特殊地质条件下露天矿爆破质量提升措施

吕文伟，王元清

（中国神华哈尔乌素露天煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

爆破工程是露天矿生产环节中最重要的工序之一，若爆破效果不佳，产生大块和根底，就需要进行二次爆破或机械破碎，不仅会导致采挖效率降低。还会引起生产成本的增加。如何降低爆破产生大块和根底，提高爆破质量，国内诸多学者进行了研究并提出了方法，任少峰[1]对新疆别斯库都克露天煤矿台阶爆破的生产实践进行了研究，结果表明：采用深孔、浅孔联合布置的方式，同时改善装药结构，能有效的降低大块率，减少爆破大块的产生。高毓山等介绍了气体间隔装药爆破法在南芬露天矿的试验情况[2]，试验表明：气体间隔装药爆破法可提高爆破质量，降低炸药单耗，节约了炸药成本。谭晓梅针对花岗岩表层为孤石群与下层为层状岩的复合岩性爆破，提出采用深孔与浅孔联合布置炮孔进行爆破，有效的解决了大块率过高的问题[3]。璩世杰等对比了底部空气间隔装药和中部间隔装药等方法的爆破作用原理和爆破效果[4]；朱宽通过有限元分析软件LS－DYNA 分析了分层装药结构对煤层底板的应力分布的影响[5]。

针对“上硬下软”、“上软下硬”这种复合岩层地质条件，结合前人的研究成果，提出降低大块率及根底出现概率的方法，结合哈尔乌素露天煤矿生产实践，得出有效控制根底出现概率的爆破方案。

1 产生大块和根底的原因分析

1）爆破区域岩石强度过大，加之前排孔底盘抵抗线较大，此时爆破形成的爆破漏斗不能完全覆盖到台阶下部，爆破能量不足以破碎台阶下部区域岩石，导致根底的出现[6]。

2）露天采场作业环境受天气、人员、设备等的影响，穿孔作业受环境等因素影响，常常与设计不是完全相符，若孔距和排距过大时，爆破能量不能贯通整个爆破区域的岩石，极易造成大块及根底的出现。

3）节理裂隙发育的岩体爆破时，一方面爆破作用产生的能量使裂隙进一步扩张，爆生气体过早泄露导致作用减弱；另一方面，应力波受节理面反射、透射作用，同样也将导致应力作用减弱，导致爆破效果不佳，可能形成大块[7]。

4）爆破区域受上次爆破作用地表已形成裂隙，穿孔作业按照安全作业规程要求，前排孔抵抗势必会增大，爆破作业后上部岩体不易破碎，出现大块。

5）炮孔充填长度也会影响爆破能量的利用率。充填长度过长时，炸药能量主要作用于台阶下部，上部岩体不能破碎形成大块；充填长度较短时，炸药能量很有可能从炮孔泄露，直接减弱作用效果，导致大块出现[8]。

6）受水文地质条件影响，部分炮孔含水，通常露天矿会在炮孔底部放置空气间隔器，这样药柱重心上移，台阶下部能量作用不足，岩石未破碎，极有可能出现根底。

2 哈尔乌素露天煤矿工程地质概况

2.1 矿区工程地质概况

哈尔乌素露天煤矿矿区岩石类型主要有泥岩、粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩，地表赋存大量黄土，呈松散状态分布，泥岩、砂岩互层分布，岩层变化无规律可循，矿区岩石可爆性总体较好。主要岩石物理力学性质见表1。

表1 主要岩石物理力学性质

哈尔乌素露天煤矿剥离台阶高15 m，工作帮台阶坡面角接近90°，岩体内部节理裂隙较为发育，经过多年爆破经验总结，剥离采用的钻孔直径分别为310、250 mm，孔网参数为12 m × 8 m 和13 m × 6 m，岩层结构比较复杂，常导致大块或者根底出现。

2.2 特殊地质概况

矿区内岩层变化呈各向异性，各水平工作面岩性变化较大，个别区段会出现相对比较特殊的地质特征：①是台阶上部岩石硬度比较大，不易破碎，下部岩石硬度较低，以下简称该地质情况为“上硬下软”；②是台阶上部岩石硬度较低，下部岩石硬度较高，该地质情况简称为“上软下硬”。通过现场爆破作业效果分析，发现特殊地质对爆破效果影响非常大。“上硬下软”地质特征出现时，上部岩石不易破碎，由于节理裂隙发育，极易产生大块，“上软下硬”是下部岩层较硬，岩石不易破碎，因此，容易产生根底。特殊地质条件地质特征如图1。

3 特殊地质情况下爆破质量提升措施

3.1 “上硬下软”岩石台阶爆破质量提升措施

图1 特殊地质条件地质特征

1）调整装药结构。在出现“上硬下软”这种特殊地质情况的工作面，采用间隔装药结构（图2），提高炮孔药柱重心，爆破能量可作用于上部岩层，进而破碎上部硬岩，避免大块出现。

2）加密深孔套浅孔布置。由于硬岩位于爆破台阶上部，可以采用加密短孔布孔方式，深孔和浅孔又分别按照三角形分布。长短孔布置示意图如图3。

图2 上部硬岩、下部软岩分段装药结构示意图

图3 长短孔布置示意图

根据上部硬岩高度情况，浅孔深度范围取0.7～0.8 倍的硬岩深度。因为浅孔的深度达到或接近硬岩深度时，炸药的爆破能量将大部分作用于硬岩的下部和下部软岩，这样硬岩层得不到有效破碎。若浅孔深度过小时，充填长度将缩短，炸药的爆破能量会从孔口释放，削弱对硬岩的爆破作用[9]。所以浅孔深度应选择在0.7～0.8 倍的硬岩深度范围，孔底硬岩留有0.2～0.3 倍硬岩深度的抵抗，上部充填留有0.3～0.4 倍的有效填充长度，这样就满足了药柱长度与充填长度的比例要求。另一方面如果硬岩厚度较小，在装药和充填高度方面很难确保爆破安全，可以尝试仅采用加密布置短孔但不装药。利用爆破冲击波在短孔孔壁自由面发生反射作用，加强对孔壁周围岩体的破碎效果。

3）提高充填密实度。炮孔填充主要是保证爆破气体不从孔口冲出，有效保证爆生气体对岩石的作用时间，爆破能量作用于围岩[10]。露天矿多采用炮孔充填机进行炮孔填充作业，1 次作业完成1 个炮孔的填充，充填密实度不能得到保证。尤其是在炮孔含水的情况下，炮孔岩粉在水浮力作用下，密实度会大大降低，极易在爆破过程中产生“冲天炮”。因此，提高炮孔充填密实度，可有效保证爆破效果。

4）适当采用压渣爆破。压渣爆破可充分利用已爆区域的岩石形成碰撞和挤压效果，提高岩石的破碎效果，对于“上硬下软”地质情况，上层硬岩由于受压渣影响，出现大块的概率会有较为明显的降低。

3.2 “上软下硬”岩石台阶爆破质量提升措施

根底产生主要是因为爆破能量未能作用于台阶下部岩体，岩体未破碎，电铲在采掘时由于岩石未破碎只得抬高勺斗，导致工作平盘出现根底。减少根底出现的措施主要有以下几项：

1）加大超深，尤其保证含水孔超深部位装药。由于台阶下部岩石比较硬，若以正常超深钻孔，爆破能量不足以充分破碎岩石，加大超深距离，爆破漏斗交叉密集就能破碎岩石。国内大部分露天矿都会遇到含水的情况，通常炮孔含少量水会在孔底放置空气间隔器，上部再继续装铵油炸药，而且大部分炮孔含水主要是由含水岩层渗入，即使加大超深对降低炮孔含水标高效果微乎其微。因此，这种情况下，为保证爆破质量，唯有将原含水孔“下部空气间隔上部装铵油炸药”调整为“下部含水部位装乳化炸药加空气间隔上部装铵油炸药”，这样能充分保证炮孔超深，含水炮孔装药结构调整示意图如图4。另一方面，在保证了下部装药重心以外，在台阶下部为硬岩条件下还应尽量控制使台阶坡底部分处于最下部药包的最小抵抗线范围以内，能充分保证在炸药能量释放前对底盘抵抗的作用时间和效果，克服前排根底。同时，在后排根底严重的情况下也应该适当增加后排炮孔超深。

图4 含水炮孔装药结构调整示意图

2）减小排距和底盘抵抗线。排距或底盘抵抗线过大也是产生根底的另一因素，因前排孔临空面为倾斜坡面，最低装药部位的最小抵抗线方向下方容易产生根底[11]。如果在保证同等炮孔长度和装药长度的条件下，减小前排孔至坡面的距离，则产生根底的部位和剖面上根底面积会明显降低。因此，应在保证钻机作业安全所需的最低安全距离条件下，减小钻机至台阶坡顶线的距离。另一方面，坚硬岩石间排距过大也是导致出现根底的重要因素。因此，应针对易出现根底的爆区降低排距，炮孔位置调整对应最小抵抗线方向示意图如图5。

3）提高填充密实度。提高充填密实度就是有效提高炸药爆破能量作用于围岩，充分破碎岩石。

图5 炮孔位置调整对应最小抵抗线方向示意图

4）孔网参数调整方案。露天矿爆破孔网参数大多是生产现场多次爆破总结经验所得，主要适用于正常岩层赋存状态下的炮区，如遇到特殊地质情况，可对爆破设计中的孔网参数进行调整，提高爆破质量。

4 爆破效果

以哈尔乌素露天煤矿工程实例为研究背景，通过调研大块及根底出现的原因，就特殊地质条件下的爆破工程效果采取提升措施，并进行效果分析。

4.1 “上硬下软”岩石台阶爆破效果

选取出现“上硬下软”这种特殊地质条件岩石台阶，采取改善改善装药结构方案和采用压渣爆破及提高充填密实度措施，轴向分段装药，在保证充填密实度的情况下，尽可能将药柱接近于上部硬岩，并配合15 m 压渣爆破。现场爆破后该区域达到了“爆破后超限大块每万m3不应超过0.5 块”的要求。

4.2 “上软下硬”岩石台阶效果

哈尔乌素露天煤矿常出现“上软下硬”地质条件，导致工作面根底频发。通过改变超深、排距等爆破设计参数，进而改变炸药单耗，研究爆破质量变化。首先，定义出现根底面积与爆区面积比值为“根底率”，通过现场实施爆破质量提升措施后，获得各措施对应根底发生率，并以此进行级差分析，确定各参数对根底发生的影响排序，进而提出优化方案。“上软下硬”岩石台阶质量提升方案及效果统计见表2。

对各措施进行极差分析：

1）计算每个因素中各水平试验结果之和Ki。

式中：K 为各因素试验结果之和；i 为水平标高值；M 为同一列中与i 水平有关的试验结果。

2）计算每个因素中各个水平的平均效果ki。

表2 “上软下硬”岩石台阶质量提升方案及效果统计

式中：Ki为各因素各水平试验结果之和；i 为水平标高值，m；N 为同一列中与i 水平的重复次数。

3）计算极差R。

式中：Ki为各因素各水平试验结果之和；ki为各个因素中各个水平的平均值。

极差计算结果见表3。

表3 极差计算结果

极差越大，表示该列因素的数值在试验范围内的变化，会导致试验指标在数值上有更大的变化，所以极差最大的那一列，就是因素的水平对试验结果影响最大的因素，也就是最主要的因素。

根据因素水平的变化对试验结果的平均值的影响，得出的因素－效果趋势如图6。

因此，结合极差分析结果和趋势图可以看出，在试验范围内，增加炸药单耗、加大超深和降低排距能够起到降低根底率的效果。

5 结语

针对于哈尔乌素露天煤矿出现的特殊地质条件以及露天矿爆破质量要求，降低大块的有效措施有采用间隔装药结构、深孔套浅孔布置、压渣爆破等，减少根底出现的措施有加大超深、较小抵抗线、调整孔网参数等。现场“上硬下软”台阶采用间隔装药和压渣爆破后，大块数量下降明显，“上软下硬”台阶通过提高炸药单耗、加大超深和减小排距可有效降低根底率。

图6 因素水平对效果影响趋势