预裂爆破技术在凹山铁矿的应用

王　铭　陈能革

(1.马钢集团矿业有限公司；2.马鞍山矿山研究院爆破工程有限责任公司)



预裂爆破技术在凹山铁矿的应用

王铭1,2陈能革1

(1.马钢集团矿业有限公司；2.马鞍山矿山研究院爆破工程有限责任公司)

为减轻生产爆破对边坡岩体的破坏，维护边坡稳定，凹山铁矿在靠界时需实施预裂爆破。在分析了预裂成缝机理后，首先对预裂爆破主要参数，不耦合系数、线装药密度、预裂孔间距等进行了理论计算，然后根据计算结果进行了不同参数的预裂爆破试验。在预裂爆破的基本要求下，通过对比分析确定了不同岩性区域中预裂爆破的合理参数。按照该参数在矿山应用后，取得了良好的效果。

预裂爆破边坡稳定不耦合系数炮孔间距抗压强度

马钢南山矿业公司凹山铁矿属大型深凹露天矿，随着开采深度的增加，边坡越来越高，稳定性问题日益突出，主要表现在浅部台阶靠界围岩破碎严重。

为降低爆破对围岩的不利影响，保证边坡稳定，凹山铁矿开展了大量的预裂爆破试验，在靠界爆破应用实践中取得了良好的预裂爆破效果。

1　预裂爆破的基本要求

预裂爆破主要是通过沿开挖边界布置密集炮孔，采用不耦合装药，并先于主爆区起爆形成预裂缝的方式减小爆破对永久边坡的破坏作用，实现维护边坡稳定的目的。实施预裂爆破后应达到以下基本要求：

(1)形成规整的预裂面且超挖量小，通常以预裂面半壁孔痕率衡量爆破后保留区围岩的完整性，硬岩半壁孔痕率应达到80%以上，中硬岩应达到60%以上，软岩应达到30%以上[1]。

(2)岩体中原生裂隙不扩展，爆生裂隙少。

(3)预裂面不平整度小于±150 mm。

(4)预裂爆破产生的预裂缝宽度不宜小于10 mm[2]，且降震率应为40%以上。

2　预裂爆破的成缝机理

目前，针对预裂爆破的成缝机理主要有3种理论，即应力波干涉理论、以高压气体为主要作用的理论、爆炸应力波和高压气体联合作用理论，其中联合作用理论为多数人所接受[3-4]。联合作用理论认为爆炸应力波由炮孔向周围传播过程中产生的切向拉应力超过岩石的极限抗拉强度而在孔壁甚至相邻炮孔连线上产生裂缝，随后在爆炸气体的气楔作用下，裂缝进一步扩展、贯通，形成预裂面。

Brown的高速摄影试验证明:炮孔孔壁边开裂发生在爆轰波之后，冲击波形成的同时，而裂缝扩展较迟，可以认为是气体产生的[3]，即预裂缝是由于应力波和爆生气体共同作用形成的。

3　预裂爆破参数计算

预裂爆破实践中，预裂爆破参数的计算方法主要有工程类比法、经验公式法以及现场试验法等，也有学者采用理论计算的方法计算预裂爆破参数。

3.1不耦合系数

预裂爆破通常采用不耦合装药结构，同时采用低威力炸药。因此，不耦合系数是预裂爆破中的一个关键参数，它直接影响炸药爆炸后作用在孔壁上压力的大小。爆破时作用在孔壁上的压力

(1)

式中，P为作用在孔壁上的压力，MPa；P0为炸药初始爆压，MPa；Vd为药包体积，m3；VD为炮孔容积，m3；r为绝热指数。

根据不耦合系数定义，式(1)可变换为

(2)

式中，D为炮孔直径，m；d为药包直径，m。

为防止爆破时作用在炮孔壁上的压力过大，造成孔壁围岩的破坏，作用在孔壁周围岩石内的压应力应小于岩石的极限抗压强度[σ]压，结合式(2)可得到

(3)

3.2线装药密度及装药长度

(1)线装药密度qL。预裂孔内实际线装药密度

(4)

式中，qL为线装药密度，kg/m；ρ为炸药密度，kg/m3。

(2)装药长度l1。预裂爆破采用连续装药结构时，装药长度l1与炮孔长度l相同；若采用间隔装药结构，药包直径应为当量药包直径

(5)

式中，l1为装药长度，m；l为炮孔长度，m。

由不耦合系数定义，结合式(5)，可知预裂爆破采用不耦合装药结构时装药长度

(6)

炮孔装药量

(7)

3.3炮孔间距

(1)经验公式法。瑞典兰格弗斯(Langefors)[5]给出的炮孔间距

(8)

(9)

(2)理论计算法。预裂孔间距与岩石的动态抗压强度、动态抗拉强度和炮孔直径有关[6]。预裂爆破时为保证炮孔壁不受压破坏且形成拉裂缝，孔壁压力应满足

(10)

(11)

式中,[σ]压为岩石的极限抗压强度，MPa；[σ]拉为岩石的极限抗拉强度，MPa。

由于预裂缝形成过程是动态的，式(11)中岩石的抗拉强度应取动态抗拉强度值，由式(11)可得

(12)

预裂爆破工程实践中，应遵循以下原则，即在满足工程需要基础上，应尽可能加大炮孔间距，降低工程成本[3]，用岩石的动态抗压强度[σ]压替换孔壁压力，则预裂爆破炮孔间距的最大值为：

(13)

现场岩体的动态抗压强度和动态抗拉强度变化较大，实际应用过程中往往利用岩石静态强度指标代入式(13)进行估算，通过现场试验进行调整，以获得更优的预裂爆破效果。

4　工程应用

4.1工程地质概况

凹山铁矿石主要为含钒磁铁矿及假象赤铁矿，f=4～7；围岩主要有安山岩、凝灰岩、粗面岩和闪长玢岩，f=4～12，实施预裂爆破区域岩石主要分2种：

(1)矽化黄铁矿化辉长闪长玢岩，呈灰或灰绿色，斑状结构，质地坚硬，节理发育，f=8～12。

(2)粗面岩，强风化，质地较疏松，节理密集成网，f=4～8。

为保证边坡稳定，提高安全性、经济性，凹山铁矿先后开展了不同参数预裂爆破技术的研究与应用。

4.2预裂爆破参数4.2.1炮孔布置及孔径

预裂孔的作用只是形成预裂缝，不宜采用太大的孔径和药卷直径[7]。矿山采用TY-370GN液压潜孔钻机，沿设计境界线钻凿预裂孔，炮孔直径为150 mm，钻孔倾角与台阶坡面角一致，即60°，预裂孔炮孔布置见图1。

图1　预裂爆破炮孔布置1—预裂孔；2—辅助孔；3—减振孔；4—主爆孔

4.2.2爆破参数

爆破参数包括不耦合系数、线装药密度及装药长度、炮孔间距。

(1)不耦合系数。根据上文已知，不耦合系数K与岩石抗压强度存在函数关系，可根据马鞍山矿山研究院在不同地质条件下预裂爆破试验数据总结的公式计算不耦合系数

(14)

凹山铁矿预裂爆破区域围岩强度指标见表1。

kg/cm2

(2)线装药密度及装药长度。凹山铁矿预裂爆破采用间隔装药，结构如图2。

图2　装药结构示意

采用50 mm铵油炸药药卷捆绑在沿炮孔长度敷设的导爆索上，台阶高度12 m，孔深14.5～15 m，其中为减弱减振孔爆破对边坡的破坏，预裂孔超深0.5～1.0 m，实际线装药密度

在不同岩性围岩中实施预裂爆破装药长度不同，根据式(6)进行计算，结果见表2。

(3)炮孔间距。炮孔间距根据式(13)计算出最大值，结果见表2。

表2　预裂爆破参数计算结果

4.3预裂爆破结果

由于边坡围岩的不均质性，围岩内存在部分原生裂隙、节理等，实际采用的预裂孔间距可以大于表2中计算的预裂孔间距。凹山铁矿前期分别在矽化辉长闪长岩区域进行了预裂孔间距1.3～2.0 m的预裂爆破试验，在粗面岩区域进行了预裂孔间距1.2～1.8 m的预裂爆破试验。其中，采用以上预裂孔参数均能产生预裂缝，根据试验结果，在凹山铁矿应用预裂爆破能够达到较优结果的参数范围见表3。

表3　预裂爆破试验结果

根据不同孔距试验结果可发现，孔距变大，预裂爆破效果变差，坚硬岩石与松软、完整性差岩石相比，孔距可以适当大些。考虑预裂爆破的基本要求和成本因素，凹山铁矿最终采用的预裂爆破参数见表4。

表4　最终预裂爆破试验结果

凹山铁矿通过实施预裂爆破，爆破后形成的台阶面基本平整，不平整度一般小于±25 cm，岩体结构受爆破影响小，提高了边坡的稳定性，坡面角和境界线均达到了设计要求，预裂爆破应用效果见图3。

图3　凹山铁矿预裂爆破效果

5　结　论

(1)采用不耦合装药结构能降低炸药爆炸时作用在预裂孔壁的初始压力，避免对孔壁的压缩破坏。不耦合系数、炸药量选取均与孔壁压力有关，可以根据围岩的极限抗压强度初步计算不耦合系数。

(2)根据预裂缝成缝机理，预裂孔间距与岩石的动态抗压强度、动态抗拉强度和炮孔直径有关。可以通过以上参数计算预裂孔间距的最大值。

(3)在坚硬、完整性好的岩石中预裂爆破参数变动范围较大，在保证预裂爆破质量的前提下，为降低成本，可采用大孔距，适当增大线装药密度。

(4)在松软、完整性差的岩石中预裂爆破也可以取得较好的效果，但是半壁孔痕率较低，不平整度较大达到±25 cm，实际应用中应采用小孔距，并减少线装药密度。

(5)结合理论计算与现场试验，凹山铁矿在矽化辉长闪长岩和粗面岩区域获得了合理的预裂爆破参数。通过预裂爆破技术的应用，减少了生产爆破对边坡围岩的破坏，保证了边坡的稳定，对类似矿山实施预裂爆破具有一定的借鉴意义。

[1]汪旭光．爆破设计与施工[M]．北京：冶金工业出版社，2014．

[2]张国平．朝阳露天煤矿端帮预裂爆破的研究[J]．煤炭技术，2014(3)：91-93．

[3]陈庆凯，朱万成．预裂爆破成缝机理及预裂孔间距的设计方法[J]．东北大学学报：自然科学版，2011(7)：1024-1027.

[4]唐海，梁开水，游钦峰．预裂爆破成缝机制及其影响因素的探讨[J]．爆破，2010 (3)：41-44．

[5]阳天海，龙源，顾文彬，等．光面、预裂爆破参数选择与质量措施研究[J]．爆破，2000(1)：11-13．

[6]刘为洲，张西良．南山矿凹山采场预裂爆破合理参数的计算与分析[J]．矿业快报，2004(6)：13-15．

[7]袁康．预裂爆破成缝及参数计算原理[J]．爆破，2013(1)：58-62．

Application of Pre-splitting Blasting Technique in Washan Iron Mine

Wang Ming1,2Chen Nengge1

(1.Magang Group Mining Co., Ltd.；2.Maanshan Institute of Mining Research Blasting Engineering Co.,Ltd.)

To reduce the damage on slope surrounding rock by blasting production, and ensure the stability of slope, pre-splitting blasting near interface was needed in Washan Iron Mine. Theoretical calculation on main parameters of pre-splitting, such as decouple coefficient, linear charge density, pre-splitting hole space was conducted, after analysis the mechanism of pre-splitting blasting, then pre-splitting blasting tests with different parameters were conducted according to calculated results. With the basic requirements of pre-splitting blasting, reasonable parameters of pre-splitting blasting corresponding to different rock properties were determined by comparative analysis. After applying the above parameters, good results have been achieved.

Pre-splitting blasting， Stability of slope， Decouple coefficient， Hole space, Compressive strength

2016-06-26)

王铭(1967—),男，副总经理，工程师，243000 安徽省马鞍山市经济技术开发区西塘路666号。