年國輝，周文斌，承財(cái)政，康星星，陳 旭

（1.昌吉雪峰爆破工程有限公司，新疆 昌吉 831700；2.新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000）

隨著爆破器材的不斷發(fā)展，工程爆破項(xiàng)目也逐漸趨向于精細(xì)化、智能化，具有高精度延時(shí)時(shí)間的數(shù)碼電子雷管應(yīng)用越來越普遍[1-2]。對于生產(chǎn)者而言，臺(tái)階爆破效果是比控制生產(chǎn)成本更重要、更直觀的指標(biāo)，降低生產(chǎn)成本均是在保證良好爆破效果前提下進(jìn)行的優(yōu)化。評(píng)價(jià)露天礦臺(tái)階爆破質(zhì)量的好壞有多個(gè)指標(biāo)[3]，從爆破技術(shù)指標(biāo)上主要有爆破塊度、爆堆形態(tài)、爆堆松散系數(shù)；從爆破安全指標(biāo)上主要有爆破振動(dòng)效應(yīng)、爆破飛石；從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上主要有炸藥單耗、單位方量鉆孔量、單位方量作業(yè)工時(shí)等[4]。臺(tái)階爆破效果跟施工環(huán)境有很大的關(guān)系，最終的爆破效果由多種因素綜合影響[5]，如爆破區(qū)域巖石物理力學(xué)性質(zhì)、爆破區(qū)域工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、使用的爆破器材性能、爆破參數(shù)及施工工藝等[6]。利用數(shù)碼電子雷管的延時(shí)精度高、安全性高、可靠性強(qiáng)、管控性好的顯著優(yōu)勢[7]，針對不同爆破施工環(huán)境下，探索有利于應(yīng)力波疊加的孔排間微差時(shí)間，通過選擇合理的孔排間微差時(shí)間來實(shí)現(xiàn)降低爆后的塊度、減小爆破振動(dòng)、優(yōu)化炸藥單耗是目前礦山爆破行業(yè)面臨的亟待解決的問題之一[8]。

1 工程概況

研究礦區(qū)地貌形態(tài)為殘丘狀的剝蝕平原，總體地勢北高南低，地形有利于自然排水。礦區(qū)內(nèi)無常年流動(dòng)的地表水流，氣候干燥。露天礦內(nèi)整個(gè)地層巖性變化較大，上層地層主要以灰綠色層狀泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉細(xì)砂巖等細(xì)碎屑巖為主；中層以厚層狀砂礫巖、中粗砂巖為主，夾雜泥質(zhì)膠結(jié)的軟弱夾層；煤層頂板以多為細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖，少見中砂巖及粗砂巖，局部有泥巖、粉砂巖、菱鐵礦薄層，可見小型斜層理和交錯(cuò)層理。礦區(qū)剝離物大部分為中硬巖類，在施工過程中，為提高后續(xù)采剝環(huán)節(jié)作業(yè)效率，需要提前進(jìn)行爆破作業(yè)，如何應(yīng)對不同爆破施工環(huán)境條件下，如地形地貌、巖石物理力學(xué)性質(zhì)、爆破區(qū)域工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件等變化時(shí)，充分發(fā)揮電子雷管逐孔起爆的產(chǎn)品優(yōu)勢，有效的改善爆破質(zhì)量，降低大塊率，減小爆破振動(dòng)、優(yōu)化炸藥單耗，是實(shí)現(xiàn)礦山精細(xì)化施工，提高礦山安全和降低生產(chǎn)成本的重要途徑和技術(shù)手段。

2 天池能源南露天礦爆破大塊原因

爆破大塊率是有效衡量爆破效果的重要指標(biāo)，直接影響到挖裝效率以及運(yùn)輸作業(yè)環(huán)節(jié)，如果爆破后的巖石大塊率過高，還會(huì)增加二次破碎量，耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，這嚴(yán)重影響了礦山的正常生產(chǎn)運(yùn)行，增加了礦山的生產(chǎn)成本[9]。根據(jù)現(xiàn)場爆破生產(chǎn)試驗(yàn)以及爆破工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，南露天礦爆破產(chǎn)生大塊的主要原因如下：

1）孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)置不合理。①由于在孔網(wǎng)參數(shù)偏大的中間部位，受炸藥破壞的作用較小，爆后使得此處大塊增多，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)根底；②由于個(gè)別炮孔超深偏大，使得藥柱重心下降，臺(tái)階上部礦巖易產(chǎn)生過多大塊，如果超深偏小，臺(tái)階底部礦巖受炸藥能量作用減少，爆后往往出現(xiàn)地盤抬高甚至根底[10]；③由于穿孔和臺(tái)階地質(zhì)條件等原因，使個(gè)別炮孔間距偏大，爆后出現(xiàn)大塊，嚴(yán)重者產(chǎn)生根底，頭排炮孔底盤抵抗線偏大；④由于爆破后沖及巖層傾角影響，使臺(tái)階坡面角減小，加之鉆機(jī)安全作業(yè)距離的限制，爆破后在臺(tái)階根部出現(xiàn)根底[11]，該礦的下盤這種情況比較多見，炮孔堵塞部分過大，使炮孔上部臨空面和孔口部位受炸藥破壞作用減小，造成大塊偏多。

2）巖體裂隙程度及節(jié)理方向。露天礦爆破由于受上部臺(tái)階超鉆作用，前部臺(tái)階爆破后沖及鄰近爆破的振動(dòng)影響，爆破巖體大多為塊狀結(jié)構(gòu)，因此爆落的巖體通常沿原生裂隙和節(jié)理破碎，尤其是臺(tái)階上部的巖體更為明顯[12]；當(dāng)爆破面與巖層走向斜交或垂直時(shí)，裂隙對爆破大塊影響更明顯。

3 試驗(yàn)方案及孔網(wǎng)參數(shù)

南露天煤礦采坑不斷向東推進(jìn)，硬巖區(qū)域逐漸增多，目前自595 m 水平平盤開始自上而下有6 個(gè)臺(tái)階存在硬巖區(qū)域，硬巖區(qū)域大小不等，主要為堅(jiān)固的砂巖夾雜粉砂巖，給鉆爆施工帶來了很大的壓力，由于硬巖區(qū)域巖石硬度較大且?guī)r石較脆，合理的爆破參數(shù)對爆破質(zhì)量起著決定性的作用。

結(jié)合露天礦煤田地質(zhì)情況、地質(zhì)構(gòu)造、開采工程位置，組織開展了東幫445～595 m 水平平盤59 次試驗(yàn)，待爆巖體的單軸抗壓強(qiáng)度為6～15 MPa。本次試驗(yàn)的主要目的探討不同排間和孔間延遲時(shí)間變量條件下爆堆的破碎效果，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用相同的孔網(wǎng)參數(shù)、起爆方式、炸藥類別及鉆爆參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)對比，同時(shí)制定要求：①建立硬巖區(qū)域鉆爆施工檔案進(jìn)行單獨(dú)管理；②對開展試驗(yàn)的爆破區(qū)域挖運(yùn)情況進(jìn)行全程跟蹤，采用工程質(zhì)量打分表的形式評(píng)比每次爆破的質(zhì)量；③每次爆破試驗(yàn)完成后進(jìn)行總結(jié)分析，制定下次爆破試驗(yàn)方案；④每次爆破試驗(yàn)區(qū)域均選在第1 次試驗(yàn)區(qū)域附近，盡量減少其他變量，以保證試驗(yàn)結(jié)論準(zhǔn)確有效。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)情況，選取節(jié)理裂隙發(fā)育程度相對較高的二標(biāo)東幫460～445 m 水平巖石臺(tái)階，共設(shè)計(jì)9 組試驗(yàn)，參考全球最大民爆企業(yè)奧瑞凱公司提出的經(jīng)驗(yàn)公式，孔間延期時(shí)間3～8 ms/m，排間延期時(shí)間取8～15 ms/m[13]，最終孔延期選取13、19、25、30、35 ms 5 種方案。同時(shí)，考慮到排間延期對爆破后形態(tài)和爆堆伸出量影響較大，結(jié)合歷次爆破經(jīng)驗(yàn)排延期選取為45、51、58、64、71 ms。

爆破孔網(wǎng)參數(shù)見表1 。試驗(yàn)使用的炸藥為現(xiàn)場混裝乳化炸藥，試驗(yàn)雷管為數(shù)碼電子雷管，起爆網(wǎng)路采用數(shù)碼電子雷管逐孔“V”型起爆方案，爆破單耗不超過310 g/m3。

表1 爆破孔網(wǎng)參數(shù)

4 爆堆巖體塊度識(shí)別與分析

現(xiàn)場試驗(yàn)后，采用高清數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行爆堆圖片采集，在拍攝之前，選取長度為1 m 的紅色鐵棍作為參照物，便于后期進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。爆堆圖片采集后，采用巖塊粒度分析軟件Split－Desktop 4.0 對爆堆圖片進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，設(shè)定好粒徑閾值后，軟件自動(dòng)識(shí)別巖塊邊界，定量統(tǒng)計(jì)巖塊顯示的投影面積[14]，根據(jù)事先設(shè)定的統(tǒng)計(jì)范圍，直接計(jì)算巖塊粒徑分布百分比，并可得出對應(yīng)不同粒徑尺寸的分布曲線圖。試驗(yàn)三爆堆形態(tài)如圖1、試驗(yàn)三爆破巖塊識(shí)別結(jié)果如圖2。

圖1 試驗(yàn)三爆堆形態(tài)

圖2 試驗(yàn)三爆破巖塊識(shí)別結(jié)果

選取巖塊的大塊率和巖塊邊界最大尺寸作為描述巖體臺(tái)階在不同排間和孔間延遲時(shí)間變量影響下的爆破效果。通過處理1～9 組爆堆巖塊圖像和數(shù)據(jù)處理不同排間和孔間延遲時(shí)間變量下的巖塊尺寸分布。不同延期條件下巖塊粒度分布及占比見表2，不同延期時(shí)間對應(yīng)的巖塊邊界最大尺寸如圖3，不同延期時(shí)間對應(yīng)的巖塊塊度分布百分比如圖4。

圖3 不同延期時(shí)間對應(yīng)的巖塊邊界最大尺寸

圖4 不同延期時(shí)間對應(yīng)的巖塊塊度分布百分比

表2 不同延期條件下巖塊粒度分布及占比

1）巖塊邊界最大尺寸。從表2 和圖3 可以看出，臺(tái)階爆破后的巖塊邊界最大尺寸隨著排間延時(shí)和孔間延時(shí)時(shí)間的增加，曲線呈現(xiàn)先降后升的趨勢；從整體上看，呈現(xiàn)為上下震蕩的特征。當(dāng)控制孔間延時(shí)取定值13 ms 不變，排間延時(shí)取45、51、58、64、71 ms時(shí)，對應(yīng)爆堆巖塊邊界最大尺寸分別為142.1、133.3、138.1、102.2、125.8 cm，巖塊邊界最大尺寸曲線的最低點(diǎn)在排間延時(shí)為51 ms 時(shí)得到；而當(dāng)排間延時(shí)為58 ms 和71 ms 時(shí)，爆破后的巖塊邊界最大尺寸達(dá)到最大值142.1 cm 和138.1 cm，不利于后續(xù)的采剝作業(yè)；當(dāng)控制排間延時(shí)取定值51 ms 不變，孔間延時(shí)取13、19、25、30、35 ms 時(shí)，對應(yīng)爆堆巖塊邊界最大尺寸分別為142.1、128、122.8、92.4、126.6 cm，巖塊邊界最大尺寸曲線的最低點(diǎn)在孔間延時(shí)為30 ms 時(shí)得到；而當(dāng)孔間延時(shí)為13 ms 時(shí)，爆破后的巖塊邊界最大尺寸達(dá)到最大值142.1 cm。從試驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)孔間延時(shí)取30 ms，排間延時(shí)取51 ms時(shí)，爆破后巖塊邊界最大尺寸較小，未超過礦山規(guī)定的大塊尺寸范圍；當(dāng)孔間延時(shí)取13 ms，排間延時(shí)取58 ms 時(shí)，爆破后巖塊邊界最大尺寸最大，為142.1 cm，相較最低值增大了53.8%。

2）塊度分布。由表2 和圖4 可知，不同的孔間和排間延期時(shí)間條件下，巖體爆破后塊度分布相對集中，巖塊邊界最大尺寸在0～90 cm 的占比為80%左右，最高達(dá)到了95.1%，大部分爆體滿足采裝要求?？组g延時(shí)取13 ms 時(shí)，巖塊邊界最大尺寸在0～30 cm的占比較低；當(dāng)孔間延時(shí)取值逐漸增大時(shí)，呈現(xiàn)先增后降的趨勢。根據(jù)應(yīng)力波疊加原理，當(dāng)孔間延時(shí)時(shí)間低于首炮孔爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波傳遞到后爆孔所需的時(shí)間時(shí)，前后炮孔爆破形生的應(yīng)力波無法產(chǎn)生有效疊加，且自由面未完全形成，后爆孔起爆夾制效應(yīng)較大，不利于巖體的破碎，試驗(yàn)結(jié)果很好驗(yàn)證了這個(gè)原理?？组g延時(shí)取25～30 ms 時(shí)，在30～90 cm 的巖塊最大邊界尺寸所占百分比大，且曲線符合正態(tài)分布，說明孔間延時(shí)為25～30 ms 時(shí)，爆破后巖體塊度分布均勻合理。

3）大塊率。根據(jù)南露天礦東幫采剝設(shè)備現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，從表2 中得知，9 次試驗(yàn)中，有2 次試驗(yàn)未出現(xiàn)大塊，且在試驗(yàn)8 中取孔間延時(shí)30 ms，排間延時(shí)51 ms 時(shí)，爆后90～120 cm 的巖塊僅占4.9%；當(dāng)孔間延時(shí)13 ms，排間延時(shí)58 ms 時(shí)，爆破后的巖石大塊率達(dá)到最高11.2%。

5 結(jié)語

微差爆破孔間排間延時(shí)對于爆破效果，尤其是礦巖的塊度分布有著重要的影響。合理的微差時(shí)間，不僅能增強(qiáng)炮孔應(yīng)力波疊加效益，也為自由面的產(chǎn)生提供合理的時(shí)間和空間。通過現(xiàn)場控制變量試驗(yàn)，當(dāng)炸藥單耗不變的情況下，孔間延時(shí)取30 ms，排間延時(shí)取51 ms 時(shí)，巖體臺(tái)階爆破后的巖塊邊界最大尺寸和大塊率均最小，分別為92.4 cm 和0 %，且?guī)r塊尺寸分布相對均衡，有利于后續(xù)采剝作業(yè)，提高礦山生產(chǎn)效率。