預裂爆破技術在某露天礦山中的應用

〔摘 要〕基于某銅礦山存在露天邊坡不規整、臺階高、巖體整體穩定性差的情況，為保護最終境界臺階坡面的穩定性，采用預裂爆破技術進行施工作業。結合該露天礦山的地質條件、巖體特征，對預裂爆破的各項參數進行設計，并對其施工工藝進行優化。同時，從殘留半孔率、坡面平整程度以及孔口位置巖石破碎情況等方面對爆破效果進行分析評價。實踐表明，合理設計預裂爆破技術參數可提高邊坡穩定性，保障安全生產。

〔關鍵詞〕露天礦山；預裂爆破；爆破參數；爆破效果；邊坡穩定性

中圖分類號：TD854.6" " " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）05-000１-04

Application of Pre-split Blasting Technology in an Open Pit Mine

FAN Zhonghua， QI Yan， GAO Jiahao

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract" In order to protect the stability of the bench slopes in the ultimate boundary， the pre-split blasting technology is used for construction operation in a copper mine due to the irregular open-pit slope， super-high benches and desirable overall stability of the rock mass. According to the geological conditions and rock mass characteristics of the open-pit mine， the parameters of pre-split blasting are designed to optimize the construction technology. At the same time， the blasting effect is analyzed and evaluated from the aspects of residual half-porosity， slope flatness and rock breakage at the opening position. The practice shows that reasonable design of technical parameters of pre-split blasting can obviously improve the stability of slope and guarantee the safety of production.

Keywords" open pit mines; pre-split blasting; blasting parameters; blasting effect; slope stability

隨著礦產資源不斷開發，我國露天礦的礦石產量已達到了空前的高度，未來露天礦開采資源的潛力還在繼續加大。深凹露天礦是露天礦的主要發展趨勢，然而在深凹露天礦的向下開采過程中，臺階邊坡的穩定性越來越差。當進行靠幫爆破作業時，采用逐孔起爆方式所達到的減震效果不足，無法完全滿足礦山生產安全以及臺階坡面穩定的要求[1]。因此，如何保護最終境界臺階坡面的穩定是當前露天開采不可忽視的問題。

預裂爆破在露天礦山固定幫減震方面具有巨大潛力，能很大程度上提高預留巖體的穩定性[2-3]。許多學者對其爆破機理及應用進行了大量研究。王建國等[4]通過ANSYS/LS-DYNA軟件對不同爆破參數條件下的預裂縫形成過程進行模擬。研究發現，預裂縫裂隙是先從孔壁開始形成并向中點發展，而不是應力波干涉理論認為的裂縫先從中點產生，并向兩孔發展。陳慶凱等[5]通過對不同不耦合系數條件下裂縫擴展速度和爆生氣體擴散速度進行計算分析，揭示了預裂縫的形成機理隨時間和裝藥參數動態變化。禹朝群等[6]通過對預裂縫的形成條件與形成過程的分析，給出了預裂爆破參數的計算公式，計算得到礦山采場預裂爆破參數后取得了良好的減震效果。李興武等[7]通過靠幫邊坡預裂爆破技術優化研究，使靠幫邊坡形成了整齊的預裂面，提高了靠幫邊坡整體的穩定性。通過上述文獻綜述發現，現有研究主要集中于預裂爆破的機理分析，而關于靠幫邊坡預裂爆破技術優化研究相關的工程案例相對較少。本文根據某銅礦靠幫邊坡爆破工程案例，分析礦區巖體的力學性質及現場施工條件，采用預裂爆破進行施工，確定合適的爆破設計參數和爆破工藝，為類似的礦山施工提供參考。

1" "項目概況

某銅礦經過多期技術改造擴建，生產規模不斷擴大，露天開采不斷向下深入，最大高差超300 m，大面積邊坡被揭露出來，最早靠幫的是東部邊坡上部平臺，其最終邊坡臺階高度為12 m，最終臺階邊坡坡面角范圍在６５°～70°。該露采邊坡巖組力學強度低，易形成軟弱結構帶，在邊坡中部已出現陡坡臨空面以及大塊滾石等危險巖體，而且節理裂隙發育，風化強烈，極易碎裂成粉末狀，工程地質條件差。

針對這種露天邊坡不規整、臺階高度大、巖體整體穩定性差的現場條件，露天采場深度的下降使邊坡暴露的面積越來越大，當采用露采現有的逐孔起爆方式進行靠幫爆破作業時，其減震爆破措施不能保護邊坡臺階免受破壞。因此，為保護最終境界臺階坡面的穩定，設計人員擬選預裂爆破技術進行施工，并結合礦山現狀及類似工程經驗，確定爆破設計參數和爆破工藝。

2" "預裂爆破的技術優勢

預裂爆破是指先在開挖區和保留區之間預鉆鑿一排預裂孔，在主爆孔爆破之前產生一定寬度的預裂縫，將開挖區和保留區的巖體分隔開來，可以減弱在主爆孔引爆后產生的地震波向保留區邊坡的沖擊波，并阻斷裂縫向保留區邊坡的延伸，從而降低主體爆破對保留區邊坡的破壞，保護保留區巖體的完整性[8－９]。

在爆破之前，需明確周圍環境的工程地質條件，從而確定合理的鉆孔深度及其位置，以便有效控制爆破對需要保護巖體的影響，確保坡面的穩定，保證爆破作業的順利實施。然而，預裂爆破的爆破質量是由炸藥特性、爆破設計參數以及爆破工藝三者所決定的。對于實際的礦山工程來說，炸藥特性一般較為固定，但是爆破設計參數和爆破工藝卻可以隨礦山工程地質條件和生產要求發生改變，二者的選擇共同影響著爆破效果。

3" "預裂爆破設計參數的確定

3.1" 預裂孔爆破參數

1）預裂炮孔直徑D。炮孔直徑的選擇是爆破設計參數的重要一環，對施工作業的效率和成本有著直接影響，應綜合考慮巖石特性、現場機械設備及工程具體要求進行確定[１０]。在爆破施工現場，需根據礦山實際鉆機來選擇炮孔直徑和鉆孔深度。根據礦山現有設備類型以及設備的特點，預裂孔鉆孔采用阿特拉斯D55一體式鉆機，鉆孔直徑D為140 mm。

2）炮孔間距a。當炮孔直徑不小于60 mm時，炮孔間距一般取炮孔直徑的8～12倍，故a=1.12～1.68 m。當巖石為軟巖或結構破碎時，炮孔間距a設計為1.30 m；當巖石為硬巖或完整性好時，炮孔間距a設計為1.7０ m。由于礦山邊坡的工程地質條件較差，本次設計a選取1.3０ m。

3）鉆孔深度。預裂孔鉆孔時考慮超挖深度，以降低坡腳的欠挖作業量。鉆孔深度根據公式 L=H/sinθ+H計算，臺階高度為H=12 m，超挖深度h取0.65 m，當露天邊坡最終坡面角一般為70°時，鉆孔深度為13.4 m。

4）裝藥不耦合系數η。預裂孔裝藥結構為連續不耦合，可以降低炸藥爆炸時對孔壁的沖擊作用，避免對孔壁造成破壞，從而影響預裂縫的形成質量，其中不耦合系數η=D/D0（D為炮孔直徑，D0為裝藥直徑）。根據工程經驗表明，設計所采用的藥卷要求滿足徑向不耦合系數η=1.5～4.0，當Dlt;100 mm時，η取1.5～3.0；當Dgt;100 mm時，η取3～4。不耦合系數與爆破后的半孔率密切相關，當鉆孔直徑為140 mm時，裝藥的不耦合系數為3.29。

5） 線裝藥量密度q。本次預裂孔采用二號32 mm巖石乳化炸藥，線裝藥量密度確定為：q=1.0 kg/m，裝藥量根據不同的巖性可以提高或降低，沿著炮孔長度從頂部到底部方向依次分成減弱段、正常段和加強段裝藥。孔底以上1.5 m段線裝藥量確定為q=1.6 kg/m。孔口堵塞段以下1.5 m段線裝藥量確定為q=0.4 kg/m。先將藥卷按照設計的規格、數量和間隔距離綁扎在導爆索上，構成藥串，再通過導爆索引爆。預裂孔裝藥結構如圖1所示。

6） 堵塞長度。一般情況下，預裂孔的堵塞長度小于緩沖孔、主爆孔堵塞長度，根據現場經驗確定堵塞長度為1.0 m左右。預裂孔的鉆爆設計參數，見表1。

3.2" 主爆孔爆破參數

緩沖孔前排預設2排主爆孔，并在主爆孔前排安排清渣作業，以保證預裂爆破達到最佳效果。主爆孔和緩沖孔都采用連續耦合的裝藥方式，邊坡的生產主爆孔設計參數如表2所示，主爆孔單孔裝藥量取Q=0.32×12×6×6.5=150 kg。主爆孔裝藥結構，如圖2所示。

3.3" 緩沖孔爆破參數

在對露天礦邊坡進行預裂爆破時，緩沖孔的參數設計十分重要，在預裂孔與主爆孔之間布置一排緩沖孔，給主爆破區營造了一個較好的爆破環境，使得主爆孔的爆破能量有一個緩沖區域，從而使兩孔之間巖體充分破碎，在提高了爆破效果的同時保護了保留區邊坡的穩定性。

緩沖孔與主爆孔之間采用三角形布孔搭接，緩沖孔間距為a1，經實際試驗一般在3.5～4.5 m，緩沖孔與預裂孔排距b1為2.5～3.0 m。與主爆孔的排距b2為3.0～4.0 m，由于本邊坡巖體性質較差，設計a1=4.0 m，b1=3.0 m，b2=4.0 m。邊坡緩沖孔設計參數，如表3所示。

緩沖孔采用巖屑進行間隔裝藥，間隔長度1.5 m。孔內設有上下部兩個起爆藥包，緩沖孔上部在巖性較好區域裝1.5包乳化炸藥，在巖性較差區域裝1包，下部均裝2包，每包炸藥重25 kg。緩沖孔裝藥結構，如圖3所示。

4" "預裂爆破施工工藝

4.1" 鉆孔施工

鉆孔施工作為預裂爆破工作重要組成部分，在鉆孔過程中，需要采取相應措施對邊坡測量放線控制鉆孔角度達到設計值，以保證預裂爆破的效果。由于邊坡的工程地質條件較差，在炮孔周圍存在較厚的渣塊，應在鉆孔設備進場前先對炮孔工作面進行清渣，保證平整的作業面。邊坡預裂爆破孔位布置如圖4所示。

4.2" 炮孔堵塞施工

采取有效的措施堵塞炮孔可延長炮孔內的炸藥的作用時間，使其充分發生反應，提高爆破效率，并改善爆破效果。在進行堵塞作業時，先利用測繩將編織袋安放到炮孔設計堵塞長度位置上，再在編織袋上方進行填塞巖屑。為了避免產生較大沖擊波，防止孔口產生飛石，對孔口進行堵塞施工過程時，須保證炮孔的堵塞質量，確保爆破效果。

4.3" 起爆網路布置

預裂爆破起爆順序為預裂孔、主爆孔2、主爆孔1、緩沖孔。為了確保降震作用，預裂孔必須比主爆孔超前起爆，且時間上至少超前100 ms。某次起爆網絡，如圖5所示。

用1根主導爆索將各預裂孔的導爆索連接起來，再在主導爆索上綁扎一發非電毫秒導爆雷管用于連接主爆孔，選用200 ms高精度延時導爆管雷管實現微差間隔起爆，與預裂孔導爆索網路連接，使得預裂孔超前200 ms主爆孔進行引爆，以保證預裂孔提前形成裂縫；同時，主爆孔導出的主線連接下排主爆孔和緩沖孔，在線路上均布置47 ms延時的導爆管雷管，并且將起爆延期時間控制在合理范圍內。

利用導爆索采用搭接連接的方式將預裂孔連接起來，在搭接過程中，應嚴格控制搭接的長度不宜過小或過大，同時應保證綁扎牢固，以提高傳爆的可靠性。導爆索在爆破過程中的傳播速度是較快的，應保證導爆索平直連接，以防止拒爆的情況產生。其中，主爆孔布置位置的確定對爆破效果有很大的影響，若選擇的主爆孔位置與預裂孔之間距離較近，易對最終邊坡產生破壞，若距離過遠則會出現巖坎，需進行二次處理。因此，本次預裂爆破設計確定主爆孔和預裂孔的距離為7.0 m，以使爆破后形成的邊坡面平整光滑。

5" "爆破效果分析

預裂爆破的效果可以從殘留半孔率、坡面平整度以及孔口位置巖石破碎情況等方面進行評價。該項目爆破后，邊坡巖體堅硬區域的殘留半孔率高約85%，巖層較風化破碎區域的殘留半孔率也在35%，且邊坡面較為平整。爆破時，對周邊產生的震動較小，爆堆形狀良好，在爆破后形成的坡面平整度基本保證在±15 cm以內，符合爆破設計所要求的預期效果，通過邊坡預裂爆破技術的實施，明顯地提高了邊坡的穩定，確保了采場下部生產的安全。

采用預裂爆破技術并成功應用，質點振速明顯降低，嚴格控制了巖石移動方向，充分利用炸藥能力，把須崩落巖石推離邊坡，使礦巖得到了更好地破碎，降低了大塊率，改善了爆破效果，邊坡預留巖體也更加穩定，取得了較好的成果，為類似高陡邊坡爆破施工提供一定的借鑒經驗。

6" "結論

通過分析露天礦的地質條件并介紹最終境界邊坡的工程概況，確定該露天礦采用預裂爆破技術對最終境界邊坡進行控制爆破，并詳細介紹了預裂爆破技術參數以及爆破工藝，最后取得較好的邊坡控制效果，大大減輕了爆破對終了邊坡的破壞，提高了邊坡預裂面的完整性，有效解決了最終境界臺階坡面的穩定性差的問題，相關設計參數可為相似礦山工程提供參考價值。

參考文獻

[1] 李成志.預裂爆破在露天采場邊坡管理中的應用[J]. 世界有色金屬， 2018（19）：61-62.

[2] 楊超.預裂爆破在白馬鐵礦邊坡靠幫中的應用[J].工程爆破， 2019， 25（1）：32-37.

[3] 張兵兵， 陳晶晶， 張崗濤， 等.最終邊坡預裂爆破技術參數及應用效果分析[J]. 工程爆破， 2018， 24（6）：43-47.

[4] 王建國，高全臣，吳浩， 等.預裂爆破成縫機理的數值模擬研究[J]. 有色金屬（礦山部分）， 2014， 66（2）：80-84.

[5] 陳慶凱，朱萬成.預裂爆破成縫機理及預裂孔間距的設計方法[J]. 東北大學學報（自然科學版）， 2011， 32（7）：1024-1027.

[6] 禹朝群，溫海波，陳慶凱， 等.司家營研山露天鐵礦預裂爆破技術應用研究[J]. 采礦技術， 2019， 19（3）：123-125.

[7] 李興武，楊家全.預裂爆破技術在伊春鹿鳴鉬礦靠幫邊坡的應用研究[J]. 礦業工程， 2019， 17（1）：54-57.

[8] 姜貴川，鄧久榮，鄭彥濤.預裂爆破在礦山露天開采的應用[J]. 世界有色金屬， 2019（11）：153.

[9] 潘榮森，陳浩，楊硯，等.露天高陡型邊坡爆破振動監測和穩定性分析[J].銅業工程，2023（2）：141-146.

[１０] 夏鶴平.預裂爆破技術在紫金山金銅礦的應用研究[J]. 中國金屬通報， 2019（8）：196-197.