露天煤矿台阶爆破合理超深试验研究

刘红岩，王 文，邹宗山，张光雄

(1.中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083；2.中建八局第一建设有限公司，山东 济南 250100；3.保利民爆哈密有限公司，新疆 哈密 839000)

中深孔台阶爆破因其安全性好、生产效率高、开采能力大等优点而被广泛应用于露天矿山的岩石剥离。但在实际生产中，由于中深孔台阶爆破效果的好坏不但与矿山地质条件有关，还与钻孔参数(如炮孔间排距、孔径、超深等)和爆破工艺参数(如炸药性质、装药方式、起爆位置和起爆网络设计等)密切相关，因此煤破效果难以保障[1-6]。根底率是评价露天台阶爆破效果的重要指标，目前工程上常采用炮孔超深的方法来改善台阶底部岩石的破碎问题，但是超深值的合理选取仍是一个亟待解决的难题。如果炮孔超深过大，不但会造成钻孔和炸药浪费，增大地震效应，还会对台阶底板造成过度破碎；相反，如果超深过小，则容易产生根底，影响铲装效率[7]。很多学者分别采用试验、理论及数值计算等方法对露天台阶爆破的合理炮孔超深展开深入研究[8-13]。陈晶晶等[8]以河南经山寺露天铁矿近千次的深孔台阶爆破实践为例，认为在爆破参数及其他因素基本合理的情况下，通过局部加大超深、在不同地质条件下改变炮孔密集系数m值、采用V型起爆技术等措施，可以有效减少根底，提高矿山经济效益。李建军[9]以中铝山西分公司石灰石铁矿露天爆破作业为例，对根底产生的各种原因进行了详细分析，并提出了多种预防根底的方法如选择合理的孔网参数、微差起爆时间及合理布置炮孔等。张鹏强[10]根据炮孔深度的几何关系和利文斯顿爆破漏斗理论建立了炮孔超深的理论计算公式，认为合理的炮孔超深与岩石变形能系数、炮孔线装药密度、爆破类型和底盘抵抗线等均有关。黄刚等[11]针对东沟钼矿台阶爆破中出现的根底问题，假定炸药单耗不变，采用数值模拟研究了相关因素对根底的影响，发现底盘抵抗线影响最大、炮孔超深次之，排距影响最小。张袁娟等[12]采用ANSYS/LS-DYNA软件对有超深和无超深两种工况下的台阶爆破进行了数值模拟，发现超深对被爆岩石的有效应力和主应力均有较大影响。霍晓伟[13]通过数值模拟及现场试验研究表明双利矿山14 m台阶爆破采用下部药柱底端先起爆，而后上部药柱在顶端起爆，且中间空气间隔4 m、超深1.5 m的爆破参数可使得台阶底部平整、无明显根底。

由此可以看出，露天矿山台阶爆破中炮孔超深的合理选取至关重要，而且与矿山具体的地质条件和钻爆参数密切相关。为此，本研究针对新疆哈密市吉郎德煤矿露天深孔台阶爆破存在的主要问题即大块率高、根底率现象严重、爆破效果差等问题展开现场试验研究，以优化其爆破参数，改善爆破效果，进而降低矿山开采成本，提高矿山经济效益。

1 矿山台阶爆破概况

吉郎德煤矿位于新疆哈密市巴里坤县城北西约140 km，现已探明煤矿资源储量2.3亿t，其中露天可采储量1.48亿t，设计规模2.0 Mt/a，服务年限63 a。2011年11月开工建设，2013年7月投产。目前土岩剥离及资源开采均采用露天台阶爆破、单斗挖掘机—卡车工艺，生产剥采比为9.71 m3/t。

矿田地质构造相对简单，无大的区域性断层穿过矿区，但三、四级结构面普遍发育。矿区岩石类型主要为表层砂砾土、泥岩、砂岩，其质量密度ρ=1.9～2.73 g/cm3、单轴抗压强度σt=30～60 MPa、粘聚力c=0.26～13.1 MPa、内摩擦角φ=15°～34.2°，岩石硬度系数f=2～4.5。

台阶爆破参数为：台阶高度12 m、台阶坡面角85°、钻孔直径120 mm、钻孔深度13 m(其中超深1 m)、钻孔倾角90°、底盘抵抗线为3.2 m、间排距为5 m×4 m的梅花型布孔。采用电子雷管微差起爆，各炮孔微差起爆时间统一设定为孔差25 ms、排差50 ms。装药方法为首先在钻孔底部装入少量炸药，而后放入用导爆索牵引的电子雷管，并继续装药，最后约3.5 m用钻孔岩屑堵塞。炸药采用铵油炸药(无水)或乳化炸药(有水)。

2 钻孔超深计算方法及现场试验

2.1 钻孔超深计算方法

目前常用的露天矿山台阶爆破钻孔超深计算方法见表1。由表1可知，该矿山合理的钻孔超深取值范围为0.32～4 m，范围较大。

表1 台阶爆破钻孔超深计算方法

为了保证达到爆破效果的同时尽可能地减小爆破震动对高边坡稳定性的影响，按照松动爆破进行设计。此时药柱的破裂半径与爆破漏斗的爆破作用半径相等，即Rp=R，松动爆破如图1所示。

图1 松动爆破

那么由爆破漏斗的几何关系可知：

式中，n为爆破作用指数，为了便于后续矿石的铲装，应尽可能达到最好的松动爆破效果，即加强松动爆破，此时n可取为0.75～1[20]，该矿山更倾向于松动爆破，取n=0.75～0.9。

常用钻孔超深计算方法如图2所示，即当孔底至台阶底部的距离最小时，可保证不出现根底，此时β=90°，相应地炸药利用率最高[21]。

图2 钻孔超深计算

根据利文斯顿爆破漏斗理论，此时药柱底部可看作长度为x的集中药包爆炸产生的破裂半径Rp等于其相应的临界埋深Lc，即有[22]：

式中，C为线装药密度；Eb为变形能系数，m/kg1/3，其与岩石的变形耗能有关。

由式(1)(2)可得：

若此x段长度装药中心置于底盘平面，则相应的超深应为：

该工程中各相关参数取值为：n=0.75～0.9，Wd=3.2 m，C=12 kg/m；根据文献[22]给出的经验值，对于砂岩，Eb建议取为1.5 m/kg1/3。将上述参数代入式(4)可得：h=0.79～0.99 m。

该工程目前采用的钻孔超深1 m时，出现了超挖现象，进而导致下一个台阶平整度变差，因此结合上述理论计算结果，拟将钻孔超深减小至0.8 m。

2.2 现场试验结果及分析

2.2.1 1380平台

首先选择1380平台作为实验平台，如图3所示，根据上述孔网参数计算确定该实验平台共需布置钻孔87个。试验中取钻孔超深为0.8 m，与原超深为1 m情况对比，其余参数同前。爆破后进行现场清理，利用GPS对该试验平台上的99个点以2 m×2 m的间距进行高程测量，并绘制高程3D图；同时利用式(5)计算各高程数据的标准差以评价爆破后平台底盘的平整度：

图3 两种超深条件下爆破后的1380平台

式中，Δ为标准差，m；n采样点的个数；hi各采样点高程，m。

图4 两种超深下1380平台底盘高程差

表2 两种超深下1380平台高程对比

2.2.2 1392平台

图5 两种超深条件下爆破后的1392平台

图6 两种超深下1392平台底盘高程差

表3 两种超深下1392平台高程对比

2.2.3 其他平台应用实验

通过对1380和1392平台的试验发现，使用0.8 m的钻孔超深的爆破效果略优于钻孔超深为1 m的情况，虽然有时二者均能取到不错的爆破效果，但使用0.8 m的超深更节省钻孔工程量和炸药。下面为了检验0.8 m的钻孔超深在不同平台的爆破效果，进行了14次现场爆破实验。上述实验伋据现场施工进度进行，涉及从上到下多个平台，且同高度平台处岩石也不尽相同，因此也采用了不同的孔网参数，因而具有很强的代表性。西帮1284南区爆破后的平整度较高，其高程误差在0.4～0.7 m，爆破效果特别理想；西帮1320缓冲平台爆破后相对比较平整，两侧略有起伏，平整度良好，其高程差在0～0.3 m，爆破效果比较理想；西帮1332内坡爆破后相对比较平整，呈两边高中间低形态，平整度良好，其高程差在-1～-0.6 m，爆破效果比较理想；西帮1344北区爆破后底盘相对比较平整，呈左略低右略高形态，平整度良好，其高程差在-0.8～-0.4 m，爆破效果比较理想；西帮1356南区前爆破后相对比较平整，平整度较高，其高程差在-0.3～0 m，爆破效果特别理想；西帮1356南区后爆破后相对比较平整，平整度较高，其高程差在-0.3～0 m，爆破效果特别理想；西帮1356中部爆破后相对比较平整，但左上角有明显根底，平整度一般，其高程差在-0.3～0.2 m，爆破效果一般；西帮1380北区爆破后相对比较平整，但右上与右下角有明显根底，平整度一般，其高程差在-0.4～0.3 m，爆破效果一般；西帮1380南区、西帮1404北区、南帮1416西区右、南帮1416西区中、南帮1416西区左、西帮1416内坡等6个平台爆破后均相对比较平整，其高程差分别为-0.2～0.2 m，0～0.2 m，0.1～0.5 m，0.2～0.5 m，0～0.4 m，0～0.2 m，爆破效果理想。

总之，上述14个平台中仅有西帮1356中部与西帮1380北区有小部分区域存在较小的突出根底，但大体还是比较平整，爆破效果也勉强符合要求，其余平台的爆破效果均比较良好。因此，使用0.8 m的炮孔超深适用于绝大部分平台，而对于底部平台，可依然使用原1或1.2 m的超深。

14次爆破实验结果见表4，可以看出最大高差仅为0.639 m，且大部分平台的最大高差均在0.4 m以下，且标准差仅有3个平台大于0.1 m，所以总体爆破效果好。现场实验通常要求平均高程与设计高程之间的高差在0.5 m以内。14次实验中，共有11次实验符合此标准，其中1332南部中区和1344北区是平均高程低于设计高程且超过合理误差范围内，由于相比于原超深，此次属于降超深，则更好地减小了高差，故0.8 m的超深依然具有优越性。1284西帮南区的平均高程高于设计高程且超过合理误差范围内，故0.8 m的超深不太适用于该平台，同时发现，该平台的高程最小，且位于整个矿坑最底部，故在靠近矿坑底部的几个平台不太适用0.8 m的超深，而对于矿坑中部和上部平台，使用0.8 m的超深均能起到降本增效的效果。这可能是由于随着平台高程的减小，岩石强度及坚固性增加，炮孔底部夹制作用变大，因而0.8 m的超深有些偏小，因而应采用较大的钻孔超深。

表4 14次爆破实验结果汇总 m

3 结 论

针对吉郎德煤矿露天深孔台阶爆破中存在的高根底率问题，拟采用调整钻孔超深的方法进行解决。为此，首先在对常用的钻孔超深计算方法进行回顾的基础上，并结合相应的理论计算结果，将目前采用的钻孔超深由1 m减小为0.8 m，而后在14个平台上开展了对比试验，结果表明当钻孔超深采用0.8 m时，85%以上的平台爆破后的最大高差均在0.4 m以下，有效地降低了根底率，爆破效果良好，同时还降低了钻孔工程量及炸药用量，取得了良好的经济效益。但是对于高程较低的平台如 1284西帮南区平台，0.8 m的钻孔超深偏小，这可能是由于随着平台高程的降低，岩石强度增加，炮孔底部夹制作用变大所致，此时应加大钻孔超深。