滕昭威

（貴州開源爆破工程有限公司，貴州 貴陽 551400）

0 引言

裂隙巖體爆破是巖石爆破工程中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其技術(shù)難度大，施工效率低。當(dāng)前我國的巖石爆破工程中，常用的爆破方法較多，裂隙巖體爆破技術(shù)便是其一。就爆破對象巖體而言，巖石中含有大量的結(jié)構(gòu)面，這些結(jié)構(gòu)面的出現(xiàn)，是巖石破裂過程中，與均質(zhì)巖石破裂過程不同的根本原因。因此，在進(jìn)行爆炸效應(yīng)分析時(shí)，必須同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)面的爆炸效應(yīng)。

1 裂隙巖體爆破技術(shù)的研究現(xiàn)狀

對巖體的爆破從均勻巖體的爆破機(jī)制向裂縫巖體的爆破機(jī)制進(jìn)行了深入轉(zhuǎn)變，其研究結(jié)果更為切合實(shí)際需要，也更便于在生產(chǎn)中的運(yùn)用。而對于巖體的爆破，從一開始對自然巖體中的強(qiáng)度、巖性、厚度、產(chǎn)狀、密度、孔隙率、含水量等要素對其爆破破壞的影響，逐步從巖體構(gòu)造入手，對其進(jìn)行了深入地探索。在裂隙巖體中，如何對裂隙巖體進(jìn)行有效破壞，以及如何改善裂隙巖體的破壞效果，是當(dāng)前爆破領(lǐng)域的熱門研究課題。因?yàn)樵趯?shí)際爆破工作中[1]。采用均質(zhì)巖體的爆破原理，在爆破過程中存在著較高的塊度、較高的粉塵含量和較高的爆破飛石等問題。對原本就不均勻的巖體，在炸藥的作用下，巖石應(yīng)該遵守裂隙介質(zhì)的變形和破壞規(guī)律，因此，要從裂隙巖體自身出發(fā)，探討巖石的爆破原理和應(yīng)用技術(shù)。但從結(jié)構(gòu)面觀點(diǎn)出發(fā)，對巖石爆破理論進(jìn)行深入研究，卻是從20 世紀(jì)40 年代開始的。至今，主要有兩個(gè)研究階段，一個(gè)是初期，一個(gè)是發(fā)展時(shí)期。初期時(shí)，學(xué)者們主要從結(jié)構(gòu)面觀點(diǎn)來分析巖層的爆破破壞過程，并認(rèn)為結(jié)構(gòu)面的出現(xiàn)是造成應(yīng)力波在裂隙巖層與較均勻巖層中傳遞差別的根本，結(jié)構(gòu)面的閉合、張開以及填充等因素，決定了應(yīng)力穿過結(jié)構(gòu)面的過程。發(fā)展階段：對裂隙巖石的破碎機(jī)制、結(jié)構(gòu)面和破裂的產(chǎn)生、發(fā)展以及破碎作用進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。在此過程中，采用了許多先進(jìn)的檢測方法，如高速攝影、動(dòng)光彈、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量、激光全息等。圖1 為裂隙巖體爆破原理。

圖1 裂隙巖體爆破原理

2 巖體非構(gòu)造裂隙對爆破作用的影響分析

2.1 非構(gòu)造裂隙巖性特性分析

非構(gòu)造裂縫主要指由成巖作用、外部動(dòng)力和重力等造成的裂隙。而風(fēng)化裂縫又是最常見的一種。西北干旱區(qū)非構(gòu)造裂隙巖體發(fā)育的露天礦井，長期處于干旱、少雨、溫差大的特殊環(huán)境中，因此，其風(fēng)化剝蝕作用非常嚴(yán)重，受非構(gòu)造裂隙影響的巖體主要分布在接近地面之下15～20m 的深度地層中，其主要特點(diǎn)是：①巖體受斜層理作用顯著，表現(xiàn)為一組或多組與主層面斜交的細(xì)層組成，并多為單向斜層理。②裂隙無規(guī)律分布雜亂無章的裂縫，沿著裂縫平面的巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變，導(dǎo)致巖體的連續(xù)性和完整性受到影響，以無方向發(fā)展的非構(gòu)造裂隙巖體為主[2]。

2.2 非均質(zhì)巖體破裂面及裂隙產(chǎn)狀分析

受地層剖開及非構(gòu)造裂縫等因素的作用，巖石的結(jié)構(gòu)面會(huì)改變其沖擊的強(qiáng)度及沖擊模式，并對沖擊漏斗的形成、巖石的破碎質(zhì)量及沖擊堆積的形狀等造成一定的影響。斷裂面和裂隙產(chǎn)狀對巖體爆破的影響如下：①對受斜層理作用的巖體，其爆破作用會(huì)被固定方向產(chǎn)狀斷裂面所影響，在順層爆破時(shí)，沿巖石傾斜方向會(huì)造成沖炮，進(jìn)而產(chǎn)生順層巖塊。②對不明向非構(gòu)造裂隙巖體，在近距離爆破沖擊波的作用下，巖體中動(dòng)應(yīng)力場會(huì)發(fā)生變化，因此，每個(gè)方向上的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度都有不同，裂隙密度、裂隙產(chǎn)狀以及裂隙延伸的長度也有不同。一般是指巖石的弱側(cè)，破碎發(fā)生得較為劇烈，形成了不規(guī)則的巖石大塊爆堆。③在無地質(zhì)構(gòu)造的情況下，巖石整體結(jié)構(gòu)遭到極大程度破壞，巖石的力學(xué)性能比巖塊的力學(xué)性能差。裂隙的出現(xiàn)使得沿著裂隙平面的剪切和縱向拉伸強(qiáng)度降至最低，導(dǎo)致巖體更易沿著裂隙發(fā)生錯(cuò)位或斷裂，爆生氣體更易從裂縫中泄漏，導(dǎo)致常規(guī)爆破的有效壓力及持續(xù)時(shí)間變短，并導(dǎo)致豎向拉伸形成塊體[3]。炮孔近區(qū)巖體破碎區(qū)破壞形態(tài)如圖2 所示。

圖2 炮孔近區(qū)巖體破碎區(qū)破壞形態(tài)

3 裂隙巖體爆破技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

3.1 工程概況

某露天礦山，是我國重要的非金屬礦產(chǎn)資源開采基地，礦區(qū)內(nèi)巖石種類豐富、儲(chǔ)量大，該露天礦山位于A 市境內(nèi)，礦區(qū)面積約為200km2，總儲(chǔ)量達(dá)6 億t。根據(jù)勘探資料顯示，該露天礦山的地表以下部分的巖石主要由花崗巖構(gòu)成，該區(qū)域巖石呈現(xiàn)出較大的節(jié)理裂隙等特征。雖然該露天礦山屬于大型綜合類礦產(chǎn)資源開采基地，但由于該露天礦山地質(zhì)條件較為復(fù)雜、工程地質(zhì)條件較為惡劣等因素，導(dǎo)致爆破施工難度較大。

某露天礦山，自建成投產(chǎn)以來一直處于開采狀態(tài)，但由于開采技術(shù)落后、巖石性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性等因素，導(dǎo)致開采過程中出現(xiàn)了較多的爆破安全問題。在該礦山采礦過程中，最常見的就是邊坡爆破問題。在該礦山邊坡爆破施工過程中，經(jīng)常出現(xiàn)大塊巖石堆積在邊坡底部的現(xiàn)象。為避免大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)入邊坡底部的破碎范圍內(nèi)，需要將坡面削去一定的坡度。在該礦山開采過程中，經(jīng)常采用挖掘機(jī)和裝載機(jī)進(jìn)行作業(yè)。但是由于巖石屬于較軟的巖石類型，挖掘機(jī)和裝載機(jī)在工作時(shí)需要對邊坡進(jìn)行反復(fù)的碾壓和沖擊作業(yè)。并且在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定程度的振動(dòng)影響到周邊居民的生活環(huán)境[4]。

為了避免因爆破施工對周圍環(huán)境造成影響，需要采用合理、有效的爆破技術(shù)。而針對裂隙巖體爆破技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用具有較好的實(shí)際效果。

3.2 臺階爆破方案及參數(shù)

主爆區(qū)周邊地質(zhì)條件良好，爆破設(shè)計(jì)以深孔微差法爆破為主，對巖石和松散煤層進(jìn)行破碎，并進(jìn)行了持續(xù)性耦合裝藥。同時(shí)采取以下6 種方法控制爆破震動(dòng)和爆破飛石：①在不影響巖體碎裂程度的情況下，增加抵抗線長度，以減小飛巖數(shù)量。②對孔深和單孔裝藥量進(jìn)行嚴(yán)格控制，在爆破中，采取一次爆破法，并對一次爆破總裝藥數(shù)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。深孔梯級爆破的基本技術(shù)指標(biāo)是：梯級高H=11m，使用大口徑的潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，鉆孔直徑為160mm，鉆孔方式為梅花形。③底盤抵抗線W 為5.0m，炮眼深L 為14.0m，孔距為8m，排距為6m。④按照巖石節(jié)理裂隙發(fā)育及風(fēng)化程度，炸藥單耗取0.57kg/m3，單眼裝藥Q=145kg，并使用耦合連續(xù)裝藥方法。⑤引爆網(wǎng)絡(luò)使用孔間延時(shí)45ms、排間延時(shí)100ms 的數(shù)碼電子雷管。⑥爆破安全警戒距離為190m；在實(shí)際施工過程中，可依據(jù)巖石的硬度、節(jié)理裂隙發(fā)育情況等因素進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。在風(fēng)化程度較高且堅(jiān)硬系數(shù)較小的情況下，可以增加孔排間距參數(shù)；如果孔排間距參數(shù)較大，且?guī)r體整體良好、未被風(fēng)化或輕微風(fēng)化，則其參數(shù)值可以相應(yīng)降低。實(shí)測破碎區(qū)范圍記錄如圖3所示。

圖3 實(shí)測破碎區(qū)范圍記錄

3.3 裂隙巖體爆破技術(shù)措施

本項(xiàng)目基于礦裂隙巖體的特性，采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究與工程實(shí)踐等方法，開展了原位混合炸藥性能、混合炸藥在裂隙巖體中的爆炸沖擊控制研究，并獲得了較好的成果。在裂隙巖石中應(yīng)用的技術(shù)方法有以下5 種。

3.3.1 改善混裝炸藥爆破破巖效果

通過研究，明確在滿足最大爆炸能力的情況下，銨油炸藥的配比、裝藥密度、貯存時(shí)間以及各種因素對銨油炸藥爆炸性能的影響呈正比，明確銨油炸藥的配比、裝藥密度、貯存時(shí)間及各種因素，可實(shí)現(xiàn)銨油炸藥的合理配比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對乳化炸藥的高效利用，減少其用量。

3.3.2 采用裂隙巖體可爆性檢測分析方法

綜合考慮巖體密度、P 波波速、巖體強(qiáng)度系數(shù)、炸藥單耗以及巖體構(gòu)造面的平均間隔，建立巖體的可爆性等級劃分方法。以巖體結(jié)構(gòu)面距為基準(zhǔn)，建立巖體易爆性等級評價(jià)體系，從而克服單純利用巖石縱波速度表征巖石整體質(zhì)量的缺陷。通過本項(xiàng)目研究，可以進(jìn)一步提升易爆性等級體系的可靠度，為工程實(shí)際應(yīng)用中的爆破設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，同時(shí)也可以有效地提升炮孔的使用效率，保證工程的安全運(yùn)行[5]。礦區(qū)爆破如圖4所示。

圖4 礦區(qū)爆破

3.3.3 建立現(xiàn)場混裝炸藥與巖石破壞效果的隨機(jī)優(yōu)化匹配系統(tǒng)

根據(jù)炸藥與巖石匹配的配比原則，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立巖石破壞效果模型。在此基礎(chǔ)上，通過對實(shí)際工程中使用的巖石性質(zhì)系數(shù)、預(yù)期的塊度分布、預(yù)期的爆堆尺寸以及爆破安全指數(shù)等進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對所需要的爆破材料的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

3.3.4 采用裂隙巖體毫秒延時(shí)爆破與空氣間隔裝藥的關(guān)鍵參數(shù)確定方法

本文提出了一種基于爆層粒徑分布科學(xué)的裂隙巖體逐孔爆破的最佳毫秒延時(shí)計(jì)算方法；通過實(shí)地測試與計(jì)算機(jī)模擬，研究了不同氣柱位置和配比對爆破效應(yīng)的影響規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，對空氣間隔裝藥爆破進(jìn)行了分析，并對最佳空氣柱位置進(jìn)行了分析。采用分逐孔爆破最佳延期時(shí)間，可以得到較好的炮眼尺寸，從而達(dá)到較好的爆堆塊度分布，從而改善后期效率；基于裂隙巖體空氣間隔裝藥理論，針對裂隙巖體，提出了在孔底空氣間隔下進(jìn)行空氣間隔裝藥爆破的方法，但并不適宜。而在藥包上部和中部內(nèi)設(shè)置10%～20%空氣間隔，可顯著提高爆炸效率、減小爆炸震動(dòng)、減少爆炸費(fèi)用。

3.3.5 采用裂隙巖體混裝炸藥爆破振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)

在此基礎(chǔ)上，研究分段裝藥量、爆心距、毫秒級延遲時(shí)間、分段數(shù)量、孔底充氣率等因素對爆炸地震波頻率范圍內(nèi)的能量和時(shí)間的影響，建立在不同爆心距條件下，在此基礎(chǔ)上，研究最佳毫秒延時(shí)間隔時(shí)間及最佳空氣層比例。本文提出一種新型的爆破震動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)，該技術(shù)比常規(guī)的減震措施具有更好的減震作用。爆炸效果評估：①使爆破作用與掩體的波阻抗達(dá)到最佳匹配，炸藥單耗減少0.03～0.05kg/m3，使炸藥的能量利用率提升5%左右，使巖石的破壞作用更加顯著。②通過對引爆網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，爆炸振動(dòng)得到了較好的降低；爆堆為堆疊結(jié)構(gòu)，部分部位出現(xiàn)凸起，爆堆密集，有利于開采和安裝；在保證安全的前提下，有效地減少了巖體在水平面上的拋出距離，減少了爆炸飛石的危險(xiǎn)性。③使用空氣間隔裝藥，可顯著地增強(qiáng)裂隙及其他較弱構(gòu)造面處的破巖效應(yīng)，使破巖過程中的大塊率下降5%左右，從而減少破巖費(fèi)用，并可增加開采裝置的工作效率。

以節(jié)理、裂縫為代表的軟弱構(gòu)造面會(huì)對巖石的結(jié)構(gòu)均勻性造成嚴(yán)重的影響，給工程建設(shè)帶來極大困難。在別斯庫都克山礦區(qū)，在對巖體性質(zhì)、節(jié)理、裂隙走向、尺寸等結(jié)構(gòu)面條件進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，選擇合適的爆破材料，選擇合適的裝藥結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行了優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)了對裂隙巖體的爆破，實(shí)現(xiàn)了對裂隙巖體的大塊爆破。所采用的爆破技術(shù)措施既安全又高效，大大地減少了爆炸的不利影響，從而使爆炸的效果得到了改善，大大地提升了采礦的工作效率，獲得了非常明顯的安全性和經(jīng)濟(jì)性效果，因此，應(yīng)該在露天礦的采礦中得到推廣和使用。

4 結(jié)語

綜上所述，裂隙巖體爆破技術(shù)是一種綜合應(yīng)用爆破方法和相關(guān)技術(shù)的方法，具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性和科學(xué)性。因此，在露天礦山開采中，要想實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，就需要根據(jù)具體的生產(chǎn)需求，將裂隙巖體爆破技術(shù)充分利用起來，這樣不僅可以提高采礦效率和質(zhì)量，同時(shí)還能夠促進(jìn)礦山開采的有序進(jìn)行。