司家营研山露天铁矿预裂爆破技术应用研究

禹朝群，温海波，陈庆凯，胥国强



司家营研山露天铁矿预裂爆破技术应用研究

禹朝群1，温海波2，陈庆凯2，胥国强3

(1.河北钢铁集团矿山设计有限公司，河北 唐山市 063700；2.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；3.河北钢铁集团司家营研山铁矿，河北 唐山市 063700)

为了降低爆破振动对最终边帮稳定性的影响以及解决爆破振动扰民问题，依据岩石损伤与断裂力学理论，对预裂爆破成缝机理进行了分析。通过对预裂缝的形成条件与形成过程的分析，给出了预裂爆破参数的计算公式，并结合司家营研山铁矿的岩石性质，计算出了研山采场预裂爆破参数。通过爆破振动监测结果可知，预裂爆破平均降振率为39%，降振效果较好。

预裂爆破；岩石损伤；断裂力学；爆破振动；爆破参数

在露天矿开采过程中，台阶深孔爆破产生的爆破地震效应，对露天边坡岩体结构的稳定性会产生较大的影响[1]。因此，在露天台阶爆破中，既要利用爆破产生的能量尽可能地破碎矿岩，又要控制炸药爆炸对被保护边坡的破坏。预裂爆破形成的预裂缝具有保护边坡的作用，一方面，预裂缝可以阻断主爆孔爆破时产生的应力波向保护区域传播，从而达到减震的效果；另一方面，预裂缝可以阻断主爆孔爆破时产生的裂缝向边坡的延伸，从而保障边坡岩体结构的完整性[2−4]。本文依据岩石损伤与断裂力学理论，确定了研山铁矿露天采场边坡预裂爆破公式，对其预裂爆破参数优化研究有一定的实际意义。

1 预裂爆破参数设计

预裂爆破技术具有超挖量少、有效降低主爆区周边岩体扰动等优点，广泛应用于各种形式的岩石爆破开挖工程[1-8]。根据研究成果，影响预裂爆破效果的因素很多，其作用机理也十分复杂，到目前为止对预裂爆破形成预裂缝(面)的机理尚没有定论。针对预裂爆破学者提出的理论主要有3种：应力波叠加理论、爆炸瓦斯高压静力作用理论、应力波理论和爆炸瓦斯综合作用理论等[5, 9−10]。目前应用最广的是应力波与爆炸气体综合作用原理。岩土等爆破后，爆破应力波首先作用于孔壁，在孔壁周围形成大量径向裂纹，在爆炸性气体准静态应力场作用下，初始径向裂纹继续扩展，在炮孔中心连线方向形成一条预裂缝(面)[6]。

1.1 装药不耦合系数

由于一般常规岩体爆破所产生的冲击压力远大于岩石的抗压强度，爆破对爆源中心岩体破坏严重，为此，预裂爆破常采用非耦合装药结构，目的是既能够使孔间拉开预裂缝，又不会在孔壁周围形成压碎区[11]。不耦合系数是钻孔直径与药包直径的比值，根据岩石断裂力学理论及岩石损伤理论[12]，不耦合系数一般根据岩石的极限抗压强度计算确定。

1.2 炮孔直径

预裂爆破通常选择小孔径的炮孔，可以减少对周围岩石的破坏，提高半孔率与坡面平整度。但是孔径越小，现场施工越困难，同时也很难控制不耦合率。一般实际施工中预裂炮孔的直径取60~150 mm。结合司家营研山铁矿钻机的实际情况，预裂炮孔孔径选择为115 mm。

1.3 炮孔间距

预裂爆破炮孔间距的选择应该能够使相邻炮孔之间的裂缝贯通。因此，孔间距小于炸药爆炸在孔间产生裂纹的最大长度。结合岩石损伤理论与断裂力学理论，应力波作用下产生的初始裂纹长度[12]：

爆生气体作用下产生的裂纹长度：

炮孔间距计算，满足式(3)：

≤2(a+a)+d(3)

1.4 装药线密度

装药线密度是指炮孔装药量与炮孔装药长度的比值。综合考虑相关工程经验及理论计算，由以下公式确定其取值[13]：

式中，q为装药线密度，kg/mq为体积装药密度，g/m3，为不耦合系数。

1.5 孔间起爆时间

预裂爆破孔间爆破时差以先爆炮孔应力波刚到或刚超过后爆孔为宜，理论最佳延迟时间通过式(5)计算[14]；

式中，C为纵波速度，m/s；C为横波速度，m/s。

2 司家营研山铁矿预裂爆破

2.1 爆破参数设计

研山北帮采场−30 m台阶需要进行靠帮作业，边坡岩性主要为中风化的砂岩，由于风化严重，自身稳定性差，其物理力学参数见表1。为保证边坡稳定及采场的正常生产秩序，需要对其实施预裂爆破。

设计采用2#岩石乳化炸药，其相关参数为：密度0=1.15 g/cm3；爆速C=5200 m/s。根据边坡岩体的力学性质及现场情况，不耦合系数为4.05，最终设计参数见表2。

2.2 预裂爆破现场实验

2018年2月开始对研山露天采场北帮−30 m水平到界边坡实施了6次预裂爆破。主爆区及缓冲孔均采用矩形布孔，预裂炮孔采取平行于坡面角的63°左右倾斜孔进行施工，主爆孔和缓冲孔均采用垂直钻孔。按照设计的线装药量，首先对每孔的药量进行分配，然后用胶带、炮线或者绑带将导爆索和炸药按要求和竹片进行绑扎，其中1米绑扎1节乳化炸药。然后将绑扎好的竹片慢慢放置于孔中。预裂孔装药时要遵循底部加强装药、中间段正常装药、上部减弱装药的原则，预裂孔底部装药密度为800 g/m，中间部位装药为700 g/m，顶部装药为 400 g/m[15]，具体爆破参数见表2。

表1 研山岩体物理力学参数

表2 预裂爆破参数

施工期间，每次预裂爆破都对永久边坡进行爆破振动监测并收集数据，其中测点1#在后法宝村，测点2#在东法宝村，预裂爆破降振效果统计见表3。

2.3 预裂爆破效果及减震效果

2.3.1 预裂爆破效果分析

预裂爆破的效果主要从坡面半孔率、坡面平整度、孔口位置岩体破碎状况、有无根底、孔壁岩石上有无爆生裂纹、有无超挖现象以及对保留岩体的降振效果等几个方面来进行评价。通过分析上述6次预裂爆破的效果可得出如下结论：

(1) 如图1所示，预裂爆破的半孔率较大，整体上并未出现明显超挖现象，爆破后整体上根底较少，局部由于施工和装药原因导致炸药分布不均匀从而产生少量根底。

图1 预裂爆破效果

(2) 爆破后边坡坡面不平整度控制在20 cm左右，坡面平整度控制较好，预裂孔壁基本上没有产生新生裂纹。

表3 预裂爆破减震效果统计

注：理论计算速度通过该矿山爆破振动的衰减公式(=48.6、=1.23)计算得到。

(3) 爆后主爆区大块率比较低，爆堆前冲距离较短，后冲较小。

2.3.2 减震效果分析

在预裂爆破过程中，为了掌握预裂爆破产生的爆破振动情况，矿山利用TC-4850N 爆破振动监测仪器进行振动监测，分别在采场东帮附近后法宝村、东法宝村布置固定监测点，分别标记为监测点1#、2#。预裂爆破最大单响药量在100~160 kg之间，根据回归得到的研山采场边坡质点振动速度公式，可以得到距离爆源不同位置处的 1#，2#测点的振动计算值，然后再与实测值进行比较计算降振率。如表3所示，预裂爆破的降振率最大可达到51%，平均降振率为39%，预裂爆破降振效果明显。

3 结 论

为研究预裂爆破技术的降振效果，在司家营研山露天铁矿进行了多次预裂爆破试验，得到了以下几点结论：

(1) 本文依据矿山实际的岩体性质，并且结合岩石损伤与断裂力学理论计算得到了适用于该矿山的预裂爆破参数。

(2) 通过对6次预裂爆破试验效果分析可知，预裂爆破的半孔率较大，未出现明显的超挖现象，根底较少，坡面平整度控制较好，预裂孔壁基本上没有产生新生裂纹，爆后主爆区大块率比较低，爆堆前冲距离较短，后冲较小。

(3) 通过对爆破振动监测结果分析可知，预裂爆破的降振率最大可达到51%，平均降振率为39%，预裂爆破降振效果明显。

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(2019−02−14)

禹朝群(1983—)，男，河南泌阳人，工程师，主要从事采矿工艺设计及研究工作，Email: yucq126@163. com。