5 m×5 m，分別編號1#～4#孔，分別裝0.3，0.4，0.5，0.6 kg乳化炸藥，起爆后采用人工將爆破漏斗的爆渣清干凈，逐一量取形成漏斗的底直徑，經測量直徑如表1所示。

?

從測量結果得知，3#孔爆破效果最優，其爆破漏斗體積V和單耗q計算公式如下。

式中，s為圓錐底面面積，m2；h為圓錐的高，m；Q為裝藥量，kg。

將半徑、圓錐高代入式（1），可得V=1.11 m3，代入式（2）可得集中藥包的最優炸藥單耗為0.45 kg/m3。

2.2 線裝藥密度確定

預裂孔線裝藥密度采用長江科學院經驗公式計算：

式中，Qx為預裂爆破的線裝藥密度，kg/m；σy為巖石的極限抗壓強度，82.28～111.84 MPa；a為炮孔間距，m。計算可得Qx=0.65 kg/m。

3 爆破設計方案［2-5］

3.1 炮孔位置、數量設計

（1）預裂孔。該平臺為安全平臺，沿上平臺的坡底線外推3 m布設1排預裂孔，孔間距為1 m，共布設70個孔。

（2）緩沖孔。預裂孔往本平臺坡頂線方向外推2.5 m布設1排緩沖孔，孔間距為3 m，共布設20個孔。

（3）主爆孔。按照5 m×6 m的網度布設主爆孔，共布設48個孔。

3.2 主爆區爆破參數設計

主爆孔設計采用垂直孔，炮孔角度為90°，采用礦山在用的D150型鉆機鉆鑿，孔徑為150 mm。采礦臺階高度H為10 m。

底盤抵抗線W計算公式為

已知臺階高度H，代入公式計算出底盤抵抗線W取6 m。

超深值h與巖石堅硬程度、炮孔直徑、底盤抵抗線有關，其值按下式計算。

式中，d為炮孔直徑，mm。本次炮孔超深值取為1.0 m，則孔深L=11 m。

孔距可用最小底盤抵抗線W與炮孔密集系數m的乘積來計算，即a1=m×W，炮孔密集系數m值通常大于1.0，但第一排孔由于底盤抵抗線大，應選用較小的密集系數，本次設計直接選m=1.0，a1取6 m。排距b1取5 m。

堵塞長度按采礦設計手冊計算：

式中，Z為填塞系數，按爆破設計規范垂直孔取0.7～0.8，本次設計取0.75。計算得L2=4.5 m。

主炮孔單孔裝藥量Q計算公式為

式中，Q為單孔裝藥量，kg；d為炮孔直徑，m；L2為炮孔裝藥長度，m；Δ為裝藥密度，kg/m3。

礦山炸藥采用乳化炸藥，裝藥密度為900 kg/m3，炮孔裝藥長度為6.5 m，炮孔直徑為0.15 m。

經計算，垂直主炮孔裝藥量Q1=103.33 kg，取105 kg。

3.3 緩沖孔和預裂孔參數

實施預裂爆破時，通過在開采境界位置形成1條連續裂縫，雖然能夠顯著降低主爆區爆破對邊坡巖體的振動效應，但在主爆區緊鄰預裂縫時，爆區后排孔的后沖作用仍有可能對邊坡巖體造成沖擊破壞。為此，在預裂孔和主爆區之間布置緩沖孔，適當減小孔網參數和單孔裝藥量，有助于減弱該沖擊作用，最大限度地維護邊坡巖體穩定性。

根據礦山已有的經驗，采用垂直預裂孔時，在主爆孔和預裂孔之間設1排緩沖孔，孔間距取主爆孔間距的1/2～2/3，則確定緩沖孔與預裂孔排間距為2.5 m，緩沖孔與主爆孔排間距取正常主爆孔的1/2～2/3，緩沖孔裝藥量是正常主爆孔的35%～40%，并且采用中間分段間隔裝藥。

緩沖孔孔距a2=3 m；緩沖孔排距與預裂孔排距b2=2.5 m，與主爆孔排距取b3=3 m；預裂孔孔距a3=（8～12）D，取1 m。

緩沖孔堵塞長度L3取主爆孔堵塞長度，即L3=4.5 m，預裂孔填塞長度按經驗取值，一般頂部減弱裝藥和填塞段長度取孔深的0.3，且各占一半，預裂孔孔深為11 m，因此預裂孔堵塞長度L4=1.5～1.6 m。

緩沖孔裝藥量Q2是正常主爆孔的35%～40%，則Q2=36.75～42 kg，取39 kg。預裂孔線裝藥密度為0.65 g/m，孔深為11 m，則預裂孔裝備藥量Q3=7.15 kg，取7.2 kg。預裂爆破炮孔技術參數見表2。

?

3.4 起爆網絡設計

本次設計采用預裂爆破和主體爆破同次起爆，采用導爆索與導爆管聯合使用的非電起爆網絡，起爆網絡設計見圖1。

為保證先行形成預裂縫，有效減弱爆破應力對邊坡的影響，本次設計預裂炮孔超前主炮孔110 ms起爆。

4 爆破施工技術設計

4.1 穿孔設計與施工

首先根據現場條件進行穿孔設計，設計參數與爆破設計要求的一致，其施工技術要求如下。

（1）穿孔場地要求平整，平整度按礦山工藝標準要求≤30 cm。

（2）穿孔前安排技術人員按穿孔設計附圖進行測量放線，標定所有設計孔位。

（3）本次設計與常規設計不同，穿孔位置、角度等必須嚴格按設計或現場技術員要求施工。

（4）穿孔順序由里往外，按預裂孔、緩沖孔、主炮孔的順序依次完成。

（5）預裂孔穿孔時需考慮鉆機自身尺寸所占的空間位置，垂直坡底線穿孔將移動頻繁且很難保證鉆孔角度，設計采用平行坡底線穿孔。

（6）對準孔位后，應將鉆機配置的簡易水平氣泡儀放在鉆架橫檔的平面上（該平面始終與鉆桿垂直），確保氣泡居中，以保證鉆孔角度保持90°。

（7）緩沖孔及主炮孔由技術人員按照設計布設點位，交由操作人員嚴格按技術參數實施。

4.2 裝藥與炮孔填塞

（1）預裂孔采用不耦合裝藥，不耦合系數大于2。設計采用分段裝藥，底部2 m加強裝藥、中間5 m正常裝藥、上部3 m減弱裝藥。藥包加工在現場進行，設計采用將?30 mmPVC塑料管從中間一分為二，長度取11 m，將藥卷與導爆索按規定間距和方向綁牢再綁在PVC塑料管上，形成藥串。導爆索的長度比孔深多1 m，為12 m。裝藥時將加工好的藥串抬起，慢慢放入預裂孔內，使有PVC塑料管一側靠在邊坡側，藥串到位后，用編織袋蓋在藥柱上，然后用填塞土逐層填塞搗實。

（2）緩沖孔采用間隔裝藥，底板裝2/3的緩沖孔藥量，上部裝1/3，中間用沙、巖粉等松散材料間隔即可。裝藥及填塞見圖2。

4.3 起爆網絡

（1）預裂孔導爆索與主導爆索的連接采用搭接形式。

（2）毫米延時導爆管與即發1段管簇聯時，需將雷管聚能穴作適當處理。

（3）導爆索與1段導爆管連接時，用內裝軟土的編織袋將導爆管保護起來。

（4）起爆網絡的其他操作與常規爆破一致。

5 爆破效果

項目實施后，爆破效果較好，不僅降低了爆破震動對鄰近建（構）筑物的影響，通過預裂孔的作用，實現了對邊坡的保護，見圖3。

采用觀察及米尺測量，半壁孔率?=85%，質量等級為合格。形成的邊坡坡面基本平順，坡凹凸差為±140 cm，小于±150 cm，完全符合要求。形成的垂直坡面亦為合格。預裂面后的保留巖體未受擾動，斷層節理面未見張開，無再生裂隙。

6 結論與建議

預裂爆破技術在晉寧磷礦6#露天坑的應用，取得了顯著的爆破效果。通過研究預裂爆破機理，并結合現場地質情況，確定晉寧磷礦6#采坑預裂爆破工藝參數，降低了爆破振動對終了邊坡的影響，能夠滿足對邊坡的穩定性控制的要求。對于沉積巖為主的露天磷礦邊坡，需根據不同的臺階巖性采取不同的措施，方能保證邊坡整體的穩定。

實施過光面或預裂爆破的邊坡，在進行綠化工程時建議采用客土噴播技術，能達到良好的綠化效果，同時能解決露天礦山常見的浮石掉落問題。