预裂爆破技术在石灰石矿山工程上的应用

呼志刚

内蒙古蒙西水泥股份有限公司，内蒙古 呼和浩特 010020

预裂爆破技术在石灰石矿山工程上的应用

呼志刚

内蒙古蒙西水泥股份有限公司，内蒙古 呼和浩特 010020

预裂爆破是利用相邻炮孔内炸药爆轰时瞬间产生的应力和爆生高压气体的气楔作用，使得岩石沿相邻炮孔的轴线形成一条裂缝，从而在以后的开挖中形成一个平整和稳定的面。在开挖区主爆破炮孔爆破前，沿设计轮廓线先形成平整的预裂缝。预裂缝形成后，再起爆主爆炮孔组，能在一定范围内减小主爆炮孔组的爆破地震效应。

露天矿开采 预裂爆破 边坡

0 引言

我集团下属阿荣旗蒙西水泥有限公司2×4 800 t/d预分解窑水泥熟料生产线石灰石矿山工程，项目设计3个削顶剥离平台（1455 m、1 475 m、1 470 m剥离平台），均设计有永久性边坡，设计边坡坡度为70°，边坡高度均在30 m或30 m以上，永久边坡总面积约22 000 m2。

该矿区所处大兴安岭东部边缘，地质报告显示，矿区岩性为碳酸盐岩类与泥质、钙质页岩等沉积岩，矿体与围岩呈单斜产出，倾向130°± 10°，倾角60°～85°，没有大断层切割矿体，边山断裂之次生羽状断裂对矿体形态影响不大。矿体与围岩近于全部裸露，以物理风化氧化为主，风化深度小于3 m。地表矿体顶板为矿区西部治里组白云质灰岩，地层倾角近直立，岩体完整、坚硬、耐风化；矿体底板为矿区东部徐庄组一段紫红色页岩，产状125°∠62°，软弱疏松易风化，稳定性差。区内地形坡度大，岩层导水性、富水性弱，地下水埋藏很深，地表有利于大气降水自然排泄。区内构造以北西－南东向为主。由于矿区内岩层产状陡立，抗机械风化能力弱，厚层含鲕结晶灰岩、鲕粒灰岩、致密状灰岩，或以这些岩石为主要组成的岩层常构成陡坎、陡壁，甚至陡崖；条带状灰岩、薄层灰岩、页岩，或以这些岩石为主要组成的岩层一般构成负地形或坡度较小的地形。负地形的进一步发展往往使其上部岩层产生垮落。这给矿山施工以及矿山生产带来极大的危害，特别对于矿山永久边坡，无论从施工角度和生产角度还是技术角度，都要给予充分的重视和认识。因此，边坡治理专项技术方案，必须在施工阶段提出和实施。方案提出必须满足以下要求：首先要最大限度地降低施工过程中对边坡围岩的破坏，其次必须考虑生产过程中的安全平台、清扫平台和生产台段、运输平台参数的选定，另外还要考虑基建边坡成型后的人工加固和机械加固方案的实施。

本矿区永久边坡地形陡峭，同时爆破震动效应和爆轰产物的气楔作用，有可能对台段地质风化岩层产生层裂破坏，为了尽可能减小爆破作用引起的层裂范围和超欠挖现象，决定实施永久边坡专项施工技术方案。

本文就预裂爆破施工技术方案的选定展开论述，并剖析实施方法及效益。

1 预裂爆破施工技术方案的选定

1.1 方案

本文提出两种施工方案，由于对于边坡的危害主要由于爆破作用产生，因此方案主要从爆破施工技术角度来阐述。

1.1.1 手风钻光面爆破及人工清理方案

手风钻光面爆破及人工清理方案（方案一）采用光面爆破技术原理。在边坡施工中预留一定的爆破层，层前段爆破完毕后，采用手风钻机钻孔，孔网参数设计选用光面爆破参数。爆破后进行人工刷坡清扫。

1.1.2 潜孔钻机预裂爆破方案

潜孔钻机预裂爆破方案（方案二）采用预裂爆破技术原理。在平台施工时采用台段整体预裂爆破施工技术，先沿边坡线爆破成预裂缝，然后再实施前段岩体的爆破，从而降低爆破气楔作业向后作用，减少爆破对后围岩体的破坏，达到边坡机械破坏能力最低，一次稳固成型。

1.2 方案的选定

方案一施工，坡面平整度较高，台面整齐。但由于临近爆破的影响，后围岩体层理已经受到破坏，达不到岩层保护作用，同时由于手风钻机的施工，施工进度极慢，而且人员在高危边坡施工，安全隐患也大大增加。

方案二施工，预裂爆破产生的拉伸应力波延临近预裂孔方向把岩体预先切割成缝，极大衰减了前层段的爆破气楔对边坡围岩的作用，最低限度地减小了爆破危害。同时由于采用潜孔钻钻孔，施工进度快，边坡平整度也能达到设计要求，而且边坡一次成型。本方案缺点是，由于预裂孔间距较小，加之增设辅助孔，施工中机械钻孔费用和爆破费用较普通岩体爆破费用增加200%左右，施工技术复杂，坡面平整度较方案一难控制。

为了降低对坡面的破坏因素，决定采用预裂爆破施工技术方案，即方案二。

2 施工过程控制及措施

根据预裂爆破实践表明，预裂面的不平整度和超欠挖主要取决于钻孔精度和钻孔质量。为此，在施工中对钻机机械性能、施工中控制钻孔角度和操作工人技术水平严格把关。要求钻孔施工平面放样误差不大于3 mm，钻孔角度能及时调整，特别是预裂面前后方向的钻孔偏差。由于钻孔最大深度在35 m，对于本次预裂爆破的成功与否，60%取决于钻孔质量，40%取决于爆破技术水平。因此在施工中要一直高度监控钻孔的放样、定位和钻孔施工角度的控制。

施工过程控制是工程施工技术管理的关键，严格细致的过程控制、行之有效的施工措施是施工安全质量的可靠保证。根据特殊地质条件，规范了施工工序，并于现场配备工程技术人员24 h分班监测指导，把握关键环节，强化过程控制管理。

钻孔的深度、角度、密度（间距）必须严格按光面爆破设计实施。考虑到爆破产生最大的地震动强度，因此必须严格控制总装药量及分段起爆药量，尽量降低地震波及冲击波对围岩的危害。 堵塞采用粘性土，主爆破孔堵塞长度以L0＝1.0～1.2W（W—最小抵抗线）为好[1]。钻爆工序都必须经施工员确认后方可进入下道工序，钻爆破施工必须遵照《爆破安全规程》操作和实施以确保安全。

2.1 测量定位

由施工员、作业组长按测量设置的中、腰线引至工作面，严格按照坡度，确定开挖轮廓线，按预裂爆破设计图表标定孔位。仪器标设的中、腰线点每组不宜少于3个，间距不少于2 m，组间距以10 m～12 m为宜。同时在自然地形上放出边坡上下边口线，控制桩间距5 m。特别是预裂孔孔位的确定犹为重要。因此，在坡度陡峭地段，根据孔网参数设计，直接放样孔位[2]。

2.2 钻孔施工控制

钻机是影响预裂面平整度的主要因素之一。打钻中，钻机的故障严重造成预裂孔角度的变化，其故障主要是指钻机的4个调平千斤卸油、调平水平泡移位。故在施工中若发现调平千斤卸油时，应及时修理。在水平器产生故障时，解决的方法为：（1）每打一孔，重新对钻机进行角度调整，但这样做将影响施工进度；（2）经常保持平整清洁，不要让物件碰撞水平器，若发现水平泡松动，应及时粘牢；调节弹环生锈或已坏时应及时更换。

沿预裂面左右方向，地形陡且大多为裸岩，高差变化大，钻机铺设轨道垫层为袋装石粉，操作钻机过程中由于震动，可能会导致孔位偏移或水平、轴向角度变化。因此在施工中，钻孔开口后，必须重新调整钻机，更换钻杆的同时也必须严格监测角度。

影响预裂孔角度变化的因素除上述外，还存在一些不可避免的因素。如：钻机冲击器外径大于钻杆外径，钻机花架上卡瓦内径与冲击器外径相符。在预裂孔角度不等于90度时，钻机开孔沿钻杆轴向施加压力F，分解为水平力F1水，垂直力F2垂。在钻头接触地面时，水平方向阻力小，钻杆有向水平力F1水方向移动的趋势，钻杆受卡瓦约束[3]。因钻杆外径小于卡瓦内径，在F2水作用下，钻杆轴线偏离原来的轴线位置，使钻杆壁向F1水方向紧靠卡瓦内壁，从而使预裂孔角度在开孔时将变缓，新卡瓦开孔角度变缓约0.5度，而磨损严重卡瓦的开孔角度变缓可达1.5度[4]。

由于上述原因，在调整钻机预裂角度时，实际比设计角度调陡1～2度。

3 爆破参数设计

根据经验，小间距的壁面质量远远优于大间距的壁面质量，这对于永久矿山边坡尤为重要。

首先在1 470 m剥离平台上的1 500 m安全平台以上边坡做两次实验爆破。孔间距选择15倍钻孔直径，钻孔直径90 mm，孔距取值1.3 m～1.4 m[5]。

3.1 第一次爆破实验

药量计算：

根据经验公式，Q线=0.367[σ压]0.5·[d]86

式中：Q线—炮孔线装药密度，kg/m；σ压—岩压极限抗压强度， MPa；

d—炮孔直径，m。

求得Q线=463 g/m，便于施工取Q线=450 g/m。第一次钻爆参数见表1。

3.2 第二次爆破实验

药量计算：

根据经验公式，Q线=0.034[σ压]0.63·[a]0.67

式中：Q线—炮孔线装药密度，kg/m；

σ压—岩压极限抗压强度，MPa；

a—炮孔间距，m。

求得Q线=738 g/m，便于施工取Q线=750 g/m。第二次钻爆参数见表2。

表 第一次钻爆参数

表2 第二次钻爆参数

3.3 爆破设计参数选定

第二次爆破调整了线装药密度，但由于矿区内岩层产状陡立，抗机械风化能力弱，爆破后有少量裂缝延伸和边坡破碎现象，但半孔残留率较第一次高，边坡无伞岩，无挂石。

综合以上两次爆破实验，选定第二次爆破实验为设计参数。但由于边坡高度高，施工工序控制难度大，在以后的高台段预裂施工中，根据现场实际情况调整线装药密度。实际钻爆参数见表3。

4 成本分析

预裂爆破最大的缺点就是爆破费用较高，因此一般主要应用在水利水电永久边坡和大型露天矿山和冶金凹陷矿山边坡治理中。其费用增加构成体现在以下几个方面：

（1）钻孔机械费用：由于预裂孔距仅1.3 m，而90 mm孔径钻孔机械费用在45元/m左右（钻孔精度高）。折合预裂面面积，单位面积50元/m2左右。

（2）爆破器材费用：爆破时预裂孔及缓冲孔中由于间隔和不耦合装药，必须使用导爆索，预计使用量是35 000 m，折合预裂面积，单位面积在1.60 m/m2左右。按每米导爆索价格在6元计算，折合预裂面积9.60元/m2左右。整个爆破平均单耗在0.45 kg/m3，较正常爆破增加40%左右。增加费用折合单位面积在2.0元/m2左右。

（3）人工费用：按单位面积0.16个工日计算，单位面积在10元/m2左右。

（4）以上几项合计：单位面积71.6元/m2左右。

可以看出，预裂爆破较普通岩体爆破增加成本较高。仅本项工程，折合预裂面积还要增加近70元/m2左右。

表3 实际钻爆参数

5 结束语

（1）预裂孔按要求在两头爆区外延伸3 m，设计超深0.5 m；通过实验表明，在两头延伸能很好地保证预裂孔的贯通，设计超深能减少爆破后根底。

（2）由于矿区内岩层产状陡立，抗机械风化能力弱，爆破后贯通缝较整齐，有少量裂缝延伸和边坡破碎现象。由于本段岩层有松软破碎的岩层以及断层面，部分区域内找不到炮孔的痕迹，但整个坡面、坡脚的整体性和连贯性好，提高了边坡的安全性和稳定性。解决办法：适当减小孔距和线装药密度。

（3）由于地形陡峭，钻孔精度无法得到很好的控制，加之爆破孔深一般都在20 m～30 m左右，底部部分预裂面平整度较差，预裂孔中心连线平面小范围内有凹凸差，整体上爆破后预裂面较整齐。解决办法：预裂孔越深，偏差精度要求应越高，施工中必须严格控制钻孔精度，这样才能保证爆破后的预裂面整齐，另外在有条件的情况下尽量降低一次预裂爆破深度。

（4）由于是直接装药，没有很好地保证爆炸应力均匀地分配在孔壁上，所以导致孔壁有少量裂缝。解决办法：用塑料管制装药和用定位叉将药包固定在钻孔的中心线上，保证爆炸应力均匀地分配在孔壁上。

（5）爆破后孔间壁面鱼鳞状岩片和部分小块体存在，分析这与多组裂隙交割有关。裂隙产状和分布影响预裂壁面的不平整性。因此，沿主节理（陡倾角）走向线布孔，可能会获得较优的效果。

[1] 中国力学学会工程爆破专业委员会.爆破工程[M].北京:冶金工业出版 社.1992.

[2] 张正宇. 预裂爆破的原理与施工[M]. 北京:中国水利水电出版社, 2005.

[3] 谢建中. 全方位预裂的参数试验与施工[A]. 霍永基.第三届水利水电工程爆破会议资料集[C].武汉: 中国地质大出版社, 1991: 132-135.

[4] 高文学, 刘清荣. 岩体预裂爆破的断裂控制研究[A].霍永基.全国工程爆破第五届学术会议论文选[C].武汉: 中国地质大学出版社, 1993: 34-36.

[5] 孙良誉.浅论深孔预裂爆破对煤层透气性影响[M]. 煤矿安全与技术, 2007.

2015-01-23）

TD235;TQ 72

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008-0473(20 5)04-0042-04

0. 6008/j.cnki. 008-0473.20 5.04.0 2