光面爆破在地下铝土矿山采场的应用

张涯胸 饶运章 陶铁军

（江西理工大学资源与环境工程学院）

光面爆破是支撑新奥法原理的重要技术之一，是指在矿岩爆破工程实施过程中，通过选择正确的爆破参数和合理的施工方法，分区分段微差爆破，达到爆破后矿岩轮廓线符合设计要求，临空面平整规则的一种控制爆破技术。常用于煤矿、隧道、地铁、地下空间等领域。

1 光面爆破

1.1 光面爆破的优缺点

在麦坝铝矿的采矿生产中，光面爆破表现出以下主要优缺点。

优点：①能减少超挖。②爆破后成型规则，提高了轮廓质量。③爆破后围岩很少产生裂缝，后期支护工作量小，材料消耗小。④降低成本，提高了掘进速度，施工安全系数较高。

缺点：①钻眼的准确性要求较高，钻爆作业的单项工序时间要多一些。②装药过程如炸药和导爆索的捆绑，炸药装入炮孔的过程，技术要求较高。③光面爆破效果受地质条件影响较大。

1.2 光面爆破的机理探讨

（1）光面爆破的破岩机理十分复杂，其成因目前还没有确切的定论。普遍认为，炸药起爆时，对岩体产生3 种效应：一是应力波反射拉伸破坏所起的作用；二是爆炸气体膨胀做功所起的作用；三是二者共同作用所起的破坏作用。近几十年的研究、实验和生产实践表明，第三种效应和工程实际情况比较吻合。光面爆破是周边眼同时起爆，各炮眼的冲击波向其四周作径向传播，相邻炮眼的冲击波相遇，则产生应力波的叠加，并产生切向拉力，拉力的最大值发生在相邻炮眼中心连线的中点；当岩体的极限抗拉强度小于此叠加的切向拉力时，岩体便被拉裂，在炮眼中心线上连线形成裂缝，随后，爆炸产物的膨胀作用使裂缝进一步扩展，形成平整的爆裂面［1］。

（2）空气间隔不耦合装药的特征是药卷与药卷间有柱状空气间隔层、药卷和孔壁间有环状空气间隔层，空气间隔层的存在有力地削弱了作用在孔壁上的爆炸压力及其峰值。实践证明，岩石的抗压强度远大于抗拉强度，空气间隔层可以削弱爆破后的爆压破坏效应，使爆破后的孔壁不至于产生明显的压缩破坏；同时切向拉应力却能使炮孔四周产生明显的径向裂缝。由于空间应力和高压气体的作用，使周边孔间连线上的裂纹全部贯通成缝［1］。

2 麦坝铝矿现状

麦坝铝矿含矿岩系为石炭系大塘组，铝土矿的直接顶板为铝土岩和碳质页岩，暴露在空气中容易风化和溶蚀，主要的采切工程都布置在大塘组的矿层中［2］。在采场矿石回采过程中，普通微差爆破容易出现顶板破碎情况；采场顶板在爆破过程中不可避免会受到炸药爆炸的冲击力，常常造成采场顶板失稳，表现在顶板冒落、顶板有裂隙和顶板较破碎等方面；这就增加了爆破后采场矿石耙运的不安全性［3］。麦坝铝矿爆破人员学习先进经验、不断实践，将光面爆破成功地应用于井下采场爆破施工，有效地改善了井下采场顶板不稳的现状。

2.1 采场顶板实施光面爆破前后效果对比

采场顶板未实施光面爆破，常常出采场顶板局部冒落（图1）、采场顶板比较破碎（图2）的情况。

正确实施光面爆破后，采场顶板比较稳定，如图3、图4。

采场爆破时，顶板控制难度较大，预留护顶矿如果受到爆破扰动过大，会局部冒落（如图1），后期有可能出现大面积冒顶；有时即使爆破后顶板没有立即冒落，但是顶板也会出现裂隙或比较破碎的情况（如图2），一旦暴露时间较长或者受到其它扰动因素（如邻近采场的爆破），顶板也会冒落［3］。采用光面爆破则有效地解决了这一难题；由于实施光面爆破，减弱了对顶板的扰动，减少了超挖，使得顶板完整度达到设计要求（图3）；图4所示顶板虽然有一些节理，属于不稳定的结构，但是因为光面爆破没有破坏节理的稳定性，爆破后顶板光滑平整、稳定程度大为提高。

3 光面爆破设计

3.1 施工方法及机具

利用配FT170气腿的YTP-28型凿岩机采用中空六角形钎杆人工打眼，钎头直径为φ38 mm，炮孔直径为40～42 mm；人工装药，非电毫秒雷管引爆，必要的地方（如遇断层、溶洞等）及时支护，电耙、耙渣机耙装矿岩，无轨和有轨运输配合。

3.2 爆破器材的选择

（1）主爆药采用规格为φ32 mm×300 mm 的2#岩石乳化炸药，其爆炸性能、抗水性能、安全性能均较好。

（2）周边眼药卷用导爆索进行绑扎，进行空气间隔不耦合装药。

（3））采用非电导爆管雷管引爆、导爆索起爆。

3.3 光面爆破参数

根据研究，光面爆破参数合理范围：光面眼（顶眼）间距E为（8～18）d，d为炮眼直径；最小抵抗线W为（15～22）d（以略大于光面眼间距为宜）；周边眼密集系数m（m=E/W）为0.7～1.0；不耦合系数D（炮孔直径与药卷直径之比）为1.2～1.5；装药集中度q为0.15～0.45 kg/m。

以上参数是影响光面爆破效果的主要因素，单一的参数合理并不能达成良好的效果，必须当这些参数值都确定在一个合理范围内时，才能达到理想的爆破效果。

3.4 爆破参数的确定

（1）炮眼布置（图5，图6）。综合考虑各方面因素，采场炮眼深度为3.5 m，先布置顶眼，再布置其它炮眼［4］。

（2））顶眼单孔装药量。采场顶板眼单孔装药1.5 kg；采场顶板眼之外炮眼装药3.0 kg。采场顶眼采用空气

间隔不耦合装药，使用的药卷直径为32 mm，装药不耦合系数为1.2～1.5；其余炮眼采用同种药卷连续装药［1］。起爆方式采用导爆索传爆，并联方式连接，使用非电毫秒雷管引爆，眼口用长度不小于50 cm的废渣或黄泥堵塞。

4 起爆注意事项

（1）爆破顺序，按顺序起爆。

（2）根据现场人工装药的方便及非电毫秒雷管的延时误差，确定合理的起爆时间。

（3）引爆雷管须采用同类同批次导爆管雷管，不得混用不同的导爆管雷管。

（4）为确保传爆正常，传爆导管须使用双线加强。

起爆网络采用导爆索并联起爆。

5 钻爆效果

采场实际炮眼深度3.5 m，平均循环进尺3.15 m；平均炮眼利用率90%，拱部炮眼痕迹率50%～60%。爆炸后渣石块度合适，符合电耙及耙渣机装渣要求。

6 安全生产效益

未正确实施光面爆破的工作面，顶板容易松动甚至冒落（见图1、图2）；在出矿前必须维护好顶板，才可以安排人员去出矿。维护顶板的方法有锚杆支护、锚网支护等方式，在采取这些支护方式护顶的过程中，应加强①需要资金的投入，②需要人员的投入，③需要时间的投入。一次顶板维护较好的爆破施工后的工作就是出矿，而现在变成了支护—出矿，多了一道支护工序，这就造成①增加了生产成本和时间；②同时因为顶板不稳，也增加了安全风险［5］。

光面爆破削减了爆破对顶板的扰动，形成了光滑、平整、规则的顶板爆破工作面，维护了顶板的稳定性（见图3、图4），减少了维护顶板带来的不安全因素和经济上的消耗，使后续工作得以顺利进行。

6.1 安全效益

光面爆破产生的安全效益体现在以下2个方面：一是经济效益，但是不能用简单的量来计算（可以把普通微差爆破后，顶板需要支护以确保稳定，这个过程消耗的人力物力折算成经济价值，与光面爆破后不需要护顶进行对比）；二是安全效益，因为顶板的稳定性提高了，减少了事故发生率，有效维护了井下作业人员的生命安全。

6.2 技术经济效益

光面爆破主要是通过空气间隔不耦合装药，导爆索起爆来实现（图7）；虽然炸药消耗降低了，但是爆破效果却更好了。

3.5 m 长的采场炮眼，去掉0.5 m 用于填塞，按照一般微差爆破，剩余3.0 m需要装0.3 m长的乳化炸药10 节；而采取空气间隔装药，只需要约一半的乳化炸药即5节乳化炸药，既能达到破碎顶板矿石的目的［5］。同时，因为炸药的减少减轻了爆破对顶板的冲击力度，超挖现象大为减少，顶板的成形也比较规则、平整，进而增加了顶板的稳定程度（图8）。

每天每个采矿工作面，节约的炸药量虽然不多，但是1 a下来，就是一个巨大的数字。以1个采矿工作面为例，统计其节约的炸药如表1所示。

7 展 望

光面爆破在麦坝铝矿的成功实施，提高了麦坝铝矿井下采场顶板的稳定性。继续做好光面爆破在地下铝矿的应用，学习、借鉴、实践其它先进的爆破方法，使其更好地服务于地下铝矿的爆破工作。