大型露天礦剝離期間深孔臺階爆破技術的應用研究

摘要：從布設露天臺階爆破孔、掏槽爆破露天臺階、露天臺階準光面分層爆破等方面闡述了大型露天礦剝離期間深孔臺階爆破技術，將本文所述深孔臺階爆破技術應用與某大型露天礦剝離期間進行深孔臺階爆破施工，經過檢驗證明了將本文所述深孔臺階爆破技術可提高施工質量，具有應用價值。

關鍵詞：大型露天礦；剝離工程；深孔臺階爆破技術；應用研究

0" "引言

臺階爆破又稱為階梯爆破，是改善露天礦爆破質量的關鍵技術。通過空氣間隔臺階，均衡生產采剝比，有助于延緩前期大量剝巖，從而推遲礦區邊幫暴露的問題。隨著露天礦采場的進一步開采，礦區開采需要擴幫[1]。

采場巖層錯綜復雜，臺階巖石風化較為嚴重，裂隙節理、斷面的形成，使臺階存在不同程度的缺陷。臺階風化、臺階缺陷，則會導致臺階發育擴展裂紋，影響最終的爆破質量[2]。為了追求更高的深孔臺階爆破質量，開采人員不斷調整炮孔裝藥結構，炮孔上部連續裝藥，并在底部留存空氣層，隔絕炮孔與藥柱底部的靜態氣體壓力。當露天臺階的深孔炸藥被引爆時，爆轟產生的能量以靜態壓力的形式，作用于炮孔周圍的巖體上。炮孔底部的空氣層受到靜態壓力的壓縮，氣體間隔體積持續減小，爆轟產生的壓縮應力也隨之減小，藥柱周圍的破碎區發生變化，爆破破碎區域較為平整，從而提升爆破質量[3]。

然而，大型露天礦的環境較為復雜，起爆點的設置常存在不合理問題，爆轟波傳播的能量并不均勻，爆破可能存在超挖或欠挖問題，影響最終的爆破質量[4]。臺階爆破可分為深孔臺階爆破和淺孔臺階爆破，本文結合實例，對大型露天礦剝離期間深孔臺階爆破技術的應用展開研究。

1" "深孔臺階爆破技術要點

1.1" "布設露天臺階爆破孔

在露天礦剝離期間，露天臺階在爆破作用下的破碎過程較為復雜。從破碎結構上來看，可以分為壓碎圈、裂隙圈和振動圈[5]。根據巖石破碎情況，選擇單排布孔與多排布孔相結合方式，更加規范地劃分臺階爆破區域，便于后續爆破操作。露天臺階爆破作用圈如圖1所示。

振動圈的半徑遠大于壓縮圈和裂隙圈，振動能量對周圍環境造成的危害也較大。采用單排布孔與多排布孔相結合方式時，將布孔邊界劃分平整。其中多排布孔以三角形為主，爆破孔分布較為均勻。采用三角形布孔時，設置一個頂端爆破孔，向下依次增加一個或多個爆破孔，填補爆破邊界[6]。從能量分布的角度來看，單排布孔與多排布孔的結合，能夠有效控制爆破塊度，對于提升臺階爆破質量具有重要作用。

1.2" "掏槽爆破露天臺階

掏槽爆破也稱為掏槽眼爆破，其作用是為臺階爆破提供新的自由面。在實施露天臺階爆破的過程中，露天臺階受到的夾制作用力較大，該作用力強度與炮孔深度成正比[7]。因此，為了克服露天臺階原有夾制力與地應力疊加對爆破帶來的影響，須重新分配爆炸能量，使掏槽眼底部范圍內的能量利用率更高。

切底式掏槽在爆破孔底部聚集能量，在切割爆破時，炸藥在掏槽眼中起爆，爆轟波沿著炸藥起爆點進行軸向傳播。當爆轟波傳播到爆破孔底部時，環槽爆轟力向周圍環形平面射流，從而獲得更高的爆破孔利用率。掏槽爆破參數如表1所示。

掏槽爆破時，掏槽眼深度取2.5m，炮孔深度根據實際需要確定。掏槽眼傾斜角度取72°，掏槽眼數量取8個，以此確保掏槽爆破的質量。切縫藥包在爆破過程中，在掏槽切縫根部形成一個抑制區。在爆炸氣體的靜態作用下，掏槽位置能夠降低超挖、欠挖量，加強切縫尖端的集中應力，從而避免裂紋向缺口的方向擴展。

柔性切縫藥包定向斷裂能夠約束掏槽外部與炸藥之間的接觸，防止稀疏波進入爆轟反應區。在此過程中，爆轟壓力在切縫處沖擊波的作用下，形成初始裂縫，并向掏槽區域進發，以減弱非切縫處的孔壁破壞。

1.3" "露天臺階準光面分層爆破

光面爆破就是使爆破后的露天臺階形成光滑平整輪廓的爆破技術。在露天臺階上實施光面爆破時，可在其上、下分層界面上，采用光面爆破與常規爆破相結合的準光面爆破技術，以確保臺階分層界面的平整性與完整性。

在爆破過程中，分層界面上的爆破孔較少、周邊孔較多。在第一分層進行裝藥爆破之后，如果露天臺階界面不夠光滑平整，在進行第二分層裝藥爆破之后，露天臺階界面光滑平整度可得到滿足。準光面爆破分層界面如圖2所示。圖2中：A、B為一、二分層的爆后界面；W為爆后界面與炮孔的距離；a為兩個炮孔的間距。

在掏槽爆破之后，爆破孔內存在較高的彈性應變能。該能量通過轉化，能夠減少炸藥的消耗與動力擾動。此時分層界面的臺階爆破有效應力表示為：

（1）

式（1）中：σe為臺階爆破的有效應力，σ1為應力張量，σ2為平均應力。

在露天臺階爆破的過程中，受動態抗拉強度與靜態壓力共同作用，臺階巖石的拉伸屈服極限為5MPa。在此極限值的條件下，該拉伸屈服極限值作為塑性狀態值，能夠根據露天臺階爆破環境，調整最佳起爆距離，最大限度地提升大型露天礦剝離期間露天臺階的爆破質量。

2" "實例驗證與分析

2.1" "工程概況

某大型露天礦海拔在1500～1700m之間，地形不平，多數為山丘，巖層厚度一般為20～50m。該礦的礦體在東西方向分布長度約10km，南北方向寬度約1km，由10多個主礦體和100多個附屬礦體組成，是典型的大型露天礦產資源。根據該礦地形地貌，其水平爆破區域高程在930～940m之間，為此需調整爆破孔深、孔數、炸藥量。該大型露天礦的水平爆破區域平面如圖3所示。

露天礦水平爆破區域平面如圖3所示。該露天礦的水平爆破區域長度約為130m，寬度約為25m，臺階高度（孔深）約為12m，爆破量約為35200m3，炸藥量約為6.48t。該爆破工程采用三角形的爆破布孔方式，由南向北的孔距設定為10m，排距設定為8m，孔邊距設定為4～4.5m，炸藥單耗約為0.184kg/m3，孔深約為12m，炮眼約80個。在此區域進行爆破之后，對區域內的眼痕率進行爆破質量分析。

2.2" "驗證方法

為了驗證本文所述大型露天礦剝離期間深孔臺階爆破技術，是否滿足實際爆破需求，以該大型露天礦為例，按照本文所述爆破技術，對該大型露天礦在剝離期間進行深孔臺階爆破施工，并對其進行檢測。之后對檢測數據進行統計和整理，以便確定實施爆破的質量。

本文選取出1～64炮眼（共64個），前16個炮眼深度約為2.2m，其余炮眼深度均為2.0m，其中掏槽眼布置8個。根據施工現場的實際情況，將最大超挖量140～270mm、最大欠挖量85～175mm、最低眼痕率50%～70%，作為該大型露天礦剝離期間深孔臺階爆破的設計值。

將實際超挖量、實際欠挖量、實際眼痕率，作為對該大型露天礦的深孔臺階爆破的檢測值。將設計值與檢測值進行對比，即可得出本文設計的大型露天礦剝離期間深孔臺階爆破技術是否滿足設計要求的結論。

2.3" "檢測結果

按照本文所述深孔臺階爆破技術和驗證方法，組織該大型露天礦在剝離期間進行深孔臺階爆破施工。之后對其進行檢測，將數據統計、整理和列表。該大型露天礦剝離期間深孔臺階爆破的檢測值如表2所示。

從表2可以看出，采用本文設計的大型露天礦剝離期間深孔臺階爆破技術，對該大型露天礦的深孔臺階進行爆破后，在1～64號炮眼的深孔臺階爆破中，實際超挖量在65～124mm的范圍內變化，實際欠挖量在10～48mm的范圍內變化，實際眼痕率在65%～88%的范圍內變化。實際超挖量和實際欠挖量，均大幅度低于最大超挖量和最大欠挖量。實際眼痕率則大幅度高于最低眼痕率。

2.4" "對檢測結果的分析

在實施臺階爆破的過程中，超挖量越大，爆破范圍越大，臺階周邊爆振裂隙范圍越大，越不利于臺階爆破成型質量；欠挖量越大，爆破范圍越小，臺階周邊爆振裂隙范圍越小，越不利于臺階爆破成型質量。眼痕率是檢驗爆破質量的主要指標，眼痕率越高，爆破質量越高。

本文根據該大型露天礦剝離期間深孔臺階爆破現場的實際情況，設計了最大超挖量、最大欠挖量和最低眼痕率，在該設計值范圍之內，即可保證深孔臺階爆破質量。應用本文所述大深孔臺階爆破技術進行爆破施工之后，實際超挖量、實際欠挖量均明顯低于最大超挖量、最大欠挖量；實際眼痕率明顯高于最低眼痕率。檢測結果表明，應用本文所述深孔臺階爆破技術，提高了深孔臺階爆破施工質量，達到了本文的研究目的。

3" "結束語

針對大型露天礦剝離期間深孔臺階爆破超挖、欠挖量較高，導致爆破質量降低的問題， 從布設露天臺階爆破孔、掏槽爆破露天臺階、露天臺階準光面分層爆破等方面，闡述了大型露天礦剝離期間深孔臺階爆破技術。將研究成果應用于大型露天礦剝離期間深孔臺階爆破的實際工程中，經過檢驗驗證，應用本文所述爆破技術提高了爆破施工質量，達到了研究目的。

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