岩溶发育石灰石矿山钻孔爆破技术研究

龚士朋 陈丰金 冯君元

(兖州中材建设有限公司)

岩溶是碳酸盐岩在水的作用下形成的各种地形、地质结构的总称［1］。在矿山开采中，石灰石作为碳酸盐岩的一种，其岩溶构造及发育的程度极大地影响其开采难度和开采成本。对岩溶发育情况下的石灰石的开采进行针对性的科学研究，解决制约矿山正常生产过程中的主要技术问题，对保障矿山生产安全、提高矿山经济效益具有极为重要的意义［2］。本课题依据四川国大水泥厂乌龙洞矿山实际工作中钻孔爆破的施工经验及取得的成果，研究在岩溶发育情况下石灰石矿山的钻孔爆破技术。

1 岩溶发育石灰石矿山开采问题

在石灰石矿山开采中，经常遇到的岩溶类型地表以上的为溶穴或称溶蚀漏斗(如图1所示)，地表以下的为溶洞。一般情况下，地表下的溶洞必与地表上的溶穴相连，而溶洞又在地下沿灰岩的节理面或裂隙面延伸。精确定位所有溶洞的位置、走向和深度是困难的，需要花费大量的时间和成本，这对于追求经济效益的矿山开采是不现实的［3-4］。但是，溶洞的存在不可避免地对钻孔爆破施工带来巨大的影响，主要表现为:

图1 溶穴

(1)可能会造成卡钻，影响钻机的钻孔效率，或者造成钻杆、冲击器、钻头等的脱落。由于1个冲击器的成本近万元，加上钻头和钻杆，如果被卡死取不出来会造成很大的财产损失［5］，因此在岩溶发育地区的钻孔作业一定要坚持“小心操作，防止卡钻，力排故障，避免浪费”的原则。

(2)装药时炸药可能会漏入溶洞内，给装药带来困难，导致炸药不能沿钻孔正常上升，使药柱重心下降或上移，影响爆破效果，而且还会造成炸药浪费。

(3)由于溶洞的存在，改变了最小抵抗线。如果溶洞距离自由面较近，可能造成爆炸能量向此方向集中，导致“冲炮”，形成重大的安全隐患。如果药柱中心与溶洞间的距离小于与自由面间的距离，可能造成能量泄露至溶洞内，导致爆后岩石的破碎效果不理想［6］。

针对以上情况，在矿山开采实践中应采取各项技术措施，以消除溶洞的存在产生的不利影响，取得较好的爆破效果。

2 钻孔技术研究

2.1 钻机选型

在岩溶地质条件下，由于溶洞、裂隙和夹层的存在，特别容易出现钻杆被卡住的现象，严重时钻杆、钻头及冲击器会脱落报废。因此可以选择风压高、钻头直径小的潜孔钻机，这样可以尽量增加钻杆的扭矩，减少卡钻现象。在国大水泥厂乌龙洞矿山生产中，曾使用ø140 mm的钻头，经常发生钻头被卡住报废的现象，在总结经验教训后，采用 ø115 mm的钻头，卡钻现象大大减小。

2.2 钻孔角度

宜采用垂直钻孔，如果采用倾斜孔，钻头钻进时遇到岩石阻力会产生向上的漂移，使钻杆不在一条直线上，在穿过溶洞时会产生较大的错位，增加钻杆的旋转阻力，造成卡钻现象。

2.3 钻孔方案

(1)布孔时要严格按照设计的孔网参数进行。宜采用三角形布孔方式，个别孔位如果正好处于出露于地表的溶洞口，应在距洞口边缘1 m左右的位置布设，以避开溶洞。

(2)要控制钻杆的垂直度，在钻孔作业中最简单有效的方法是将地质罗盘仪平靠在钻杆上，缓缓调整钻杆角度，使罗盘指针指示90°。

(3)在钻孔过程中，如果遇到钻杆突然下沉、送风压力突然下降、孔口不出灰尘或空压机转速急剧升高等情况，说明可能遇到了溶洞。钻机操作手，可根据钻杆下沉的深度和风压的变化情况，大体确定溶洞的大小和位置。

(4)如果溶洞距离地表较浅，可以拔出钻杆，挪动钻机，在原孔附近1～2 m的范围内更改位置重新试钻;如果在较深处遇到溶洞，可采用在送风的同时反复提拉钻杆的方法，把岩粉吹入洞腔。同时溶洞内壁经过钻头的反复冲击也将变得光滑而易于钻杆通过。

(5)如果钻头被卡住，严禁反向转动旋转马达，以防止钻头脱落掉入溶洞。正确的做法是同时急速扳动旋转马达和提升马达的控制手柄，突然加力以克服破裂围岩对钻头的夹制阻力，使钻杆在旋转中缓慢上升。重复以上操作，一般情况下，都能排除卡钻故障。

(6)如果遇到钻头被卡死，经反复提拉后仍无活动迹象的情况，可以拆掉地面以上的钻杆，另外装上冲击器和钻头，紧贴钻孔边缘按相同的角度钻一新孔，直至被卡钻头附近，然后重新接上原来的钻杆，按上述第(5)条的方法操作。其原理是，新孔减小了围岩对原孔的夹制阻力，增加了被卡钻头的转动自由度，因而易于将其拔出。

(7)钻机操作人员在钻孔的同时要做好钻孔标识牌放在孔口，标识牌上要详尽记录该钻孔的情况，如钻孔的深度，有无溶洞，溶洞的位置、长度，有无泥土充填等，便于爆破作业人员在装药时采取相应措施。

3 爆破技术研究

3.1 孔网参数

岩溶地质条件下岩石的裂隙往往比较发育，再加上溶洞的存在使实际需要爆破的岩石减少，可以用较少的炸药爆破较大的矿岩体积。因此，可以选用较小的炸药单耗或采用较大的孔排距。

3.2 装药方案

宜采用间隔装药，由于岩溶的作用，常常造成装药时炸药不能在钻孔内均匀分布，使得爆破能量分布不均匀，在爆破后，有的位置岩石过度破碎，有的位置岩石块度又过大。通过间隔装药，在经过或接近溶洞的位置不装药，而在没有溶洞影响的位置连续装药，使炸药能量最大限度地作用于被爆岩石上，能较好地提高爆破效果。装药时注意以下事项。

(1)在开始装药作业之前作好准备工作，除了按设计要求准备好炸药、雷管以外，还要准备好必要的处理溶洞所需的用具，如吊绳、PVC管、皮尺或测量绳等。

(2)装药人员在装药前首先应该仔细观看钻孔标识牌，了解将要装填钻孔的详细情况，用测量绳或皮尺检查炮孔是否与标识牌上的内容相同。

(3)当溶洞位于钻孔的底部时，可以将一节长1.5～2.0 m、一端封口的PVC管，在另一端的管壁上对称的拴上吊绳，使封口的一端朝下，用吊绳吊住PVC管缓慢下放，同时用测量绳或皮尺测量下放的深度，当封口端位于溶洞的上边缘时停止下放，在孔口处固定住吊绳，使溶洞的上部开口被堵住，如图2所示。这时再将粉状乳化炸药缓慢倒入钻孔，即可避免炸药流入溶洞内而造成漏药，从而防止炸药不能沿钻孔上升的现象产生。

图2 溶洞位于钻孔底部时PVC管的使用

(4)当溶洞位于钻孔的装药段时，可以先将溶洞下部的炮孔装好炸药，再将一节PVC管放入孔内，此时要注意PVC管的长度一定要大于溶洞垂直方向的长度，这样才能保证PVC管在孔内保持直立，起到连通被溶洞隔断的钻孔的作用。如果溶洞上下壁之间的长度L小于1.0 m，可以继续在管内连续装药，如图3所示;如果溶洞上下壁之间的长度L大于或等于1.0 m，为了防止炸药爆炸时向较大的溶洞空腔内大量泄能，造成浪费，可以在管内装入岩粉或者直接用两端封口的PVC管隔断炮孔［7］，当通过溶洞后再装入炸药，如图4所示，这种装药结构相当于间隔装药，被间隔开的两段药柱需分别放入起爆药包，防止因装药不连续而产生拒爆。

图3 溶洞位于装药段且L＜1.0 m时PVC管的使用

图4 溶洞位于装药段且L≥1.0 m时PVC管的使用

(5)当溶洞位于填塞段时，对装药基本上不产生影响，但是如果溶洞的空腔过大则对炮孔的填塞会造成影响，可能出现放入大量填充材料炮孔依旧填不满的现象，这时也可以考虑使用PVC管穿过溶洞，再用填充材料堵塞炮孔。同时为了防止因溶洞的影响使填塞段的约束作用减弱，应在炮孔的顶部添加覆盖物，以防止冲炮。

(6)在没有PVC管的情况下，在装药段也可以把ø90 mm乳化药卷一节接一节的串连起来绑牢、固定在吊绳上，然后把药串缓慢送入炮孔内穿过溶洞，吊绳的上端固定在孔口附近，形成连续不耦合装药结构［8］。为了消除间隙效应，应注意在连续药柱中布置2个或多个起爆药包，以防止长柱装药在与孔壁存在间隙的情况下发生传爆中断而引起拒爆的现象，如图5所示。

图5 无PVC管时串连药卷的使用

(7)当溶洞或夹层中充填有泥土时，钻孔在通过泥土后直径变小，孔壁也变得不光滑，这种情况下如果装入乳化药卷可能会因摩擦力增大而卡在炮孔中造成堵孔。如果位置较深，往往因为炮杆的长度不够而难以处理。这种情况下应避免在炮孔内装入卷药，而应该缓慢地往炮孔内倒入粉状炸药，并随时用测量绳或皮尺检查炸药上升的高度，以确保装药顺利通过溶洞或夹层。

3.3 起爆方式

宜采用孔内高段位、孔外低段位接力的导爆管联线方式，孔内雷管的延期时间应大于或等于孔外传爆雷管接力时间之和，这样可有效避免由于2个炮孔之间因为有溶洞或裂隙贯通而引起炸药殉爆，从而避免产生大面积拒爆的现象。在实践中采用逐孔起爆的方式，孔内用MS10导爆管雷管，孔外用MS2导爆雷管逐孔接力起爆，即使因为溶洞或裂隙发生炸药殉爆，也只是临近炮孔的起爆顺序发生紊乱，避免出现跳段或发生大面积拒爆的现象［9］。

4 结论

在岩溶发育地区进行钻孔爆破作业是一项困难而繁锁的工作，并且具有相当高的危险性，操作不当或麻痹大意都可能带来严重的后果，造成重大的人员伤亡和财产损失。自2009年8月国大水泥厂投产以来，在该矿山的开采过程中不断探索总结，经过多次的试验调整，最终摸索出一套科学实用的钻孔爆破技术，确定了空气间隔装药、孔外毫秒延时微差分段、电雷管与导爆管雷管混联的爆破方法，有效克服了溶洞和裂隙对爆破效果的影响，减小了爆后岩石的大块率，减少了根底，提高了铲装效率。

［1］ 胡 强.安庆铜矿地面岩溶塌陷成因分析及综合防治对策［J］.有色金属:矿山部分，2012(6):74-78.

［2］ 陈星明，肖正学，谭 诚，等.小型露天采石场中深孔爆破方案优化设计［J］.爆破，2012，29(1):45-47.

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［6］ 和铁柱，池恩安，赵明生.软弱结构面对爆破效果影响及其控制［J］.金属矿山，2013(2):60-62.

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