露天深孔爆破技术探讨

2014-05-07邓杭林

四川冶金 2014年2期

邓杭林

（攀钢集团矿业有限公司设计研究院，四川攀枝花 617000）

1 引言

深孔爆破是露天矿崩落矿石的主要手段，它直接关系到矿山的主要生产技术指标，对全矿的经济效益和安全生产有很大的影响，因此爆破技术对矿山的开采、掘进，特别对矿山的技术进步起着决定作用。不断提高深孔爆破技术、改善爆破效果已成为矿山技术工作的重中之重。露天深孔爆破的技术要求主要是:（1）安全控制；（2）预防根底、降低大块率；（3）确保边坡稳定。

2 露天深孔爆破安全控制技术

爆破的有害效应有地震波、飞石、冲击波、有毒气体、噪声和粉尘，作为露天深孔爆破，必须对地震波、飞石、冲击波三项分别进行安全距离计算，保证符合要求，同时，起爆网络的可靠起爆也是安全控制的重点。

2.1 地震波安全距离计算及防护技术

（1）地震波安全距离计算

表示爆破地震破坏的强弱程度叫振动强度或振动烈度，它可以用地面运动的各种物理量来表示，如质点振动速度、位移、加速度和振动频率等。对于爆破振动来说，用质点振动速度来表示振动强度更合理一些。质点振动速度可用下式表示:

式中:V——质点振动速度，厘米／秒；

Q——装药量（总装药量或一段装药量），千克；

R——药包中心至被保护物的水平距离，米；

M——装药量指数（国内多采用1／3）；

K——与爆破场地条件有关的系数；

α——与地质条件有关的系数。

K、α可以在现场通过小型爆破试验来确定，也可以参照类似条件下爆破的实测数据来选取。

爆破振动的安全距离可用下式计算:

式中:R安全——爆破振动安全距离，米；

Q安全——一次爆破允许的安全装药量，千克；

V安全——安全上允许的振动速度，厘米／秒。

（2）地震波的安全防护技术

通过试验和生产实践以及研究，对爆破地震波的危害提出了一些行之有效的控制方法:

①采取微差爆破，减少每段装药

通过控制最大一响炸药量来控制爆破震动，这样就可降低被保护点振动速度，有效降震。

②采用预裂爆破

预裂爆破能降震的原理是:爆区先起爆部分炮孔形成预裂缝，这种预裂缝对后爆药包所产生的震动起屏蔽、降低地震效应的作用。

预裂孔排孔间距:

式中:Φ——炮孔直径；

Pw——孔壁上的压力；

T——岩石抗拉强调。

预裂孔不偶合装药，炸药爆炸对孔壁产生的压力为:

式中:ρ——装药密度，克／立方厘米；

D——炸药爆速，米／秒；

Φc——装药直径；

Φn——炮孔直径。

③增加爆破中的高频振动

由于高频振动在岩土中传播时衰减快，而且振动频率与构筑物的固定频率不一致，因此爆破振动中的高频成份对构筑物的影响很小，研究产生高频振动成份较高的爆破方法，可达到降震的目的。

④提高延时精确性

起爆器材雷管的精确延时，是近些年发展起来的有效的爆破震动控制新技术。选择适当的延期时间能使波形相互干扰达到降震的目的。然而，有效的延时降震技术还有赖于建立准确延时间隔确定方法，以及起爆材料的精度。

⑤选择适当的炸药

炸药的性能、爆轰参数对地震效应影响较大，特别是炸药波阻抗与界质波阻抗匹配问题影响更大。炸药波阻抗不同，其爆震的强度不同，随着炸药波阻抗的增大，其质点振速、振幅也相应增大。

⑥选择适当的装药结构

装药结构对爆破地震效应有明显的影响，因此改变装药结构可以控制地震效应，通常采用空气间隔装药，变更炸药包直径等。

2.2 飞石安全距离计算及防护技术

（1）飞石安全距离计算

正常的台阶爆破，飞石一般不会太远，但是当堵塞长度过小或最小抵抗线过大而形成爆破漏斗效应，以及岩层中含有软夹层时，个别飞石可能飞散得很远，有时可能飞出1千米，计算飞石距离可利用以下公式:

式中:R——飞石的飞散距离，（m）；

g——重力加速度，（m／s2）；

v0——飞石的初始速度，（m／s）。

式中:Q——装药量，（kg）；

W——最小抵抗线，（m）。

对于计算出的R还应考虑爆破点的位置，安全保护区低于爆破点的位置，应增加距离，反之应减少；无论计算结果如何，该距离不得小于国家安全规程规定的200m安全距离。

（2）飞石安全防护技术

露天深孔爆破的飞石主要产生于孔口和前排，造成孔口飞石有两个原因:一是堵塞不严，产生冲炮并带出孔口松动岩石；二是装药过多，堵塞长度不够，使孔口石块飞出。造成前排飞石的主要原因是前排临空面不平，最小抵抗线差异较大，或结构面切割，甚至裂缝于炮孔贯通。对于孔口飞石，防护措施可在孔口加压砂包，就能够既消除冲炮隐患，又能限制孔口松动石块的飞出，同时又能有效地降低大块率。对前排飞石的防护，一方面可采用多排微差爆破，减少前排出现次数；另一方面，可根据前排抵抗线和结构面变化情况，在抵抗线太薄的位置堵塞岩粉作间隔装药。如果使用铵油炸药，必须防止过量的炸药流入前排裂缝，否则必将造成大量飞石。一旦发现炮孔与贯通裂缝或空洞相连，应将该段炮孔堵塞，分段装药。如果发现有过量铵油流入裂缝中，必须注水溶解，然后再回填石沫堵塞裂缝贯通段。个别飞石的飞散距离与爆破方法、最小抵抗线的大小、堵塞长度和堵塞质量、孔间或排间毫秒延期时间、地形地质构造以及气象条件有关。为了防止飞石的产生，工程技术人员在爆破设计和施工时，一定要根据爆破条件的变化合理确定单位炸药消耗量和爆破参数，保证炮孔的堵塞长度和堵塞质量，以及采取以上种种措施。

2.3 爆破冲击波安全距离的计算与防护技术

（1）爆破冲击波安全距离的计算

式中:R——冲击波的安全距离，（m）；

K——为系数，有掩体取15，无掩体取30；

Q——为最大一段起爆药量，（kg）。

（2）爆破冲击波安全防护技术

为了减少爆破冲击波的破坏作用，可以从两方面采取措施，一是防止产生强烈的空气冲击波；二是利用各种条件来削弱已经产生了的空气冲击波。通过合理确定爆破参数、避免采用过大的最小抵抗线，防止产生冲天炮，选用合理的微差起爆方案和微差间隔时间，保证岩石能充分松动，消除夹制爆破条件；保证堵塞质量，防止高压气体从孔口冲出；推广导爆管和电雷管起爆，尽量不用高能起爆索起爆。这些措施都能提高爆破时爆炸能量利用率，有效防止产生强烈空气冲击波。此外，尽量避免爆区正面朝向被保护物，无法避免时也应将建筑物的门窗打开，必要时搭设防护架。

2.4 起爆网络安全起爆技术

如果用电爆网络，则要根据爆区气象水文条件、爆破要求、成本等方面综合考虑，选用普通瞬发、秒、毫秒延期电雷管，以及抗杂电雷管，无起爆药雷管，预防杂散电流，雷电等的影响，提高电爆网络的安全性、可靠性，防止发生早爆事故。导爆管网络由于操作简单，不受外来电影响（雷电除外），成本低，可实现等间隔微差起爆，并且起爆段数和炮孔不受雷管段数限制而得到广泛推广应用。缺点是起爆前无法用仪器检查；爆区太长或延期段数太多时，采用孔外延期网络容易被空气冲击波或地震波、飞石破坏网络；在高寒地区塑料管硬化会恶化导爆管的传爆性能。推荐使用新型导爆管发射四通多闭合起爆网络。该网络具有以下特点:（1）整个起爆网络呈网格状多通道，传爆方向四通八达，个别雷管或导爆管的缺陷不影响整个起爆网络的准爆性；（2）对于每个雷管至少有两个方向传递爆轰波，起到双保险作用；（3）整个起爆网络中只要一个结点被击发，即可使整个网络起爆；（4）网络连接操作简单，便于检查；（5）起爆雷管不受限制，可以把封闭的网络无限扩展然后单点或多点击发，以起爆整个网络。

3 预防根底、降低大块率

3.1 预防根底的产生

3.1.1 根底产生的原因

露天深孔爆破产生根底的原因很多，综合起来有以下几个方面:

（1）设计不合理。孔网参数过大或过小都会产生根底，孔网参数过大，深孔炸药产生的能量不足以克服抵抗线的阻力，产生根底。反之，孔网参数过小，尤其是后排孔，炸药爆炸能量过大，产生强烈后冲，这样使下一轮爆破的前排台阶坡面角变缓，由于钻孔（垂直孔）等方面的技术原因，使前排孔抵抗线增大，从而产生根底。其次，爆破设计不合理，使爆破有拒爆孔，这样就必然产生根底，此外，所用炸药与岩石不匹配也会产生根底。

（2）施工管理不善。由于孔深不够或有的炮孔积水较深药不沉底，以及孔内掉有过多粉尘和杂物，未妥善处理，使装药不到位，或在装药施工中药块阔整袋的炸药直接装孔，由于孔内气体排不出，而出现卡孔等原因使炮孔底部至装药的地方出现空白段，这样极易产生根底。

（3）复杂的地质原因。如孔从断层或软弱带边上穿过，炮孔爆破后，爆炸能量从断层或软弱带冲出，也有使前面岩石得不到破碎而留下根底。

3.1.2 根底的预防及措施

（1）统一规划、合理设计。无论是什么地质类型、什么规模的露天矿，在生产时期和同一个时期在不同的地点，都会遇到具有不同岩性或不同风化程度的岩石，这种不同岩性或不同风化程度的岩石，往往都具有不同的可爆性。因此，有必要按它们的可爆性进行合理的分类，统一规划，对不同可爆性的岩石类，逐一进行设计，然后再到实际生产中进行检验，并根据实际的爆破效果进行调整形成标准设计，这样就可有效地预防根底的产生。

（2）选用合适的炸药使之与岩石匹配。研究与理论分析表明:当炸药的密度与爆速之乘积和被爆岩石的声阻抗（即岩石密度与纵波波速的乘积）相近时，炸药能可以有效地传递到被爆岩体中，这样有利于岩体的破坏，有利于克服根底。否则，在坚硬岩石中使用低爆速低密度的炸药，往往会产生根底，而在比较松软的岩石内，用高爆速高密度的炸药会引起后冲，当后冲严重时也会给下次爆破造成根底。

（3）消除隐患，防止拒爆。炮孔拒爆是引起不良后果的一个重要原因。这不仅使炮孔所负担的岩石得不到较好破碎，出现根底，而且还会使后排孔出现根底，因此在露天深孔爆破中，必须防止拒爆。在大区爆破中，一次所爆破孔数较多，此时更应注意严格按操作规程操作。

（4）加强生产管理。首先应按设计并根据现场的情况进行布孔。在钻机打完孔后，对每个孔都要进行验收和记录，对不合要求的孔要根据情况进行处理，如孔深不够要返工，偏斜较大的把原孔堵塞，在附近恰当的位置重新打孔。在装药前，对每个孔要重新进行检测，对水孔和有粉尘的孔要吹孔，并使之符合设计要求。严禁整袋或大块的装药，以防卡死。

（5）增加临近系数，改变起爆顺序，采用“V”型或“斜”型起爆。国内外的研究和实践证明，采用宽孔距爆破，能够有效地改善破碎质量。采用宽孔距爆破对于克服底盘阻力即根底也是同样有效的。由于钻机的技术原因及台阶边坡角等几何因素的制约，在靠近台阶的前排孔要想缩小它的抵抗线几乎是不可能的，它往往由台阶的几何要素决定。因此我们只能通过改变微差爆破的起爆顺序来增大炮孔爆破时的实际临近系数。采用“V”型或“斜”型起爆顺序是十分有效的。

（6）如遇具体情况要及时处理。矿山实际生产中常遇到各种各样的问题，因此要求我们在生产中要灵活掌握，根据不同的情况采取一些相应的措施。

如果遇到上次爆破后冲较大，使本次爆破的台阶边坡角延缓，首先要校核底盘抵抗线，若底盘抵抗线不是特别大，可通过适当增加超深（1～2m，超深过大是毫无作用的），把底部炸药改成高威力炸药，后排仍然是正常装药，这样就能克服根底。若底盘抵抗线大了很多，可根据计算把前排单孔附近再加一孔甚至可以是双孔，所加炮孔只是在底部装2～3m长的炸药。

如果在某些挖堑沟地段或别的原因使台阶高度有变化，此时除了正常孔增加孔深、增加装药外，还应特别注意前排孔，当底盘抵抗线增大时可按上面方法进行处理。

如果遇到台阶底部突出部分，可预先进行根底处理，免得形成更大的一片根底，给生产造成被动。

如果遇到断层或软弱带或软弱夹层，应该调整设计，以地质断层为基点布孔，防止孔与断层软弱带太近出现冲炮而引起根底。

3.2 降低大块率

3.2.1 大块产生的原因

一般说来，露天矿爆破时前排炮孔和炮孔上部充填部位极易产生大块，因台阶上部和边缘受到前次爆破的破坏，导致前排穿孔时成孔率低，造成抵抗线过大，炸药单耗降低，自然裂隙受到扩张而产生新的裂隙，爆破时很容易沿裂隙松动，在一定的装药条件下，获得的爆破能量减少。天然节理、裂隙是爆破产生大块的重要原因，在采用柱状装药条件下，炸药爆炸瞬间形成的冲击波造成药包周围岩石被极度压碎，形成粉碎区，而一部分能量通过岩石裂隙散发出来，裂隙越多爆炸冲击波的能量衰减就越多。另外，裂隙中过厚软弱夹层的存在，减弱了炸药爆炸冲击波和气体破碎的能量，使炮孔充填部位的岩块在没来得及破碎时，就被推倒爆堆中形成原生巨块。

3.2.2 降低大块的措施

3.2.2.1 选取合理的爆破参数

在确定爆破地段的爆破参数时，要对所爆矿岩的的力学指标、地质构造、场所条件进行全面透彻的了解和确认，当爆破自由面有根底时第一排炮孔要加大超深，布孔必须均匀并确保钻孔质量；在有条件的情况下尽量使用大孔径钻孔，对难爆矿岩要适当增加炸药单耗，对孔口的填塞要按要求完成。

3.2.2.2 优化爆破方案

根据爆破工作面的具体情况，采取多样化的布孔形式（三角形、矩形、方形）和起爆方式（V形、斜线、梯形起爆），广泛推广挤压爆破技术，使先爆炮孔为后爆炮孔提供更多更好的自由面，同时可加大二次碰撞次数，改善矿岩破碎块度，降低爆破大块率。

3.2.2.3 优化装药结构

由于为了装药方便，一般在装药时采用连续不偶合的装药结构，炸药单耗较高，且由于矿岩裂隙的存在，炸药被无效消耗，不能起到既节省又改善破碎度的作用，因此，要采用空气间隔或分段装药技术，可有效延长爆破作用时间，增大爆炸冲击量，达到降低爆破大块率的目的。

4 确保边坡稳定

随着露天矿向下延伸，边坡稳定问题日益突出，为了保护边坡，临近边坡的爆破要严加控制，一般采用微差爆破、预裂爆破和光面爆破。

4.1 采用多段微差爆破减震

采用多段微差爆破可减少每段爆破装药量，即使不能完全分离各段爆破的震动，但可以使各段震波的“主震相”得到某种程度的分离，从而在实际上呈现各段爆破的单独作用，使得多段微差爆破所引起的震动不决定于总药量，而决定于一段药量的大小。如此可有效减少爆破震动对边坡的影响。

4.2 采用预裂爆破隔离边坡

临近边坡的预裂爆破就是沿边坡界线钻凿一排较密的平行钻孔，每孔装入少量炸药，在采掘带未爆破之前先行起爆，从而获得一条有一定宽度并贯穿各钻孔的裂缝。由于这条预裂缝将采掘带和边坡分隔开来，随后采掘爆破的地震波在裂缝面上将产生强烈的反射，使得透过它的地震波的强度大为削弱，从而保护边坡。

4.3 采用光面爆破隔离边坡

临近边坡的光面爆破，就是沿边坡界线钻凿一排较密的平行钻孔，在孔内装入少量炸药，在采掘钻孔爆破之后再进行起爆，从而沿密集钻孔形成平整的岩壁。如果不采用光面爆破，边坡面岩壁参差不齐，松动岩石或散岩较多，对下部工作面构成严重的安全隐患，因此必须在临近边坡的岩壁采取光面爆破。在进行光面爆破时，关键是确定合理的爆破参数，缩小抵抗线距离和孔间距离，采用间隔不偶合装药，使用爆速低传爆性能好的低威力炸药。