高台阶预裂爆破技术在山达克南矿体扩帮工程中的应用

袁 康

（中冶集团资源开发有限公司）

山达克露天铜金矿建于上世纪90年代，其南矿体是具有500万t/a采矿能力的大型露天矿山，经过多年的开采，已于2018年2月闭坑，但露天境界下部边帮和底部还残留部分矿体，为回收该矿体实施扩帮工程。常规的露天矿山扩帮都是从上至下整体扩帮，保持最终边坡角不变，而山达克露天铜金矿南矿体扩帮是在已形成最终边帮中下部通过削减安全平台宽度、加陡下部边坡角的延深工程。由于最终边坡已经并段，无法按照12 m生产台阶进行扩帮钻爆作业，只能利用现有安全平台采取高台阶预裂爆破。查阅国内外文献，目前高台阶预裂爆破技术还不够成熟，特别是大范围24 m高台阶预裂爆破，在矿山行业和水电行业极其少见。为实现扩帮后高陡边坡的稳定，经理论计算，进行爆破设计和参数优化，最终确定了合理的高台阶预裂爆破参数［1］。

1 南矿体边坡现状

南矿体露天坑已形成348 m（高程974～626 m）高的最终边帮，并段高度为24 m，安全平台宽10 m，最终边坡角为45°（758 m标高以上）和42°（758 m标高以下），坡面角为67°，扩帮区域为734～578 m，最终边坡角为47°～54°，整体最终边坡角为45°～49°。根据现场调查，扩帮区域边坡岩石以粉砂岩和闪长斑岩为主，岩石硬度属于中硬～较硬型，f=8～14，岩体节理非常发育，采用SIROVISION三维数字摄影测量和岩体结构分析，粉砂岩主要分布2组优势节理组：第一组为86°∠83°、第二组为159°∠63°，节理长度为1～5 m，节理间距在0.1～0.8 m，体积节理密度为19.39条/m3，RQD值为51%。闪长斑岩主要分布3组优势节理组：第一组为63°∠82°、第二组为264°∠10°、第三组84°∠2°，节理长度为2～10 m，节理间距在0.1～1 m。体积节理密度为17.88条/m3，RQD值约为56%［1-3］。岩石物理力学参数见表1。

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2 高台阶预裂爆破相关参数理论计算

在高台阶预裂爆破中，主要参数是不耦合系数、炮孔间距，为使预裂爆破获得理想的效果，还应考虑线装药密度、炸药性能、孔间分组延时、地质构造等因素。

2.1 不耦合系数

在不耦合装药条件下，预裂爆破在孔壁上产生的冲击压力Pr［2］为

令Pr≤8KRt，求得装药不藕合系数K d为

式中，db、dc分别为炮孔直径和药卷直径，mm；ρ0、V分别为炸药的密度和爆速，ρ0=1 g/cm3，V=3 200 m/s；n为爆炸气体撞碰孔壁时压力增大系数，n=8～11取10；K为在冲击载荷下岩石抗压强度增大系数，K=10～12取11；Rt为单轴抗拉强度，MPa。

将上述参数代入式（2），化简得：

由此可知，高台阶预裂爆破不耦合系数Kd与岩石单轴抗拉强度Rt的-0.167次幂成正比。Rt与Kd关系曲线如图1所示，计算得出闪长斑岩Kd=4.74，粉砂岩Kd=4.38。

2.2 炮孔间距

在冲击压缩条件下，初始裂隙长度R1为［2］

式中，r为炮孔半径，mm；α为应力波衰减指数，α=β为系数；μ为岩石泊松比。

爆炸气体准静压作用下裂隙扩张长度R2为

式中，KIC为岩石静态断裂韧性，kg/cm3/2；P0为爆炸气体准静压

因此，预裂爆破最大炮孔间距E为对闪长斑岩对粉砂岩将ρ0=1 g/cm3，V=3 200 m/s，K=10～12，n=8～11，a=69 mm代入式（4）～（6）得出闪长斑岩E=1.23～1.9 m，粉砂岩E=1.45～2.26 m。

3 高台阶预裂爆破设计及优化

3.1 爆破参数选取

根据上述预裂爆破主要参数理论计算，结合现场经验，选取爆破设计参数（表2、表3）。

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3.2 爆破区域地形复测

扩帮区域已形成高陡边坡，传统的全站仪无法对安全平台边沿和临空面进行复测，采用Maptek IsiteXR3三维激光扫描仪对采坑全方位扫描，经系统自带软件进行数据处理，可得到矿坑三维模型。

3.3 三维爆破设计

采用3Dmine矿业软件进行三维爆破设计，将三维激光扫描矿坑模型导入扩帮模型，进行对比分析，按照扩帮施工顺序进行爆区设计，重点计算不同深度前排最小抵抗线、连续和间隔装药位置等，利用三维动态效果进行多角度、全方位审核和模拟，根据分析结果优化钻孔三维设计参数。

3.4 爆破药量控制

微震监测技术主要用于监测岩体变形和破坏过程，裂纹产生、扩展、摩擦时内部积聚的能量以应力波的形式释放，产生微震事件［4］。矿山边坡中微震事件的产生主要是由于爆破直接作用的结果，例如2019年10月份进行了8次爆破，爆后监测到微震事件65次，爆破时间、药量、位置、震级及微震事件统计见表4。

从表3看出，爆破震级、振速、微震事件与单段起爆药量密切相关，通过微震监测数据统计分析得出，单段起爆药量越大，爆破震级和振速也相应增大，微震事件增多，单段起爆药量超过500 kg时，震级大于1.2，爆后微震事件明显增加；单段起爆药量小于500kg时，震级小于1.2，爆后产生的微震事件较少，且微震活动呈低微震强度特征，能量积累与释放尺度呈低能级状态。因此扩帮爆破震级控制在1.2以下，单段起爆药量小于500 kg，总药量一般小于7 000 kg。

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3.5 钻孔精度控制

超深孔施工难度大，容易出现钻孔偏移，采用全站仪测量孔口坐标和方位导向线，采用电子坡度尺测量钻孔倾角。施工中应及时纠偏，如图2所示，应保持炮孔水平投影与方位导向线重合，为方便纠偏，可在方位导向线上安设三角架，悬挂铅垂仪，使方位导向线、铅垂线和钻杆水平投影三线合一，处于同一个平面。

3.6 爆破效果评价

2018年4月实施扩帮工程以来，完成了施工难度最大的734～626 m全境界扩帮，高边坡预裂爆破开挖后，通过长臂反铲清坡，可获得如图3所示的预裂效果，经数字摄影测算，坡面平整度基本上都能达到±500 mm，半壁孔痕率［5］达到80%以上。

4 结论

（1）山达克南矿体边坡岩石破碎，节理裂隙十分发育，在已形成的高陡边坡上实施高台阶预裂爆破，施工难度极大，三维激光扫描、微地震监测、三维爆破设计等先进手段的应用，确保了高台阶预裂爆破的顺利实施。

（2）理论和实践表明，高台阶预裂爆破能获得理想的效果，尤其是对露天矿扩帮开采或陡帮开采作业面狭窄、不具备分台阶预裂爆破的矿山有着重要的指导和实践意义

（3）由于高台阶预裂爆破紧临高边坡作业，应做好安全防护和边坡稳定性监测工作，做到提前预警，发现问题及时处理，避免安全事故发生。