非均质岩体露天煤矿爆破技术方案设计研究

马修利，李永刚，马修胜，蔺海洋

（1.新疆祥瑞安全生产技术服务中心有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆北塔山牧场煤矿有限公司，新疆 奇台 831800）

新疆北塔山牧场煤矿是一座正在生产中的露天煤矿，位于奇台县北东160km 处，矿田东西长1.22km，南北宽0.85km，面积1.0225km2，属于内陆亚干旱荒漠气候带，矿区昼夜温差大，多风、少雨，受干旱气候影响，上部岩层裂隙发育，节理明显，岩体受结构面影响均质性很差，属非均质岩体。在进行露天矿深孔爆破作业中，会出现爆堆不规整、飞石伤人和大块率高等一系列爆生灾害，给矿区正常安全生产带来隐患。

1 岩性分析

该矿区南高北低、东高西低，地势起伏较大，岩石倾斜方向由南向北，倾角9°左右，受干旱气候条件影响，岩体风化剥蚀严重，裂隙作用明显。岩石赋存自上而下为第四系戈壁土、中砂岩和硬砂岩，上部戈壁土厚度4～12m，可直接开挖，下部基岩层需要爆破，岩体硬度f=5～7。

1.1 沿走向岩性变化分析

（1）受地形变化影响，采场东部岩体完整性较西部差，裂隙比较发育，爆破以后容易产生大块。

（2）从东帮所揭露的岩石台阶岩性变化分析，裂隙分布不均匀，裂隙多为沿倾斜方向延伸和分布，并以剪节理作用为主，局部地段也受张节理作用，方位不稳定。根据现场统计，爆破以后岩体大块发生率30%左右，大块平均尺寸：1.8m×1.6m×1.2m。

1.2 沿倾向岩性变化分析

（1）由南向北上部岩石台阶受风化作用明显，所形成的裂隙影响深度可达23m 左右，随着开采深度加大，深部台阶裂隙相对较少，裂隙作用减弱，大块率发生率较台阶上部减少18%左右。

（2）受结构面影响，爆堆不规整，破碎的岩块最容易从受裂隙作用大的地方抛出，抛出距离8-12m 不等。

1.3 开采断面岩性分析

（1）基岩爆破台阶在受到剪节理和张节理共同作用的炮区，岩体完整性很差，爆破以后的岩块形状各异，块度相对减小。

（2）爆破岩石台阶自上而下，裂隙作用逐渐减弱，裂隙频率下降，岩体结构逐渐趋于均质化，可见图1-2。

图1 上部爆破台阶非均质岩体结构

2 爆破作业条件分析

2.1 斜层理爆破作用明显

该矿斜层理作用明显，通过对爆破现场勘验分析发现，爆破产生的动应力所造成的裂隙密度、延伸长度和裂隙产状各不相同。

图2 深部爆破台阶非均质岩体结构

（1）斜层理多沿岩体倾斜方向分布，和南部边帮台阶自由面贯通形成弱层，从而使爆生气体和爆炸应力波对岩体的破坏作用减弱，一些爆生气体从裂隙面释出，岩体破碎强度下降，降低了对正常破碎围岩的有效作用时间和压力作用时间，导致爆破后极高压力的气体钻入裂隙层面使其扩张，挤压其周围岩石，是岩石大块向倾斜自由面抛掷过于分散的原因，根据统计分析，台阶底部岩体沿自由面被抛掷的距离比预计的远约3～4m。

（2）北部边邦岩层倾斜方向和台阶坡面方向呈逆倾向，爆生气体不易从自由面释出，增大了爆生气体和爆炸应力波对破碎围岩的有效作用和压力作用时间，后冲作用增强、爆堆隆起、岩体抛出距离减少。

2.2 排间爆破作用加强

该矿采用沿岩层倾斜方向直线型排间布孔，非电导爆管排间毫秒微差小规模爆破，排间作用方向明显，由于排间起爆方向和斜层理裂隙分布方向相一致，南部边邦岩石台阶沿自由面顺层方向受爆生气体和爆炸应力波作用使原有裂隙进一步错动和扩张而产生大块。

3 爆破设计方案

3.1 优选爆破参数和装药结构

对比现场采用的爆破参数和装药结构，设计确定爆破岩石台阶高度10m，不耦合分段装药，不耦合系数1.20，炮孔炸药单耗0.31kg/m3，药包装药密度960kg/m3，药包重量4.5kg，药包长度0.6m，选用孔径120mm 的潜孔钻机垂直打眼，膨化铵油炸药为工业炸药，按不同的炮孔深度和爆破参数计算炮孔装药量，爆破参数计算可见表1。

表1 爆破参数

（1）适当增大炮孔临近系数，加大岩块在爆破过程中的碰撞挤压作用，保证同时起爆的两相邻炮孔之间的径向裂隙不过早地相互贯通。

（2）由于连续耦合集中装药药量在炮孔底部，造成台阶下部岩石过度破碎，而台阶上部岩石由于爆破作用减弱产生大块。减少炮孔装药量，采用分段不耦合柱状装药，增大炮孔装药高度，加强对台阶上部岩石爆破作用。

（3）降低炮孔内的装药密度，减轻爆轰波对后排孔岩石的压力，以达到减少爆炸冲击波对孔壁的正压作用时间，使裂隙区的范围不至于扩大。

3.2 爆破技术要求

采用非电导爆管加“四通”的多排孔“V”型斜线毫秒微差起爆网路深孔爆破。

（1）设计要求在接近台阶坡面进行剥离作业的爆破岩石台阶，至少有一个侧向自由面和正向自由面，起爆点位于台阶上部侧向和正向自由面交汇处，爆轰由外向内沿斜线方向传爆。

（2）由于剥离工作平盘宽度32m，采用三角形布孔，每次布3 排孔，每排不少于7 个炮孔，使炮区沿正向自由面方向炮孔数应多于侧向自由面。

（3）爆破形成的岩石大块必须符合4m3单斗液压挖掘机的采装要求即：大块尺寸不许超过1.2m3，爆堆伸出不超过4～5m，爆堆沉降不低于2～3m。

（4）孔内药包采用导爆管雷管延迟起爆，延长孔内炸药起爆时间，以防止爆破飞石将后起爆孔的起爆网路炸断而产生拒爆。

（5）由于节理、裂隙的作用，岩体首先从强度最低的弱面裂开，考虑到爆后应力的持续及雷管延时间隔参差不齐，爆破网路导爆管雷管每段间隔时间都确定为25ms。

4 结束语

新疆北塔山牧场煤矿受干旱气候影响，岩石风化剥蚀程度严重造成节理裂隙发育，给露天矿正常爆破作业带来重大安全隐患。设计选用优化的爆破参数和装药结构进行装药布孔，采用非电导爆管多排孔“V”型斜线毫秒微差起爆网路深孔爆破，可有效解决该矿非均质岩体爆破大块率高、爆堆不规整的爆破质量问题，也为安全生产探索出了可供借鉴的创新之路。