研山铁矿永久边坡形成中预裂爆破工艺的应用实践

田　靖　田益琳　尹　裕　霍丹丹

(1.河北钢铁集团司家营研山铁矿有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

河北滦县研山铁矿属于鞍山式沉积变质铁矿床，为冀东矿脉的重要组成部分[1-2]。该矿山年产矿石1 500万t，是一大型露天矿山。目前，矿区最高开采水平为42 m，最低开采水平为-142 m，台阶高度为12～15 m，作业台阶多，部分台阶需要靠界形成永久边坡。此外，随着矿山开采深度逐渐增大，部分边坡岩体出现失稳现象。良好的预裂爆破效果，不仅可以在一定程度上维护边坡岩体稳定性，而且可以有效“屏蔽”主爆区炮孔产生的爆破振动效应。为此，本研究采用预裂爆破工艺对该矿露天边坡进行靠界处理。

1　预裂爆破工艺原理

预裂爆破是目前矿山生产普遍采用的一种爆破方式，主要是沿开采境界线布置炮孔，采用不耦合装药方式，先于主爆区炮孔起爆，力求在炮孔连心线上形成1条自上而下的连续裂缝或预裂缝[3]。当预裂爆破炮孔距足够小时，相邻且同时起爆的预裂炮孔内的炸药爆炸产生的径向压缩应力波在到达相邻炮孔时仍会在孔壁位置产生较高程度的切向拉伸应力集中现象(图1)，促使预裂孔中心连线方向上的炮孔径向裂纹最早发生和最快发展，并在后继爆轰气体压力与该类裂纹共同作用于裂纹尖端形成的拉应力集中效应的作用下与相邻预裂孔贯通(图2)，形成一定宽度的预裂缝，从而降低主爆区爆破振动对边坡的影响。与常规孔距爆破相比，在相邻预裂孔连线方向上消耗的能量最多，从而导致炮孔周围其他方向上岩石发生的弹性破坏程度相应减小。在此种情况下，炸药爆炸释放的能量在炮孔周围不同方向上的消耗将不具有中心对称性，即在预裂孔之间形成连续裂缝的同时，其他方向上岩石产生的破坏程度将显著下降。

图1　切向拉伸应力分布示意

图2　炮孔径向裂纹尖端切向拉伸应力集中示意

实施预裂爆破时，通过在开采境界位置形成1条连续裂缝，虽然能够显著降低主爆区爆破对边坡岩体的振动效应，但在主爆区紧邻预裂缝时，爆区后排孔的后冲作用仍有可能对边坡岩体造成冲击破坏。为此，在预裂孔和主爆区之间布置缓冲孔，适当减小孔网参数和单孔装药量，有助于减弱该冲击作用，最大限度地维护边坡岩体稳定性。

2　预裂爆破试验

2.1　试验区概况

研山铁矿东帮-67 m以上水平具备靠界条件，但东帮临近新河，新河作为定水头补给水源，最近处距离露天采场最终境界线不足50 m，向采场内大量涌水[4]，采用防渗地连墙处理后已基本不再渗水，但经渗水的侵蚀作用致使东帮岩石风化严重，且采场矿石运输永久道路布置于东帮。本研究预裂爆破试验区位置如图3所示，区内岩石主要为强风化绿泥岩与第四系等松软混合岩层。

图3　研山铁矿边坡预裂爆破作业位置示意

2.2　爆破方案及参数取值

2.2.1爆破方案

根据研山铁矿实际情况，本研究爆破试验采用预裂+缓冲爆破方案。结合矿山现有装备，选用潜孔钻机穿孔，使用乳化炸药或2#岩石炸药药卷，采用不耦合装药结构。当预裂孔为倾斜孔、主炮孔为垂直孔时，需要在两者之间布置缓冲孔，其作用是减轻主炮孔起爆过程中对预裂孔外侧边坡岩体的后冲作用。本研究缓冲孔直径为105 mm，钻孔角度为90°，缓冲孔与预裂孔间距为7 m，缓冲孔排间距为3 m，孔距为4 m。缓冲孔布置如图4所示。

图4　缓冲孔设计(单位：m)

2.2.2爆破参数设计

孔网参数设计必须综合考虑爆区地形特点、台阶高度、岩石种类、炸药种类等因素[5]，按照本研究预裂爆破设计方案，预裂爆破孔主要技术参数取值如表1所示，各孔孔深及装药量见表2。

在松软、完整性差的岩石中进行预裂爆破宜采用小孔径炮孔，并减少装药密度[6-8]。按照本研究预裂爆破设计方案，缓冲孔主要技术参数取值如表3所示，装药结构如图5所示。

表1　预裂爆破炮孔技术参数

表2　预裂孔各孔孔深及装药量

2.2.3起爆网络

本研究爆破炮孔包括预裂孔、缓冲孔、主炮孔3类，运用起爆网路等时线理论[9-10]，设计的起爆网络如图6所示。爆破网络中，缓冲孔共有10个，孔内采用5段传爆导爆管雷管，孔外均采用1段传爆导爆管雷管；预裂孔共30个，预裂孔内外均采用双股导爆索起爆。

2.3　试验效果

为准确评估本研究爆破方案的降振效果，2台测震传感器分别布置于近爆区和远爆区位置(图7)，根据测得的质点振动速度(表4)计算出的降振率平均约为23.1%。

本研究边坡预裂爆破形成的预裂缝如图8所示，预裂爆破在岩体部位形成了半壁孔。

表3　预裂爆破缓冲孔技术参数

图5　缓冲孔装药结构示意

图6　起爆网络示意

图7　降振监测点布置示意

测点编号铵油炸药总消耗/kg最大段药量/kg测点距爆区/m振动速度/(cm/s)1#2#12.596501059.500.101056.630.13

3　结　语

为确保研山铁矿边坡稳定，采用预裂爆破工艺实现部分台阶靠界形成永久边坡。

图8　预裂爆破试验效果

设计了详细的预裂爆破方案，设计了预裂孔、缓冲孔的技术参数，并对爆破网络进行了设计。实践表明：该方案实施后对于台阶的降振效果较明显，降振率平均约23.1%，符合相关爆破规程要求。在同等爆破效果的前提下，经相关计算分析本研究爆破方案相对于其余爆破方法而言，延米爆破量提高了27.3%，炸药单耗降低约35.1%，成效显著，对于类似矿山也有一定的借鉴意义。

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