劉小偉 周 蒙 王洪輝

(河北鋼鐵集團(tuán)司家營(yíng)研山鐵礦有限公司)

司家營(yíng)研山鐵礦為河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司下屬特大型礦山企業(yè)，其中露天礦年采剝總量超8 000萬(wàn)t，選用KY-310牙輪鉆機(jī)穿孔，選用WK-20B電鏟采裝，-67 m以下設(shè)計(jì)臺(tái)階高度15 m，炮孔直徑大于50 mm、孔深大于5 m，為標(biāo)準(zhǔn)的深孔爆破，穿孔設(shè)備和鏟運(yùn)設(shè)備大型化極大地提高了生產(chǎn)率，但是由于炮孔孔徑較大一次爆破用藥量較多，給邊坡穩(wěn)定性帶來(lái)巨大的影響[1]。司家營(yíng)礦區(qū)本著安全第一綠色先行的態(tài)度，針對(duì)礦區(qū)特殊的地質(zhì)構(gòu)造，組建邊坡爆破施工技術(shù)小組，根據(jù)不同的導(dǎo)向孔孔徑確定出最適合司家營(yíng)礦區(qū)的預(yù)裂爆破參數(shù)。

1 工程試驗(yàn)

結(jié)合司家營(yíng)礦區(qū)的現(xiàn)有邊坡靠界狀況，選取北邊坡-18 m位置進(jìn)行不同孔徑導(dǎo)向孔工程試驗(yàn)，根據(jù)礦山現(xiàn)有鉆機(jī)型號(hào)，選取D120、D150、D200孔徑潛孔鉆分別進(jìn)行工程試驗(yàn)，分析每種孔徑導(dǎo)向孔爆破后形成的預(yù)裂面平整度和穩(wěn)固性及爆破震動(dòng)影響，總結(jié)出最適合礦山靠界邊坡的爆破方案?？紤]炮孔孔徑越小爆破后邊坡越穩(wěn)定的特點(diǎn)，本次試驗(yàn)裝藥炮孔最終選取D120孔徑潛孔鉆，本次試驗(yàn)的具體預(yù)裂爆破參數(shù)如表1所示。

表1 預(yù)裂孔參數(shù)

1.1 試驗(yàn)方案

司家營(yíng)北區(qū)分公司爆破作業(yè)區(qū)經(jīng)過(guò)多次爆破實(shí)踐，根據(jù)礦山設(shè)計(jì)臺(tái)階高度15 m鉆孔角度65°計(jì)算得出炮孔孔深L=15/sin65°≈16 m。當(dāng)預(yù)裂孔孔徑D=120 mm時(shí)，炮孔孔間距L′=(7～12)D≈(0.84～1.44)m，本次試驗(yàn)L′取1.2 m。藥卷采用該礦山長(zhǎng)期使用的φ32 mm乳膠炸藥，根據(jù)礦山多次爆破實(shí)踐總結(jié)，堵塞長(zhǎng)度N=(1.5～2.0)D=(1.8～2.4)m，由于礦山周邊村莊較多，爆破施工條件復(fù)雜，所以堵塞長(zhǎng)度一般取最大值，即N=2.4 m。當(dāng)該礦山采用上述預(yù)裂參數(shù)時(shí)，爆破效果良好，施工進(jìn)度也明顯加快[2]。

線裝藥密度一般根據(jù)巖體的軟弱程度而定，即巖體較硬選大值，巖體較軟選小值，本次試驗(yàn)線裝藥密度M控制在(0.4～0.6)kg/m。一般情況下由于預(yù)裂孔孔底夾制作用較大，線裝藥密度Md一般取正常線裝藥密度M的2～3倍，試驗(yàn)選取1.6 kg/m。而接近孔口位置由于夾制作用較小，線裝藥密度Mk一般取正常線裝藥密度M的0.4～0.6倍，試驗(yàn)選取0.2 kg/m。不耦合系數(shù)S的取值一般根據(jù)炮孔直徑與藥卷直徑之比來(lái)確定，所以本次試驗(yàn)不耦合系數(shù)S=D/φ=120/32=3.75,預(yù)裂孔爆破參數(shù)都已經(jīng)確定，下面根據(jù)不同孔徑的導(dǎo)向孔分別開(kāi)展爆破試驗(yàn)。

導(dǎo)向孔的應(yīng)用機(jī)理主要是，利用預(yù)裂孔與導(dǎo)向孔穿鑿時(shí)產(chǎn)生的細(xì)小裂隙，在預(yù)裂孔爆炸壓力的作用下，延著裂隙方向開(kāi)裂的過(guò)程[3]，達(dá)到預(yù)期爆破效果的目的。圖1～圖3分別為D120、D150、D200導(dǎo)向孔在預(yù)裂爆破應(yīng)用中的平面布置圖。

圖1 D120導(dǎo)向孔平面(單位：m)

圖2 D150導(dǎo)向孔平面(單位：m)

圖3 D200導(dǎo)向孔平面(單位：m)

1.2 試驗(yàn)效果

(1)D120導(dǎo)向孔爆區(qū)，導(dǎo)向孔7個(gè),預(yù)裂孔8個(gè),共15個(gè)炮孔。爆破后預(yù)裂孔處巖石破碎度較高半壁痕不明顯，而導(dǎo)向孔位置半壁痕較為顯著，平均半壁痕率可以達(dá)到50%并且?guī)r石整體性完好，最長(zhǎng)半壁痕長(zhǎng)度為8 m，半壁痕連續(xù)性比較差。

(2)D150導(dǎo)向孔爆區(qū)，導(dǎo)向孔7個(gè)，預(yù)裂孔8個(gè)，共15個(gè)炮孔。爆破后預(yù)裂孔處巖石破碎度較高半壁痕不明顯，而導(dǎo)向孔位置半壁痕較為顯著，平均半壁痕率可以達(dá)到60%并且?guī)r石整體性完好，最長(zhǎng)半壁痕長(zhǎng)度為10 m，半壁痕連續(xù)性一般。

(3)D200導(dǎo)向孔爆區(qū)，導(dǎo)向孔7個(gè)，預(yù)裂孔8個(gè)，共15個(gè)炮孔。爆破后預(yù)裂孔處巖石破碎度較高半壁痕不明顯，而導(dǎo)向孔位置半壁痕較為顯著，平均半壁痕率可以達(dá)到65%并且?guī)r石整體性完好，最長(zhǎng)半壁痕長(zhǎng)度為炮孔孔深16 m，半壁痕連續(xù)性較好。

1.3 試驗(yàn)結(jié)論

在節(jié)理裂隙發(fā)育較為明顯的巖體中，為了能更好地保護(hù)邊坡的穩(wěn)定性，避免發(fā)生邊坡超挖或者欠挖現(xiàn)象的發(fā)生，如何選擇導(dǎo)向孔孔徑至關(guān)重要。導(dǎo)向孔在鉆機(jī)鉆鑿過(guò)程中炮孔周邊均產(chǎn)生裂隙，但是在預(yù)裂孔爆炸瞬間，爆生氣體沿導(dǎo)向孔自由面的方向擴(kuò)展，使導(dǎo)向孔和預(yù)裂孔之間的裂隙優(yōu)先開(kāi)裂成型，而導(dǎo)向孔孔徑越大裂隙也就越多，在爆生氣體作用下開(kāi)裂的越快也越完整。導(dǎo)向孔孔徑越大預(yù)裂爆破后效果越好，但根據(jù)礦山作業(yè)場(chǎng)地的特殊情況，最大只能選取D200潛孔鉆進(jìn)行邊坡穿孔作業(yè)，無(wú)法選取更大的鉆機(jī)進(jìn)行邊坡靠界穿孔作業(yè)。

2 震動(dòng)分析

預(yù)裂爆破效果主要從2個(gè)方面去評(píng)定：一是爆破后巖體的平整度與穩(wěn)定性，二是預(yù)裂爆破時(shí)產(chǎn)生的沖擊波與地震波。巖體的平整度與穩(wěn)定性可以從后續(xù)的開(kāi)挖效果來(lái)評(píng)定，而沖擊波與地震波只能從爆破危害程度方面來(lái)界定。該礦山之前采用高精度導(dǎo)爆管雷管與導(dǎo)爆索聯(lián)合進(jìn)行邊坡預(yù)裂爆破，置于孔外的導(dǎo)爆索起爆時(shí)產(chǎn)生了巨大的沖擊波，非常不利于礦山周邊居民較多的環(huán)境特點(diǎn)?，F(xiàn)在礦山采用數(shù)碼電子雷管和導(dǎo)爆索聯(lián)合進(jìn)行預(yù)裂爆破，將導(dǎo)爆索置于孔內(nèi)3 m以下并進(jìn)行填塞，爆破時(shí)基本無(wú)任何聲響，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[4]。但是邊坡爆破震動(dòng)的影響一直沒(méi)有較好的解決方案。這次BHPO預(yù)裂爆破法導(dǎo)向孔的應(yīng)用，主要是為了解決巖體平整度與地震波對(duì)預(yù)裂爆破效果的影響問(wèn)題。下面根據(jù)不同孔徑導(dǎo)向孔，爆破時(shí)產(chǎn)生的爆破震動(dòng)波形來(lái)圈定最合理的導(dǎo)向孔孔徑。圖4～圖6分別為D120、D150、D200導(dǎo)向孔在預(yù)裂爆破時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)波形圖。

圖4 D120導(dǎo)向孔震動(dòng)波形(峰值1.12 mm/s)

2.1 D120導(dǎo)向孔震動(dòng)波形圖

爆破震動(dòng)對(duì)周?chē)ㄖ锲茐男暂^大的主要是縱波，所以通常根據(jù)縱波的大小來(lái)判定爆破震動(dòng)的大小，圖4中一共包含4種波形，這4種波都是縱波，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)的軌跡可以看出，大約在0.307 2 s時(shí)，CH3質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度達(dá)到最大1.12 mm/s，對(duì)周?chē)ㄖ锲茐某潭冗_(dá)到最大值。

2.2 D150導(dǎo)向孔震動(dòng)波形圖

圖5中根據(jù)質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)的軌跡可以看出，大約在0.051 2 s時(shí)，CH1質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度達(dá)到最大0.86 mm/s，對(duì)周?chē)ㄖ锲茐某潭冗_(dá)到最大值。

圖5 D150導(dǎo)向孔震動(dòng)波形(峰值0.86 mm/s)

圖6 D200導(dǎo)向孔震動(dòng)波形(峰值0.58 mm/s)

2.3 D200導(dǎo)向孔震動(dòng)波形圖

根據(jù)圖6中質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)的軌跡可以看出，大約在爆破瞬間，CH1質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度達(dá)到最大0.58 mm/s，對(duì)周?chē)ㄖ锲茐某潭冗_(dá)到最大值。

2.4 導(dǎo)向孔震動(dòng)分析

預(yù)裂炮孔參數(shù)不變的情況下，根據(jù)不同孔徑的導(dǎo)向孔爆炸時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)波形圖可以看出，導(dǎo)向孔孔徑越大爆破震動(dòng)波越小，其主要原因是導(dǎo)向孔孔徑越大預(yù)裂孔的自由面就越大，爆炸時(shí)能量受阻就越小，所以爆破時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)波就越小。爆炸能量得到充分利用后使預(yù)裂面易于形成，同時(shí)爆破震動(dòng)也適當(dāng)減小，因此D200導(dǎo)向孔在該礦提高預(yù)裂爆破效果和降震方面具有重要工程意義[5]。圖7為不同孔徑導(dǎo)向孔質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度，圖8為不同孔徑導(dǎo)向孔半壁孔率。

根據(jù)圖7和圖8可以看出，利用導(dǎo)向孔進(jìn)行預(yù)裂爆破時(shí)，導(dǎo)向孔孔徑越大爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度越小,半壁孔率越高，所以為了得到更好的爆破效果，在導(dǎo)向孔預(yù)裂爆破中，導(dǎo)向孔孔徑越大爆破時(shí)預(yù)裂效果越好,爆破震動(dòng)也越小。

圖7 不同孔徑導(dǎo)向孔質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度

圖8 不同孔徑導(dǎo)向孔半壁孔率

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)3種孔徑導(dǎo)向孔在爆破后，整體預(yù)裂面的半壁痕率可以看出，孔徑越大爆破后巖體整體性越好，半壁痕長(zhǎng)度越長(zhǎng)連續(xù)性越好，所以針對(duì)司家營(yíng)礦區(qū)北邊坡的地質(zhì)狀況，最終采用D200導(dǎo)向孔進(jìn)行邊坡控制爆破效果最好。

(2)從導(dǎo)向孔在降震方面的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，導(dǎo)向孔孔徑越大炮孔自由面就越大，爆破時(shí)震動(dòng)能量受阻就越小，給外界帶來(lái)的爆破震動(dòng)就越小，給該公司帶來(lái)了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

(3)結(jié)合不同孔徑導(dǎo)向孔在司家營(yíng)礦區(qū)的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)和總結(jié)，已經(jīng)摸索出一套非常適合該礦區(qū)的爆破技術(shù)參數(shù)。該礦區(qū)爆破技術(shù)團(tuán)隊(duì)會(huì)繼續(xù)努力不斷進(jìn)步，把爆破技術(shù)團(tuán)隊(duì)打造成技術(shù)領(lǐng)先、行業(yè)一流的團(tuán)隊(duì)。