露天采场靠界边坡控制爆破技术实践

师强强　崔正荣

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司； 2.金属矿山安全与健康国家重点实验室)



露天采场靠界边坡控制爆破技术实践

师强强1,2崔正荣1,2

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司； 2.金属矿山安全与健康国家重点实验室)

摘要为确保某露天矿边坡的稳定性，在现状调查和理论分析的基础上，采用预裂爆破技术，根据理论分析和现场试验，确定出适用于不同岩性的爆破参数，最后进行现场施工，取得了较理想的爆破效果，有效保证了高陡边坡的稳定性，为矿区露天边坡的后续施工提供了借鉴经验。

关键词靠界边坡预裂爆破孔网参数半壁孔

西北某铁矿是我国大型露天铁矿之一。采场开采阶段高度为12 m，开采至最终境界位置每2个阶段并段，并段高度为24 m；阶段坡面角为65°。铁矿岩性以白云岩和铁矿层为主，致密坚固，层理和节理均较发育。向斜核部和底部为板岩和云母岩，构成含矿层的顶底板，岩石层理发育，力学性质较差。区域内断裂发育，构造裂隙和风化裂隙比较发育，尤其是在浅部，矿区地层岩性复杂且变化较大。露天开采破坏了原始地层结构，矿区内存在褶皱和断裂构造以及小破碎带等，降低了矿、岩的稳固性，有可能造成采场边坡失稳。为了确保边坡的施工质量和稳定性，根据国内外大型露天矿边坡的经验，采用预裂爆破技术。

1爆破设计

1.1爆破方案

预裂爆破是在保护区爆破前在设计的边坡轮廓线爆出一条一定宽度的裂缝,减弱主体区爆破时地震波向边坡的传播并阻断向边坡外发展的裂缝,以减弱主体爆破对周围被保护对象的振动危害和对边坡岩体及其稳定性的危害,主爆孔爆破后沿预裂面形成一个光滑边坡。

根据预裂爆破的施工经验以及该露天铁矿的地质条件制定了施工方案：在靠界区域沿设计坡顶线穿凿一排预裂孔，钻孔倾角和阶段坡面角一致；靠界保护区域内穿凿垂直主爆孔，采用松动爆破；为减少爆破对临近边坡的震动影响，减小对固定边帮的破坏作用，主爆孔和预裂孔之间设置一排倾斜缓冲孔[1]；采场并段后台阶高度为24 m，预裂孔一次穿孔到位，缓冲孔和主爆孔进行单台阶爆破，炮孔布置见图1。爆破施工前，通过大量现场试验，对爆破效果以及预裂爆破减震效果进行测试分析，根据岩体含水和节理裂隙发育的特点，设计和调整预裂爆破和缓冲爆破参数，并根据采场的实际情况不断调整和优化。

图1　炮孔布置示意(单位：m)

1.2预裂爆破参数

1.2.1钻孔直径

通过比较150和120 mm孔径穿孔爆破方案，由于矿山上部大部分区域岩体破碎，含水量大，钻倾斜孔直径越大，成孔率相对就越低。当孔径为120 mm时，穿倾斜孔效率高，成孔率及爆破效果都较好，故预裂钻孔孔径取120 mm。

1.2.2炮孔长度

炮孔深度根据场地标高确定。为防止主爆区爆破应力波和爆破裂隙直达保留区，预裂孔要有一定超深。预裂炮孔深度L1按下列公式确定：

(1)

式中,L1为预裂炮孔长度，m；H为并段台阶高度，m；α为设计坡面角，65°；h1为炮孔超深， 0.5～1.0 m。

计算得出L1=27.5～28.5 m,取28 m。

1.2.3孔距

在预裂爆破中，炮孔间距的大小直接影响预裂缝的宽度和平整度。根据经验，中硬以上岩体预裂钻孔间距为

(2)

式中,a为钻孔间距，m；d为钻孔直径，120 mm。

计算得出钻孔间距a=1～1.4 m，硬岩取大值，松软的风化岩取小值。

1.2.4线装药密度

预裂孔的线装药密度是预裂爆破中最重要的参数之一。线装药密度过大，破坏预裂孔孔壁及周围的岩石，半壁孔率难以满足要求；线装药密度不足，预裂缝难以形成[2]。露天深孔预裂爆破线装药密度按下列公式确定：

(3)

式中,q1为炮孔线装药密度，kg/m；σ为岩石抗压强度，MPa；其他符号意义同前。

根据国内外矿山的经验数值以及本矿的具体条件，线装药密度一般在0.50～0.75 kg/m。

1.2.5堵塞长度

合理的堵塞长度和良好的堵塞质量对改善爆破效果和提高炸药能量利用率有重要作用。堵塞长度要与炸药量相适应，堵塞过短,药量过多，预裂孔口易形成漏斗状，堵塞过长,药量太少，则难以形成完整的预裂缝。根据经验，堵塞长度一般取12～20倍的炮孔直径[3]，根据岩性调整。充填前要先用炸药包装纸或编织袋放入堵塞段的下部，再用钻孔的岩粉充填，要使装药段与空气保持间隔，以免充填的岩粉掉入装药部位。

1.2.6装药结构

径向不耦合装药显著减少了药柱与孔壁的接触，最大限度减少了爆破对孔壁周围岩石的破碎，同时部分冲击波能量作用于相邻孔壁岩石，使其处于受拉状态，产生一条明显的预裂缝。露天深孔预裂爆破预裂孔装药不耦合系数一般为2～4，本矿预裂孔直径为120 mm，预裂药柱的直径约45 mm，径向不耦合系数为2.7。轴向采用空气间隔分段装药技术，预裂药柱用胶带间隔绑在导爆索上。随着炮孔深度增加，岩体的初始应力一般也呈增加趋势，炮孔底部的夹制作用就愈明显。为克服孔底较大的夹制作用，底部为装药加强段，增加的药量平摊到孔底1～2 m的长度上。上部为装药减弱段，在离地表一定距离内设置一个不装药段，不装药段的长度与该处的地层状况、预裂孔孔径以及装药量等有关，接近堵塞段顶部装药量为设计值的1/3～1/2。绑在导爆索上的药柱可以绑在竹片上，在孔外加工好，人工缓缓送入孔内。装药结构见图2。

图2　预裂孔装药结构　　预裂爆破参数根据岩石性质不同进行调整，表1为本矿山主要岩性以及对应的预裂爆破参数。

岩石类型炮孔直径/mm炮孔倾角/(°)炮孔长度/m炮孔间距/m炮孔排距/m填塞长度/m线装药密度/(kg/m)板岩碎裂岩12065281.1230.5板岩12065281.21.72.50.6白云岩12065281.31.52.50.75

备注：排距指距前排炮孔的距离。

1.3缓冲孔和主爆孔参数

缓冲孔和主爆孔孔径均为150 mm，考虑到本工程的具体要求和情况，岩石主要为板岩碎裂岩、板岩和白云岩，单位炸药消耗量q取0.4 ～0.7 kg/m3，根据岩性软硬情况进行调整。为了获得高质量的开挖轮廓，缓冲孔设置成倾斜孔，角度较预裂孔大，缓冲孔装药量约为正常孔装药量的1/2～2/3[4]。根据钻孔空间位置，缓冲孔前设置一排7.5 m深的缓冲辅助孔。表2为矿山主要岩性对应的缓冲孔、辅助孔和主爆孔参数。

1.4起爆网络和起爆方式

采用导爆索和塑料导爆管延时爆破网络。孔内预裂药柱用双导爆索连接，外搭接导爆索同时起爆。为确保预裂效果，预裂孔超前主爆孔至少100 ms起爆[5]，孔外延期一般采用5段非电毫秒导爆管雷管。主爆孔、缓冲孔采用双发普通非电导爆管雷管实现孔内延期，前排超前后排1～2段起爆。孔内导爆管雷管在孔外连接导爆索，导爆索端部接孔外延期雷管，同预裂孔主导爆索连接在一起用非电毫秒导爆管雷管起爆。网络连接见图3。

表2　缓冲孔和主爆孔爆破参数

图3　网络连接示意

2现场施工技术措施

根据不同地区的岩性选择具体的爆破参数，采取的主要技术措施如下：

(1)根据建议的参数计算公式，计算出不同岩性的合理参数范围，然后再由边帮的实际状况选取合理参数。在应用中，根据现场的实际状况，对参数进行了调整。由于东帮南岩体属于多裂隙软岩和破碎型岩体，岩层中又含水，对孔距和线装药密度进行了适当地调整。

(2)装药密度根据实际孔距的大小及周围炮孔状况做适当调整。在施工中，如果实际孔距大于设计孔距时，应适当增加药量；在未成孔的两侧适当增加药量。

3应用效果

根据前期预裂爆破试验和理论分析，在采场东南帮、北帮和西南帮分别进行了预裂爆破施工。采场东南帮以板岩破碎岩为主，且岩石含水量大，在破碎型含水岩体中进行预裂爆破，半壁孔痕率较低，达到60%左右，但是仍达到了保护边坡稳定性的目的，坡面无伞岩、浮石，不平整度小于20 cm，爆破效果见图4(a)；采场北帮以板岩为主，岩石相对完整，且含水量小，半壁孔痕率达到80%以上，坡面不平整度小于20 cm，爆破效果见图4(b)；西南帮以白云岩为主，岩石硬度系数大，完整性好，半壁孔痕率达90%以上，坡面不平整度小于20 cm，预裂效果较好，见图4(c)。

4结语

3次预裂爆破均在预裂孔之间形成贯穿的裂缝，且裂缝平整，实现了在确保爆破质量的前提下有效地降低对边坡的震动，达到保护边坡稳定的目的。通过预裂爆破施工发现，岩石愈完整均匀，愈有利于预裂爆破。在坚硬的岩层中进行预裂爆破，爆破参数容易掌握，容易获得良好的预裂效果。而在多裂隙软岩和破碎型岩体中进行预裂爆破时，孔距要相应缩小，适当地减少装药量，才能达到保护边坡的目的。

图4　预裂爆破效果

参考文献

[1]楼晓明,赖红源,唐小军.紫金山金铜矿靠帮高陡边坡爆破减震研究[J].爆破,2011,28(2):56-59.

[2]汪旭光.爆破设计与施工[M].北京:冶金工业出版社,2013.

[3]狐为民.黑岱沟露天煤矿预裂爆破优化方案设计与实施[J].华北科技学院学报,2012,9(2):26-29.

[4]沈立晋.预裂爆破技术在露天边坡中的应用[J].有色金属：矿山部分,2004,56(3):28-29.

[5]韦学忠.预裂爆破技术在大峰露天煤矿边坡保护工程中的应用[J].露天采矿技术,2014(12):11-12.

(收稿日期2016-01-13)

Practice of Controlled Blasting Technology of the Slope Close to Border in Open-pit

Shi Qiangqiang1,2Cui Zhengrong1,2

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co., Ltd.;2.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines)

AbstractIn order to ensure the stability of the slope of a open-pit mine, based on the present situation investigation and theoretical analysis, the pre-splitting blasting technology is adopted, the blasting parameters that are suitable to different lithology are obtained by theoretical analysis and filed test. Based on the above results, the site construction is conducted, the ideal blasting effects is acquired, the stability of the high and steep slope is ensured. It provides the reference for the further construction of the slope of the open-pit mine.

KeywordsSlope close to boundary, Pre-splitting blasing, Blasting parameters, Half hole

师强强(1989—)，男，硕士研究生，243000 安徽省马鞍山市经济技术开发区西塘路666号。

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