预裂爆破技术在紫金山金铜矿的应用研究

夏鹤平

（福建省新华都工程有限责任公司，福建 上杭 364200）

随着露天采坑的不断扩大，当靠帮爆破作业时，露采现有的逐孔起爆方式有减震的作用，但是其减震爆破措施仍然不能完全满足安全生产及保护台阶免受直接破坏的要求。因此，如何保护最终境界台阶坡面的稳定成为一个不可忽视的问题。

预裂爆破是预先沿开挖边界的设计轮廓线布置较密集的炮孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区之前起爆，从而在开挖区与保留区之间预先形成一条预裂缝，使主爆区爆破时应力波传到预裂缝时，部分被反射掉，以减弱主爆区爆破时对保留岩体的破坏并形成平整的轮廓面。成功的预裂爆破面不仅平整美观，超欠挖量少，而且具有良好的减震作用。正是由于预裂爆破具有此特性，故在爆破工程中得到了广泛应用。因此，紫金山金铜矿露采最终边坡亦采用预裂爆破的方式进行处理。

1 预裂爆破设计

1.1 预裂孔爆破参数

（1）炮孔直径。紫金山金铜矿露采场可用于预裂爆破穿孔设备有阿特拉斯D55一体式钻机、CM351钻机、KQG-150潜孔钻机，三种钻机的炮孔直径分别为140mm、140mm、165mm。阿特拉斯D55钻机穿孔效率高、角度控制精度高、适应范围大，CM351钻机穿孔效率较低、角度控制精度低，KQG-150潜孔钻机则体积较大难以用于并段时的穿孔，因此预裂孔穿孔一般采用D55钻机。

（2）炮孔间距。炮孔间距一般是孔径的8倍～12倍，岩体完整取大值，岩体破碎取小值[1]，主要参照瑞典兰格弗尔斯给出的公式确定：

a=（8～ 12）d

式中：a为炮孔间距；d为炮孔直径，其取值范围140mm～165mm，对硬岩或完整性好的岩石取大值150mm，对软岩或结构破碎的岩石，取小值120mm～130mm。

（3）钻孔深度。炮孔深度根据台阶高度及设计坡比加超深确定，露采台阶高度为12m，超深取0.5m，最终边坡坡面倾角一般为70°，西南部平台坡面倾角为60°。则孔深为：

L=H ／ sina+h=12／ sin70° +0.5=13.30m，（60° 时 取14.35m）

式中：L为孔深，m；H为台阶高度，m；h为超深，m。

一般而言，钻机所穿出的岩粉堆积于孔口周边，在签证验收时特意加高20cm～35cm，所以签证时孔深要求在13.5m，预裂孔倾角为60°时，孔深一般在14.7m。

（4）装药结构。装药结构的基本思路，应考虑不仅要确保预裂缝按要求连续贯通，预裂缝的宽度也应到要求，还要在保证孔壁完整，避免炮孔壁受到破坏的基础上，最大限度提高边坡面半孔率，并且满足边坡平整度和稳定性要求。在不耦合装药结构中，首先炮孔底部必须连续装药，而炮孔中-上部采用间隔装药，使用最合理的布设，能最大程度均匀分配药卷和炸药的能量，再次，根据药卷设计直径、数量及间距，在药卷上牵引一根导爆索，一起附着在给定的竹片上，这样一个药串便形成了，最后将药串置于孔内，竹片紧贴边坡一侧的孔壁，炮孔均采用导爆索串接小药卷炸药，孔外用雷管一次起爆[2]。

（5）平均线装药量。鉴于预裂爆破最重要的要求是预裂缝必须贯通，且不能破坏保留岩体，所以装药量不适合使用偏大，选择适宜的装药密度，可以有效控制爆破能量对岩体的破坏形成一定数量的贯通裂缝，贯通裂缝形成好坏与减震效果相关，从而影响边坡稳定性。考虑岩性及孔网参数的经验公式：

式中：k为岩石强度系数（坚硬岩石系数取1.0～1.2，较坚硬岩石系数取0.6～1.0，较破碎岩石系数取0.4～0.6），坚硬岩石取大值，软岩取小值，大部分区域岩石为较坚硬中等强度，因此系数取k=0.8；d为钻孔直径，取0.14m～0.165m；a为预裂孔距，取130cm。将参数代人，则有q=0.96-1.13kg/m。

在以上计算的基础上，经爆破实验并考虑布药方便，将预裂孔平均线装药量确定为：q=1.0kg/m，根据不同的岩性可以提高或降低。为了使预裂缝完整贯通，需要在预裂孔孔底加大药量，才能达到较好的减震效果。预裂孔装药长度为12m,紫金山边坡预裂炮孔较深，底部夹制力较大，所以将孔底1.5m范围内的线装药量增大1.6倍，即：q=1.6kg/m。同样，为避免预裂爆破形成爆破漏斗，减小预裂孔处围岩破坏，孔口堵塞段以下1.5m段，线装药量减小三分之二，即：q=0.4kg/m（炸药采用32mm岩石乳化炸药，一节长度为20cm,重量为0.2kg。实际施工用胶布捆绑在竹片上，一般每节间隔约2cm，见图1）。

图1 预裂孔装药结构示意图

（6）不偶合系数。在长期的工程实践中，一般预裂炮孔直径d处于60mm～200mm区间时，不偶合系数适宜使用的公式为：

m=d／dy

式中：d为预裂孔直径，dy为预裂孔装药直径，采用32mm卷状岩石乳化炸药，直径32mm。不偶合系数一般超过2～4为宜，所以其不偶合系数m=(140，165)/(32*1.33)=3.29～3.88。

（7）堵塞。完成装药后进行孔口堵塞，就地取材将少量岩粉装入铵油炸药散装包装袋，随后立即卷为一团塞入孔中，置于炸药最上面，表面接触，之后使用少量轻微湿润，颗粒均匀但偏小的粘土，逐段夯实。总堵塞长度为1.0m。

1.2 缓冲孔爆破参数

（1）孔排距。一般采用三角形布孔，缓冲孔间距为a1，一般根据经验，缓冲孔距是预裂孔孔距a的2倍～3倍，经实际试验一般在3.5m～4.5m，对硬岩或完整性好的岩石取小值3.5m，对软岩或结构破碎的岩石取大值4.5m。缓冲孔与预裂孔排距b1为2.5m～3.0m，对硬岩或完整性好的岩石取小值2.5m，对软岩或结构破碎的岩石，取大值3.0m。在西南缓冲孔与主炮孔的排距b2为4m。

（2）装药结构。缓冲孔一般采用中间1.5m间隔装药，间隔材料采用岩粉。在岩性较好区域缓冲孔上部装37.5kg(1.5包)铵油炸药，下部装50kg（2包）。在岩性较差区域上部装25kg（1包)铵油炸药，下部装50kg（2包），见图2。

图2 预裂爆破装药图

1.3 起爆网络

起爆网络采用导爆索起爆网络。导爆管各预裂孔以一根主导爆索串联起来，将两发非电毫秒导爆管雷管，绑扎在主导爆索上，从而实现毫秒间隔起爆。边坡预裂孔应先于其他炮孔200毫秒以上起爆.以便首先形成连续贯通的预裂缝，以阻隔后续爆破时对边坡的扰动破坏。当预裂爆破规模较大时，可采用分段毫秒微差爆破，以减轻预裂爆破过程中对保留岩体带来的影响，通常在每段之间连接两发两段非电毫秒导爆雷管起爆。甚至有时为了更好地对预裂进行施工，是先爆破预裂孔，过一天或几天再进行缓冲孔与主爆孔的爆破，见图3。

图3 预裂爆破起爆网络图

2 爆破效果

最终边坡预裂爆破至2010年9月开始于露采应用，至今共处理边坡面积80205.59m2，具体数据如下表1所示。

表1 露采预裂平台面积统计

爆破出渣后，经过现场察看，边坡坚硬围岩上的残留半孔率达80%～90%，边坡面平整（如采场北部、中南部）；在比较风化或破碎的岩层段上残留半孔率也能达到30%～40%，且边坡面比较平整，没有发现明显的坑洼现象（如采场西南部、南部），如图4所示。通过边坡预裂爆破技术的实施，明显地提高了边坡的稳定，确保了采场下部生产的安全。

图4 采场北部和西南部预裂面整体效果图