导向孔诱导成缝在露天矿靠帮爆破中的应用

闫永富，王文才，赵永岗

(1.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010；2.包钢钢联股份有限公司，内蒙古 包头 014010；3.包钢集团公司白云铁矿，内蒙古 包头 014010)

露天矿靠帮控制爆破是露天矿形成最终边坡形态的关键工作，靠帮工作质量的好坏直接影响到后期边坡的稳定性。目前国内露天矿山为了提高边坡的服务期限一般是采用预裂控制爆破，并且这类型的控制爆破技术也取得了较好的实际效果。但是由于露天矿开采受多因素影响，有些靠帮区域受地质因素或人为因素的影响，导致靠帮爆破施工组织预留的作业空间不具备采用预裂控制爆破。而且常规的台阶爆破由于炸药量较大，爆破能量的控制难度较大，所以不能保证最终形成边坡的完整性。因此需要一种既可以调控爆破能量释放，又可以诱导爆破裂缝发展方向的爆破技术来解决这种爆破问题。

在解决调控爆破能量释放的技术中，间隔装药是一种通过改变装药量和装药位置实现炸药能量释放控制的技术。刘占全等[1]成功地将间隔装药控制爆破技术应用到了24 m高台阶爆破中，并且指出进一步的研究可以在靠帮爆破中使用该技术。尤元元等[2]也在靠帮爆破中使用了气体间隔技术，并且证明气体间隔技术可以在减少装药量的同时控制爆破能量释放，改善爆破效果。马瑞成等[3]通过研究不同岩性炮孔爆破，得出间隔装药技术可以更加合理的将炸药能量进行分布，按照岩体被破碎的实际能量所需进行调配，可以改善爆破质量。

在解决爆破裂缝发展方向控制方面，导向孔爆破具有良好的应用效果。导向孔爆破技术是一项对常规爆破技术进行优化的特殊爆破技术，该爆破技术利用一些具有引导爆破能量和裂缝传导方向的导向炮孔，在主爆孔发生爆炸时，引导爆破能量按照预先设计的爆破能量传导方向进行做功的技术。陈勇等[4]通过研究发现使用导向孔对巷道进行切顶卸压浅孔爆破时，导向孔可以增加自由面，产生应力集中和裂缝导向，增加裂缝区范围，提高裂缝贯通率。魏炯等[5]通过研究导向孔对两爆破孔间成缝过程影响也获得导向孔具有帮助裂纹的扩展或贯通的优点[6-7]。

通文献[1-3]的研究，证明可以通过间隔装药来实现调控炸药能量释放的目的。通过文献[4-5]的研究，证明导向孔可以实现控制爆破裂缝发展的目的。靠帮控制爆破对炸药能量释放要求严格，对裂缝贯通位置要求精度高，因此将间隔装药技术与导向孔技术联合使用可以实现一些空间不具备预裂控制爆破区域的控制靠帮爆破，但是具体的技术融合以及工程验证还需要进行研究。笔者以白云鄂博西矿二次境界优化过程中出现的场地空间不适用常规预裂靠帮爆破的工程为基础，对导向孔诱导成缝靠帮控制爆破技术进行研究和应用。

1 工程概况

白云鄂博西矿位于内蒙古西北部白云鄂博矿区西部，是一座多金属露天矿山。该矿山建矿初期为山坡露天矿，后经采剥延深目前已经形成了一座深度超过180 m的深凹露天矿。由于白云鄂博西矿的成因比较复杂，且后期受到多次地质构造影响，导致边坡岩体岩性赋存繁杂，地质构造复杂。受到生产组织以及区域岩性的影响，有时只能为靠帮区域留下狭窄的作业区域，这些区域无法使用常规的预裂靠帮爆破进行最终的控制靠帮爆破，这会对下一步的生产组织以及采场边坡安全造成严重的影响。

采场在局部进行境界优化工程中的二次靠帮时，在采场北帮1620水平处遗留下一处长约60 m，宽3～5 m，台阶高度在12 m的待靠帮作业区域。该区域岩性顶部为黄土0.8 m；上部为强风化变质白云岩5 m；下部为中度风化变质白云岩6.2 m。台阶整体岩性上部松软，下部偏软。借鉴类似岩性区域采用常规预裂靠帮爆破时，无论如何调整预裂爆破参数都无法克服最终坡面出现大面积挂帮岩体的情况，本区域设计采用一种新式的控制爆破靠帮技术进行靠帮作业，类似区域和本区域现场效果对比如图1所示。

图1 现场效果对比Fig.1 Comparison of field conditions

2 导向孔诱导控制爆破技术

导向孔诱导控制爆破技术包括两个关键技术，一个是间隔装药调控爆破能量释放技术，另一个是导向孔的诱导爆破裂缝发展技术，将两种技术有效地进行优化整合是导向孔诱导控制爆破技术的关键。导向孔诱导爆破的炮孔信息如表1所示。

表1 炮孔信息

导向孔与正常炮孔配合作用，对爆破作用进行诱导，拉裂贯穿形成裂缝。导向孔爆破作用过程如表2所示。

表2 导向孔爆破作用

3 爆破方案设计

白云鄂博西矿采场目前可供穿孔的作业设备种类型号较多，但是考虑到小孔径的边坡潜孔钻具有穿孔精度高、穿孔角度可调范围广，且日常使用较多、作业人员操作熟练等优势，所以选用120 mm孔径的边坡潜孔钻进行导向孔诱导成缝爆破的穿孔工作。

3.1 爆破参数选取

1)炸药单耗q。白云鄂博西矿在类似区域进行正常预裂靠帮爆破时的炸药单耗一般在0.4～0.75 kg/m3，考虑到本次爆破需要的爆破能量要高于一般的预裂爆破，但是由于没有预裂爆破的降振、减振保护，所以单耗选取以保守原则进行选取，选取炸药单耗q=0.5 kg/m3。

2)孔距a。根据炮孔直径d=120 mm，参照本矿山预裂爆破参数设置经验及文献中关于光面爆破的参数选取建议[8]：通常孔距a和孔径d的关系为a=(9～20)d，岩石的阻抗和强度较大，且完整性较好，比值可选大些，反之则比值宜选小一些[2]。则孔距a的选取范围为1.08～2.40 m，取a=2.4 m。由于导向孔是为了诱导控制正常孔的拉裂方向，所以位于2个正常孔之间，与正常孔的孔距为1.2 m，炮孔布置如图2所示。

图2 炮孔布置Fig.2 Layout of blasthole

3)炮孔长度L。炮孔长度L主要由段高H，炮孔倾角α，超深h共同决定：

L=(H+h)/sinα

(1)

由于段高H=12 m，炮孔倾角α=60°，超深h=1 m，所以计算可得L=15 m。

4)正常孔单孔装药量Q单

Q单=qaLW

(2)

式中：Q单为单孔装药量，kg；W为光面爆破最小抵抗线，m，本区域为3～5 m，其他参数同前。经计算正常孔单孔装药量在55～90 kg，具体以炮孔距离自由面的现场抵抗线进行装药计算。

5)导向孔单孔装药量。导向孔内炸药主要任务是克服根底和制造准静压环境，刘丽梅等[9]通过对多孔粒状铵油炸药的爆炸反应研究，获知露天多孔粒状铵油炸药的比容约为970 L/kg。导向孔的炮孔有效最大体积约为170 L，则20 kg的炸药可以产生19 400 L的气体，气体体积与容器体积之比为114，足以造成准静压的环境。

6)起爆时间设置。爆生气体对裂缝的作用需要数十毫秒[10-11]，因此为了保证导向孔内爆生气体的充分膨胀，所以导向孔要先于正常孔10 ms以上起爆，为了保证静压环境的有效性，设计导向孔先于正常孔50 ms起爆。

3.2 装药结构设计

由于受本单位炸药种类的影响，只能使用现场混装乳化炸药进行爆破，但是由于现场混装乳化炸药威力较大，单位体积炸药比重较大，且无法进行不耦合装药，所以需对装药结构进行优化。优化的目的在于合理分配及控制装药的爆炸能，降低炸药对后侧岩体的损坏程度，并且配合导向孔在设计线上形成平整的塌落面。理论上间隔装药的装药设计为底部为高猛度高威力炸药，中部间隔，中上部低威力炸药，顶部惰性填塞。但是考虑到本单位没有高威力炸药以及低威力炸药，所以考虑正常孔的炮孔内炸药威力主要是通过利用空气间隔器来改变药柱高度从而控制炸药的爆炸威力。导向孔装药的作用是为了克服根底和产生大量的爆生气体，所以导向孔采用空气柱进行间隔，装药结构如图3所示。

图3 装药结构Fig.3 Charge structure

3.3 爆破网路设计

由于孔内炸药采用分段间隔装药，如果采用常规的起爆方式：雷管引爆起爆具，起爆具引爆炸药的起爆顺序进行爆破，想要孔内全段同时起爆则需要在每段炸药内放置一套起爆具和雷管，该种引爆方式现场施工工序较繁琐，且施工难度较大，存在较大的安全隐患。 因此本次采用导爆索全孔同时起爆的方式进行炸药引爆设计，炮孔内使用双股导爆索，导爆索在装药高度进行缠绕并且绑扎小石块，之后下放到孔内，孔口双股导爆索绑扎好后用石块压牢固，之后再进行炸药分段装填与间隔和填塞。绑扎小石块的主要目的是起配重的作用，另外在小石块上缠绕多圈导爆索也可以加强导爆索的爆能提高引爆炸药的可靠度。由于本区域爆破只有一排孔，且爆区长度较小，总炸药量为2 550 kg，单次起爆药量并不是很大。且对导爆索进行分段延时设置时，安全性比较差，很难保证短延时炮孔发生爆炸时不把长延时炮孔起爆网路破坏。因此综合考虑，本次起爆网路采用地表导爆索同时起爆设计，炮孔不设置延时间隔。

该种全段起爆具有爆轰波相互干扰小，爆生气体产生集中，爆生气体充分作用于空气间隔柱，降低了爆炸能量对孔壁的损伤。同时爆轰气体与爆轰波作用于孔壁，在导向孔连接处形成拉裂破坏区域，并迅速拉裂形成贯通裂隙。其他爆破能量沿着抵抗线较小的台阶临空面推动岩体向自由面方向抛掷，在此过程中对前方岩体造成破碎。

4 结果分析

按照以上爆破设计实施爆破之后，爆堆上可见清晰的半壁孔岩块，部分边坡坡面能见到残缺的半壁孔。分析原因是由于该区域岩性较软，其次使用了耦合装药，所以难以形成完整的半壁孔，只能看到局部半壁孔。

通过观测半壁孔的位置发现，半壁孔出现明显痕迹的位置为导向孔中空气间隔所在位置高度。分析原因是由于爆破时，空气柱对爆破能起到了调控缓释放和引导爆破拉裂方向的作用，致使岩石按照导向孔的方向被拉裂，爆破后现场揭露半壁孔情况如图4所示。

图4 爆破后现场揭露半壁孔情况Fig.4 Condition of half wall hole after blasting

经过采掘之后，该区域边坡揭露后发现成型边坡坡面平整度和坡度较好，虽然半壁孔率低，但是经过采掘后最终边坡外形整体上符合设计坡面要求，采掘后现场边坡情况如图5所示。

图5 采掘后现场边坡情况Fig.5 Condition of the slope after excavation

5 结语

1)导向孔配合使用空气柱间隔装药可以实现诱导控制拉裂爆破，可以有效地诱导爆破塌落以及裂缝的发展方向。

2)空气柱间隔可以有效地均衡炸药爆破能量，尤其是导向孔内的大段空气柱可以很好地创造爆轰准静压环境。

3)在作业空间不允许预裂爆破或者光面爆破时，可以采取导向孔诱导爆破技术弥补不耦合装药的不足，从而进行边帮靠帮作业。

4)对导向孔诱导爆破中炸药能量分配的进一步研究可以使得导向孔诱导爆破在控制、成型爆破中发挥更加重要的作用。