采石場垂直深孔和輔助性水平深孔綜合爆破技術應用

費水華,毛益松,崔志勇,陽華,秦勝剛

(1.桂林靈川縣洋華建材有限公司, 廣西 桂林市 541299;2.國防科技大學, 湖南 長沙 410073)

1 工程概況

桂林市靈川縣洋華建材有限公司采礦標高為＋445.1 m至＋195 m,整個采區呈長方形分布,南北邊線起始寬度大約1090 m,東西邊線終結寬度大約690 m,礦區面積0.423 7 k m2。年生產規模300萬t,高峰期平均每天計劃爆破開挖方量約5000 m3,每天爆破1～2次,爆破炸藥用量約1500 kg,雷管100余發。該地形為凸形山坡,屬中堅硬石灰巖,其巖石硬度普氏系數f=6～10。礦區東側400 m為鋼構架生產廠房、550 m處為磚混結構生活用房,其余方向300 m內沒有建筑物,周圍環境較好,符合爆破開采條件。該礦自2017年以來,全面實施由工業數碼電子雷管替代導爆管雷管,在礦山深孔爆破優化、電子雷管使用方法上,尤其是在臺階上面采用垂直深孔爆破的同時,在坡底下采用輔助性水平深孔爆破技術,有效克服根底,加快了爆破進度。本文結合工程實踐介紹了水平深孔爆破技術應用條件,及其爆破參數和施工工藝,可為類似工程應用提供參考。

2 爆破設計方案及水平深孔爆破原理

該采石場自上而下臺階式開采,使用多臺ZGGA440型整體式液壓潛孔鉆機穿孔—挖掘機翻碴轉運挖裝—自卸汽車運輸的施工工藝。爆破臺階高度以15 m為主,少數臺階高度約30 m,在臺階頂面布置2～3排炮孔垂直深孔爆破,為克服臺階下盤抵抗線過大、減少根底,在臺階坡底布置1～2排水平深孔進行輔助爆破開采。將臺階頂面炮孔和臺階坡底炮孔相對應分成多個獨立區域,臺階頂面每個獨立區域炮孔設計為對角形(斜線)逐孔起爆、臺階坡底每個獨立區域炮孔設計為同時起爆的爆破網路。

輔助性水平深孔爆破主要是用來處理臺階底盤抵抗線過大的情況,炮孔布置的軸線指向坡面。水平深孔爆破和其他爆破一樣,主要利用爆生氣體及爆炸應力波來破壞巖體,但水平深孔爆破同時還利用巖體自重使炮孔上部部分巖體墜落來破碎巖體,因此水平深孔爆破破壞范圍比較大,且基本無根底產生。水平深孔爆破應多孔同時起爆。多孔同時起爆使相鄰炮孔藥包爆炸的應力波相疊,使巖層產生了縱橫交錯的應力波切割面,炮孔之間的巖層同時受到多向的壓縮、拉伸和剪切力作用,被爆巖層受到的振動頻率和振幅得到了加強,使得巖體產生眾多徑向和橫向裂紋,而后,隨著爆生氣體楔入這些裂縫并使之擴大和延伸后,將巖塊從自由面拋出。

3 爆破技術參數設計

3.1 臺階高度30 m

1#礦山第1平臺臺階高度30 m,采用2排水平深孔爆破。平臺頂部長73.5 m、東西兩側寬6.5 m,中部寬8 m,平均取7.5 m;坡底長78.5 m,平均寬度9 m;臺階高度30 m。經計算爆破方量約20 175 m3,估算礦石53 460 t。

3.1.1 水平深孔爆破參數

(1)孔徑d。d=100 mm或115 mm。

(2)鉆孔角度。鉆孔角度指藥孔軸線與地平面的夾角,炮孔軸線指向坡面布置2排孔,雙排孔的下排孔向下微傾斜,β=0～5°;雙排孔的上排孔向上傾斜,β=10°～15°。

(3)最小抵抗線W。本工程炮孔直徑采用Φ100 mm下W一般不小于4 m。

(4)孔深L水。由于水平孔爆破無根底產生,炮孔深度不考慮超深。根據臺階頂面爆破寬度確定,L水=8～10 m。

(5)孔距a。根據多次水平孔爆破經驗及爆破原理,孔距a=2.0～2.7 m。

(6)排距b。下排孔沿下平臺底線鉆孔;上排孔按a=(0.8～1.0)b計算,為方便鉆孔和裝藥填塞,b=1.5～1.8 m。

(7)炸藥單耗q。水平深孔爆破單耗取q=0.35 kg/m3,或按線裝藥密度q線=4.7 kg/m計算。

(8)堵塞長度L d。單自由面情況下水平孔爆破中堵塞長度一般不小于3.0 m。

3.1.2 垂直深孔爆破參數

本礦山經過多次爆破實踐,垂直深孔爆破參數選擇比較成熟,爆破參數如下。

(1)藥孔參數:孔徑d=100 mm;底盤抵抗線W1=4.0～4.5 m;臺階總高度H=30 m(垂孔長27.5 m,兩平孔間隔1.5 m,垂孔和平孔間隔1.0 m);鉆孔角度θ=81°～82°;孔距a=4.3～4.5 m;排距b=4.3～4.5 m;垂直孔深度L垂=28 m;垂直孔裝藥長度l1=24 m。

(2)裝藥量計算。炸藥單耗:q=0.3～0.375 kg/m3;單孔藥量:前排Q1=165 kg,后排Q2=171 kg。

(3)填塞長度:l2=3.6 m。

3.1.3 炮孔布置

平臺頂面垂直2排炮孔30個,多采用交錯布置形式;臺階坡底設置2排水平炮孔共57個,可矩形或呈三角形布置,總孔數87個(見圖1)。

3.1.4 起爆網路

平臺頂面分成4個爆破區域,每個爆破區域炮孔分別為8孔、8孔、9孔和5孔,臺階頂面炮孔設計為對角形(斜線)逐孔起爆、平臺頂面網路延時時間即孔間時間20 ms,排間時間20 ms,網路總延時時間600 ms。臺階坡底和平臺頂部相對應分成4個爆破區域,雷管延期時間分別設為160 ms、320 ms、500 ms、600 ms,如圖1所示。

圖1 炮孔布置及網絡設計

3.2 臺階高度17 m

近幾年,相關部門和規程要求臺階高度不宜超過15 m。因此,對臺階高度17 m采用1排水平深孔爆破,在1#礦山第三平臺正東面進行試驗。臺階長度62.5 m,寬度11.5,臺階高度17 m,經計算爆破方量約12 218 m3,估算礦石32 378 t。

3.2.1 爆破參數

垂直深孔爆破和水平深孔爆破參數基本同臺階高度30 m,見表1。

表1 臺階高度17 m時爆破參數設計

3.2.2 起爆網路

臺階頂面和坡底炮孔作業面分成3個爆破區域。臺階頂面炮孔設計為對角形(斜線)逐孔起爆、平臺頂面網路延時時間即孔間時間20 ms,排間時間20 ms,網路延時時間840 ms。臺階坡底3個爆破區域雷管延期時間設定為280 ms,560 ms和840 ms。

4 爆破效果分析及經濟技術指標

4.1 爆破效果分析

兩次爆破效果經過錄相視頻反復觀察,首先爆破巖體拋擲明顯,前撲出去近40 m的距離,而后部分拋擲屬于正常現象。爆破后的爆堆形態較均勻,前撲明顯,后排破裂線整齊,目測表面無大塊度,中間和后排均無隆起,經對采裝過程跟蹤發現,大塊率極低,爆破塊度達到裝運破碎要求,開挖后底部無根坎,爆破振動符合設計要求,爆破效果完美。爆破瞬間和爆破效果見圖2。

圖2 爆破瞬間和爆破效果圖

4.2 經濟技術指標

臺階高度30 m和17 m的經濟技術指標見表2。

表2 臺階高度30 m深孔爆破參數設計經濟技術指標

5 體會

(1)裝藥前先精確測量炮孔抵抗線,優化炮孔裝藥結構。采石場放樣炮孔一般有角度板(標定炮孔角度)、米尺(標定鉆孔傾斜角度)和50 m皮尺及紅色噴漆(標定炮孔間距)。可采用激光測繪儀精確測量前排炮孔抵抗線,根據實測結果確定裝藥結構,即在炮孔大時抵抗線段炸藥連續裝藥,在炮孔小時抵抗線段采用不耦合裝藥結構。如用人工肉眼觀測炮孔抵抗線,一是在危險的臺階邊緣觀察,不能保障爆破作業人員安全;二是測得炮孔抵抗線信息不全面;三是根據炮孔抵抗線大小精細化裝藥,可保證足夠的炸藥約束,避免炮孔抵抗線過小時產生飛石,以及炮孔抵抗線過大時產生大塊。

(2)當垂直深孔抵抗線不一致時將炸藥直接裝進孔內變成吊放裝藥的方法。當垂直深孔抵抗線不一致時,垂直深孔底部可以采取連續裝藥結構,直接往孔內裝炸藥,此時線裝藥密度為6.25～7.0 kg/m左右;中部以上采用不耦合裝藥結構,該方法在孔內變吊放炸藥,線裝藥密度約4.15～5.0 kg/m,使炸藥單耗減少,保證巖石塊度。

(3)水平深孔爆破宜采用孔底起爆。水平深孔爆破起爆位置一般采用反向起爆方式。反向起爆的爆轟波向孔口方向傳播,由于孔壁和前方裝藥的約束,爆轟產物不能立即飛散,使其能量主要向巖體做功,緊跟在爆轟波后的是一個由爆轟產物形成的高壓區,直到爆轟波傳至孔口為止。從上述分析可知,在單自由面情況下的水平孔爆破不宜采用孔口起爆,宜采用孔底起爆。