相邻炮孔互为导向空孔技术在酒钢西沟矿的应用

吴相石

（酒泉钢铁（集团）有限责任公司）

酒钢西沟石灰石矿（以下简称西沟矿）位于甘肃省嘉峪关市西南45 km 处的祁连山脉北麓，平均海拔2 800 m，占地面积25 km2，是一座现代化露天矿山［1］。矿岩主要有变质凝灰岩、钙质千枚岩、硅质灰岩等，普氏硬度系数f=6～8，矿石密度2.7 g/cm3，裂隙、节理发育明显。现西沟矿随着开采台阶的下降，固定帮高度逐年增加，采场东部山头下方为3 200 m 卷扬操作房，为了保证3 200 m卷扬设施的继续使用，采用东部分期开采方式，保证采场东部固定帮的稳定显得至关重要。

西沟矿东部固定帮海拔3 296 m，长约300 m，台阶高度为12 m，预裂孔孔深设计为14 m，预留清扫平台设计宽度为15 m。由于西沟矿固定帮预裂爆破长期采用线装药方式，加工炸药药卷和装填炸药的过程都很繁琐，增加了爆破作业时间而且还费力，爆破效果还一般。近年来，西沟矿还采用了孔底集中装药的预裂爆破技术［2-3］，孔底集中装药和线装药的预裂爆破效果相同，酒钢黑沟矿采用的孔底集中装药的预裂爆破也取得了显著的效果［4-5］。但对于西沟矿东部需要分期开采，固定帮的稳定性非常重要，所以在以往的大孔径孔底集中装药的预裂爆破技术中加入相邻炮孔互为导向空孔技术，即在每个装药孔的两侧各穿一个导向空孔。这个导向空孔既有助于径向裂缝向空孔方向发展［6-8］，又对其他方向的径向裂缝发展起到抑制作用。

1 导向空孔孔壁压力计算

1.1 预裂孔孔壁压力

根据《西沟矿固定帮及临帮区域控制爆破技术应用研究》，空气不耦合装药时孔壁综合压力计算简化公式为

式中，Cf为空气冲击波碰撞压力增压系数，取1.2～1.3；Kd=db/de，db、de分别为炮孔直径和连续药卷等效直径，m；ρe为炸药密度，kg/m3；爆生气体的初始平均压力P0为

式中，v为炸药的爆速，m/s；K为炸药绝热等熵指数，通常取3。

根据上式，得到孔壁压力随当量不耦合系数之间的变化关系。

保证预裂爆破成功的必要条件是炸药在炮孔中爆炸产生的压力不压坏孔壁和在预定方向成缝。随着当量不耦合系数的增加，孔壁压力是逐渐减小，且孔壁压力大于岩体的动态抗拉强度，小于岩体的抗压强度。随着线装装药密度的增加（当量不耦合系数减小），孔壁压力是逐渐增大，但孔壁压力仍然大于岩体的动态抗拉强度，小于岩体的抗压强度。

1.2 导向孔孔壁压力

根据预裂爆破成缝联合作用理论，要求炸药具有一定的爆速、猛度以及爆生气体尽量多等性质。按照这些要求，预裂爆破要采用低猛度、低爆速、低密度以及传爆性能良好的炸药，可以消除或缩小炮孔周围岩石过粉碎。上述计算表明，径向不耦合系数满足2.5～4，孔壁压力大于动态抗拉强度，才能形成质量较好的预裂缝。

在空孔爆破成缝过程中，存在空孔（图1 中B）作为两侧正常预裂孔的导向孔。当炸药爆炸时，B孔的存在改变了炮孔边缘的应力分布，在炮孔连线方向产生应力集中，当集中拉应力大于岩体动态抗拉强度时，则在炮孔连线方向上首先产生裂纹。

当Y孔的应力传到B孔处时，B孔的存在将使应力明显大于无B孔时的应力值，这就是空孔的应力集中效应。根据弹性力学理论，B孔在相邻炮孔连线方向出现最大拉应力。Y孔和B孔同时起爆，则B孔两侧Y孔爆炸应力分别传到B孔，在B孔处产生拉应力的集中，针对一般中硬岩，B孔处产生拉应力集中系数约为1.5～2 倍非导向孔处的应力。空孔的存在改变了预裂孔间的应力分布，预裂孔炸药爆破后，随着爆炸能量传播，在空孔中间产生应力叠加，当相邻两侧炮孔的应力叠加值超过空孔岩石动态抗拉强度时，即可形成预裂缝。

3 预裂爆破方案

爆破位置在采场东部3 284～3 272 m 水平台阶中部固定帮部位，爆区位于采场东部3 284 m 水平北部矿石区域，地质情况复杂，中厚层细晶灰岩夹透镜体薄层细晶灰岩夹层，矿石节理发育明显。

3.1 炸药性能参数

炸药通常采用2#岩石乳化炸药，其爆速不小于3 200 m/s，殉爆距离不小于3 cm，猛度不小于12 mm，抗水性极好。

3.2 装药结构

采用相邻炮孔互为导向空孔的孔底集中装药结构。炮孔为垂直炮孔，药卷直径为70 mm，不耦合系数为3.6。

3.3 爆破参数

3.3.1 预裂孔参数

预裂爆破的主要参数有不耦合系数、线装药密度、炮孔直径和炮孔间距等。应用中，根据西沟矿现有的设备和已有的经验，类比确定这些参数。

（1）钻孔直径D。采用现有设备为KY-200 型牙轮钻钻机，钻孔直径D=200 mm。

（2）钻孔间距a。适宜的钻孔间距应该达到让相邻的钻孔炸药爆炸后，产生的应力波相互叠加和影响，以确保沿钻孔中心连线拉开一道平整的裂缝。预裂爆破的孔距一般为孔径的8～12 倍，即a=（8～12）D，硬岩一般取较小值，软岩取较大值。

经验公式为

式中，k为不偶合系数。

计算得出a=2.0 m。

（3）不耦合系数k。不耦合系数一般为2.4～5，经验公式为

式中，σy为岩石抗压强度，Pa。

计算得出k=3.6 cm。

（4）线装药密度qx。预裂爆破的线装药密度是指每米钻孔的实际装药量，对于f=6～8 的矿石，qx一般应取1.2～2.5 kg/m，不包括钻孔底部的加强药。经验公式为qx=78.5D2k-ρ2g/m（式中，ρ为2#岩石乳化炸药炸药密度1 g/cm3）。

计算得出qx=2 400 g/m。

根据西沟矿以往几次预裂爆破经验，取底部装药20 kg。线装药长度取10 m，最终孔底集中装药量Q=20+2.4×10=44 kg。

3.3.2 缓冲孔参数

为了减小主爆孔爆破时对固定帮产生的冲击，在主爆孔与预裂孔之间增加1排缓冲孔，其爆破参数一般采用主爆孔爆破参数的1/2～2/3，取值为a×b=（2.5 m×3.5 m）～（3.5 m×5 m）。东部矿岩比较松软、破碎，取中间值3 m×5 m。钻孔直径D=200 mm时，缓冲孔孔深为13 m，与预裂孔之间的距离为3 m，单孔装药量为180 kg。

3.3.3 导向空孔参数

前述已计算出预裂孔孔距为2 m，在距2 个预裂孔各1 m的中间位置布置1个导向空孔。

3.4 预裂孔的装药与填塞

先在预裂孔孔底放20 kg底药，再用2根1段导爆管雷管连结到起爆具放至底药上，最后再加24 kg 直径为70 mm 的2#岩石乳化炸药卷。将气体间隔器下至距离孔口2 m处，保证填塞高度2 m左右，见图2。

3.5 起爆网络

为了减小爆破震动对东山头固定帮的影响，主爆孔和缓冲孔采用普通高精度导爆管雷管实现逐孔微差起爆，预裂孔采用导爆索同时起爆，超前主爆孔100 ms起爆。

4 结论

预裂爆破的装药结构一般有2种形式：采用定位并将装药的塑料管控制装在炮孔中央，爆破效果好，但费用较高；另一种是将药卷顺序连续或者间隔绑在导爆索上，缓缓送入孔内，费用较低，但操作起来费时费力。

从爆破后的现场来看，采用导向空孔的孔底集中装药方式的预裂爆破达到了预期效果，固定帮半壁孔痕率达到85%以上，增强了固定帮的稳定性，同时有效地减小了爆破振动对东山头固定帮的影响。实践证明采用导向空孔技术的孔底集中装药的预裂爆破效果改善很明显，只要在后期通过不断优化预裂爆破参数，就能更好地完成西沟矿东山头固定帮的预裂爆破任务。