浅孔台阶爆破的合理性研究

杨 琳，付天杰，郭华杰

(1.深圳市安托山投资发展有限公司，深圳 518040；2.中国铁道科学研究院，北京 100081)

在现在的大方量爆破中，为减少采准工作量[1]，一般采用较高的深孔台阶爆破[2-8]，尤其是在露天矿台阶爆破中，常识认为此种爆破方法速度快，单耗低，经济上较浅孔台阶爆破有优势，但可能大块率高，后续破碎、筛分、转运效率低，成本高，若台阶高度设置过低，单耗、炮孔直径和孔、排距不合理，又会造成工程进度缓慢，爆破振动增大，易冲孔、飞石等，导致经济不合理[9-10]。因此，爆破时如何选用合理的台阶高度、炮孔直径、炮孔深度和装药量，以达到最低炸药单耗，同时达到最优爆破效果，是一直以来需要解决的问题。目前国内外露天矿山开采趋于机械设备大型化，为深孔台阶爆破提供了条件，并对5 m以上的深孔台阶通过采用空气间隔装药来提高爆破质量[11]，降低成本，本文通过研究药包作用范围与台阶高度的关系，在应用深孔台阶爆破的同时有效降低成本，对同类工程有借鉴意义。

1 应力场分析孔网参数

在台阶爆破中，条形药包的爆炸特征的研究结果表明：在炮孔周围的爆炸应力场，假设药包长径比为δ，当6≤δ≤20范围内时，等应力面的剖面图为一个椭圆形[12,13]，随着条形药包长度的增加，椭圆的长径比发生改变。考察能够有效破碎岩石的部分，应力波作用带从椭圆变化到两端椭圆形、中间圆柱形的形状(见图1)。

图1 条形药包的爆炸应力作用带Fig. 1 The blasting stress action zone of the strip charge

图1中，药包长度增加到一定范围以后，爆炸应力波的有效作用半径不再继续增加，即在进行深孔爆破设计时，当台阶高度超过一定数值后，孔距和排距不宜相应的增加，否则将会出现大块率上升或松散不良的现象。也就是说，当台阶高度超过一定值后，如果不改变钻孔直径和岩石条件，而只是增加炮孔深度，所选择的孔网参数a和b应该保持不变。

戈鹤川,张志毅提出了长抗比的概念[14]，即装药长度与抵抗线的比值，并指出在长抗比一定时，长径比变化不影响爆破效果，为此本次工程进行了长径比和长抗比的比较。同时提出了高抗比，即台阶高度与抵抗线的比值，以研究不同炮孔直径时台阶合理高度。

2 基本关系

炸药实际单耗是指一次爆破中炸药使用总量和爆破总方量的比值，是衡量爆破效果的一个重要指标，直接与爆破成本相关。

炸药实际单耗和台阶高度的关系可以从下式(1)中得到[15]

(1)

式中：A=q/ab;B=Ln-L1;Q为每孔药量；a为孔距；b为排距；H为台阶高度；L1为超深；Ln为填塞长度；V为每孔爆破岩石方量；q为线装药密度；A和B是单耗和台阶高度关系公式参数。

上式表明炸药实际单耗和台阶高度的关系为单调上升曲线，随着台阶高度的增加，炸药实际单耗不断上升，相应的爆破成本增加。如图2所示。

图2 炸药用量和炮孔深度的关系图(以H=12 m为100%)Fig. 2 The relationship between the amount of explosives and the depth of the blasthole

3 分析

(1)大量的研究证明：当装药长度大于20倍炮孔直径时，即可以认为是条形药包。这就是说，对于76 mm、115 mm和140 mm的炮孔，装药长度分别超过1.52 m、2.3 m、2.8 m时装药就可以按照条形药包的理论进行设计计算。例如河北石人沟铁矿实际生产中使用的是φ=250 mm、H=10 m、a=7 m、b=6 m、L=12 m、Ln=7 m的爆破参数，在磁铁石英岩(f=12)矿体中爆破取得了成功[16]；文献[17]等瑞典的著述中提到深孔爆破中要求填塞长度和最小抵抗线一致，或较最小抵抗线稍大一些，符合爆破实际情况。因此在实际生产爆破中可以使用δ≥20当作条形药包的判据，并依此作为深孔爆破中最小台阶高度的计算依据。

(2)在实际工程中，根据岩石普氏系数，结合我们常用的两种岩石情况硬岩(f=8～10)和软岩(f=4～8)，通过类比法和台阶高度结合公式(1)选定基准值如表1和表2[18,19]。见图3。

表1 台阶高度和炸药实际单耗的关系(软岩)Table 1 The relationship between bench height and actual explosive powder factor(soft rock)

表2 台阶高度和炸药实际单耗的关系(花岗岩)Table 2 The relationship between bench height and actual explosive powder factor(granite)

图3 软岩和花岗岩中台阶高度和单耗关系图Fig. 3 Relationship between bench height and powder factor in soft rock and granite

从计算结果来看，使用12 m的台阶高度比8 m时多用20%的炸药；16 m的台阶高度比8 m时多用30%；20 m的台阶高度比8 m时多用36%；25 m的台阶高度比8 m时多用了41%。

台阶高度小于12 m时，单耗随台阶高度变化较大，当台阶高度大于12 m后，单耗随台阶高度变化较小，因此当爆破振动要求不严格，但对单耗及飞石安全要求严格时，为加快爆破进度，控制爆破成本，在应优先选用台阶高度大于12 m的深孔台阶爆破。

4 工程实例分析

以安托山场平工程为例，安托山整治工程位于深圳市福田区北环路南安托山片区，开挖山体原始地貌为丘陵地带，地形变化很大，山体以风化、中风化和微风化花岗岩为主，山体上部以风化石和表土为主，下部为微风化花岗岩，岩体节理发育，岩石结构为中至细粒结构，大部分为灰色，局部肉红色，岩石坚固性系数f=6～14。山体北侧边坡高26 m，距北环大道20 m，山体南侧边坡高30～92 m，距油罐区14 m，另距民房仅1 m，要求南北侧山体开挖后达到与邻近保护物相同标高，山体最大开挖深度达138 m。

随着山体开挖后期山体地势降低，大规模深孔爆破对周边建筑爆破振动影响加大，钻孔孔径的选择直接影响到钻爆成本，一般孔径越大，钻爆成本越低，但对爆破振动和飞石控制不利，故山体距被保护物100 m范围内全部采用直径d=76 mm的钻孔爆破，尤其在根坎处理部位，钻孔深度不小于3 m；距离被保护物大于100 m区域范围时，采用了140 mm和115 mm的炮孔进行爆破，以便与76 mm的炮孔爆破进行比较，山体主炮区爆破以装铵油炸药为主，起爆药包用乳化炸药，现场不同孔径和不同深度的台阶爆破参数见表3、表4、表5、表6。

表3 台阶钻孔控制爆破参数(d=76 mm)Table 3 Bench drilling control blasting parameters(d=76 mm)

表4 深孔台阶钻孔控制爆破参数(d=115 mm)Table 4 Deep hole bench drilling controlled blasting parameters(d=115 mm)

表5 深孔台阶钻孔控制爆破参数(d=140 mm)Table 5 Deep hole bench drilling controlled blasting parameters(d=140 mm)

表6 安托山片区不同安全震动速度的容许最大炸药量(单位：kg)Table 6 The allowable maximum explosive quantity for different safe vibration velocities in Antuoshan area(unit:kg)

现场爆破时要求严格控制爆破飞石，以防飞石击中罐体，引发爆炸同时要求距山体20 m的发电机组振速小于1 cm/s。

经现场多次试验已得到安托山片区爆破振动的衰减规律见式(2)为

(2)

式中：V为振动速，cm/s；Q为单段最大齐发药量；R为爆源距离被保护物的距离。

从图4分析长径比和长抗比的关系知，对孔径76 mm的炮孔，除5～10 m台阶高度外，其余台阶爆破中二者相关性较好，变化趋势大小基本一致，即当台阶高度为3.5～5 m和10～12 m时，可用长径比或长抗比进行爆破效果的评判依据，如在3～5 m台阶高度时可用18～43的长径比或对应0.7～1.5的长抗比来衡量条形药包爆破效果。对115 mm的炮孔在5～10 m台阶高度范围内二者相关性较好，可互为表示。对140 mm的炮孔，在6～12 m台阶高度范围内二者相关性较差，所以对抵抗线不规则时，140 mm孔径的炮孔较少应用。

图4 长径比和长抗比随台阶高度变化关系图Fig. 4 The relationship curve of δ/H and η/H

山体以孔径76 mm的台阶爆破为主，孔排距基本未变化，单耗与爆破台阶高度成正比，经现场多次爆破后发现，对孔径76 mm的浅孔台阶爆破长径比为25～43，对应长抗比为0.86～1.5，对应高抗比为1.59～2.27，爆破效果好；对孔径76 mm的深孔台阶爆破长径比为108～134，对应长抗比分别为3.28～4.08，对应高抗比为4～4.8，此时爆破岩石块度均匀，基本无大块率。现场在爆前准备阶段可快速结合高抗比进行爆破参数优化。

对直径115 mm的深孔台阶爆破，孔排距基本未变化，长径比为22～64，对应长抗比为0.74～2.06，对应高抗比为1.5～2.78时为爆破效果好，大块率低，单耗低。对直径140 mm的深孔台阶爆破，爆破效果不及前两者好，大块多，抵抗线不容易掌握，易超过振动控制标准。

同时在现场爆破施工过程中，为更直观的通过台阶高度来保证条形药包爆破效果，引入高抗比，要求三种孔径76 mm、115 mm和140 mm的炮孔高抗比不小于1.58，即台阶高度与抵抗线比值，可达到条形药包的爆破要求，保证爆破效果。

现场爆破实测中，电厂电机处最大爆破振动响应为0.82 cm/s，达到了振动控制要求。

5 经济成本分析

(1)浅孔台阶爆破能够有效地减少设计误差，钻孔误差和前排抵抗线变化较小，即使出现较大的坡脚也容易处理，能够减少根底产生，提高爆破质量，装药方便，堵塞几率小，出现了卡孔也易处理，留下的根底的比较小，单耗低，缺点是影响爆破进度，由于钻孔成本高，单位方量岩石爆破准备时间较深孔长，单位方量岩石延米数多，而由表8知钻孔成本占总成本的一半多，钻孔成本较深孔高，总体年累计成本高，故只在距建筑物100 m振动保护范围内运用浅孔爆破。

(2)由于采用的是耦合装药，所以深孔台阶爆破单耗要比浅孔台阶高，但从图3知台阶高度超过12 m后，单耗随台阶高度增大变化率放缓，故现场对深孔爆破易控制其单耗，可实现爆后根据拉裂情况提前布孔，节省准备工作时间。而浅孔台阶爆破单耗随孔深及台阶高度变化大，在上一循环未及时完成，下一循环自由面不明确的情况下，准备工作难度较深孔加大。

(3)山体以76 mm深孔爆破为主，在表7中开挖十年间，单耗平均只有0.3957 kg/m3，但日均爆破方量达到了1万m3以上，有效加快了爆破进度。

表7 爆破数据汇总表Table 7 Summary of blasting data

(4)经济成本分析：表8中，钻孔成本占到总成本的一半多，所以要降低深孔爆破成本最有效的办法就是提高钻孔延米爆破量，并采用低成本的炸药，如铵油炸药；同时通过增大炮孔直径、提高炮孔线装药密度来改善爆破效果；选择合理孔网参数、堵塞长度和台阶高度。现场经验测算得到炮孔合理孔径和台阶高度分别为76 mm和10～12 m左右，爆破后块度均匀，大块率少，省去了破岩工效和低台阶重复准备工序，爆堆集中，便于装运。

表8 2004年累计成本表Table 8 Table of cumulative costs in 2004

此外，采用高威力炸药扩大孔网参数也是降低深孔爆破成本的有效途径，如重铵油炸药，成本低，抗水性好，爆炸能量高，可实现机械化装填，进一步降低成本。见图5。

图5 爆破台阶施工图Fig. 5 Bench blasting sites

6 总结

(1)台阶爆破中，当台阶高度增大到一定值后，孔内药包作用半径保持不变，此时要想获得理想的爆破效果，在不改变孔径的情况下，需保持孔排距不变。

(2)经现场爆破总结提出高抗比的概念，并对不同孔径的浅孔和深孔台阶爆破提出了三种优化系数，即在爆破振动要求严格的地段使用孔径76 mm的浅孔台阶爆破，装药长径比为25～43，对应长抗比为0.86～1.5，对应高抗比为1.59～2.27；对孔径76 mm的深孔台阶爆破长径比为108～134，对应长抗比为3.28～4.08，对应高抗比为4～4.8；对孔径115 mm的深孔台阶爆破，装药长径比为22～64，对应长抗比为0.74～2.06，对应高抗比为1.5～2.78；在此爆破参数下，爆破效果好，大块率低，单耗低。孔径140 mm的深孔台阶爆破长径比及高抗比不易控制，振动强度大，爆破效果不佳，应用少。

(3)浅孔台阶爆破单位方量岩石延米数要较深孔台阶高，而且钻孔成本占到总成本的一半多，使总成本较深孔台阶高，虽浅孔爆破振动和飞石较易控制，但严重影响工期，只用在距建筑物较近的保护范围内。

(4)采用提高钻孔延米爆破量的方法来降低深孔爆破成本，此外采用低成本的炸药，增大炮孔直径、提高炮孔线装药密度等方法来改善爆破效果；现场经验测算得到炮孔合理孔径和台阶高度分别为76 mm和10～12 m左右。