研山铁矿阶梯孔边坡控制爆破参数研究

刘小伟 刁鹏飞 周 蒙 刘亚堃

（1.河北钢铁集团矿业有限公司；2.河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司；3.河北钢铁集团司家营研山铁矿有限公司）

强风化边坡开挖时，预裂爆破很难形成预裂缝，达到保护边坡控制爆破效果，因而诞生出一种利用爆区炮孔深度阶梯递减形式，通过控制爆破参数和单孔装药量，爆后形成较稳定边坡的阶梯孔边坡控制爆破［1］。本研究在考虑采场边坡岩石三向混合应力状态的基础上，通过理论计算爆破载荷作用下岩石破坏产生的压碎圈与裂隙圈［2-3］半径，结合现场爆破实际情况，通过爆破装药半径确定药包与边坡的距离，从而实现阶段孔边坡控制爆破孔径参数与药包与边坡距离的选定，再通过上述2个重要爆破参数确定其他参数，以保证良好的爆破效果。

1 阶梯孔边坡控制爆破工艺

阶梯孔边坡控制爆破是通过阶梯式的炮孔深度，利用炸药爆炸产生的压碎圈Rc、裂隙圈Rd原理，沿设计边坡轮廓线爆破形成较为完整的边坡，其工艺重点就是合理选择爆破参数，使爆破裂隙圈半径无限接近于孔底炸药包至坡面的垂直距离，即Rd≈R，阶梯孔边坡控制爆破工艺见图1。

爆破裂隙圈半径Rd与炮孔半径r、岩石物理力学性质和炸药性能直接相关，因为岩石物理力学性质和炸药性能存在相对固定性，所以在爆破参数选定时，炮孔直径D以及药包距离边坡的距离是阶梯孔边坡控制爆破关键技术参数，选择的主要依据为爆破载荷作用下岩石破坏的范围。

2 爆破载荷作用下岩石破坏范围

2.1 爆破载荷作用下岩体破坏准则

炸药在岩体爆炸的过程中，由于爆炸应力和爆生气体的联合作用，在岩石中以炮孔中心，由近及远依次为压碎区（粉碎区）、裂隙区和弹性振动区的破坏分区［3］。

炸药爆炸时产生的透射冲击波，在爆炸岩体中由近及远不停传播而不断衰减，岩体中任意一点的径向应力σr与透射到岩石中的冲击波初始压力P、对比距离r0以及载荷传播衰减指数α存在式（1）关系；岩体中同点的切向应力σθ和轴向应力σz可通过切向应力系数b与岩石动态泊松比μd与径向应力σr形成式（2）、式（3）关系。

式中，r0为r/r b；rb为计算点到装药中心点的距离，m；r为炮孔半径，m；，正号对应冲击波区，负号对应应力波区。

实践表明，岩石抗压而不抗拉，其抗压强度远大于抗拉强度，工程爆破中，岩石爆破中的岩体受压拉混合三向应力状态作用，岩体受压形成压碎区，岩体受拉力破坏形成裂隙区，岩石任意一点应力强度σi可表示为

将式（1）、式（2）、式（3）代入式（4），得到

依据Miss准则［4］，如果岩石任意一点应力强度σi达到岩石单轴受力破坏强度σ0时，即式（6）、式（7）所示状态，则岩石发生动态受压拉破坏。

岩体的动态抗压强度σc和抗拉强度σt决定了岩体破坏压碎圈和裂隙圈的形成状态，同时，爆破工程中常见岩石的动态抗压强度σcd与加载应变率成正比，可近似用式（8）表示两者关系。

2.2 压碎圈与裂隙区范围计算

岩石中炸药爆炸后，爆炸对炮孔四周造成冲击形成爆轰压力P0，从而转化为透射入岩石的冲击波初始压力P，两者之间受到炸药密度ρ0、岩体密度ρ、炸药爆速D v以及岩石中声速CP的影响［4］，有式（9）、（10），其中爆轰产物的膨胀绝热指数γ，一般等于3。

炸药在岩体中爆炸后，冲击波在炮孔周围的岩石形成压碎区，压碎区半径Rc为

在压碎圈之外应力波继续传播破坏岩体，形成裂隙圈，裂隙圈半径RP受到岩石的应力波载荷传播衰减指数、岩石的动态抗压强度σc和动态抗拉强度σt以及两区域间的径向应力σR影响。

2.3 研山铁矿爆区破坏范围计算

研山铁矿使用的是现场混装铵油炸药和乳化炸药，以现场混装铵油炸药为例，炸药密度ρ0=850kg/m3，爆速D v=4 200m/s，根据不同岩石的性能参数，由式（12）计算求得差异岩石中形成的压碎圈和裂隙圈的半径，如表1所示。

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根据哈努卡耶夫和戴俊的研究，埋入岩石中的炸药爆炸，计算得出，压碎圈半径是装药半径的2～3倍，裂隙圈半径是装药半径的10～15倍，这种情况与实际基本相符。

3 工程试验

3.1 爆破参数选定

选取有代表性的黑云变粒岩边坡岩体试验区域，目前研山铁矿主要钻机型号包括φ310 mm、φ250 mm牙轮钻机，φ165 mm、φ150 mm、φ120 mm潜孔钻机，根据表2内黑云变粒岩数值计算各孔径钻机计算出的炮孔药包至边坡的垂直距离R，具体见表2。

根据现场实践，为达到边坡控制爆破的目的，应选用钻孔直径相对较小的炮孔，可以有效控制爆破振动，同时更加易于控制爆破裂隙圈半径Rd，因此，试验选用孔径较小的120 mm潜孔钻机。

为了增加试验对比性，将预裂孔控制爆破与阶梯孔控制爆破使用同类的爆材、炸药和爆破工艺，且同水平相近总药量间隔实施，通过爆破振动数据监测和现场开挖效果进行对比试验。

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3.2 爆破试验数据

爆破振动数据使用Blast-UM型爆破振动监测仪采集，通过处理软件的到X、Y、Z3个方向的原始波形图，将波形图进行高通滤波可以得到真实的爆破振动三维波形［5］，如图2所示。

因为监测爆区位置是不断变化的，所以其水平切向和水平径向的监测值是不准确的，因此，在进行爆破振动速度监测时，需采用矢量合速度，即将X、Y、Z3个方向上的波形进行矢量合成得到质点合速度，如图3所示。

通过多次对比爆破试验监测数据如表3所示。

注：A为预裂孔控制爆破，B为阶梯孔控制爆破。

3.3 爆破试验效果

通过试验数据及现场开挖情况分析，采用阶梯孔边坡控制爆破时，利用爆破压碎圈和裂隙圈机理，计算选定的爆破孔径和药包至边坡的距离，符合边坡保护开挖的要求。同时由于后排孔装药少，可有效减少爆破后冲振动［6-7］，其产生的爆破振动与预裂孔边坡控制爆破的振动无明显差异，也能够实现对固定边坡起到保护作用。

4 应用总结

阶梯孔边坡控制爆破技术在降低了爆破施工难度、提高爆破效率的同时，有效的保障了边坡控制效果，在研山铁矿强风化边坡工程中已经取得了初步成果。本文通过爆破载荷作用下岩体破坏准则，量化计算出阶梯孔边坡控制爆破的关键爆破参数，给后续研究提供了理论支持。但由于在矿山生产实际当中地质结构变化较大，本次量化计算中未考虑其对其他爆破参数的影响，所以针对此方面还需展开进一步的试验研究和探讨，以取得更好的效果。