预裂爆破在晋宁磷矿露天坑边坡的应用

2022-01-17夏钢源方建国

现代矿业 2021年12期

夏钢源方建国

（1．云南磷化集团有限公司；2．马鞍山矿山研究院爆破工程有限责任公司）

我国磷矿80%分布于云南、贵州、四川、湖北和湖南五省。以资源的数量、质量而言，云南滇池地区居冠，有昆阳、海口、晋宁、安宁等五大矿区，其中晋宁磷矿属大型浅海相沉积层状磷块岩矿床。晋宁磷矿地处昆明市晋宁区六街镇，资源保有储量为3.08亿t，有1#～10#资源采坑，目前在6#（主采坑）进行采剥作业，设计开采储量为9 002.58万t，平均品位（P2O5）为27.0%。

随着矿山开采深度逐渐增大，维护边坡稳定成了安全生产管理工作的重点。为提高边坡稳定性，降低主爆区产生的爆破振动效应，本研究以晋宁磷矿6#采坑为研究对象，运用经验公式和现场爆破漏斗试验相结合的方法确定预裂爆破参数，开展预裂爆破边坡控制技术研究，以期为类似工程提供一定的借鉴作用。

1 晋宁磷矿矿区概况

1.1 地质概况

矿区内出露地层为震旦系灯影组上段至下二叠统茅口组，呈一走向南北向东倾斜的单斜构造，其中下寒武统梅树村组赋存大型层状磷块岩矿床。矿层顶板（ϵ1m4、ϵ1q、D2h、D3z）为坚硬岩组，平均极限抗压强度为111.84 MPa（干）和82.28（湿）MPa，黏聚力为17.25 MPa，内摩擦角为43°38′。矿层底板（ϵ1m1、Zbdn3）为坚硬至半坚硬岩组。矿石松散系数为1.63～1.93，一般接近1.7，顶板岩石松散系数约为1.9，爆破后岩石松散程度较高，宜采用边坡控制爆破技术。

1.2 开采现状

目前，6#坑作为晋宁磷矿主要开采对象，在高程2 130 m水平以下进入凹陷露天开采，按照露天采矿设计，将逐步形成以上盘不同岩层为台阶边坡的终了台阶坡面，不同的岩性对于边坡稳定性采取的措施不同。当开采延深到2 020 m水平时，已经接近设计标高，边坡也接近设计终了边坡。因此，为减小爆破振动的影响，维护露天边坡的稳定性，对露天边坡采用预裂控制爆破技术。

1.3 周围环境

本次设计地段位于6#坑东采场128#勘探线，高程标高为2 020 m，爆破范围长约60 m、宽约30 m，台阶高度为10 m。整体区域位于V形谷谷底，离爆破区域东部约1 km处有一小山湾村，周边无其他重要设施需要保护，爆破条件类型简单。

2 爆破漏斗试验

利文斯顿认为球形炸药包在岩体中爆炸时，岩石吸收的爆破能量大小和速度与岩石性质、炸药性能、药包大小和装药埋置深度等因素有关，提出了以能量平衡为准则的岩石爆破破碎的爆破漏斗理论。根据利文斯顿爆破漏斗理论：在不同深度起爆定量药包和确定深度起爆不同药包，二者效果是相同的。因此，采用爆破漏斗试验确定爆破设计参数具有重要指导意义［1］。

2.1 单位炸药消耗量的确定

在确定不同种类岩石的单位炸药消耗量时，采用标准爆破漏斗容积作为计算的依据。本研究选用确定深度下起爆不同药包来进行标准爆破漏斗试验，采用目前在用的直径150 mm穿孔设备。矿岩岩性为白云岩，用推土机清理出20 m×20 m的平整试验场地，按要求将全部松渣去除。利用钻机穿4个孔深1 m的钻孔，为避免单孔爆破漏斗之间相互影响，将炮孔间距设为5 m×5 m，分别编号1#～4#孔，分别装0.3，0.4，0.5，0.6 kg乳化炸药，起爆后采用人工将爆破漏斗的爆渣清干净，逐一量取形成漏斗的底直径，经测量直径如表1所示。

从测量结果得知，3#孔爆破效果最优，其爆破漏斗体积V和单耗q计算公式如下。

式中，s为圆锥底面面积，m2；h为圆锥的高，m；Q为装药量，kg。

将半径、圆锥高代入式（1），可得V=1.11 m3，代入式（2）可得集中药包的最优炸药单耗为0.45 kg/m3。

2.2 线装药密度确定

预裂孔线装药密度采用长江科学院经验公式计算：

式中，Qx为预裂爆破的线装药密度，kg/m；σy为岩石的极限抗压强度，82.28～111.84 MPa；a为炮孔间距，m。计算可得Qx=0.65 kg/m。

3 爆破设计方案［2-5］

3.1 炮孔位置、数量设计

（1）预裂孔。该平台为安全平台，沿上平台的坡底线外推3 m布设1排预裂孔，孔间距为1 m，共布设70个孔。

（2）缓冲孔。预裂孔往本平台坡顶线方向外推2.5 m布设1排缓冲孔，孔间距为3 m，共布设20个孔。

（3）主爆孔。按照5 m×6 m的网度布设主爆孔，共布设48个孔。

3.2 主爆区爆破参数设计

主爆孔设计采用垂直孔，炮孔角度为90°，采用矿山在用的D150型钻机钻凿，孔径为150 mm。采矿台阶高度H为10 m。

底盘抵抗线W计算公式为

已知台阶高度H，代入公式计算出底盘抵抗线W取6 m。

超深值h与岩石坚硬程度、炮孔直径、底盘抵抗线有关，其值按下式计算。

式中，d为炮孔直径，mm。本次炮孔超深值取为1.0 m，则孔深L=11 m。

孔距可用最小底盘抵抗线W与炮孔密集系数m的乘积来计算，即a1=m×W，炮孔密集系数m值通常大于1.0，但第一排孔由于底盘抵抗线大，应选用较小的密集系数，本次设计直接选m=1.0，a1取6 m。排距b1取5 m。

堵塞长度按采矿设计手册计算：

式中，Z为填塞系数，按爆破设计规范垂直孔取0.7～0.8，本次设计取0.75。计算得L2=4.5 m。

主炮孔单孔装药量Q计算公式为

式中，Q为单孔装药量，kg；d为炮孔直径，m；L2为炮孔装药长度，m；Δ为装药密度，kg/m3。

矿山炸药采用乳化炸药，装药密度为900 kg/m3，炮孔装药长度为6.5 m，炮孔直径为0.15 m。

经计算，垂直主炮孔装药量Q1=103.33 kg，取105 kg。

3.3 缓冲孔和预裂孔参数

实施预裂爆破时，通过在开采境界位置形成1条连续裂缝，虽然能够显著降低主爆区爆破对边坡岩体的振动效应，但在主爆区紧邻预裂缝时，爆区后排孔的后冲作用仍有可能对边坡岩体造成冲击破坏。为此，在预裂孔和主爆区之间布置缓冲孔，适当减小孔网参数和单孔装药量，有助于减弱该冲击作用，最大限度地维护边坡岩体稳定性。

根据矿山已有的经验，采用垂直预裂孔时，在主爆孔和预裂孔之间设1排缓冲孔，孔间距取主爆孔间距的1/2～2/3，则确定缓冲孔与预裂孔排间距为2.5 m，缓冲孔与主爆孔排间距取正常主爆孔的1/2～2/3，缓冲孔装药量是正常主爆孔的35%～40%，并且采用中间分段间隔装药。

缓冲孔孔距a2=3 m；缓冲孔排距与预裂孔排距b2=2.5 m，与主爆孔排距取b3=3 m；预裂孔孔距a3=（8～12）D，取1 m。

缓冲孔堵塞长度L3取主爆孔堵塞长度，即L3=4.5 m，预裂孔填塞长度按经验取值，一般顶部减弱装药和填塞段长度取孔深的0.3，且各占一半，预裂孔孔深为11 m，因此预裂孔堵塞长度L4=1.5～1.6 m。

缓冲孔装药量Q2是正常主爆孔的35%～40%，则Q2=36.75～42 kg，取39 kg。预裂孔线装药密度为0.65 g/m，孔深为11 m，则预裂孔装备药量Q3=7.15 kg，取7.2 kg。预裂爆破炮孔技术参数见表2。

3.4 起爆网络设计

本次设计采用预裂爆破和主体爆破同次起爆，采用导爆索与导爆管联合使用的非电起爆网络，起爆网络设计见图1。

为保证先行形成预裂缝，有效减弱爆破应力对边坡的影响，本次设计预裂炮孔超前主炮孔110 ms起爆。

4 爆破施工技术设计

4.1 穿孔设计与施工

首先根据现场条件进行穿孔设计，设计参数与爆破设计要求的一致，其施工技术要求如下。

（1）穿孔场地要求平整，平整度按矿山工艺标准要求≤30 cm。

（2）穿孔前安排技术人员按穿孔设计附图进行测量放线，标定所有设计孔位。

（3）本次设计与常规设计不同，穿孔位置、角度等必须严格按设计或现场技术员要求施工。

（4）穿孔顺序由里往外，按预裂孔、缓冲孔、主炮孔的顺序依次完成。

（5）预裂孔穿孔时需考虑钻机自身尺寸所占的空间位置，垂直坡底线穿孔将移动频繁且很难保证钻孔角度，设计采用平行坡底线穿孔。

（6）对准孔位后，应将钻机配置的简易水平气泡仪放在钻架横档的平面上（该平面始终与钻杆垂直），确保气泡居中，以保证钻孔角度保持90°。

（7）缓冲孔及主炮孔由技术人员按照设计布设点位，交由操作人员严格按技术参数实施。

4.2 装药与炮孔填塞

（1）预裂孔采用不耦合装药，不耦合系数大于2。设计采用分段装药，底部2 m加强装药、中间5 m正常装药、上部3 m减弱装药。药包加工在现场进行，设计采用将ϕ30 mmPVC塑料管从中间一分为二，长度取11 m，将药卷与导爆索按规定间距和方向绑牢再绑在PVC塑料管上，形成药串。导爆索的长度比孔深多1 m，为12 m。装药时将加工好的药串抬起，慢慢放入预裂孔内，使有PVC塑料管一侧靠在边坡侧，药串到位后，用编织袋盖在药柱上，然后用填塞土逐层填塞捣实。

（2）缓冲孔采用间隔装药，底板装2/3的缓冲孔药量，上部装1/3，中间用沙、岩粉等松散材料间隔即可。装药及填塞见图2。