裂隙岩体爆破技术在露天矿山的应用研究

赵飞

（保利新联爆破工程集团有限公司，贵州贵阳 550002）

0 引言

岩体中常常含有溶洞、节理、裂隙等天然薄弱结构面，节理裂隙发育使岩体具有非连续性和各向异性，爆破施工中爆轰气体容易快速泄漏，爆破后常常出现大块、根底、门坎等现象，影响整体爆破效果，导致爆破成本增加[1]。如何保证在现场混装炸药的条件下实现裂隙岩体最优爆破效果，需要首先解决裂隙岩体的可爆性分析方法、合理的爆破工艺与参数以及爆破振动效应预防与控制等关键技术问题。

然而，裂隙岩体中深孔爆破设计主要依据经验以及半理论半经验方法，理论研究远远滞后于工程实践的需要，在现场混装炸药等爆破新工艺的背景下，为实现溶洞、节理、裂隙发育地质条件下爆破施工安全、高效、有序进行，迫切需要突破或完善传统的爆破理论，研发新技术，以满足新工艺、复杂地质条件对爆破技术的要求。

1 裂隙岩体构造分析

别斯库都克露天煤矿位于新疆哈密地区巴里坤县，设计生产能力300万t/a。矿区地貌形态为残丘状剥蚀平原，海拔1269～1339m，东西比高70m。矿区因采煤造成的矿坑涌水量为1524m3/d（灌溉季）、1076m3/d（非灌溉季），年产生量为55.63万m3/a，涌水量较大，地下有暗河存在。

矿田主体构造为北陡南缓的短轴向斜，向斜轴向312°~132°，北西、南东两端翘起，中部Ⅱ线下褶。在矿田北缘有一条区域性断裂构造，裂隙比较发育，该断层为一条逆断层，断层走向128°，倾向北东，断距和倾角不明。

溶洞、节理、裂隙等薄弱结构面会对爆破作业产生以下影响：

（1）容易造成钻杆卡钎，降低钻孔效率。

（2）导致炮孔的最小抵抗线发生变化，爆炸应力波先从最薄弱处反射拉伸破坏，弱化台阶自由面的破坏作用，大块增多，同时底盘抵抗线处形成根底。若裂隙与自由面距离较近或裂隙与自由面贯通，破碎岩块容易从裂隙处抛出形成爆破飞散物，增加安全隐患。

（3）裂隙穿过炮孔，会增加装药难度，同时造成炸药浪费；爆破时爆生气体发生泄漏，造成泄能作用，大大降低炸药的能量利用率和岩石破碎程度。

2 台阶爆破方案及参数

主爆区周围的环境较好，爆破方案主要采用深孔台阶微差爆破破碎岩石、松碎煤层，连续耦合装药。同时采取以下几种方法控制爆破震动和爆破飞石：①前排炮孔在不影响破碎块度的前提下，增加抵抗线长度，减少爆破飞石；②严格控制孔深、单孔药量；③采用微差爆破法，进行逐孔起爆，严格控制一次起爆总药量。

深孔台阶爆破主要参数如下：

（1）台阶高度H=12m，采用大孔径潜孔钻机穿孔，孔径为150mm，采用梅花形布孔；

（2）底盘抵抗线W=4.8m，炮孔深度L=13.0m，孔距a=7m，排距b=3m；

（3）根据现场岩石节理裂隙发育及风化程度，炸药单耗取0.55kg/m3，单孔装药量Q=140kg，采用耦合连续装药结构；

（4）起爆网路采用数码电子雷管微差起爆，孔间延时时间为50ms、排间延时时间为110ms；

（5）爆破安全警戒范围为200m。

实际施工当中，可根据岩石的硬度、节理裂隙发育情况等条件适当调整炮孔的孔距、排距[2]。当岩石硬度系数比较小、风化程度高时，孔排距参数值可适当增大；当岩石硬度系数较大时，即岩石完整性较好，未经风化或微风化，孔排距参数值可适当减小。

3 裂隙岩体爆破技术措施

针对别矿裂隙岩体的性质和特征，通过理论分析、试验研究与工程应用相结合的综合手段，对现场混装炸药的性能、裂隙岩体混装炸药爆破关键技术以及爆破振动灾害的防控技术进行了系统的应用研究，取得了良好的效果。采用的裂隙岩体爆破技术措施主要如下：

3.1 改善混装炸药爆炸破岩效果

现场混装铵油炸药爆炸性能随成分配比、装药直径、装药密度、存放时间等指标的变化而改变，掌握保证炸药最佳爆炸性能下铵油炸药的配比、装药密度、存放时间和不同岩性条件下现场混装乳化炸药最优配比，从而有效提高炸药的利用率，降低了炸药消耗量。

3.2 采用裂隙岩体可爆性检测分析方法

综合裂隙岩体密度、纵波波速、岩体坚固性系数、炸药单耗和岩体结构面平均间距等裂隙岩体可爆性分级评判指标[3]，建立裂隙岩体可爆性分级系统。在岩体完整性描述中，引入岩体结构面平均间距指标，弥补了采用岩体纵波波速单一指标来反映岩体完整性的不足。从而提高可爆性分级系统的可靠性，为爆破设计与施工提供有力的支撑，提高了炮孔利用率和爆破施工的安全性。

3.3 建立现场混装炸药与岩石破坏效果的随机优化匹配系统

基于炸药与岩石匹配的基本原理，建立基于模糊理论和神经网络的炸药与岩石破坏效果随机优化匹配系统。该系统将现场地质调查和声波测试等手段实时获取的岩石性质系数、预期块度分布、预期爆堆尺寸、爆破安全指标等作为输入参数，即可自动计算所需炸药性能参数，并根据性能参数自动选择已有成品炸药型号或不同性能的混装炸药，提高炸药利用率，改善爆破效果，提高铲装效率，降低爆破振动等有害效应。

3.4 采用裂隙岩体毫秒延时爆破与空气间隔装药的关键参数确定方法

提出基于爆堆块度分布合理的裂隙岩体逐孔爆破最佳毫秒延时间隔时间的确定方法[4]；通过现场试验及数值模拟，揭示了裂隙岩体空气间隔装药爆破中不同空气柱位置、不同空气柱比例对爆破效果的影响机理；提出了裂隙岩体空气间隔装药爆破中最佳空气柱位置和空气柱比例[5]。通过确定的逐孔爆破最佳延期时间，可获得合理的爆堆块度分布，提高了后续生产效率；根据裂隙岩体空气间隔装药研究成果，对于节理裂隙岩体，不宜采用孔底空气间隔装药爆破，在药包上部和中部采用10%~20%的空气间隔比例进行空气间隔装药爆破，可明显改善爆破效果，降低爆破振动和爆破成本。

3.5 采用裂隙岩体混装炸药爆破振动主动控制技术

基于自适应最优核理论，寻找段药量、爆心距、毫秒延时间隔时间、段数、孔底空气间隔装药比例对爆破地震波频带能量及频带能量持续时间的影响规律，提出不同爆心距下降振的最佳毫秒延时间隔时间及最佳空气层比例的确定方法[6]。提出的爆破振动主动控制技术，较传统的降振方法降振效果更为明显。

4 爆破效果评价

通过采取一系列技术措施，爆破有害效应得到有效控制，爆破效果明显改善，具体如下：

（1）炸药与岩石波阻抗相匹配，炸药单耗降低0.03~0.05kg/m3，炸药能量利用率提高约5%，岩石整体破碎效果更好。

（2）优化起爆网路后，有效降低了爆破振动；爆堆呈堆积状，局部有隆起现象，爆堆集中便于采装；同时沿侧向自由面岩块抛出距离明显减小，爆破飞石隐患降低。

（3）采用空气间隔装药，明显改善了裂隙等薄弱结构面处局部的岩石破碎效果，岩石大块率降低了约5%，降低了破碎成本，提高了采装效率，如图1~图2所示。

图1 裂隙岩体爆破前形态

图2 裂隙岩体爆破后效果

5 结论

节理裂隙等薄弱结构面破坏了岩体结构的均匀性，增加了爆破施工的难度。别斯库都克露天煤矿开采中，通过详细分析岩体性质、节理裂隙走向、大小等结构面状况，匹配适用的炸药品种，采用合理的装药结构，优化起爆网路和设计方案，有效解决了裂隙岩体爆破难度大、岩石大块率高的技术难题。所采取的爆破技术措施安全有效，显著降低了爆破有害效应，改善了爆破效果，提高了开采作业效率，取得了显著的安全和经济效益，值得在露天矿开采中广泛推广应用。