裂隙岩体爆破技术在露天矿山中的应用

2023-07-27滕昭威

建材与装饰 2023年23期

滕昭威

（贵州开源爆破工程有限公司，贵州贵阳 551400）

0 引言

裂隙岩体爆破是岩石爆破工程中的一项重要内容，其技术难度大，施工效率低。当前我国的岩石爆破工程中，常用的爆破方法较多，裂隙岩体爆破技术便是其一。就爆破对象岩体而言，岩石中含有大量的结构面，这些结构面的出现，是岩石破裂过程中，与均质岩石破裂过程不同的根本原因。因此，在进行爆炸效应分析时，必须同时考虑到结构面的爆炸效应。

1 裂隙岩体爆破技术的研究现状

对岩体的爆破从均匀岩体的爆破机制向裂缝岩体的爆破机制进行了深入转变，其研究结果更为切合实际需要，也更便于在生产中的运用。而对于岩体的爆破，从一开始对自然岩体中的强度、岩性、厚度、产状、密度、孔隙率、含水量等要素对其爆破破坏的影响，逐步从岩体构造入手，对其进行了深入地探索。在裂隙岩体中，如何对裂隙岩体进行有效破坏，以及如何改善裂隙岩体的破坏效果，是当前爆破领域的热门研究课题。因为在实际爆破工作中[1]。采用均质岩体的爆破原理，在爆破过程中存在着较高的块度、较高的粉尘含量和较高的爆破飞石等问题。对原本就不均匀的岩体，在炸药的作用下，岩石应该遵守裂隙介质的变形和破坏规律，因此，要从裂隙岩体自身出发，探讨岩石的爆破原理和应用技术。但从结构面观点出发，对岩石爆破理论进行深入研究，却是从20 世纪40 年代开始的。至今，主要有两个研究阶段，一个是初期，一个是发展时期。初期时，学者们主要从结构面观点来分析岩层的爆破破坏过程，并认为结构面的出现是造成应力波在裂隙岩层与较均匀岩层中传递差别的根本，结构面的闭合、张开以及填充等因素，决定了应力穿过结构面的过程。发展阶段：对裂隙岩石的破碎机制、结构面和破裂的产生、发展以及破碎作用进行了较为系统的研究。在此过程中，采用了许多先进的检测方法，如高速摄影、动光弹、超动态应变测量、激光全息等。图1 为裂隙岩体爆破原理。

图1 裂隙岩体爆破原理

2 岩体非构造裂隙对爆破作用的影响分析

2.1 非构造裂隙岩性特性分析

非构造裂缝主要指由成岩作用、外部动力和重力等造成的裂隙。而风化裂缝又是最常见的一种。西北干旱区非构造裂隙岩体发育的露天矿井，长期处于干旱、少雨、温差大的特殊环境中，因此，其风化剥蚀作用非常严重，受非构造裂隙影响的岩体主要分布在接近地面之下15～20m 的深度地层中，其主要特点是：①岩体受斜层理作用显著，表现为一组或多组与主层面斜交的细层组成，并多为单向斜层理。②裂隙无规律分布杂乱无章的裂缝，沿着裂缝平面的岩石结构发生显著改变，导致岩体的连续性和完整性受到影响，以无方向发展的非构造裂隙岩体为主[2]。

2.2 非均质岩体破裂面及裂隙产状分析

受地层剖开及非构造裂缝等因素的作用，岩石的结构面会改变其冲击的强度及冲击模式，并对冲击漏斗的形成、岩石的破碎质量及冲击堆积的形状等造成一定的影响。断裂面和裂隙产状对岩体爆破的影响如下：①对受斜层理作用的岩体，其爆破作用会被固定方向产状断裂面所影响，在顺层爆破时，沿岩石倾斜方向会造成冲炮，进而产生顺层岩块。②对不明向非构造裂隙岩体，在近距离爆破冲击波的作用下，岩体中动应力场会发生变化，因此，每个方向上的动态抗拉强度、抗压强度及抗剪强度都有不同，裂隙密度、裂隙产状以及裂隙延伸的长度也有不同。一般是指岩石的弱侧，破碎发生得较为剧烈，形成了不规则的岩石大块爆堆。③在无地质构造的情况下，岩石整体结构遭到极大程度破坏，岩石的力学性能比岩块的力学性能差。裂隙的出现使得沿着裂隙平面的剪切和纵向拉伸强度降至最低，导致岩体更易沿着裂隙发生错位或断裂，爆生气体更易从裂缝中泄漏，导致常规爆破的有效压力及持续时间变短，并导致竖向拉伸形成块体[3]。炮孔近区岩体破碎区破坏形态如图2 所示。

图2 炮孔近区岩体破碎区破坏形态

3 裂隙岩体爆破技术的实际应用

3.1 工程概况

某露天矿山，是我国重要的非金属矿产资源开采基地，矿区内岩石种类丰富、储量大，该露天矿山位于A 市境内，矿区面积约为200km2，总储量达6 亿t。根据勘探资料显示，该露天矿山的地表以下部分的岩石主要由花岗岩构成，该区域岩石呈现出较大的节理裂隙等特征。虽然该露天矿山属于大型综合类矿产资源开采基地，但由于该露天矿山地质条件较为复杂、工程地质条件较为恶劣等因素，导致爆破施工难度较大。

某露天矿山，自建成投产以来一直处于开采状态，但由于开采技术落后、岩石性质和结构的复杂性等因素，导致开采过程中出现了较多的爆破安全问题。在该矿山采矿过程中，最常见的就是边坡爆破问题。在该矿山边坡爆破施工过程中，经常出现大块岩石堆积在边坡底部的现象。为避免大型机械设备进入边坡底部的破碎范围内，需要将坡面削去一定的坡度。在该矿山开采过程中，经常采用挖掘机和装载机进行作业。但是由于岩石属于较软的岩石类型，挖掘机和装载机在工作时需要对边坡进行反复的碾压和冲击作业。并且在工作时会产生一定程度的振动影响到周边居民的生活环境[4]。

为了避免因爆破施工对周围环境造成影响，需要采用合理、有效的爆破技术。而针对裂隙岩体爆破技术进行研究和应用具有较好的实际效果。

3.2 台阶爆破方案及参数

主爆区周边地质条件良好，爆破设计以深孔微差法爆破为主，对岩石和松散煤层进行破碎，并进行了持续性耦合装药。同时采取以下6 种方法控制爆破震动和爆破飞石：①在不影响岩体碎裂程度的情况下，增加抵抗线长度，以减小飞岩数量。②对孔深和单孔装药量进行严格控制，在爆破中，采取一次爆破法，并对一次爆破总装药数量进行严格控制。深孔梯级爆破的基本技术指标是：梯级高H=11m，使用大口径的潜孔钻机进行钻孔，钻孔直径为160mm，钻孔方式为梅花形。③底盘抵抗线W 为5.0m，炮眼深L 为14.0m，孔距为8m，排距为6m。④按照岩石节理裂隙发育及风化程度，炸药单耗取0.57kg/m3，单眼装药Q=145kg，并使用耦合连续装药方法。⑤引爆网络使用孔间延时45ms、排间延时100ms 的数码电子雷管。⑥爆破安全警戒距离为190m；在实际施工过程中，可依据岩石的硬度、节理裂隙发育情况等因素进行合理调节。在风化程度较高且坚硬系数较小的情况下，可以增加孔排间距参数；如果孔排间距参数较大，且岩体整体良好、未被风化或轻微风化，则其参数值可以相应降低。实测破碎区范围记录如图3所示。

图3 实测破碎区范围记录

3.3 裂隙岩体爆破技术措施

本项目基于矿裂隙岩体的特性，采用理论分析、实验研究与工程实践等方法，开展了原位混合炸药性能、混合炸药在裂隙岩体中的爆炸冲击控制研究，并获得了较好的成果。在裂隙岩石中应用的技术方法有以下5 种。

3.3.1 改善混装炸药爆破破岩效果

通过研究，明确在满足最大爆炸能力的情况下，铵油炸药的配比、装药密度、贮存时间以及各种因素对铵油炸药爆炸性能的影响呈正比，明确铵油炸药的配比、装药密度、贮存时间及各种因素，可实现铵油炸药的合理配比，进而实现对乳化炸药的高效利用，减少其用量。

3.3.2 采用裂隙岩体可爆性检测分析方法

综合考虑岩体密度、P 波波速、岩体强度系数、炸药单耗以及岩体构造面的平均间隔，建立岩体的可爆性等级划分方法。以岩体结构面距为基准，建立岩体易爆性等级评价体系，从而克服单纯利用岩石纵波速度表征岩石整体质量的缺陷。通过本项目研究，可以进一步提升易爆性等级体系的可靠度，为工程实际应用中的爆破设计提供理论依据，同时也可以有效地提升炮孔的使用效率，保证工程的安全运行[5]。矿区爆破如图4所示。

图4 矿区爆破

3.3.3 建立现场混装炸药与岩石破坏效果的随机优化匹配系统

根据炸药与岩石匹配的配比原则，运用模糊数学和神经网络，建立岩石破坏效果模型。在此基础上，通过对实际工程中使用的岩石性质系数、预期的块度分布、预期的爆堆尺寸以及爆破安全指数等进行分析，实现对所需要的爆破材料的设计与优化。

3.3.4 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

本文提出了一种基于爆层粒径分布科学的裂隙岩体逐孔爆破的最佳毫秒延时计算方法；通过实地测试与计算机模拟，研究了不同气柱位置和配比对爆破效应的影响规律；在此基础上，对空气间隔装药爆破进行了分析，并对最佳空气柱位置进行了分析。采用分逐孔爆破最佳延期时间，可以得到较好的炮眼尺寸，从而达到较好的爆堆块度分布，从而改善后期效率；基于裂隙岩体空气间隔装药理论，针对裂隙岩体，提出了在孔底空气间隔下进行空气间隔装药爆破的方法，但并不适宜。而在药包上部和中部内设置10%～20%空气间隔，可显著提高爆炸效率、减小爆炸震动、减少爆炸费用。

3.3.5 采用裂隙岩体混装炸药爆破振动主动控制技术

在此基础上，研究分段装药量、爆心距、毫秒级延迟时间、分段数量、孔底充气率等因素对爆炸地震波频率范围内的能量和时间的影响，建立在不同爆心距条件下，在此基础上，研究最佳毫秒延时间隔时间及最佳空气层比例。本文提出一种新型的爆破震动主动控制技术，该技术比常规的减震措施具有更好的减震作用。爆炸效果评估：①使爆破作用与掩体的波阻抗达到最佳匹配，炸药单耗减少0.03～0.05kg/m3，使炸药的能量利用率提升5%左右，使岩石的破坏作用更加显著。②通过对引爆网络的优化，爆炸振动得到了较好的降低；爆堆为堆叠结构，部分部位出现凸起，爆堆密集，有利于开采和安装；在保证安全的前提下，有效地减少了岩体在水平面上的抛出距离，减少了爆炸飞石的危险性。③使用空气间隔装药，可显著地增强裂隙及其他较弱构造面处的破岩效应，使破岩过程中的大块率下降5%左右，从而减少破岩费用，并可增加开采装置的工作效率。

以节理、裂缝为代表的软弱构造面会对岩石的结构均匀性造成严重的影响，给工程建设带来极大困难。在别斯库都克山矿区，在对岩体性质、节理、裂隙走向、尺寸等结构面条件进行深入研究的基础上，选择合适的爆破材料，选择合适的装药结构，并对其进行了优化，从而实现了对裂隙岩体的爆破，实现了对裂隙岩体的大块爆破。所采用的爆破技术措施既安全又高效，大大地减少了爆炸的不利影响，从而使爆炸的效果得到了改善，大大地提升了采矿的工作效率，获得了非常明显的安全性和经济性效果，因此，应该在露天矿的采矿中得到推广和使用。