呂德仙

（中煤平朔集團(tuán)有限公司安家?guī)X露天礦，山西朔州036006）

安家?guī)X露天礦組合式預(yù)裂藥柱在水孔中的施工優(yōu)化

呂德仙

（中煤平朔集團(tuán)有限公司安家?guī)X露天礦，山西朔州036006）

采用組合式預(yù)裂藥柱施工工藝在水孔集中處裝藥施工過(guò)程中，常常出現(xiàn)爆后半孔率較低以及預(yù)裂面底部有未裂開(kāi)巖石遺留等現(xiàn)象。為了解決孔內(nèi)水對(duì)預(yù)裂效果的影響，總結(jié)出一種綜合間隔裝藥技術(shù)來(lái)改善現(xiàn)行工藝。

預(yù)裂爆破；深水孔；浮力作用；藥柱漂??；優(yōu)化

0 引言

預(yù)裂爆破技術(shù)能夠有效控制圍巖的超控和破裂[1]，為此在露天礦山邊幫控制上得到了廣泛應(yīng)用。自2013年下半年開(kāi)始，安家?guī)X露天礦就引入了組合式預(yù)裂藥柱預(yù)裂爆破施工工藝。在生產(chǎn)過(guò)程中受水文地質(zhì)情況及當(dāng)?shù)貧夂驐l件影響，局部預(yù)裂區(qū)鉆孔內(nèi)積水較多，采用現(xiàn)行施工工藝在水孔集中處裝藥施工過(guò)程中，受孔內(nèi)水的作用，會(huì)出現(xiàn)組合式藥柱難以下放至孔眼設(shè)計(jì)位置，常常出現(xiàn)爆后半孔率較低以及預(yù)裂面底部有未裂開(kāi)巖石遺留等現(xiàn)象。影響了邊幫穩(wěn)定性的同時(shí)，還埋下了安全隱患，為了解決孔內(nèi)水對(duì)預(yù)裂效果的影響，將水的浮力、藥柱自身的重力以及預(yù)裂爆破成縫機(jī)理進(jìn)行綜合分析，通過(guò)可行性計(jì)算，總結(jié)出一種綜合間隔裝藥技術(shù)來(lái)改善現(xiàn)行工藝。經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，取得較好的安全效果和經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

1.1 礦區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

中煤平朔集團(tuán)安家?guī)X露天礦位于寧武煤田北端，行政區(qū)劃隸屬朔州市平魯區(qū)管轄，面積49.8 km3，礦區(qū)內(nèi)地表為低山丘陵，侵蝕切割強(qiáng)烈，標(biāo)高1 180～1 501 m。該區(qū)地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，年平均降水量428～449 mm，最大達(dá)757.4 mm，日最大暴雨量87～153 mm，多集中在7—9月，占全年降水量75%，有含水層分布，直接充水含水層富水性弱，水文地質(zhì)類(lèi)型為二類(lèi)一型。

1.2 預(yù)裂爆破參數(shù)

本工程預(yù)裂爆破采用組合式專(zhuān)用藥柱，組合式預(yù)裂藥柱重要組成部分是藥柱殼體，藥柱殼體的頭部和尾部分別設(shè)置內(nèi)外螺紋，殼體通過(guò)螺紋進(jìn)行固定[2]。藥柱采用密度較低、爆速較低的特制炸藥，具有操作使用方便、裝藥方式靈活、爆破效果好等優(yōu)點(diǎn)。選用規(guī)格為11 g/m導(dǎo)爆索起爆藥柱，裝藥時(shí)直接將導(dǎo)爆索與藥柱綁扎，預(yù)裂爆破裝藥結(jié)構(gòu)如圖1。

地表用導(dǎo)爆索采用雙路連接，用雷管引爆導(dǎo)爆索。預(yù)裂炮孔使用120 mm孔徑潛孔鉆機(jī)穿孔，臺(tái)階高度15 m，巖石類(lèi)型為中等砂巖，孔間距取1～1.5 m，線(xiàn)裝藥密度一般為0.35～0.45 kg/m，爆破設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

2 工程問(wèn)題

研究安家?guī)X露天礦近2年預(yù)裂爆破工程爆后驗(yàn)收記錄總結(jié)，發(fā)現(xiàn)在其每年的中下旬時(shí)候，水孔較多時(shí)預(yù)裂爆破施工中，爆破后預(yù)裂效果較差，給邊坡穩(wěn)定性維護(hù)以及邊界控制帶來(lái)了一定程度的干擾。具體工程問(wèn)題以及不良影響：

1）半孔率較低、預(yù)裂面不平整。半空率低直接導(dǎo)致邊幫穩(wěn)定性受到侵害，不時(shí)會(huì)有石塊滾落，局部地區(qū)還出現(xiàn)滑坡情況，埋下安全隱患。

2）預(yù)裂面底部有未裂開(kāi)巖石遺留現(xiàn)象。底部未裂開(kāi)巖體的存在，影響本平盤(pán)以及下部平盤(pán)的靠界，給生產(chǎn)計(jì)劃以及邊界控制帶來(lái)了很大程度的干擾。

3 原因分析及優(yōu)化措施

預(yù)裂爆破在輔助礦山生產(chǎn)過(guò)程中，隨著開(kāi)采深度的不斷加深以及雨季來(lái)臨之際，鉆爆孔眼出現(xiàn)較多水孔，孔內(nèi)滲出水量較大，實(shí)施預(yù)裂爆破采用低密度炸藥藥柱，在藥柱下放到鉆孔時(shí)由于水的浮力作用難以使藥柱底端接觸孔眼底部，即藥柱于炮孔內(nèi)處于漂浮狀態(tài)，裝藥后不能實(shí)現(xiàn)藥量的設(shè)計(jì)分布要求，以及填塞質(zhì)量也難以保證，最終難以達(dá)到預(yù)期的控制爆破效果。此外深孔預(yù)裂爆破實(shí)施過(guò)程中，當(dāng)爆破孔爆炸后，產(chǎn)生的高溫高壓的爆生氣體快速向外膨脹，對(duì)藥柱周?chē)乃a(chǎn)生沖擊作用，形成沖擊波，并以爆破孔為中心向四周徑向傳播[3]。由于水介質(zhì)的導(dǎo)熱性和粘滯性導(dǎo)致爆轟能量和沖擊波能量耗散，沖擊波在傳播過(guò)程中的峰值壓力和速度隨傳播距離的增大而減小，沖擊波的波長(zhǎng)也逐漸被變大。水與空氣具有不同的物理學(xué)性質(zhì)，一是水的壓縮性遠(yuǎn)小于空氣，通常情況下認(rèn)為水是不可壓縮的；二是水的密度遠(yuǎn)大于空氣，爆轟產(chǎn)物的膨脹速度慢于空氣，因而水耦合爆破沖擊波的作用時(shí)間較長(zhǎng)，作用強(qiáng)度較大[4]。因此考慮可以通過(guò)控制藥柱下放來(lái)對(duì)水孔加以利用。

預(yù)裂爆破藥包加工通常采用2種方法：①將炸藥裝填于一定直徑的硬塑料管內(nèi)連續(xù)裝藥，再管內(nèi)裝入一根導(dǎo)爆索，導(dǎo)爆索大于孔長(zhǎng)1 m；②采用間隔裝藥法，將藥卷按一定間隔與導(dǎo)爆索一起綁在竹片上，形成藥串[5-6]。本工程由第1種方法衍變而來(lái)，使用組合式專(zhuān)用藥卷（主要為硬塑料管灌入炸藥固化成型）外部捆扎導(dǎo)爆索，裝藥結(jié)構(gòu)為通過(guò)塑料空管實(shí)現(xiàn)空氣間隔裝藥。現(xiàn)場(chǎng)施工制作完成后的預(yù)裂藥柱密度低于水密度，在水孔中裝藥藥柱無(wú)法保證下放至設(shè)計(jì)的位置。根據(jù)浮力定律物體處于懸浮狀態(tài)，物體所受浮力等于物體重力，物體所受浮力與侵入體積成正比關(guān)系，物體重力越大所受浮力就會(huì)增加相應(yīng)侵入體積越大，改變藥柱質(zhì)量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)藥柱在炮孔內(nèi)位置的控制。鑒于在不增加藥柱整體體積、不改變藥柱制作工藝、不增加爆破成本的“三不”原則下，預(yù)選用實(shí)體物間隔取代部分空氣間隔的方法實(shí)施間隔裝藥。在預(yù)裂爆破中，在保證炮孔連線(xiàn)間能劈裂貫穿裂縫又要盡量避免過(guò)大的炮孔壓力，防止對(duì)炮孔壁巖體的破壞。通過(guò)不同空氣層處于不同位置和不同起爆方式下孔內(nèi)的壓力時(shí)程分布的炮孔周?chē)鷰r體中的動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，表明：空氣層置于頂部的裝藥方式優(yōu)于空氣層置于中部和下部;正向起爆方式優(yōu)于反向起爆方式；在預(yù)裂爆破中合理的空氣層比例約為60%～80%[7]。因此選用在專(zhuān)用預(yù)裂藥柱聯(lián)接組合成型中、下部實(shí)施實(shí)物體填塞空氣間隔，即在間隔空管中裝入實(shí)物體，可選實(shí)物體為巖渣、黃土、細(xì)砂等，通過(guò)不增加藥柱整體體積，只改變藥柱密度的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)藥柱整體密度的控制。

4 可行性計(jì)算

本工程預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)孔深16 m，孔眼平均水深5～10 m，單孔裝藥量為6.75 kg，組合式藥柱單個(gè)質(zhì)量為0.75 kg，長(zhǎng)度500 mm，直徑50 mm。根據(jù)浮力定律，物體處于懸浮狀態(tài)，物體所受浮力等于物體重力，于是得出如下式子：

式中：M為單孔藥柱質(zhì)量，kg；ρ為水的密度，kg/m3；D為組合式藥柱直徑，m；L為組合式藥柱侵入水內(nèi)長(zhǎng)度，m。

經(jīng)計(jì)算，組合式藥柱侵入長(zhǎng)度L=3.45 m。因此，孔內(nèi)水深只要超過(guò)3.45 m時(shí)，孔眼施工裝入炸藥以后，藥柱就無(wú)法下放到孔底，藥柱懸浮在水中，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。按水深5 m來(lái)進(jìn)行計(jì)算，本工程組合藥柱底部距孔底段約為1.5 m。

為了使得藥柱下放到設(shè)計(jì)位置，選取相當(dāng)重量巖渣裝入組合式藥柱中的間隔空管，本工程中單個(gè)間隔空管由空氣轉(zhuǎn)變?yōu)閹r渣后質(zhì)量增加約為2.45 kg。由浮力公式計(jì)算可得，單個(gè)空管變?yōu)閹r渣侵入水內(nèi)長(zhǎng)度可增加1.25 m。為此，現(xiàn)場(chǎng)施工中，我們可根據(jù)組合藥柱底部離孔底的距離來(lái)決定將間隔空管變?yōu)閹r渣的數(shù)量，使得組合藥柱底部順利下放到孔底。

5 實(shí)施效果

經(jīng)長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控測(cè)量統(tǒng)計(jì)，針對(duì)本工程實(shí)際設(shè)計(jì)孔深16 m時(shí)，預(yù)裂孔眼水深在3～10 m，采取空氣間隔與巖渣間隔綜合裝藥結(jié)構(gòu)，綜合間隔裝藥現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)測(cè)記錄見(jiàn)表2。

表2 綜合間隔裝藥現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)測(cè)記錄

觀察實(shí)測(cè)資料，可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)綜合間隔裝藥措施，可以解決水孔中預(yù)裂藥柱懸浮的問(wèn)題，入孔藥柱基本下放至孔底，與孔底間距控制在0.5 m以?xún)?nèi)，針對(duì)特殊情況可以采取靈活的取小于1個(gè)空管長(zhǎng)度的實(shí)物間隔來(lái)精確控制組合藥柱在水孔中所能下放的位置。同時(shí)經(jīng)實(shí)施爆破，在巖體完整性好的地方，可以獲得70%以上的半孔率，形成光滑平整的邊坡平面，保證邊坡巖體的穩(wěn)定性；在巖體完整性較差的區(qū)域，可以形成較平整的邊坡平面，減少巖傘、超爆、超挖、爆區(qū)后沖等現(xiàn)象的發(fā)生。

6 總結(jié)

1）預(yù)裂裂縫先從孔壁開(kāi)始形成，在高壓、高溫氣體作用下向中點(diǎn)發(fā)展[8]，形成貫穿裂縫，采用組合式預(yù)裂藥柱綜合間隔裝藥，能夠?qū)崿F(xiàn)水孔中藥柱下放位置的精確控制，但在實(shí)施過(guò)程中亦應(yīng)該注意保證空氣間隔的數(shù)量，保證預(yù)裂效果的良好。

2）采用綜合間隔裝藥結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意實(shí)體物間隔所處的位置，一般位于成形藥柱的中、下部，此外當(dāng)有兩個(gè)或者兩個(gè)以上實(shí)物體間隔存在的時(shí)候應(yīng)注意兩者之間保持一定距離，避免因藥柱質(zhì)量分布不均造成彎折以及連接不牢固，造成傳爆不穩(wěn)定以及拒爆等現(xiàn)象。

3）實(shí)物體裝填間隔空管制作應(yīng)注意選用的巖渣、細(xì)砂等預(yù)裝入物體的顆粒，不得存在大直徑塊體，同時(shí)宜在實(shí)施裝藥前，爆破作業(yè)施工準(zhǔn)備時(shí)制作完成，保證不延長(zhǎng)爆破裝藥作業(yè)的時(shí)間。

［1］閆大洋.露天礦臺(tái)階預(yù)裂爆破參數(shù)優(yōu)化及研究應(yīng)用［D］.合肥：安徽理工大學(xué)，2014.

［2］葉新榮，祁茂富，劉曉明.組合式預(yù)裂起爆藥柱在東露天礦邊坡預(yù)裂爆破中的應(yīng)用［J］.露天采礦技術(shù)，2014（12）：1-6.

［3］龔敏，黃毅華，王德勝，等.松軟煤層深孔預(yù)裂爆破力學(xué)特性的數(shù)值分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（8）：1674-1681.

［4］蔡峰，劉澤功.水不耦合裝藥對(duì)深孔預(yù)裂爆破應(yīng)力波能量的影響［J］.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014（8）：16-21.

［5］汪旭光.爆破設(shè)計(jì)與施工［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

［6］公安部治安管理局.爆破作業(yè)技能與安全［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2014.

［7］朱紅兵.空氣間隔裝藥爆破機(jī)理及應(yīng)用研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2006.

［8］王建國(guó)，高全臣，吳浩，等.預(yù)裂爆破成逢機(jī)理的數(shù)值模擬研究［J］.有色金屬，2014（2）：80-92.

【責(zé)任編輯：陳毓】

Construction optimization of combined pre-split explosive column in deep water drilling in Anjialing Open-pit Mine

LV Dexian
(AnJialing Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

In the process of deep water drilling decked charge,using combined pre-split explosive column technology often emerges that half hole rate is low and the bottom of the pre-split face exists no cracked rock and so on.In order to solve the effect of water in drill hole on pre-split effect,the article summarizes the comprehensive interval charge technology to improve the current technology.

pre-split blasting;deep water drilling;buoyancy effect;explosive cylinder flotation;optimization

TD235.4

B

1671-9816（2017）05-0039-03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.05.011

呂德仙.安家?guī)X露天礦組合式預(yù)裂藥柱在水孔中的施工優(yōu)化［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（5）：39-41.

2016-12-12

呂德仙（1988—），男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，助理工程師，2011年畢業(yè)于呼倫貝爾學(xué)院采礦工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)在安家?guī)X露天礦穿爆班工作。