晋宁磷矿杨梅山区域高台阶深孔爆破设计及应用

唐俊瑞

（云南磷化集团有限公司晋宁磷矿，云南 昆明 650607）

0 引 言

近年来，随着露天矿开采向深部的推进，矿体顶板出露岩石量急剧增大，且风化较低，硬度较大，主要为石英砂岩及含砾石英砂岩、白云岩、夹泥质白云岩、泥质岩等，f＝5～8.由于产能要求和工作面条件影响因素，采用小孔径、小孔网参数、低台阶爆破技术，从爆破进度、爆破效果、成本控制上不能充分满足生产的需求.为能提高穿爆施工进度，改善爆破效果，有效控制爆破成本，在岩石性质、地质条件、周边环境、铲装设备及采用爆破技术条件满足的情况下，采用增加炮孔钻凿深度（台阶高度），合理调增孔网参数，在安全允许的条件下，相应加大单孔装药量，达到增大一次爆破岩石量、改善爆破效果、提高钻机穿孔效率、降低钻机油耗，减少成本具有重要意义［1－4］.

1 高台阶深孔爆破设计及钻凿设备选型

高台阶深孔的钻孔深度为15m.

1.1 钻孔形式选取

露天深孔爆破的钻孔形式一般分为垂直孔和倾斜深孔，单一从爆破效果来看，斜孔优于垂直孔，主要是斜孔的抵抗线均一；但钻凿斜孔的技术操作比较复杂，孔的长度相应比垂直孔长，而且装药过程中易发生堵孔.为方便钻机操作，提高钻孔速度，因此，采用垂直布孔.

1.2 布孔方式

布孔方式有单排布孔和多排布孔两种.多排布孔又分为方形、矩形、三角形（梅花形）三种.布孔方式的合理选择，可为爆破创造良好的条件，爆破效果好，大块率较低；反之，则爆破条件相对较差.根据对比，采用三角形交错布置炮孔可以使炸药能量分布均匀，减少根底大块，还能更好地调整爆破实际密集系数；因此，采用三角形（梅花形）.

1.3 钻机选型

采用柱齿类潜孔钻，山特维克（DI500）钻机，孔径152mm，单根钻杆长度L＝5m.其主要特点为：

①冲击的凿入能量不经钻杆而直接传递到钻头，能量损伤小.

② 冲击器工作中以强吹高压气体方式，排出孔底的岩渣，效果显著，有利于提高凿岩速度；

③冲击器置于孔底，方向定位好，一般不会出现斜孔或弯孔现象；

④可在节理、破碎岩体中作业，适用范围广，可打直孔，也可打倾斜孔.

2 爆破参数

2.1 炮孔直径d

爆破的孔径大小主要取决于钻机类型、台阶高度和岩石性质.晋宁磷矿主要使用潜孔机，钻机孔径大小为φ152mm，φ140mm，φ110mm，φ102 mm几种.根据现有钻机型号情况，同时考虑到孔径越大，越有利于炸药的稳定传爆和达到理想爆轰，利于充分释放炸药能量从而提高延米爆破量.因此，此次深孔台阶爆破实验采用山特维克D1500潜孔钻机，孔径φ152mm.

2.2 钻孔深度L与超深Δh

钻孔深度由台阶高度和超深确定.台阶高度一般采用10～12m台阶，也有采用15～20m高台阶，台阶高度的取值大小主要考虑为钻孔、爆破和铲装创造安全和高效率的作业条件，主要取决于铲装设备选型和矿岩开挖技术条件.根据我矿现有铲装设备型号和开挖技术，同时考虑充分发挥钻机效率，增大一次爆破岩石量，加快爆破作业进度，改善爆破效果，确定开挖台阶高度为14m.超深是指钻孔超出台阶底盘标高的那一段孔深，其作用是用来克服台阶底盘岩石的夹制作用，使爆破后不留残根，而形成平整的底盘.超深选取过大，将造成钻孔和炸药的浪费，增大对下一个台阶顶盘的破坏，使下台阶钻机穿孔时易塌孔；并且会增大爆破地震波的强度；超深不足将产生根底或抬高底盘的标高，而影响装运工作［5］.超深值与岩石坚硬程度、炮孔直径、底盘抵抗线有关［6］，其值可按下式确定：

经计算Δh＝1.52～2.28m或者Δh＝0.99～3.15m.

在坚硬岩石中爆破，系数取大值；相反在硬度较小岩石中爆破，系数取小值.根据实践经验，确定超深为1m.

钻孔深度L、台阶高度H、超深Δh满足下列关系式：

式中，L为炮孔深度，m；H 为台阶高度，m；Δh为超深，m.

综合确定钻孔深度L＝15m.

2.3 底盘抵抗线W1

底盘抵抗线是指从台阶坡底线到第一排孔中心轴线的水平距离.它是一个重要的爆破参数，过大的底盘抵抗线会造成根底多、大块率高、后冲作用大；过小则不仅浪费炸药、增大钻孔工作量，而且易产生飞石危害.底盘抵抗线的大小与炸药威力、岩石可爆性、岩石破碎块度要求以及钻孔直径、台阶高度和坡面角等因素有关.为了克服爆破时的最大阻力，避免台阶底部出现“根底”，一般都采用底盘抵抗线作为爆破参数设计的依据.按照深孔钻机安全作业的要求，底盘抵抗线W1应满足下列关系：

式中，W1为底盘抵抗线，m；α为台阶坡面角，（°），α＝65°；H 为台阶高度，m；H＝14m；B为钻孔中心至台阶坡面顶边的安全距离B＝2.5m.）

代入取值，可得W1＝9.03m.

根据爆破实践经验，底盘抵抗线与台阶高度H 之间存在如下关系，W1＝（0.6～0.9）H 或W1＝8.4～12.6m且满足，岩石坚硬，台阶高度小，系数取小值；反之，系数取大值.综合上述计算，确定底盘抵抗线W1为9.0m.

2.4 孔距a和排距b的取值

孔距（a）是指同一排深孔中相邻两钻孔中心线间的距离.对于孔距a值，一般都按下式确定.a＝M Wd（式中：a为孔间距，m；M为炮孔邻近系数，）为了获得良好的爆破条件，可取M＝0.7～0.85；经计算a＝6.3～7.65m；根据实践经验取a＝7m.由于在布置钻孔时，通常使所有钻孔的间距都是相等的，因此不难列出孔排距b的计算公式为

为了获得良好的爆破效果，国内外普遍采用大孔间距、小排距的方式，再考虑到每孔装药量，经现场测定为16.5kg／m及保证填塞高度L′，最终确定孔排距b＝5.5m.

2.5 填塞长度L′

填塞高度是一个重要的爆破参数，堵塞长度关系到堵塞工作量的大小、炸药能量利用率和空气冲击波的危害程度.合理的堵塞长度应能防止爆炸气体产物过早地冲出孔外，同时又使台阶上部岩石能得到充分破碎.根据经验，按底盘抵抗线Wd的大小，填塞高度满足：

L′＝（0.5～0.75）Wd或L′＝4.5～6.75m再按照《爆破安全规程》的规定，填塞高度不小于孔深的，因此L′取≥5m.

2.6 炸药单耗q

影响单位炸药消耗量的主要因素有岩石的可爆性、炸药特性、自由面条件、起爆方式和块度要求.因此，选取合理的单位炸药消耗量，一般需要通过多次试验或经过长期生产实践来验证.采用下列公式

式中：r为岩石容重；f为普氏系数.

结合我矿生产实践，经过多次试验，综合确定q＝0.33kg／m3（可视现场实际情况进行调整）.

3 典型爆破分析

此次爆破位于东二采118～119勘探线，2310 m水平（东采区东扩区域，杨梅山地带），总设计孔数99个，爆破点距民房650m，采用网络管微差爆破.

3.1 穿孔设备选型

主爆区炮孔采用山特维克DI500钻机穿凿，孔径152mm.

3.2 台阶爆破参数

①炮孔深度和超深：炮孔深度L＝15m

超深Δh＝1m

②底盘抵抗线：W1＝9m

③孔距和排距：孔间距a＝7m排间距b＝5.5m

④填塞长度：L′取≥5m

⑤炸药单耗q＝0.33kg／m3，平均单孔装药量189kg，总炸药量18711kg.

3.3 装药结构

主爆区采用连续集中装药，为保证每孔炸药可响性，采用双管连线，先往炮孔（经检查为干孔）内装入蓬化炸药，装到一定高度的时候，将起炮雷管反向插入直径为70mm的岩石乳化炸药卷内，然后将网络管缠绕在药卷柱壁上，放入炮孔内，再放入蓬化药，然后再将起炮雷管正向插入直径为70mm的岩石乳化炸药卷内，将其缠绕在药卷柱壁上放入孔内，再装药（见图1）.

图1 装药结构示意图Fig.1 Charge structure schematic diagram

3.4 起爆网路

采用网络导爆管连接逐孔爆破技术，地表孔间延时65ms，排间延时为：

1排与2排，微差：17ms；2排与3排，微差：（17＋65）ms；3排与4排，微差：（17＋65＋65）ms；4排与n排，微差：［17＋65＋65＋（n－2）65］ms；孔内延时500ms；如图2所示.

图2 爆破设计网络示意图Fig.2 Blasting design network diagram

3.5 爆破振动速度的验证

根据大量实测资料证实，质点振动速度与一次爆破的装药量大小，测点至爆源的距离、地质地形条件和爆破方法因素有关［7］.根据现场对主爆区周边地质地形条件进行察看，资料收集分析，地质条件属坚硬岩石，K取150，衰减指数a取1.5.计算对采区周边最近村庄震速（最大响药量，由于采用逐孔爆破技术，Q＝189kg）为：

通过验算得出结论：单孔装药量增至189kg，地震波到达爆源距最近村庄的质点振动速度为0.11cm／s，小于土坯房、毛坯房质点振动安全允许速度，不会对采区周边民房造成影响.

3.6 爆破效果

此爆区爆破后，靠近边坡边沿，设置了保护孔，拉缝明显，没有对东边坡造成影响.爆堆隆起1.2～2.0m，岩石块度破碎较均匀，大块率控制在3%～5%以内，岩石破碎块度及深度满足铲装要求，爆破效果比较理想，达到了预期效果［6］.

4 原爆破技术相关技术参数

炮孔深度和超深：炮孔深度L＝10m

超深Δh＝0.8m

底盘抵抗线：Wd＝5.0m

工作台阶高度（H）：9.2m

孔距和排距：孔间距a＝5m，排间距b＝4.5m

布孔方式：三角形（梅花形）

布孔角度：90°（垂直孔）

填塞长度：L′取≥3.4m

炸药单耗q＝0.33kg／m3.

5 新旧技术比较

5.1 钻机柴油消耗

根据实际应用过程中，对一定时期内生产过程中钻机油耗及钻机进尺量进行统计、分析、计算得出：钻凿15m孔钻机柴油消耗量为1.2kg／m；钻凿10m孔钻机柴油消耗量为1.09kg／m，仅从每米进尺油耗来看，15m孔单米进尺油耗偏高.但在钻凿总方量一定的情况下，由于钻孔深度的加深，延米爆破量（孔网参数）的增大，钻机移动时间的减少，降低了岩石爆破单方柴油消耗量.经大量数据统计、整理、分析计算得出，15m深孔爆破技术岩石爆破穿孔单方柴油消耗为0.033kg／m3，原10m深孔爆破技术岩石爆破穿孔单方柴油消耗为0.053kg／m3，岩石爆破穿孔单方柴油消耗降低了0.02kg／m3.钻机柴油消耗总成本明显降低，据统计柴油消耗成本可降低37.5%，有效节约了爆破穿孔成本.

5.2 钻机效率

经现场进行监测、分析得出，在作业平台条件同等的情况下，钻机钻凿15m深孔（延米爆破量为35.93m3／m），钻机效率为33m／h；小时形成穿爆方量1185.69m3；钻凿10m孔（延米爆破量为20.7m3／m），钻机效率为38m／h，小时形成穿爆量786.6m3，每小时可多形成爆破量399.1m3.由于延米量的增大，从形成爆破方量（千米进尺量）上，大大提高了钻机生产效率，加快了穿孔作业进度.

5.3 警戒工作

晋宁磷矿采区周边，耕地较多，大多数在爆破警戒范围内，经常有附近村民农作，若放炮过于频繁，会给现场清理、警戒工作带来困难.每次清理现场需～1h，严重影响施工进度.该项目的实施，降低了爆破频繁带来的警戒因难，同时降低爆破对周边村民的影响，提高了施工进度.

5.4 爆破成本

采用15m深孔爆破技术，炮孔深度（台阶高度）增大，底盘抗线Wd增大，相应孔、排间距也随之增大；在总爆破量一定的情况下，在增大一次爆破岩量的同时，钻凿孔数明显减少，网络导爆管使用数量也随之明显减少，经一定生产时期的统计、分析、计算，新技术的应用，网络管使用数量可减少62%，每立方爆破量减少网络管使用费0.135元.有效降低了爆破器材使用成本［8］.

5.5 对各生产工序的影响

穿孔爆破主要是对矿体围岩进行松动、破碎，使其满足采装的要求.穿爆工作的超前进行，是采剥生产作业的必要条件，但较为频繁的爆破施工又会对采剥作业的正常进行造成一定影响.该技术方案的应用，可避免由于频繁爆破对采装、运输、调度工序造成影响，减少采装、运输、调度等工序的停顿次数，提高采剥作业效率［9］.

6 综合分析

在同种岩石性质、地质条件下，两种爆破技术设计方案，测试结果如表1所示.

表1 不同爆破技术设计方案指标测试情况Table 1 Different blasting technology design index tests

由表1可以看出，两种爆破技术方案相比较，15m深孔爆破技术与10m深孔爆破技术比较，钻机小时钻孔进尺量略低，但由于延米爆破量的增大，从形成爆破方量上来看，小时穿孔形成爆破实施方量远远大于10m深孔爆破技术，钻机效率得到了充分发挥.通过数据结果可以看出，这两种技术方案15m深孔爆破技术钻机每米钻孔进尺柴油消耗虽然较高，但在总爆破方量一定的情况下，单方岩石钻机柴油消耗较低，钻机柴油消耗总量减少；数据结果还表明，15m深孔爆破技术网络管使用投入成本明显降低，单方岩石爆破网络管使用成本远远低于10m深孔爆破技术.通过上述分析，15m深孔爆破技术的应用，有利于提高穿爆作业效率，降低岩石穿孔钻机柴油消耗及爆破成本.

7 结 语

该爆破技术的推广应用，着重解决爆破施工进度、爆破影响、钻机穿孔使用成本、钻机效率，爆破成本等问题，潜在经济效益大.与原有爆破技术相比较，具有很大的低成本优势和实施效应优势.但该技术主要适用于多排孔自由面比较好的区域台阶爆破，布孔方式采用三角形布孔，起爆顺序从邻近工作台阶坡顶线第一排孔开始起爆，爆破效果较好.爆破围岩如果只有一个临空面，两边岩石夹制作用较大，且排数比较少时，爆破效果则达不到预期开挖深度和破碎质量.

［1］汪旭光.爆破设计与施工［M］.北京：冶金工业出版社，2011.

［2］刘本龙.露天矿超深空大爆破设计［J］.露天采矿技术 ，2012（B8）：133－137.

［3］董淑斌，邓有燃，刘如成，等.深孔分段爆破在安家岭露天矿中的应用［J］.露天采矿技术，2012（B7）：115－116.

［4］孙之光，马宁，刘国庆.中深孔爆破施工技术的应用研究［J］.山西建筑，2012，19（38）：106－107.

［5］王根涛，牛庆，沈国强.东露天矿基建剥离软岩爆破最优爆破参数确定［J］.露天采矿技术，2012（B7）：108－109.

［6］潘东.露天矿山中深孔爆破边坡稳定性影响研究［J］.山西建筑，2012，20（38）：72－74.

［7］金波，张电吉.岩体可爆性分析及测试［J］.武汉工程大学学报，2009，31（3）：46－48.

［8］林岳棒.单体爆破成本的途径与实践［J］.有色金属：矿山部分，2005，6（27）：32－34.

［9］张世磊.改善露天矿深孔爆破质量的有效方法［J］.中国科技博览，2012（20）：355－356.