金属矿山深部硬岩爆破的讨论*

李 林，郭连军，张大宁，徐鸿博

(辽宁科技大学， 辽宁鞍山市 114000)

随着经济的高速发展，对矿产资源需求的增加以及面临浅部资源日渐枯竭的情况，国内外的很多金属矿陆续转入了深部或超深开采状态。据不完全统计［1］，到21世纪20年代，我国有1/2的露天矿将转入地下开采，同时，有2/3的地下矿也即将转入深部开采或超深开采，然而面对深部岩石的复杂条件，采用爆破崩落矿石的开采方法将又迎来全新的挑战。例如:如何在深部岩石复杂应力环境下实施爆破;又如何控制爆破来降低对采场稳定性的影响;再者是如何能优化爆破设计来节能减排，达到高质量的爆破效果，以提高生产效率。

国外开采深度超过千米的金属矿山已将近百余多座。南非Witwatersrand地区的Tau Tona金矿在2008年开采至地下3900 m，超过南非3585 m的East Rand金矿［2］。Tau Tona金矿在2009年开采深度达到3910 m，成为目前世界上开采深度最深的矿山。与国内外的众多深部金属矿相比，虽然中国的金属矿开采深度尚浅，但是即将会有一大批金属矿也会进入深部开采。例如山东招远玲珑金矿、云南会泽铅锌矿、广东韶关凡口铅锌矿、湖北鄂州程潮铁矿都已进入了深部开采，河南灵宝崟鑫金矿竖井掘进深度已达 1500 m［3］。

进入深部开采环境后，将面临高地应力、高温、高提升等问题。目前的采矿方法和爆破方法是否适应以后的深部开采，尤其是随着深部开采后期的智能爆破和大规模机械化开采。深部岩石由于长期受高地应力的影响，其各种特性与浅部岩石特性相比会有很大的差异，再者深部岩石在开采时就具有岩爆、岩石冒落、失稳等开采动力灾害现象，如果不能选择合适的爆破方式和控制爆破能量，将会加剧这些动力灾害现象。

1 硬岩深部爆破的动力学特性

由于其形成年代和形成环境不同，不同岩石甚至是同一岩层，由于岩石的层理，节理及产状的分布不同，其结构和力学性能也会呈现很大的差别。而且，深部硬岩处于高地应力赋存条件下，环境复杂，岩石的各种特性与浅部岩石性质更是有着很大的差异。炸药在岩石介质中的爆炸是一个非常复杂的过程，目前还没有一套完整而系统的理论分析体系和定量计算依据，这也为深部岩石爆破理论研究增添了更多的困难。

1.1 深部硬岩的性质

由于高地应力的存在，在浅部十分普通的硬岩，在深部则可能表现出软岩的特征，从而引起巷道和围岩的大变形;浅部的原岩大多处于弹性状态，而深部的原岩处于“潜塑性”状态，各向不等压的原岩应力场引起的压、剪应力超过岩石强度，造成岩石的潜在破坏状态［4］，同时岩石的变形将会从脆性向延性转变。这可能对岩石的爆破是一种“好处”，但是这种“好处”会给深部巷道、岩爆等一系列的动力灾害提供机会。

深部地压通常有两种形式:变形地压和冲击地压［5］。变形地压是因开挖产生的围岩位移所引起的压力，这也是地压的最基本形式。冲击地压是一种岩石动力学现象，它是围岩内聚的大量弹性变形能在一定诱因下突然释放而表现的一种形式，在硬岩金属矿山叫做岩爆。深部高应力条件下，围岩具有产生大变形的内外部条件，将产生微观或宏观破裂、岩层移动、巷道底板、片帮、冒顶、断面收缩、支架破坏、采场垮落等，只有改善围岩应力分布状态，抑制围岩变形，阻止围岩失稳和破坏，才能减少岩爆等开采动力灾害。

1.2 深部硬岩的爆破及其控制

由于深部岩石处于复杂环境之下，对于在浅部开采所采用的爆破方式就不能直接用于深部岩石爆破，必须充分考虑到岩石所处的高地应力、高温以及岩石诱变出的各种性质来实施爆破。而且需考虑到因爆破所引起的围岩损伤、各种裂纹的衍生和扩张，爆破震动引起的岩爆、围岩失稳等情况。开采系统对原岩的扰动(动载荷)加上高地应力的双重作用使深部岩石处于动静组合受力状态下［1］。

岩体是十分复杂的非均匀、非连续的地质体。岩体中的爆炸效应也是相当复杂的，相比较其深部岩体中的爆炸则更为复杂，其爆破地震波的传播、扰动都有很大的区别。深部岩体中初始地应力可以达到与岩体单轴破坏强度相比拟的量级，当岩体具有该量级的初始地应力时，地应力对岩体中爆炸效应，特别是对破坏的影响比较明显。研究表明，在不超过岩体的强度范围内，即使增加不大的初始地应力量值，也可能显著地改变岩体爆破破碎的特性，因此在深部岩体条件下，岩体的三向爆炸破坏效应可以减小，直至当地压很大时破坏消失［6］。

采用爆破落矿是目前硬岩金属矿山最主要的落矿方式，因此在巷道掘进和工作面上经常需要爆破，岩体在不断地受到扰动和平衡过程中有的暂时局部达到稳定，有的则发生失稳等现象。爆破震动对岩石来说具有震动积累的效果，这就为岩石的瞬移和失稳提供了能量基础。为此有必要研究爆破对深部硬岩开采带来的各种影响。

2 深部硬岩的岩爆和动力灾害预防

硬岩矿山浅部开采中一般通过支护、崩落围岩、充填等方式来控制地压及其带来的危害，但是在深部开采中，运用支护、崩落围岩、充填等方式是远远不能够解决地压及其危害的，特别是由于爆破产生的一些诱导因素使得岩体在时间、空间和能量方面具有很多不确定性，最终导致岩爆、围岩失稳等一系列开采动力灾害。

在岩体中存在大量的裂隙、节理，使得岩体的爆破复杂化。对于深部岩体爆破，首先要用控制介质变形和破坏过程的手段来控制爆破的效果。在有裂隙、节理的爆炸条件下，固体介质的变形特性将导致爆源与裂隙间岩石的附加破碎，而附加破坏与静止裂隙相互撞击将导致裂隙相邻区域的岩石破坏增强，长期的爆破使得原岩体在空间和能方面的积累、震动效果的积累都将导致岩体各种性质的突变，成为深部开采中不可预防和估量的危险。在深部，岩石爆破的控制和开采动力灾害有着密不可分的关系，若能很好的控制爆破，开采动力灾害爆发的几率就降低很多，否则开采动力灾害发生的频率会居高不下，不仅严重影响了生产，也会给生命财产带来巨大的损失。所以，控制好硬岩深部的爆破是预防开采动力灾害的重要因素。

2.1 深部硬岩的岩爆

岩爆为地下开挖体空间周围岩体(包括断层滑移)的突然破坏，并伴随着受压岩体的应变能的急剧释放，岩爆往往以岩片弹射、大量岩石崩塌或者矿震的形式表现出来［7］。深部岩石由于重力引起的垂直原岩应力和岩石在构造运动过程中仍存有部分构造应力，二者的共同叠加形成高地应力。深部岩石在高地应力的作用下相当于在岩石内部施加了部分预应力，使深部硬岩成为储能体，即深部原岩具有能量源和能量汇的特性，在一定条件下，岩石内积蓄的变形能会释放出来，转变为动能［8］。而在深部实施爆破就会给岩石释放能量提供机会，造成岩爆和围岩失稳等一系列灾害问题。

在深部由爆破产生的震动积累、能量聚集、诱发节理、岩爆、围岩失稳等都是需特殊关注的问题。各种诱导因素的结合、条件的分析，都将成为深部硬岩爆破亟待解决的核心问题。对于岩爆发生的机理，陶振宇教授认为，岩石内部积聚了很大的弹性应变能，一旦受到机械冲击作用或爆破动力扰动就会突然释放出来，形成岩爆。有关统计资料显示，矿山岩爆的2/3发生在生产爆破之后［9］。

2.2 深部爆破对岩爆形成的诱因及预防

在深部开采中，由于各种爆破引起的矿震现象是很常见的。为此很多矿山为了检测岩爆和大的矿震现象，大都布置了微震检测系统，获取了大量的有关爆破引起矿震和岩爆等动力灾害的现场资料。大量数据表明，爆破与矿山地震之间存在着直接联系，并且爆破是矿山地震的主要诱导因素之一。

爆破对岩石不仅有震动积累效果，同时还有能量积累效果。两者在某种意义之下又可以相互转换，只要其中一种达到了岩石破裂的要求，岩石即可发生岩爆、围岩失稳、片帮等一系列灾害。通常对岩爆预防的方式是采用微震监测系统实时监测，辅助于支护来预防岩爆。面对爆破对岩爆发生的影响，不能从单纯意义上进行监测与支护，应该深入了解其岩石性质、节理发育、断层滑移、解理破坏等方面综合考虑，制定详细的防护措施，把爆破引起岩爆的可能性降到最低。矿山支护、崩落围岩、等控制地压的方法都可以为深部硬岩的开采提供很重要的作用。这些方法虽能起到控制地压的作用，却无法在深部或超深状态下岩爆和围岩失稳等开采带来的动力灾害预防方面取得突破性作用。国外深部硬岩岩爆支护基本上采用喷射混凝土、锚网及其联合支护，或是其发展形式如南非的锚网加索带支护。开采方法的合理选择、开采顺序的优化、井巷工程的合理布置及断面形状选择、采场与井巷支护方式的选择，对预防或减轻岩爆灾害有着重要的意义。

3 硬岩深部爆破落矿工艺与方法讨论

在金属矿山浅部开采中，传统的房式采矿法把阶段分为矿房和矿柱，先采矿房后采矿柱，留下的大量矿柱可以支撑围岩，控制地压活动，或者采完之后崩落围岩、充填采空区等方式去控制地压。但是在深部开采中，矿柱承受很大的静压力，开采后期回收矿柱时顶板沉降快，结果会导致严重的岩爆问题。所以在深部开采中运用常规的浅部开采方式是相当不妥的。而且在巷道的切割、采准、回采过程都需要通过爆破的方式来破坏岩石以达到开挖落矿的目的，但爆破产生的爆破震动对已开完巷道和原岩体的稳定性又产生了很大的危害，这是开采过程中无法避免的。目前对连续采矿模式研究尚浅，对爆破崩落矿石还是有相当的依赖性，很有必要把爆破对深部开采的影响纳入研究的范畴。

在深部爆破时，为了减少由爆破引起的开采动力灾害，控制开采过程中的单次落矿量，降低崩矿步距和爆破的能量，可以减缓岩体能量释放的过程，为岩体达到动态平衡提供时间，有效的控制岩爆或者围岩失稳等一系列动力灾害。在浅部开采中，无底柱分段崩落法采用挤压爆破落矿，阶段高度可以达到80～150 m，回采巷道间距和崩矿步距都可以达到很大，炮孔直径也逐渐增大，随之每次落矿也就增大了。但是，在深部开采中由于高地应力的存在导致岩石的很多性质发生了变化，为此只能控制单次爆破的能量和落矿量，降低崩矿步距来平衡复杂情况下地应力的动态平衡，同时就降低了由爆破引发的开采动力灾害发生的频率。在深部开采时，需要把浅部的空场采矿法、充填采矿法和崩落采矿法等开采技术进行限制性的修正才能够运用到其开采中，充分考虑因爆破带来的负面影响。

在深部爆破时，必须考虑在高地应力，高温情况下实施爆破的条件。对于爆破所采用的孔网参数、装药参数、起爆参数和炸药类型的调整和限制，合理地布置爆破方式，必须得进行室内与现场试验综合验证。在爆破过程中采取微差控制爆破，逐孔起爆，降低阶段爆破炸药能量的释放;通过高精度数码雷管精确控制微差时间，通过移频技术降低爆破振动的主频。工程中常用爆破震动记录仪对爆破震动情况实施监测和采集，然后通过小波变换时频分析法或者HHT法进行爆破震动信号处理。采集所得到的信号经EMD分解后，每一个IMF分量都有不同的震幅和频率，通过对每个信号的分析处理，调整爆破参数可以达到降低爆破震动的影响，进而控制爆破震动诱发开采动力灾害的几率。

在深部爆破时，针对不同的岩石和高地应力状况，选择与其相匹配的炸药来调整炸药能量的输出结构，降低无效能耗引起的地震，获得特定岩石最佳的爆破破碎及损伤效果，从而有效的控制爆破带来的负面影响。随着炸药生产工艺的改进和混装炸药车推广使用，使矿山根据需要适当调整炸药能量输出成为可能。例如:在采矿过程中掘进和落矿的目的不同，掘进主要是围岩的崩落成巷，而落矿是矿岩的崩落，面对不同的岩体则需要不同的炸药和爆破参数与其匹配，才能达到炸药的有效利用，降低无效能耗引起的地震及其灾害。为了能够更好的掌握岩石与炸药相匹配的关系，需要通过动态实验了解岩石的各种动力学特性。

4 结语

深部开采及其深部爆破是金属矿山发展的趋势。本文分析了深部硬岩的赋存、高地应力、如何通过爆破方式管理高地应力、如何减少开采动力灾害、充填采矿法在深部开采中的运用、爆破优化等方面，阐述了深部开采及其深部爆破的问题。分析了由于爆破震动导致的岩爆、巷道失稳等开采动力灾害，通过优化爆破设计，合理进行地压管理，减少灾害发生，可为深部开采提供较安全的环境。

［1］古德生，李夕兵.现代金属矿床开采科学技术［M］.北京:冶金工业出版社，2006.

［2］TauTona Anglo Gold.South Africa［EB/OL］.http://mining Technology.com/projects/tautona_goldmine/.

［3］王军强.崟鑫金矿岩爆与发生机理初探［J］.矿山压力与顶板管理，2005(4):121-124.

［4］李夕兵，姚金蕊，宫凤强.硬岩金属矿山深部开采中的动力学问题［J］.中国有色金属学报，2011(10).

［5］郭 超.金属矿山深部开采的若干关键问题［J］.工业技术，2009.

［6］钱七虎，王明洋.岩土中的冲击爆炸效应［M］.北京:国防工业出版社，2010:74-75.

［7］李庶林，桑玉发，等.深井硬岩岩爆巷道支护研究［J］.岩石力学与工程学报，1998(11).

［8］钱七虎.非线性岩石力学的新进展－深部岩石力学的若干关键问题［M］.北京:科学出版社，2004:10-17.

［9］王贤能，黄秋润.动力扰动对岩爆的影响分析［J］.山地研究，1998，(16)3:188-192.