吳雙休，王天龍，王 飛

（1. 云南磷化集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650600；2. 酒泉鋼鐵集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司鏡鐵山礦，甘肅 嘉峪關(guān) 735101）

近年來(lái)，隨著黑溝露天礦礦巖開挖的不斷推進(jìn)，逐步鄰近開采境界邊緣，為確保爆破開挖過(guò)程不影響最終邊坡的穩(wěn)定性，減少爆破振動(dòng)對(duì)邊坡的危害效應(yīng)，采用預(yù)裂爆破工藝對(duì)最終邊幫進(jìn)行施工。其原理是鄰近炮孔起爆瞬間生成的爆轟波與同時(shí)生成的高溫高壓氣體的共同作用，沿預(yù)裂孔布置軸向形成預(yù)裂縫，進(jìn)而保證爆破后形成平整穩(wěn)定的坡面。

目前國(guó)內(nèi)外預(yù)裂爆破應(yīng)用較為廣泛，其中有些采用的是大孔徑預(yù)裂爆破。結(jié)合黑溝露天礦預(yù)裂爆破效果，大孔徑預(yù)裂爆破普遍存在以下一些問(wèn)題[1]：①大孔徑預(yù)裂爆破常出現(xiàn)預(yù)裂面超挖或者欠挖，需進(jìn)一步使用邊坡鉆二次穿孔處理，邊坡面平整度難以滿足預(yù)裂爆破質(zhì)量要求；②爆后預(yù)裂炮孔附近的部分巖體會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的爆破裂隙或大塊浮石，半孔率較低。

本文以黑溝露天礦大孔徑預(yù)裂爆破為例，通過(guò)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化及采取相應(yīng)的技術(shù)措施，爆后半孔率達(dá)到71%以上，形成較為完整的預(yù)裂面，達(dá)到了預(yù)期效果，為類似礦山工程提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

酒鋼鏡鐵山鐵礦地處甘肅省肅南裕固族自治縣祁豐鄉(xiāng)境內(nèi)，是酒泉鋼鐵公司最主要的鐵礦石原料基地，礦山由樺樹溝和黑溝兩個(gè)礦區(qū)組成。黑溝礦區(qū)位于樺樹溝礦區(qū)東南側(cè)，北大河流水由南向北通過(guò)兩礦區(qū)之間，兩礦區(qū)僅一河之隔，相距約2.3km。礦區(qū)內(nèi)地表巖層因受構(gòu)造影響，節(jié)理發(fā)育，巖石破碎，并受風(fēng)化等外力的影響，礦床兩側(cè)溝谷切割，山嶺狹窄，構(gòu)成了比較復(fù)雜的鱗狀山丘地貌。

圖1 黑溝礦區(qū)地形地貌

2 邊坡地質(zhì)分區(qū)

根據(jù)礦區(qū)內(nèi)邊坡工程地質(zhì)巖組特征、構(gòu)造和結(jié)構(gòu)特征、邊坡水文地質(zhì)條件、潛在的滑坡破壞模式及邊坡幾何要素，按其相似性和差異性將黑溝礦區(qū)最終境界邊坡細(xì)分為5個(gè)分區(qū)，即：一區(qū)（北西區(qū)）、二區(qū)（北中區(qū)）、三區(qū)（北東區(qū)）、四區(qū)（東南區(qū)）、五區(qū)（南區(qū)），并根據(jù)不同巖性分別設(shè)計(jì)預(yù)裂爆破參數(shù)。

3 預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 炮孔直徑

主爆孔采用Φ250mm孔徑，垂直鉆孔；緩沖孔及輔助緩沖孔采用Φ250mm孔徑，垂直鉆孔；預(yù)裂孔采用Φ165mm孔徑，傾斜鉆孔，傾斜角度為65°，如圖2所示。

圖2 預(yù)裂爆破炮孔布置剖面圖

3.2 臺(tái)階高度

按邊坡設(shè)計(jì)高度，H=15m。

3.3 炮孔超深

（1）主爆孔：根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)情況，hc=2.5m；

（2）緩沖孔：hc=1m。

3.4 炮孔長(zhǎng)度

炮孔長(zhǎng)度h=H+hc

（1）主爆孔：h=17.5m；

（2）緩沖孔：h=16m；

（3）輔助緩沖孔：h=6.2m；

（4）預(yù)裂孔：h=17.0m（傾斜孔）。

3.5 炮孔間距、排距

根據(jù)前期邊坡巖體物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，各種巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)目前礦山常規(guī)爆破的孔網(wǎng)參數(shù)，主爆孔孔距a=8.0m，排距b=5.0m；緩沖孔距一般為正常孔的2/3～1/3，取緩沖孔距a1=5.0m，緩沖孔與主爆孔連線垂直距離b1取4.0m；輔助緩沖孔距a2=4.0m，與緩沖孔連線垂直距離b2取4.0m，與預(yù)裂孔連線垂直距離b3取4.0m，具體布置如圖3所示。

圖3 炮孔布置平面示意圖

3.5.1 預(yù)裂孔孔距

（1）預(yù)裂孔孔距可根據(jù)下式計(jì)算[2，3]：

式中：d—炮孔直徑，cm。

根據(jù)以上公式，代入預(yù)裂孔孔徑16.5cm，計(jì)算得出a預(yù)=1.3～2.0m。

（2）預(yù)裂孔孔距也可根據(jù)馬鞍山礦山研究院提出的有關(guān)預(yù)裂爆破孔距經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[4]：

式中：D—孔徑，m；

K—不耦合系數(shù)，選取5。

計(jì)算得孔距a=1.55m。但按馬鞍山礦山研究院經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的孔距是完整巖體中的孔距，而本礦山巖體節(jié)理裂隙比較發(fā)育，因此應(yīng)根據(jù)巖體性質(zhì)適當(dāng)縮小孔距。

綜合以上兩式計(jì)算結(jié)果，并考慮礦山巖體狀況和方便現(xiàn)場(chǎng)施工，預(yù)裂孔孔距a預(yù)均取值1.3m。

3.5.2 炸藥單耗q及線裝藥密度q線

根據(jù)類似礦山和工程經(jīng)驗(yàn)[5]，結(jié)合本工程巖石結(jié)構(gòu)及等級(jí)，灰綠色千枚巖和鐵礦層主爆孔取q=0.55kg/m3，緩沖孔、輔助緩沖孔取q=0.45kg/m3；灰黑色千枚巖和鈣質(zhì)千枚巖主爆孔取q=0.6kg/m3，緩沖孔、輔助緩沖孔取q=0.5kg/m3。

預(yù)裂孔線裝藥密度q線根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[6]：

式中：R——巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

d——炮孔直徑，m。

計(jì)算得出鈣質(zhì)千枚巖q線=1.43kg/m，灰綠色千枚巖q線=1.25kg/m，灰黑色千枚巖q線=1.43kg/m，鐵礦石q線=1.31kg/m。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，灰綠色千枚巖、鐵礦層q線取值1.3kg/m，灰黑色千枚巖及鈣質(zhì)千枚巖q線取值1.5 kg/m。

3.6 單孔裝藥量Q

3.6.1 灰綠色千枚巖及鐵礦層

（1）主爆孔：

Q1=qabH=0.55×8.0×5.0×15=330kg。

（2）緩沖孔：

Q2=qabH=0.45×5.0×4.0×15=135kg。

（3）輔助緩沖孔：根據(jù)設(shè)計(jì)孔深6m，Q3取值45kg。

（4）預(yù)裂孔：Q4=q線L，計(jì)算后取值20kg。為克服底部夾制作用，整體裝藥結(jié)構(gòu)宜分為底部加強(qiáng)裝藥段（正常線裝藥密度的2～5倍）、中部正常裝藥段、上部減弱裝藥段，將藥卷和導(dǎo)爆索捆綁在竹片上。采用分段裝藥時(shí)，在保證填塞長(zhǎng)度條件下，底部加強(qiáng)裝藥段長(zhǎng)度L3取2m，裝藥5.6kg；中部正常裝藥段長(zhǎng)度L2取9.0m，裝藥11.7kg；頂部為減弱裝藥和填塞段L1取5.0m，填塞2m，裝藥3m（2.7kg）。

3.6.2 灰黑色千枚巖及鈣質(zhì)千枚巖

（1）主爆孔：

Q1=qabH=0.6×8.0×5.0×15=360kg。

（2）緩沖孔：

Q2=qabH=0.5×5.0×4.0×15=150kg。

（3）輔助緩沖孔：根據(jù)設(shè)計(jì)孔深6m，Q3取值48kg。

（4）預(yù)裂孔：Q4=q線L，計(jì)算后取值23kg。為克服底部夾制作用，整體裝藥結(jié)構(gòu)宜分為底部加強(qiáng)裝藥段（正常線裝藥密度2～5倍）、中部正常裝藥段、上部減弱裝藥段，將藥卷和導(dǎo)爆索捆綁在竹片上。采用分段裝藥時(shí)，在保證填塞長(zhǎng)度條件下，底部加強(qiáng)裝藥段長(zhǎng)度L3取2m，裝藥6.5kg；中部正常裝藥段長(zhǎng)度L2取9.0m，裝藥13.5kg；頂部為減弱裝藥和填塞段L1取5.0m，填塞2m，裝藥3m（3kg）。

3.7 填塞長(zhǎng)度

通常根據(jù)公式Lt=（20～30）D計(jì)算[7]，結(jié)合實(shí)際裝藥長(zhǎng)度，取值如下：

（1）主爆孔：Lt=6.0～7.0m；

（2）緩沖孔：Lt=5.0m；

（3）輔助緩沖孔：Lt=3.0m；

（4）預(yù)裂孔：Lt=2m。

3.8 裝藥結(jié)構(gòu)

主爆孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，緩沖孔和輔助緩沖孔采用底部集中+空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)，預(yù)裂孔采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

3.9 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

采用ORICA高精度雷管逐孔起爆網(wǎng)路（主爆孔和緩沖孔孔內(nèi)雷管為ORICA高精度400ms雷管），預(yù)裂孔孔內(nèi)用導(dǎo)爆索起爆，孔間用導(dǎo)爆索傳爆，預(yù)裂孔超前主爆孔起爆時(shí)間不少于100ms[8]，且為減小預(yù)裂孔爆破振動(dòng)對(duì)邊坡影響，地表分兩段用25ms雷管延時(shí)起爆。

起爆順序：首先起爆預(yù)裂孔，其次起爆主爆孔，再起爆緩沖孔，最后起爆輔助緩沖孔，如圖5所示。

圖5 預(yù)裂爆破起爆網(wǎng)路示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)成孔布置情況，于采場(chǎng)3775m水平東南幫進(jìn)行了兩次預(yù)裂爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)地巖性主要為灰綠色千枚巖及鐵礦層。預(yù)裂線長(zhǎng)度共計(jì)162m。其中預(yù)裂孔124個(gè)，輔助緩沖孔41個(gè)，緩沖孔33個(gè)，主爆孔73個(gè)。根據(jù)實(shí)際裝藥條件調(diào)整后，預(yù)裂孔單孔裝藥24kg，輔助緩沖孔單孔裝藥60kg，緩沖孔單孔裝藥180kg，主爆孔平均單孔裝藥510kg，兩次爆破鏟裝后坡面如圖6所示。

圖6 預(yù)裂爆破試驗(yàn)爆后效果

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)爆后開挖情況，預(yù)裂爆破效果較好：預(yù)裂線長(zhǎng)度162m，預(yù)裂孔124個(gè)，可在掌子面觀察到半壁孔88個(gè)，半壁孔率達(dá)到71%，超過(guò)了60%以上半壁孔的研究目標(biāo)要求：掌子面根部到達(dá)預(yù)裂線位置，無(wú)需對(duì)預(yù)裂面進(jìn)行二次處理。

5 結(jié)論

針對(duì)黑溝露天礦采場(chǎng)采用大孔徑預(yù)裂爆破后，預(yù)裂面預(yù)留半壁孔數(shù)不足、預(yù)裂面巖體完整性較差、采場(chǎng)生產(chǎn)爆破振動(dòng)使預(yù)裂面產(chǎn)生滾石而對(duì)采場(chǎng)安全生產(chǎn)造成一定影響等問(wèn)題，根據(jù)黑溝露天礦的工程地質(zhì)資料及采場(chǎng)現(xiàn)狀，對(duì)黑溝采場(chǎng)境界線區(qū)域進(jìn)行了大孔徑預(yù)裂爆破參數(shù)優(yōu)化研究，確定出了適合黑溝采場(chǎng)不同區(qū)域和巖性的預(yù)裂爆破參數(shù)，使爆破后預(yù)裂面留有71%以上的半壁孔，預(yù)裂面巖體較為完整，符合預(yù)裂爆破技術(shù)質(zhì)量要求。在后期生產(chǎn)中，預(yù)裂面不會(huì)受采場(chǎng)采深增加及采場(chǎng)生產(chǎn)爆破振動(dòng)的影響而產(chǎn)生滾石及片幫現(xiàn)象，且無(wú)需對(duì)預(yù)裂面進(jìn)行二次處理，對(duì)采場(chǎng)安全生產(chǎn)工作起到了積極的作用，具有極大的安全和經(jīng)濟(jì)效益。