不同孔径导向孔在研山铁矿BHPO预裂爆破中的应用

2021-03-08刘小伟王洪辉

现代矿业 2021年1期

刘小伟周蒙王洪辉

(河北钢铁集团司家营研山铁矿有限公司)

司家营研山铁矿为河北钢铁集团矿业公司下属特大型矿山企业，其中露天矿年采剥总量超8 000万t，选用KY-310牙轮钻机穿孔，选用WK-20B电铲采装，-67 m以下设计台阶高度15 m，炮孔直径大于50 mm、孔深大于5 m，为标准的深孔爆破，穿孔设备和铲运设备大型化极大地提高了生产率，但是由于炮孔孔径较大一次爆破用药量较多，给边坡稳定性带来巨大的影响[1]。司家营矿区本着安全第一绿色先行的态度，针对矿区特殊的地质构造，组建边坡爆破施工技术小组，根据不同的导向孔孔径确定出最适合司家营矿区的预裂爆破参数。

1 工程试验

结合司家营矿区的现有边坡靠界状况，选取北边坡-18 m位置进行不同孔径导向孔工程试验，根据矿山现有钻机型号，选取D120、D150、D200孔径潜孔钻分别进行工程试验，分析每种孔径导向孔爆破后形成的预裂面平整度和稳固性及爆破震动影响，总结出最适合矿山靠界边坡的爆破方案。考虑炮孔孔径越小爆破后边坡越稳定的特点，本次试验装药炮孔最终选取D120孔径潜孔钻，本次试验的具体预裂爆破参数如表1所示。

表1 预裂孔参数

1.1 试验方案

司家营北区分公司爆破作业区经过多次爆破实践，根据矿山设计台阶高度15 m钻孔角度65°计算得出炮孔孔深L=15/sin65°≈16 m。当预裂孔孔径D=120 mm时，炮孔孔间距L′=(7～12)D≈(0.84～1.44)m，本次试验L′取1.2 m。药卷采用该矿山长期使用的φ32 mm乳胶炸药，根据矿山多次爆破实践总结，堵塞长度N=(1.5～2.0)D=(1.8～2.4)m，由于矿山周边村庄较多，爆破施工条件复杂，所以堵塞长度一般取最大值，即N=2.4 m。当该矿山采用上述预裂参数时，爆破效果良好，施工进度也明显加快[2]。

线装药密度一般根据岩体的软弱程度而定，即岩体较硬选大值，岩体较软选小值，本次试验线装药密度M控制在(0.4～0.6)kg/m。一般情况下由于预裂孔孔底夹制作用较大，线装药密度Md一般取正常线装药密度M的2～3倍，试验选取1.6 kg/m。而接近孔口位置由于夹制作用较小，线装药密度Mk一般取正常线装药密度M的0.4～0.6倍，试验选取0.2 kg/m。不耦合系数S的取值一般根据炮孔直径与药卷直径之比来确定，所以本次试验不耦合系数S=D/φ=120/32=3.75,预裂孔爆破参数都已经确定，下面根据不同孔径的导向孔分别开展爆破试验。

导向孔的应用机理主要是，利用预裂孔与导向孔穿凿时产生的细小裂隙，在预裂孔爆炸压力的作用下，延着裂隙方向开裂的过程[3]，达到预期爆破效果的目的。图1～图3分别为D120、D150、D200导向孔在预裂爆破应用中的平面布置图。

图1 D120导向孔平面(单位：m)

图2 D150导向孔平面(单位：m)

图3 D200导向孔平面(单位：m)

1.2 试验效果

(1)D120导向孔爆区，导向孔7个,预裂孔8个,共15个炮孔。爆破后预裂孔处岩石破碎度较高半壁痕不明显，而导向孔位置半壁痕较为显著，平均半壁痕率可以达到50%并且岩石整体性完好，最长半壁痕长度为8 m，半壁痕连续性比较差。

(2)D150导向孔爆区，导向孔7个，预裂孔8个，共15个炮孔。爆破后预裂孔处岩石破碎度较高半壁痕不明显，而导向孔位置半壁痕较为显著，平均半壁痕率可以达到60%并且岩石整体性完好，最长半壁痕长度为10 m，半壁痕连续性一般。

(3)D200导向孔爆区，导向孔7个，预裂孔8个，共15个炮孔。爆破后预裂孔处岩石破碎度较高半壁痕不明显，而导向孔位置半壁痕较为显著，平均半壁痕率可以达到65%并且岩石整体性完好，最长半壁痕长度为炮孔孔深16 m，半壁痕连续性较好。

1.3 试验结论

在节理裂隙发育较为明显的岩体中，为了能更好地保护边坡的稳定性，避免发生边坡超挖或者欠挖现象的发生，如何选择导向孔孔径至关重要。导向孔在钻机钻凿过程中炮孔周边均产生裂隙，但是在预裂孔爆炸瞬间，爆生气体沿导向孔自由面的方向扩展，使导向孔和预裂孔之间的裂隙优先开裂成型，而导向孔孔径越大裂隙也就越多，在爆生气体作用下开裂的越快也越完整。导向孔孔径越大预裂爆破后效果越好，但根据矿山作业场地的特殊情况，最大只能选取D200潜孔钻进行边坡穿孔作业，无法选取更大的钻机进行边坡靠界穿孔作业。

2 震动分析

预裂爆破效果主要从2个方面去评定：一是爆破后岩体的平整度与稳定性，二是预裂爆破时产生的冲击波与地震波。岩体的平整度与稳定性可以从后续的开挖效果来评定，而冲击波与地震波只能从爆破危害程度方面来界定。该矿山之前采用高精度导爆管雷管与导爆索联合进行边坡预裂爆破，置于孔外的导爆索起爆时产生了巨大的冲击波，非常不利于矿山周边居民较多的环境特点。现在矿山采用数码电子雷管和导爆索联合进行预裂爆破，将导爆索置于孔内3 m以下并进行填塞，爆破时基本无任何声响，取得了较好的社会效益和经济效益[4]。但是边坡爆破震动的影响一直没有较好的解决方案。这次BHPO预裂爆破法导向孔的应用，主要是为了解决岩体平整度与地震波对预裂爆破效果的影响问题。下面根据不同孔径导向孔，爆破时产生的爆破震动波形来圈定最合理的导向孔孔径。图4～图6分别为D120、D150、D200导向孔在预裂爆破时产生的震动波形图。

图4 D120导向孔震动波形(峰值1.12 mm/s)

2.1 D120导向孔震动波形图

爆破震动对周围建筑物破坏性较大的主要是纵波，所以通常根据纵波的大小来判定爆破震动的大小，图4中一共包含4种波形，这4种波都是纵波，根据质点震动的轨迹可以看出，大约在0.307 2 s时，CH3质点震动速度达到最大1.12 mm/s，对周围建筑物破坏程度达到最大值。

2.2 D150导向孔震动波形图

图5中根据质点震动的轨迹可以看出，大约在0.051 2 s时，CH1质点震动速度达到最大0.86 mm/s，对周围建筑物破坏程度达到最大值。

图5 D150导向孔震动波形(峰值0.86 mm/s)

图6 D200导向孔震动波形(峰值0.58 mm/s)

2.3 D200导向孔震动波形图

根据图6中质点震动的轨迹可以看出，大约在爆破瞬间，CH1质点震动速度达到最大0.58 mm/s，对周围建筑物破坏程度达到最大值。

2.4 导向孔震动分析

预裂炮孔参数不变的情况下，根据不同孔径的导向孔爆炸时产生的震动波形图可以看出，导向孔孔径越大爆破震动波越小，其主要原因是导向孔孔径越大预裂孔的自由面就越大，爆炸时能量受阻就越小，所以爆破时产生的震动波就越小。爆炸能量得到充分利用后使预裂面易于形成，同时爆破震动也适当减小，因此D200导向孔在该矿提高预裂爆破效果和降震方面具有重要工程意义[5]。图7为不同孔径导向孔质点震动速度，图8为不同孔径导向孔半壁孔率。

根据图7和图8可以看出，利用导向孔进行预裂爆破时，导向孔孔径越大爆破质点振动速度越小,半壁孔率越高，所以为了得到更好的爆破效果，在导向孔预裂爆破中，导向孔孔径越大爆破时预裂效果越好,爆破震动也越小。