预裂爆破技术在大型露天矿山的应用

李建华

（首钢矿业公司，河北唐山064404）

预裂爆破技术在大型露天矿山的应用

李建华

（首钢矿业公司，河北唐山064404）

简要论述了预裂爆破技术的爆破成缝原理和在工程建设中的应用情况，并以露天矿山为例，阐述了预裂爆破技术在保护边坡稳定中的作用，同时文章对预裂爆破施工过程中常遇到的有代表性的问题进行了论述，并提出了相应的解决办法，希望对类似施工起到指导和借鉴作用。

预裂爆破；预裂爆破成缝原理；边坡稳定

作为一种控制爆破技术，预裂爆破广泛应用于原岩基坑的爆破、公路高边坡和港口的开挖、露天及地下矿山控制爆破等工程建设领域。近年来随着矿山安全生产工作越来越受重视，边坡稳定已成为一项重要的研究课题。影响露天矿山边坡稳定性的因素有地质条件、岩性、水文、爆破振动等，其稳固程度往往是几个因素共同作用的结果。单从可控制来讲，矿区地质条件和岩性属于不能选择的自然属性。在矿山初步设计阶段，我们可通过优化爆破技术方案来减少边坡地质及岩性条件差对边坡稳定性造成的影响；对于水文地质条件差的矿山边坡，爆破后可采取疏水、喷浆、锚固等措施以减轻裂隙水、自然降水及径流对边坡造成的破坏。

露天矿山的边坡大都是爆破后采用挖掘的方式形成的坡面，为使其在矿山服务期内相对稳定，采用缓冲、预裂、光面等爆破技术，同时辅以减小爆区规模及单响最大药量等降振措施，降低爆破施工对边坡造成的破坏，最大限度地保证矿山服务期内的边坡稳定。

对比缓冲爆破，光面和预裂爆破更能有效降低爆破对边坡岩体的损伤。实施小孔径的预裂爆破在实际的施工中具有超前主爆区爆破且易于施工等特点，因而被许多大型露天矿山广泛采用。

1 预裂爆破对实现边坡稳定的作用

预裂爆破是超前主爆区的控制爆破，基于保护边坡岩体的完整性，提高稳固程度，从而保证边坡稳定的一种爆破技术。预裂爆破形成的贯穿预裂缝将被保护区和开挖区分开，使开挖区爆破应力波在裂缝面上因传播介质的变化而发生反射和衰减，通过预裂缝的应力波强度大大减弱，可有效降低对被保护岩体的破坏，因此而被广泛应用。

大型露天矿山多使用孔径为260mm、310mm的大型钻机，在实施预裂爆破时常选用100～200mm等小孔径钻机穿孔，同时采用径向不耦合装药，以降低炸药对孔壁施加的爆破压力。预裂孔内装药的不耦合系数越大，作用在孔壁上的爆破压力呈指数衰减程度越多，使边坡岩体的整体性、稳定性得以保护。国内大多数矿山预裂孔不采用垂直穿孔，而采用与矿山设计阶段坡面角相同的倾斜孔，倾斜孔的好处在于使阶段坡面岩石符合力学原理，其稳固程度得到提高，可更好地实现边坡稳定。

2 预裂爆破成缝原理

露天矿山的预裂爆破，沿着设计边界线穿一排密集孔（与台阶高度相同，常见孔径为100～200 mm），采用不耦合装药技术，爆破后炮孔连线沿着设计边界开裂出一条缝隙，从而将被保护岩体与爆破开挖区断开。

预裂爆破一次成功，需要满足两个条件：一是爆破冲击波及爆轰气体作用对预裂孔壁，尤其是待保护岩体一侧的孔壁不至于压坏；二是当预裂孔爆破后，预裂孔连线方向形成裂隙并连接成缝。炸药爆炸后，爆炸应力波与高压气体的联合作用，使预裂孔连线方向产生很大的拉应力，孔壁两侧产生相对的拉应力集中；一旦预裂孔间距很近，则孔间连线两侧全部是拉应力区，并达到足以拉断岩石的程度；在预裂爆破作用过程中，爆轰气体在预裂缝最终形成中起着主导作用。在实际应用中，一般孔径越小则半孔率越高，但为保证穿孔效率，大型露天矿山常采用孔径为110～150mm的潜孔钻机钻凿预裂孔，并采用径向不耦合装药结构。实践证明只要调整相邻炮孔的距离或孔内装药量便可达到成缝的目的。

3 预裂爆破施工工艺

3.1 穿孔方式

半孔率是衡量预裂爆破效果的一个重要指标，孔径越小，半孔率就越高，一般大型矿山使用潜孔钻机穿预裂孔，孔径为110～150mm。孔距取孔径的10～14倍，硬岩取小值，软岩取大值。预裂爆破的原则是不留根底和不破坏台阶底部的完整性，因此在大型露天矿山中常用潜孔钻机穿与设计坡面角角度相同的倾斜孔，倾斜孔底标高与阶段坡面坡底标高一致，如图1所示。

3.2 装药方式

为降低预裂爆破对孔壁的破坏作用，通常选用低密度、低爆速炸药，结构上采用不耦合装药方式，不耦合系数以2～5为宜，在允许的线装药密度的情况下，不耦合系数可随孔距的减小而适当增大。岩石抗压强度大时，应取较小的不耦合系数值［1］。以首钢水厂铁矿为例：炮孔内采用乳化药卷固定在竹竿上，孔底采用加强装药，上部间隔药包用导爆索串联起来，同时需注意的是炸药与边坡一侧不紧贴。如图2所示。

图1 倾斜预裂孔示意图Fig.1 Sketch of inclined presplit hole

图2 预裂孔装药结构示意图Fig.2 Sketch of charging construction of presplit blasting

3.3 填塞要领

预裂爆破的填塞目的是延长孔内爆破高温高压气体的作用时间，填塞长度以预裂孔爆破后不产生伞沿和后翻为目标，常取炮孔直径的12～20倍。填塞时通常先将炸药包装袋等柔软可支撑物堵塞炮孔后用孔渣填塞。

3.4 起爆方式

大型露天矿山预裂爆破常采用孔底起爆，孔底的加强装药可有效克服炮孔底部的岩石夹制作用，中部不耦合间断装药结构可减小对边坡的破坏作用。

3.5 爆破微差控制

预裂爆破一般采用毫秒微差爆破降低爆破振动，并按照环境要求设计单响最大药量。预裂孔超前主爆区起爆，超前时间一般不少于100ms。以水厂铁矿为例，常采用分组串联方式：以3～10个炮孔为一组，组内导爆索连接传爆，组间延时100～300 ms顺序微差起爆［2］。

4 预裂爆破效果评价

预裂爆破效果评价以爆区采装作业完毕后的半孔率作为主要的评价指标，半孔率指标要求在硬岩中不少于80%，软岩中不少于50%［3］。部分矿山同时辅以预裂缝宽度以及降振效果等指标来衡量其效果。一般要求爆破后岩体在预裂面上形成贯通裂缝，地表预裂缝宽度不小于1cm。对于爆破降振则主要是通过设计及施工来控制，通过孔距、装药参数、单孔最大药量、有效填塞等方法，来满足预裂爆破对飞石控制的要求。

5 预裂爆破技术在露天矿山应用中的常见问题和防治措施

5.1 预裂爆破后形不成整齐的壁面

对于均质稳定的岩体，预裂爆破后形不成整齐的壁面是设计施工中的常见问题，原因一般有三个方面：一是孔网参数设置不当，炮孔顶部形成伞沿或后翻，孔底超爆或欠挖底板不平。二是不耦合装药结构和装药量不当造成预裂孔的过爆或欠挖。三是微差时间控制不合理造成爆破效果不理想。

预裂爆破效果不佳，往往是一个或几个原因同时作用的结果，在施工中要根据工地的岩石种类、地质构造特征以及施工机具等条件，恰当地确定钻孔直径、炮孔间距、装药量及装药结构等参数，并不断进行调整和总结经验。对于预裂爆破主要参数的确定可以采用理论计算法、经验公式法、工程类比法等方法，有时用两种以上方法综合考虑来确定预裂爆破参数，以期达到理想的效果［4］。

5.2 爆破飞石

预裂爆破只有一个自由面，由于岩体的夹制作用和形成预裂缝的要求，爆破飞石的产生往往不可避免，但并非无计可施，我们可以通过改变炮孔间连线的起爆点来控制爆破飞石的移动方向，通过调整孔距、药量及齐爆炮孔个数及组间微差时间来有效减少爆破飞石危害。

5.3 过破碎岩体边坡的施工

对于岩体破碎的边坡，常遇到穿孔精度尤其是孔深不达标的问题，同时按常规的爆破施工方案往往形成超爆，从而影响边坡稳定性。对于该类边坡的爆破施工，我们可依施工经验适当增大孔距，采取与边坡境界线平行前移1～2.5个炮孔间距步孔的施工方案，同时对药量进行适当缩减，爆破后经挖掘机的采掘超挖可形成相对稳固的壁面。如边坡岩体过于破碎的壁面，还可采用注浆封闭、锚喷支护等方案，实现边坡稳定。

6 预裂爆破技术前沿展望

6.1 预裂爆破由装药爆破向静态劈裂方向发展

安全是其中一个非常重要的推动因素，当前预裂爆破主要采用炸药爆破的方式，不可避免得要产生飞石危害，为保证爆破安全，可采用静态劈裂技术，不使用或使用少量炸药，通过机械穿孔及静态劈裂技术使炮孔连线沿着预定轨迹开裂成缝。

6.2 低密度、低爆速炸药的研制

当前我国露天矿山预裂爆破多采用铵油、乳化药卷等炸药，国外矿山采用爆破峰值压力比常规炸药低的专用炸药用于预裂爆破工程中。根据ICI理想爆轰模型，降低炸药密度不仅可以降低爆速，同时也会导致爆轰压力的减小。在实际的非理想爆轰条件下，虽然炸药的爆速和爆轰压力会低于理论计算值，但它们都随着炸药密度减小而降低的规律是相同的，同时低爆速炸药可有效减小炸药对边坡岩体的破坏作用，因此低密度、低爆速炸药的研制可有效改善预裂爆破效果。国内乳化密度一般为1.05～1.25g/cm3，铵油炸药密度约为0.8～1.0g/cm3。有关研究人员曾使用0.5g/cm3的水胶炸药与铵油炸药等进行比较，结果表明低密度、低爆速炸药超挖量相对较少，半孔率也相对提高［5］。因此借鉴国外矿山的经验，低密度、低爆速炸药的研制对于提高预裂爆破的效果将具有积极的意义。

6.3 爆破介质的利用

预裂爆破通常以孔内空气作为介质传播爆轰波，实际的施工中由于是在完整岩体上的穿爆作业，炮孔内的水不能很好地随裂隙散失，因此在预裂爆破施工中水孔往往不可避免，我们注意到炸药爆破能量可以水为介质进行有效传播，节理裂隙发育的边坡水孔爆破往往将产生较大的破坏造成超爆，在完整性好的岩体中不会形成多少新的裂隙，可以达到很好的预裂爆破效果；因此在爆破设计和施工中我们可以将水作为一种很好的爆轰传播介质在预裂爆破中加以应用。

国外矿山在爆破介质的应用上除空气和水外也有一些特殊的例子：澳大利亚PTY炸药公司研制的Stemlok气囊袋施工简便，其内装有醋酸和碳酸钠小瓶，混合后可产生膨胀气体，实现气囊式间隔装药；美国西部某煤矿也采用Stemlok气囊袋，不同的是采用硬纸管进行不耦合装药［5］。

综合国内外矿山的施工经验，基于爆破介质的研究也是预裂爆破技术发展的一个方向；随着对爆破介质的研究和实践，预裂爆破技术也必将得到新的发展。

7 结论

本文结合国内外矿山预裂爆破技术的原理和应用情况，做了简要的论述，结合作者的设计施工经验对边坡预裂爆破施工过程中遇到的三个问题进行了论述，提出了相应的解决办法；并对预裂爆破技术的展望提出了一些自己的看法，希望对工程技术人员的边坡预裂爆破设计施工起到指导和借鉴的作用。

［1］翁春林，叶加冕.工程爆破［M］.北京：冶金工业出版社，2014：139-141.

［2］齐宝军，璩世杰，王爱民，等.水厂铁矿邻近边坡控制爆破技术研究与应用［J］.爆破，2009，26（3）：38-39，68.

［3］李宝祥.金属矿床露天开采［M］.北京：冶金工业出版社，1992：31.

［4］王德胜，龚 敏.露天矿山台阶中深孔爆破开采技术［M］.北京：冶金工业出版社，2007：58-59.

［5］熊代余，顾毅成.岩石爆破理论与技术新进展［M］.北京：冶金工业出版社，2002：64-68.

Application of pre-blasting technology in large-scale open-pit mine

LI Jianhua
（Beijing Steel Corporation Mining Industry，Tangshan Hebei 064404，China）

The blasting into joint principle of presplit blasting technology and application in the engineering construction are discussed briefly in this paper，and taking the open-pit mine as an example，and the paper expounds the presplit blasting technology which play an important role in protecting slope stability，at the same time the representative of the problems which often occur in the process of presplit blasting construction have been discussed，then the corresponding solution method is put forward.The study will play a role of guidance and reference for similar construction.

presplit blasting；presplit blasting into joint；slope stability

TD235.37＋1

Α

1671-4172（2015）03-0074-03

李建华（1982-），男，工程师，硕士研究生，采矿工程专业，主要研究方向为爆破设计与施工及矿山开采设计。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.016