安家岭露天矿组合式预裂药柱在水孔中的施工优化

吕德仙

（中煤平朔集团有限公司安家岭露天矿，山西朔州036006）

安家岭露天矿组合式预裂药柱在水孔中的施工优化

吕德仙

（中煤平朔集团有限公司安家岭露天矿，山西朔州036006）

采用组合式预裂药柱施工工艺在水孔集中处装药施工过程中，常常出现爆后半孔率较低以及预裂面底部有未裂开岩石遗留等现象。为了解决孔内水对预裂效果的影响，总结出一种综合间隔装药技术来改善现行工艺。

预裂爆破；深水孔；浮力作用；药柱漂浮；优化

0 引言

预裂爆破技术能够有效控制围岩的超控和破裂[1]，为此在露天矿山边帮控制上得到了广泛应用。自2013年下半年开始，安家岭露天矿就引入了组合式预裂药柱预裂爆破施工工艺。在生产过程中受水文地质情况及当地气候条件影响，局部预裂区钻孔内积水较多，采用现行施工工艺在水孔集中处装药施工过程中，受孔内水的作用，会出现组合式药柱难以下放至孔眼设计位置，常常出现爆后半孔率较低以及预裂面底部有未裂开岩石遗留等现象。影响了边帮稳定性的同时，还埋下了安全隐患，为了解决孔内水对预裂效果的影响，将水的浮力、药柱自身的重力以及预裂爆破成缝机理进行综合分析，通过可行性计算，总结出一种综合间隔装药技术来改善现行工艺。经过实践验证，取得较好的安全效果和经济效益。

1 工程概况

1.1 矿区工程地质及水文地质

中煤平朔集团安家岭露天矿位于宁武煤田北端，行政区划隶属朔州市平鲁区管辖，面积49.8 km3，矿区内地表为低山丘陵，侵蚀切割强烈，标高1 180～1 501 m。该区地下水主要补给来源为大气降水，年平均降水量428～449 mm，最大达757.4 mm，日最大暴雨量87～153 mm，多集中在7—9月，占全年降水量75%，有含水层分布，直接充水含水层富水性弱，水文地质类型为二类一型。

1.2 预裂爆破参数

本工程预裂爆破采用组合式专用药柱，组合式预裂药柱重要组成部分是药柱壳体，药柱壳体的头部和尾部分别设置内外螺纹，壳体通过螺纹进行固定[2]。药柱采用密度较低、爆速较低的特制炸药，具有操作使用方便、装药方式灵活、爆破效果好等优点。选用规格为11 g/m导爆索起爆药柱，装药时直接将导爆索与药柱绑扎，预裂爆破装药结构如图1。

地表用导爆索采用双路连接，用雷管引爆导爆索。预裂炮孔使用120 mm孔径潜孔钻机穿孔，台阶高度15 m，岩石类型为中等砂岩，孔间距取1～1.5 m，线装药密度一般为0.35～0.45 kg/m，爆破设计参数见表1。

表1 爆破设计参数

2 工程问题

研究安家岭露天矿近2年预裂爆破工程爆后验收记录总结，发现在其每年的中下旬时候，水孔较多时预裂爆破施工中，爆破后预裂效果较差，给边坡稳定性维护以及边界控制带来了一定程度的干扰。具体工程问题以及不良影响：

1）半孔率较低、预裂面不平整。半空率低直接导致边帮稳定性受到侵害，不时会有石块滚落，局部地区还出现滑坡情况，埋下安全隐患。

2）预裂面底部有未裂开岩石遗留现象。底部未裂开岩体的存在，影响本平盘以及下部平盘的靠界，给生产计划以及边界控制带来了很大程度的干扰。

3 原因分析及优化措施

预裂爆破在辅助矿山生产过程中，随着开采深度的不断加深以及雨季来临之际，钻爆孔眼出现较多水孔，孔内渗出水量较大，实施预裂爆破采用低密度炸药药柱，在药柱下放到钻孔时由于水的浮力作用难以使药柱底端接触孔眼底部，即药柱于炮孔内处于漂浮状态，装药后不能实现药量的设计分布要求，以及填塞质量也难以保证，最终难以达到预期的控制爆破效果。此外深孔预裂爆破实施过程中，当爆破孔爆炸后，产生的高温高压的爆生气体快速向外膨胀，对药柱周围的水产生冲击作用，形成冲击波，并以爆破孔为中心向四周径向传播[3]。由于水介质的导热性和粘滞性导致爆轰能量和冲击波能量耗散，冲击波在传播过程中的峰值压力和速度随传播距离的增大而减小，冲击波的波长也逐渐被变大。水与空气具有不同的物理学性质，一是水的压缩性远小于空气，通常情况下认为水是不可压缩的；二是水的密度远大于空气，爆轰产物的膨胀速度慢于空气，因而水耦合爆破冲击波的作用时间较长，作用强度较大[4]。因此考虑可以通过控制药柱下放来对水孔加以利用。

预裂爆破药包加工通常采用2种方法：①将炸药装填于一定直径的硬塑料管内连续装药，再管内装入一根导爆索，导爆索大于孔长1 m；②采用间隔装药法，将药卷按一定间隔与导爆索一起绑在竹片上，形成药串[5-6]。本工程由第1种方法衍变而来，使用组合式专用药卷（主要为硬塑料管灌入炸药固化成型）外部捆扎导爆索，装药结构为通过塑料空管实现空气间隔装药。现场施工制作完成后的预裂药柱密度低于水密度，在水孔中装药药柱无法保证下放至设计的位置。根据浮力定律物体处于悬浮状态，物体所受浮力等于物体重力，物体所受浮力与侵入体积成正比关系，物体重力越大所受浮力就会增加相应侵入体积越大，改变药柱质量可以实现对药柱在炮孔内位置的控制。鉴于在不增加药柱整体体积、不改变药柱制作工艺、不增加爆破成本的“三不”原则下，预选用实体物间隔取代部分空气间隔的方法实施间隔装药。在预裂爆破中，在保证炮孔连线间能劈裂贯穿裂缝又要尽量避免过大的炮孔压力，防止对炮孔壁岩体的破坏。通过不同空气层处于不同位置和不同起爆方式下孔内的压力时程分布的炮孔周围岩体中的动应力场计算，表明：空气层置于顶部的装药方式优于空气层置于中部和下部;正向起爆方式优于反向起爆方式；在预裂爆破中合理的空气层比例约为60%～80%[7]。因此选用在专用预裂药柱联接组合成型中、下部实施实物体填塞空气间隔，即在间隔空管中装入实物体，可选实物体为岩渣、黄土、细砂等，通过不增加药柱整体体积，只改变药柱密度的方法实现对药柱整体密度的控制。

4 可行性计算

本工程预裂爆破设计孔深16 m，孔眼平均水深5～10 m，单孔装药量为6.75 kg，组合式药柱单个质量为0.75 kg，长度500 mm，直径50 mm。根据浮力定律，物体处于悬浮状态，物体所受浮力等于物体重力，于是得出如下式子：

式中：M为单孔药柱质量，kg；ρ为水的密度，kg/m3；D为组合式药柱直径，m；L为组合式药柱侵入水内长度，m。

经计算，组合式药柱侵入长度L=3.45 m。因此，孔内水深只要超过3.45 m时，孔眼施工装入炸药以后，药柱就无法下放到孔底，药柱悬浮在水中，无法达到设计要求。按水深5 m来进行计算，本工程组合药柱底部距孔底段约为1.5 m。

为了使得药柱下放到设计位置，选取相当重量岩渣装入组合式药柱中的间隔空管，本工程中单个间隔空管由空气转变为岩渣后质量增加约为2.45 kg。由浮力公式计算可得，单个空管变为岩渣侵入水内长度可增加1.25 m。为此，现场施工中，我们可根据组合药柱底部离孔底的距离来决定将间隔空管变为岩渣的数量，使得组合药柱底部顺利下放到孔底。

5 实施效果

经长期现场监控测量统计，针对本工程实际设计孔深16 m时，预裂孔眼水深在3～10 m，采取空气间隔与岩渣间隔综合装药结构，综合间隔装药现场施工实测记录见表2。

表2 综合间隔装药现场施工实测记录

观察实测资料，可以发现通过综合间隔装药措施，可以解决水孔中预裂药柱悬浮的问题，入孔药柱基本下放至孔底，与孔底间距控制在0.5 m以内，针对特殊情况可以采取灵活的取小于1个空管长度的实物间隔来精确控制组合药柱在水孔中所能下放的位置。同时经实施爆破，在岩体完整性好的地方，可以获得70%以上的半孔率，形成光滑平整的边坡平面，保证边坡岩体的稳定性；在岩体完整性较差的区域，可以形成较平整的边坡平面，减少岩伞、超爆、超挖、爆区后冲等现象的发生。

6 总结

1）预裂裂缝先从孔壁开始形成，在高压、高温气体作用下向中点发展[8]，形成贯穿裂缝，采用组合式预裂药柱综合间隔装药，能够实现水孔中药柱下放位置的精确控制，但在实施过程中亦应该注意保证空气间隔的数量，保证预裂效果的良好。

2）采用综合间隔装药结构，应注意实体物间隔所处的位置，一般位于成形药柱的中、下部，此外当有两个或者两个以上实物体间隔存在的时候应注意两者之间保持一定距离，避免因药柱质量分布不均造成弯折以及连接不牢固，造成传爆不稳定以及拒爆等现象。

3）实物体装填间隔空管制作应注意选用的岩渣、细砂等预装入物体的颗粒，不得存在大直径块体，同时宜在实施装药前，爆破作业施工准备时制作完成，保证不延长爆破装药作业的时间。

［1］闫大洋.露天矿台阶预裂爆破参数优化及研究应用［D］.合肥：安徽理工大学，2014.

［2］叶新荣，祁茂富，刘晓明.组合式预裂起爆药柱在东露天矿边坡预裂爆破中的应用［J］.露天采矿技术，2014（12）：1-6.

［3］龚敏，黄毅华，王德胜，等.松软煤层深孔预裂爆破力学特性的数值分析［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（8）：1674-1681.

［4］蔡峰，刘泽功.水不耦合装药对深孔预裂爆破应力波能量的影响［J］.中国安全生产科学技术，2014（8）：16-21.

［5］汪旭光.爆破设计与施工［M］.北京：冶金工业出版社，2012.

［6］公安部治安管理局.爆破作业技能与安全［M］.北京：冶金工业出版社，2014.

［7］朱红兵.空气间隔装药爆破机理及应用研究［D］.武汉：武汉大学，2006.

［8］王建国，高全臣，吴浩，等.预裂爆破成逢机理的数值模拟研究［J］.有色金属，2014（2）：80-92.

【责任编辑：陈毓】

Construction optimization of combined pre-split explosive column in deep water drilling in Anjialing Open-pit Mine

LV Dexian
(AnJialing Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

In the process of deep water drilling decked charge,using combined pre-split explosive column technology often emerges that half hole rate is low and the bottom of the pre-split face exists no cracked rock and so on.In order to solve the effect of water in drill hole on pre-split effect,the article summarizes the comprehensive interval charge technology to improve the current technology.

pre-split blasting;deep water drilling;buoyancy effect;explosive cylinder flotation;optimization

TD235.4

B

1671-9816（2017）05-0039-03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.05.011

吕德仙.安家岭露天矿组合式预裂药柱在水孔中的施工优化［J］.露天采矿技术，2017，32（5）：39-41.

2016-12-12

吕德仙（1988—），男，内蒙古乌兰察布人，助理工程师，2011年毕业于呼伦贝尔学院采矿工程专业，现在安家岭露天矿穿爆班工作。