呂德仙

（中煤平朔集團有限公司安家?guī)X露天礦，山西朔州036006）

安家?guī)X露天礦組合式預裂藥柱在水孔中的施工優(yōu)化

呂德仙

（中煤平朔集團有限公司安家?guī)X露天礦，山西朔州036006）

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

預裂爆破；深水孔；浮力作用；藥柱漂?。粌?yōu)化

0 引言

預裂爆破技術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用。自2013年下半年開始，安家?guī)X露天礦就引入了組合式預裂藥柱預裂爆破施工工藝。在生產(chǎn)過程中受水文地質情況及當?shù)貧夂驐l件影響，局部預裂區(qū)鉆孔內積水較多，采用現(xiàn)行施工工藝在水孔集中處裝藥施工過程中，受孔內水的作用，會出現(xiàn)組合式藥柱難以下放至孔眼設計位置，常常出現(xiàn)爆后半孔率較低以及預裂面底部有未裂開巖石遺留等現(xiàn)象。影響了邊幫穩(wěn)定性的同時，還埋下了安全隱患，為了解決孔內水對預裂效果的影響，將水的浮力、藥柱自身的重力以及預裂爆破成縫機理進行綜合分析，通過可行性計算，總結出一種綜合間隔裝藥技術來改善現(xiàn)行工藝。經(jīng)過實踐驗證，取得較好的安全效果和經(jīng)濟效益。

1 工程概況

1.1 礦區(qū)工程地質及水文地質

中煤平朔集團安家?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)內地表為低山丘陵，侵蝕切割強烈，標高1 180～1 501 m。該區(qū)地下水主要補給來源為大氣降水，年平均降水量428～449 mm，最大達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，水文地質類型為二類一型。

1.2 預裂爆破參數(shù)

本工程預裂爆破采用組合式專用藥柱，組合式預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置內外螺紋，殼體通過螺紋進行固定[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。選用規(guī)格為11 g/m導爆索起爆藥柱，裝藥時直接將導爆索與藥柱綁扎，預裂爆破裝藥結構如圖1。

地表用導爆索采用雙路連接，用雷管引爆導爆索。預裂炮孔使用120 mm孔徑潛孔鉆機穿孔，臺階高度15 m，巖石類型為中等砂巖，孔間距取1～1.5 m，線裝藥密度一般為0.35～0.45 kg/m，爆破設計參數(shù)見表1。

表1 爆破設計參數(shù)

2 工程問題

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

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

2）預裂面底部有未裂開巖石遺留現(xiàn)象。底部未裂開巖體的存在，影響本平盤以及下部平盤的靠界，給生產(chǎn)計劃以及邊界控制帶來了很大程度的干擾。

3 原因分析及優(yōu)化措施

預裂爆破在輔助礦山生產(chǎn)過程中，隨著開采深度的不斷加深以及雨季來臨之際，鉆爆孔眼出現(xiàn)較多水孔，孔內滲出水量較大，實施預裂爆破采用低密度炸藥藥柱，在藥柱下放到鉆孔時由于水的浮力作用難以使藥柱底端接觸孔眼底部，即藥柱于炮孔內處于漂浮狀態(tài)，裝藥后不能實現(xiàn)藥量的設計分布要求，以及填塞質量也難以保證，最終難以達到預期的控制爆破效果。此外深孔預裂爆破實施過程中，當爆破孔爆炸后，產(chǎn)生的高溫高壓的爆生氣體快速向外膨脹，對藥柱周圍的水產(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]。由于水介質的導熱性和粘滯性導致爆轟能量和沖擊波能量耗散，沖擊波在傳播過程中的峰值壓力和速度隨傳播距離的增大而減小，沖擊波的波長也逐漸被變大。水與空氣具有不同的物理學性質，一是水的壓縮性遠小于空氣，通常情況下認為水是不可壓縮的；二是水的密度遠大于空氣，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間較長，作用強度較大[4]。因此考慮可以通過控制藥柱下放來對水孔加以利用。

預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連續(xù)裝藥，再管內裝入一根導爆索，導爆索大于孔長1 m；②采用間隔裝藥法，將藥卷按一定間隔與導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，使用組合式專用藥卷（主要為硬塑料管灌入炸藥固化成型）外部捆扎導爆索，裝藥結構為通過塑料空管實現(xiàn)空氣間隔裝藥?，F(xiàn)場施工制作完成后的預裂藥柱密度低于水密度，在水孔中裝藥藥柱無法保證下放至設計的位置。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系，物體重力越大所受浮力就會增加相應侵入體積越大，改變藥柱質量可以實現(xiàn)對藥柱在炮孔內位置的控制。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，預選用實體物間隔取代部分空氣間隔的方法實施間隔裝藥。在預裂爆破中，在保證炮孔連線間能劈裂貫穿裂縫又要盡量避免過大的炮孔壓力，防止對炮孔壁巖體的破壞。通過不同空氣層處于不同位置和不同起爆方式下孔內的壓力時程分布的炮孔周圍巖體中的動應力場計算，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；在預裂爆破中合理的空氣層比例約為60%～80%[7]。因此選用在專用預裂藥柱聯(lián)接組合成型中、下部實施實物體填塞空氣間隔，即在間隔空管中裝入實物體，可選實物體為巖渣、黃土、細砂等，通過不增加藥柱整體體積，只改變藥柱密度的方法實現(xiàn)對藥柱整體密度的控制。

4 可行性計算

本工程預裂爆破設計孔深16 m，孔眼平均水深5～10 m，單孔裝藥量為6.75 kg，組合式藥柱單個質量為0.75 kg，長度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長度，m。

經(jīng)計算，組合式藥柱侵入長度L=3.45 m。因此，孔內水深只要超過3.45 m時，孔眼施工裝入炸藥以后，藥柱就無法下放到孔底，藥柱懸浮在水中，無法達到設計要求。按水深5 m來進行計算，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計位置，選取相當重量巖渣裝入組合式藥柱中的間隔空管，本工程中單個間隔空管由空氣轉變?yōu)閹r渣后質量增加約為2.45 kg。由浮力公式計算可得，單個空管變?yōu)閹r渣侵入水內長度可增加1.25 m。為此，現(xiàn)場施工中，我們可根據(jù)組合藥柱底部離孔底的距離來決定將間隔空管變?yōu)閹r渣的數(shù)量，使得組合藥柱底部順利下放到孔底。

5 實施效果

經(jīng)長期現(xiàn)場監(jiān)控測量統(tǒng)計，針對本工程實際設計孔深16 m時，預裂孔眼水深在3～10 m，采取空氣間隔與巖渣間隔綜合裝藥結構，綜合間隔裝藥現(xiàn)場施工實測記錄見表2。

表2 綜合間隔裝藥現(xiàn)場施工實測記錄

觀察實測資料，可以發(fā)現(xiàn)通過綜合間隔裝藥措施，可以解決水孔中預裂藥柱懸浮的問題，入孔藥柱基本下放至孔底，與孔底間距控制在0.5 m以內，針對特殊情況可以采取靈活的取小于1個空管長度的實物間隔來精確控制組合藥柱在水孔中所能下放的位置。同時經(jīng)實施爆破，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

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

2）采用綜合間隔裝藥結構，應注意實體物間隔所處的位置，一般位于成形藥柱的中、下部，此外當有兩個或者兩個以上實物體間隔存在的時候應注意兩者之間保持一定距離，避免因藥柱質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）實物體裝填間隔空管制作應注意選用的巖渣、細砂等預裝入物體的顆粒，不得存在大直徑塊體，同時宜在實施裝藥前，爆破作業(yè)施工準備時制作完成，保證不延長爆破裝藥作業(yè)的時間。

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

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

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

［4］蔡峰，劉澤功.水不耦合裝藥對深孔預裂爆破應力波能量的影響［J］.中國安全生產(chǎn)科學技術，2014（8）：16-21.

［5］汪旭光.爆破設計與施工［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理及應用研究［D］.武漢：武漢大學，2006.

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

【責任編輯：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露天礦組合式預裂藥柱在水孔中的施工優(yōu)化［J］.露天采礦技術，2017，32（5）：39-41.

2016-12-12

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