刚果(金)露天金属矿预裂爆破技术

张震宇 祁晓鑫

(中铁九局集团有限公司大连分公司)

由中国中铁刚果(金)矿业建设有限公司承担剥离施工任务的华刚矿业铜钴矿D坑采场位于刚果(金)加丹加省科卢韦奇市西南，采场西帮为20世纪90年代比利时人开采遗留区域，西帮风化程度较高，岩性破碎，稳定性较差。现阶段采场采掘重点部位为采场西部1 252 m水平的 RSF(CU2)主矿体，该区域临近采场西帮固定边坡，采用传统爆破技术无法满足边坡稳定性控制需求。为此，本研究采用预裂爆破技术对该边坡稳定性进行控制。

1 预裂爆破试验方案

结合矿山实际情况和现有穿孔设备，预裂爆破试验选用Atlas-D55钻机钻凿预裂孔，该钻机钻孔直径为152 mm，可以打倾斜钻孔，能够满足预裂孔钻孔需求。采用空气间隔不耦合装药预裂爆破方案[1-4]。

1.1 预裂孔不耦合系数

采用不耦合装药方式的目的是为了降低孔内炸药量和爆炸后的初始压力，避免炮孔周围岩石过度粉碎，以形成更完整的预裂缝。预裂爆破不耦合系数的计算公式为

(1)

式中，Kv为不耦合系数；Sc为单轴极限抗压强度，kg/cm2。

根据矿山地质情况，采场西帮RSF矿体普氏系数f=12，经过换算，可知RSF抗压强度(σc)为120 MPa，即1 200 kg/cm2。经式(1)计算可得，Kv=3.9。

不耦合系数也可采用下式计算

Kv=D/d，

(2)

式中，D为钻孔直径，mm；d为药卷直径，mm。

试验采用的卷装乳化炸药单个质量为2 kg，长560 mm，直径38 mm，根据式(2)计算出的实际不耦合系数为4，可满足不耦合系数取值条件。

1.2 钻孔间距与线装药密度

采场西帮岩石为层状硅化白云岩，该岩体硅化程度较高，岩体较硬，抗压强度约为120 MPa。参照类似矿山在该力学状态下岩石的预裂爆破参数取值，可得出钻孔直径φ、线装药密度QL和钻孔间距a的相互关系，如表1所示。

表1 国内外部分露天矿山岩体强度和预裂爆破参数经验取值

注：岩体抗压强度为σ为120 MPa。

对表1中的数据进行回归分析，可知相关性系数为0.964，线性回归曲线的相关性系数为0.998 6(图1)。

图1中σ与QL的线性关系可用下式表示：

QL=7.648 5φ+258.66 .

(3)

将钻孔直径152 mm代入式(3)，可得QL=1 421.232 g/m，本研究QL实际取值为1 400 g/m。

同理，可得φ与a的线性关系式：

图1 σ与QL的线性关系

a=0.767 3φ+4.879 8 .

(4)

将钻孔直径152 mm代入式(4)中，可得a=121.5 094 cm，本研究a实际取值为1.2 m。

1.3 预裂炮孔装药结构

本研究预裂孔的装药结构采用空气间隔径向不耦合装药方式[5-8]。在预裂炮孔中将3卷乳化炸药(共6 kg)用宽胶带捆扎绑紧后置于孔底，起爆药柱用宽胶带固定于孔内管上，并按照线装药密度1 400 g/m 进行间隔装药，上端充填段充填长度为3 m，装药结构如图2所示。

图2 径向空气间隔不耦合装药结构

1.4 预裂爆破孔网参数设定

本研究露天矿设计段高为15 m，边坡角60°，为提升爆破效果，采用分层爆破方式[9-10]。一次爆破段高为7.5 m，其中主炮孔选用阿特拉斯DML型牙轮钻进行穿孔作业，钻孔直径为250 mm，采用乳化炸药耦合装药方式，炸药密度为1.05 g/cm3，在相同段高及岩性条件下，炮孔装药系数为0.5，炸药单耗为0.6 kg/m3，炮孔密集系数为1.15，经计算得出的底盘抵抗线为6.1 m。炮孔排距取6 m，根据炮孔密集系数计算出的主炮孔间距为7 m，超深取值1 m。预裂孔孔间距为1.2 m，沿着边坡境界线进行穿孔作业，坡顶线与坡底线的水平间距为4.3 m，远离坡底线0.7 m布置缓冲孔，因此缓冲孔与预裂孔的排间距为5 m，根据炮孔密集系数得出缓冲孔间距为6 m，炮孔布置平面如图3所示。

1.5 预裂爆破孔网参数设定

在其他爆破参数固定的条件下，单排孔爆破或多排孔爆破时，第1排孔装药量的计算公式为

Qk=qahtWD，

(5)

图3 炮孔布置示意

式中，q为单位炸药消耗量，kg/m3；ht为台阶高度，m；WD为底盘抵抗线，m。

经计算得出主炮孔第1排孔的单孔装药量为Qk=192.15kg，实际取值为190kg。多孔爆破时，后排孔应取第1排孔单孔药量的1.1～1.3倍，考虑到最少预留4.5 m填塞高度，后排孔取第1排孔单孔药量的1.1倍，即后排孔单孔装药量为210 kg。正常情况下缓冲孔药量取值应为主炮孔药量的50%～60%，为减小缓冲孔爆破冲击波对固定边坡的扰动，缓冲孔采用D55潜孔钻机进行穿孔作业，装药结构为孔底30 kg乳化炸药耦合装药，上部装药结构为卷装乳化炸药12卷，每3卷1组用宽胶带捆扎后置于孔内，顶部确保3.5 m填塞高度。

1.6 起爆网络和起爆方式

试验中预裂爆破设置主炮孔3排、缓冲孔1排、预裂孔1排。考虑到预裂爆破装药复杂、作业时间长，每次爆破的预裂长度控制在100 m以内。预裂孔选用导爆索连接起爆网络，齐发起爆形成预裂缝，起爆时间优先于主炮孔100 ms，主炮孔与缓冲孔采用25 ms微差逐孔起爆方式。

1.7 爆破施工注意点

①预裂爆破须采用清渣爆破方式，减小主炮孔爆破后冲，保证爆破质量；②前排抵抗线可根据情况适当缩小，避免由于抵抗线过大造成后冲对预裂效果产生影响；③导爆索网路连接应考虑爆轰波的传爆方向,必须确保每条支路的接头迎着传爆方向，夹角应大于90°；④导爆索网路在敷设过程中，应避免脚踩和冲击、碾压导爆索；⑤保证预裂孔穿孔区域作业面平整，确保钻孔角度统一，使预裂孔形成于同一个预裂面上。

2 预裂爆破试验效果

本研究预裂爆破试验区位于采场西部临近采场西帮的RSF(CU2)主矿体区域，矿石种类为层状硅化白云岩，极限抗压强度约为120 MPa，普氏系数f=12，矿石密度为2.6 5 t/m3，矿石硅化程度较高，岩石完整性较好，可爆性差。严格按照本研究设计参数在预裂爆破试验区域共进行了4次缓冲预裂爆破试验。爆破后爆堆表面预裂缝较明显，主炮孔爆堆隆起正常，经采装作业后，除节理裂隙发育程度较高的部位以外，预裂孔的半孔率达到80%以上，围岩破坏不明显，预裂缝连续性较好，边坡岩体的稳固性得到了充分保护，预裂孔和缓冲孔之间没有根底，主炮孔大块率小于1%，采装效率较高，达到了预期的爆破效果(图4)。

图4 爆破效果

3 结 论

(1)在进行预裂爆破方案设计时，应综合分析矿山地质条件及所爆岩体的主要力学性质和主要参数，在理论分析及经验公式计算的基础上，确定预裂孔孔径、线装药密度、孔距，而后通过现场试验分析爆破效果，进一步验证预裂爆破参数取值的合理性。

(2)当岩石抗压强度较高，岩体完整程度较好时，可采用空气间隔径向不耦合装药预裂爆破技术，爆炸后产生的高压气体对孔壁的径向作用，有利于预裂孔间预裂缝形成，且预裂孔底加强装药有利于预裂孔底部的岩石充分致裂和适当破碎。

(3)由底盘抵抗线推算出的主炮孔的孔网参数以及单孔装药量，对于爆破施工有较好的指导意义。

参 考 文 献

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