王文軍 李潤然 紀(jì)旭波，3 徐 帥

（1.甘肅酒鋼集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；2.深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819；3.山東恒邦冶煉股份有限公司，山東 煙臺 264109）

巖體可爆性是指巖體抵抗爆破破壞的性能，反映了爆破破碎巖體的難易程度。巖體可爆性分級是客觀評價(jià)爆破效果、制訂管理制度、確定勞動定額和控制材料消耗的先決條件。了解和掌握巖體的可爆性、開展巖體可爆性分級對爆破方案設(shè)計(jì)、炸藥類別選型、炸藥單耗估算、孔網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化、裝藥結(jié)構(gòu)和微差時(shí)間確定具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度出發(fā)，采用不同方法對巖體可爆性分級進(jìn)行了大量研究，提出了各種巖體可爆性分級的指標(biāo)與方法。如美國C.W.Livingston、F.C.Bond分別以應(yīng)變能因數(shù)和破碎功指數(shù)等單一指標(biāo)描述巖石可爆性［1］，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)手段的匱乏，導(dǎo)致這樣的單一指標(biāo)分級結(jié)果極易出現(xiàn)偏差。部分學(xué)者應(yīng)用多指標(biāo)綜合分析理論，提出了多種不同巖石可爆性分級方法：如巖石可爆性的模糊分級法［2-3］、灰色系統(tǒng)決策法［4-5］、加權(quán)聚類分析方法［6-7］、多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［8］、計(jì)算機(jī)智能專家系統(tǒng)［9］和屬性識別模型［10］等，這些方法大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用不便，難以推廣。東北大學(xué)紐強(qiáng)等［11］以能量平衡為準(zhǔn)則，根據(jù)巖石可爆性基本觀點(diǎn)和一些合理判據(jù)，基于我國各大礦山，針對不同種巖性進(jìn)行了多次現(xiàn)場試驗(yàn)，并取得了大量數(shù)據(jù)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與理論，將巖石可爆性與其影響因素之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了合理表征，并使用定量指標(biāo)，編制出了一整套巖石可爆性分級表，成為應(yīng)用最為廣泛的巖體分級方法。

鏡鐵山礦業(yè)有限公司黑溝礦區(qū)長年基于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)開展爆破設(shè)計(jì)，隨著開采進(jìn)行不斷揭露新的工作臺階，不同區(qū)域礦巖的物理力學(xué)性質(zhì)、賦存條件和完整性均有所不同，固定爆破參數(shù)用于不同的礦巖區(qū)域，導(dǎo)致爆破效果不甚理想。本項(xiàng)目通過研究礦巖可爆性分級的基本方法，確定了黑溝礦區(qū)礦巖可爆性分級的流程步驟，通過室內(nèi)及現(xiàn)場測算，獲得用于礦巖分級的指標(biāo)，基于礦巖可爆破性指數(shù)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行典型礦巖可爆破性分級。分級結(jié)果對黑溝礦區(qū)礦巖可爆破性評價(jià)與參數(shù)優(yōu)化提供了有力的科學(xué)支撐。

1 巖體可爆性評價(jià)指標(biāo)

評價(jià)巖體可爆性的指標(biāo)歸納起來有3個方面：巖石物理力學(xué)性質(zhì)、巖體地質(zhì)構(gòu)造特征和爆破效果。巖石強(qiáng)度能夠描述巖石力學(xué)性質(zhì)；巖體波阻抗可以反映巖石物理性質(zhì)和巖體地質(zhì)構(gòu)造特征；爆破漏斗體積和塊度分布則是爆破效果的合理表征。

（1）巖石強(qiáng)度。巖石強(qiáng)度包括巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖石抗拉強(qiáng)度和巖石抗剪強(qiáng)度，是表征巖石力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)。這3個強(qiáng)度指標(biāo)分別對應(yīng)炸藥爆破破碎巖石的3種形式：炸藥爆轟產(chǎn)生壓力使附近巖石受擠壓破碎；爆轟應(yīng)力波傳播到裂隙表面反射形成拉伸波，使巖石受拉破壞；由于炸藥能量分布不均，巖石會產(chǎn)生剪切破壞情況。

（2）巖體波阻抗。巖體波阻抗是指在巖體中引起擾動、并使質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生單位振動速度所必須的應(yīng)力。波阻抗的大小由巖體中巖石密度與其彈性縱波波速的乘積進(jìn)行計(jì)算。波阻抗是巖石物理性質(zhì)與巖體地質(zhì)構(gòu)造特征的綜合表征。波阻抗越大，產(chǎn)生單位振動速度所需應(yīng)力就大，需要的炸藥能量越高；反之，波阻抗小，產(chǎn)生單位振動速度所需的應(yīng)力就小，需要的炸藥能量越低。

（3）塊度分布。礦石塊度是指采用爆破等手段將礦石從巖體剝離出來的碎塊的幾何尺寸的大小，常用碎塊兩端最大距離表示。礦石塊度過大說明爆破能量過低，未能很好地破碎巖體，容易導(dǎo)致溜井或漏斗堵塞，需要二次爆破，進(jìn)行進(jìn)一步破碎處理，處理過程中伴隨著沖擊波、噪聲、飛石和有毒有害氣體等危害。塊度過小說明裝藥量過多，造成礦石過粉，損失貧化率升高。

（4）爆破漏斗體積。炸藥爆炸時(shí)除在其周圍巖石產(chǎn)生震動、裂隙和破壞外，還將視抵抗線的不同，在巖體自由表面引起巖石的破裂、鼓包和拋擲，進(jìn)而形成一漏斗狀炸坑，稱為爆破漏斗［12］。爆破漏斗大小與巖石性質(zhì)、炸藥類別、裝藥量和起爆方式均有密切關(guān)系，可以說爆破漏斗體積是評價(jià)爆破效果好壞的綜合性指標(biāo)。

2 礦巖可爆性分級方法

在露天礦中深孔爆破試驗(yàn)中，應(yīng)控制實(shí)驗(yàn)條件相同。結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際，通過對黑溝礦區(qū)生產(chǎn)設(shè)備以及管理制度的調(diào)查，設(shè)置以下標(biāo)準(zhǔn)條件，如表1所示。

在標(biāo)準(zhǔn)條件下以現(xiàn)場爆破試驗(yàn)的巖石爆破漏斗體積、爆破塊度分布和巖體波阻抗作為巖石可爆性分級的判據(jù)，制訂黑溝礦區(qū)巖體可爆性分級步驟如下。

（1）對礦區(qū)主要巖性開展室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，包括巖石單軸抗壓試驗(yàn)、巴西劈裂實(shí)驗(yàn)和直剪試驗(yàn)；分別得到每種強(qiáng)度4種巖性的平均值，包括平均單軸抗壓強(qiáng)度和平均抗剪強(qiáng)度。

（2）分別針對各巖性的單軸抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度設(shè)置修正系數(shù)。首先計(jì)算各巖性的3種巖石強(qiáng)度與其對應(yīng)平均值的比值，然后取這3個比值的平均值作為最終的修正系數(shù)；每種巖性修正系數(shù)的計(jì)算式為

（3）對各巖性賦存巖體進(jìn)行現(xiàn)場波速測試。

（4）在上述標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行單孔爆破實(shí)驗(yàn)。將被爆下的巖體近似看作一柱體，使用無人機(jī)在同一位置對爆破前后的坡頂面進(jìn)行拍攝，經(jīng)過比例尺（由炮孔實(shí)際長度與照片中炮孔長度對比得到）換算得到被爆下巖體的頂表面積，與實(shí)測的臺階高度相乘，得到爆破漏斗體積。

（5）利用無人機(jī)拍攝爆堆圖片，將圖片通過塊度分析軟件計(jì)算平均大塊率、平均小塊率和塊度平均合格率。

（6）根據(jù)爆破漏斗體積、平均大塊率、平均小塊率、塊度平均合格率和巖體波阻抗計(jì)算爆破作用指數(shù)：

式中，N為巖石可爆性指數(shù)；V為巖石爆破漏斗體積，m3；K1為爆破漏斗大塊率（＞700mm），%；K2為爆破漏斗小塊率（≤100mm），%；K3為爆破漏斗塊度平均合格率（200～700 mm），%；ρ為巖石密度，g/cm3；Cρ為巖體彈性縱波波速，m/s。

（7）將每種巖性的爆破作用指數(shù)N與第（2）步中相應(yīng)系數(shù)相乘，獲得修正N值，查閱表2進(jìn)行可爆性分級。

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場測試

3.1 室內(nèi)巖石力學(xué)測試

對黑溝礦區(qū)典型礦巖進(jìn)行現(xiàn)場取樣，包含千枚巖（鐵質(zhì)千枚巖、灰綠色千枚巖）、鏡鐵礦和白云巖，對上述4種巖性開展室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲得其單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。以單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)過程為例介紹實(shí)驗(yàn)流程，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

首先進(jìn)行巖石基本參數(shù)測定，以不同巖性巖石標(biāo)準(zhǔn)件為試樣，測試其高度、直徑及質(zhì)量，計(jì)算其密度，每種巖性試樣不少于3組，取其平均值以減小誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

然后使用瑞士Proceq公司的Pundit PL-200巖石超聲波檢測儀測試巖樣的波速，在巖石超聲波探測儀傳感器上均勻涂抹超聲波耦合劑，分別將2個傳感器放置在圓形試件兩端的相同位置，運(yùn)行巖石超聲波探測儀，記錄時(shí)間示數(shù)，然后通過巖石高度和時(shí)間示數(shù)計(jì)算出波速。根據(jù)波速測量結(jié)果對巖石試樣進(jìn)行篩選，盡量減少試樣初始離散性的影響。然后在Stiffman試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，加載速度0.8 mm/min，記錄巖石破壞時(shí)的峰值強(qiáng)度，每種巖性實(shí)驗(yàn)3次取平均值為最終結(jié)果。修正系數(shù)計(jì)算方法見式（1），各巖石強(qiáng)度測試及修正系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

3.2 現(xiàn)場波速測試

巖體波速測試設(shè)備使用RSM-RCT聲波測井儀，設(shè)備由采集儀和聲波探頭組成，聲波探頭能夠發(fā)射和接收超聲波，采集儀負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、供電等，設(shè)備外觀如圖2（a）、圖2（b）所示。

巖體波速測試，首先對孔內(nèi)注水，然后下放探頭測量不同孔深處的波速。由于該鉆孔注水中，孔內(nèi)裂隙發(fā)育，導(dǎo)致孔內(nèi)水不斷滲出，水位不斷下降。所以采用邊注水、邊測試的方式進(jìn)行工作，工作過程如圖2（c）所示。探頭每次下放距離為0.2 m，下放最大深度17.6 m，共測得89個點(diǎn)。測量結(jié)果如圖3所示。

分析波速—深度折線圖3可知，在0～4.8 m之間的礦體波速較低，波速分布在1.2～2.3 km/s之間，主要原因是上一臺階爆破對礦體造成損傷，形成裂隙區(qū)。因此，取深度5.0～17.6 m的波速求平均值，作為該區(qū)域礦體波速，求得的波速值為3.6 km/s?；谕瑯臃椒?，開展了不同礦巖類型區(qū)域波速測定試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

3.3 塊度分析

黑溝采場爆破塊度分析采用大疆御ⅡPro無人機(jī)對爆破現(xiàn)場的實(shí)際爆堆進(jìn)行拍攝，相較于傳統(tǒng)拍攝，無人機(jī)航拍可以任意調(diào)整拍攝角度和高度，有效避免了傳統(tǒng)拍攝角度帶來的遠(yuǎn)端圖像小、近端圖像大的問題。拍攝過程中選用顏色鮮艷球體作為塊度分析的參照物，每次拍攝時(shí)球體間間距均大于1.5 m，以保證后期塊度分析的準(zhǔn)確性。

采用無人機(jī)相對爆堆等距平移的拍攝方法。無人機(jī)距離爆堆高度恒定在8 m左右，按照從左至右的順序拍攝，每次拍攝位置與上次拍攝區(qū)域交叉10%。采用Split-Desktop爆破分析軟件對爆破塊度進(jìn)行分析，并采用人工輔助方式校正偏差，得到最終爆破塊度分析結(jié)果。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)及塊度分析如圖4所示。另外，還能得到不同直徑塊度通過率，如表6所示。

3.4 爆破漏斗體積測算

以鏡鐵礦單孔爆破漏斗實(shí)驗(yàn)為例，將爆破下來的巖體看作一端面為不規(guī)則形狀的柱體，按第2節(jié)步驟4中的方法測算端面面積為62.73 m2，如圖5所示。實(shí)測臺階高度為15.5 m，則爆破漏斗體積V=972.32 m3。

按照上述方法對黑溝礦區(qū)的典型巖石均進(jìn)行了單孔爆破漏斗體積測算，結(jié)果如表7所示。

4 黑溝礦區(qū)巖體可爆性分級

將鏡鐵礦巖體波阻抗、爆破塊度和爆破漏斗體積指標(biāo)代入式（2）得到：

鏡鐵礦可爆性指數(shù)為48.67，查表2可知該區(qū)域?qū)儆诒频燃墷蝾悗r體，亞類為Ⅱ2類易爆破巖體，綜合表4中的加權(quán)系數(shù)，鏡鐵礦的修正系數(shù)為0.9，得到修正后的可爆性指數(shù)為43.803，該區(qū)域依然屬于爆破等級Ⅱ類巖體，但亞類變?yōu)棰?類易爆破巖體，說明該區(qū)域巖體可爆性相對增強(qiáng)。按以上步驟，對黑溝礦區(qū)Ⅱ期采場所有典型巖性均進(jìn)行了可爆性分級，結(jié)果如表8所示。

礦巖可爆性分級是以爆區(qū)為單元，將可爆性相近或一致的區(qū)域劃分為同一片爆破分區(qū)。結(jié)合黑溝礦區(qū)Ⅱ期工程進(jìn)度和可爆性分區(qū)結(jié)果，目前鐵質(zhì)千枚巖主要分布在3 755 m水平，鐵質(zhì)千枚巖和鏡鐵礦分別賦存在3 760 m和3 730 m水平，白云巖則主要存在于3 745 m水平。

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)黑溝礦區(qū)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，鐵質(zhì)千枚巖各項(xiàng)強(qiáng)度最高，白云巖次之，之后依次為鏡鐵礦與灰綠色千枚巖。對露天爆破來說，巖石強(qiáng)度越大爆破難度越高。故鐵質(zhì)千枚巖的修正系數(shù)最大，灰綠色千枚巖修正系數(shù)最小，白云巖與鏡鐵礦居中，且白云巖修正系數(shù)略大于鏡鐵礦。

（2）通過分析波速結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鐵質(zhì)千枚巖波速最高，說明其巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，節(jié)理裂隙較少，巖體最為完整；灰綠色千枚巖波速最低，說明其巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，節(jié)理裂隙較多，巖體最為破碎。白云巖和鏡鐵礦巖體波速相對適中，其中，鏡鐵礦巖體較為完整，而白云巖巖體則較破碎。

（3）可爆性分級結(jié)果表明黑溝礦區(qū)巖體可爆性排序由易到難依次為灰綠色千枚巖、鏡鐵礦、白云巖和鐵質(zhì)千枚巖。其中鏡鐵礦巖易爆破，說明其能保持較好的爆破效果；白云巖和鐵質(zhì)千枚巖爆破性均為中等，說明其爆破所需能量較高，容易產(chǎn)生大塊；灰綠千枚巖爆破易破碎，說明其極易發(fā)生粉化現(xiàn)象，而且垂直于自由面的節(jié)理處易產(chǎn)生大塊，造成塊度兩極分化，粉末與大塊并存。