预裂爆破在吉劳金矿高陡边坡的应用

李鹏飞，丘小强，王 宝，张 豪

(1.福州大学 紫金矿业学院，福州 350116；2.福州大学 爆炸技术研究所，福州 350116；3.紫金矿业集团 股份有限公司，福建 上杭 364200)

预裂爆破技术具有改善超挖欠挖、降低爆破振动、提高最终边坡稳定性、形成平整预裂面的优点，被广泛应用于临近高陡边坡控制爆破中，规范的施工流程以及合理的爆破参数设计是预裂爆破成功的重要保证[1]。

塔吉克斯坦吉劳金矿岩性较差，节理裂隙发育，南部边帮1935台阶以上边坡已经达到最终境界。随着开采深度的逐年增加，边坡垮塌、浮石滚落等现象时有发生，对预裂爆破要求较高，从以往该矿山预裂爆破情况来看，爆破效果很差，边坡坑坑洼洼，超挖欠挖严重，基本难以见到半壁孔，软岩部位问题尤为严重，急需改进预裂爆破技术。图1为吉劳露天矿预裂爆破现状。

图1 吉劳露天矿预裂爆破现状Fig.1 Current situation of pre-split blasting in Jilau open-pit mine

1 工程地质概况

塔吉克斯坦吉劳矿区位于南天山成矿带西段，目前主要工作点在南部边帮，其南部边帮1935台阶以上边坡已达到最终境界。吉劳金矿设计最大边坡高度为495 m(+1 700～+2 195 m)，最终边坡角南侧边帮46°，台阶高度10 m，台阶坡面角70°。吉劳矿边坡地质条件较简单，吉劳断层贯穿整个露天坑，南部边坡断层附近岩体破碎，随着开采深度的不断增加，频繁的爆破振动容易造成边坡整体失稳，是影响边坡稳定性的重要不利因素，因此有必要采取控制爆破技术，降低爆破振动。

2 预裂爆破参数理论计算

2.1 不耦合系数的计算

装药不耦合系数主要包括径向不耦合系数Kd与轴向不耦合系数Kl，对于预裂爆破要求在孔壁周围不能形成压碎区，同时要在孔间连线处形成贯穿预裂缝[2]，即需满足以下条件：

P=σr|r=rb≤(1-ξ)σdc

(1)

λP=βσθ|r=rb≥(1-ξ)σdt

(2)

式中，σr|r=rb=P—孔壁处的初始径向压应力；σθ|r=rb=λP—孔壁处的初始切向拉应力；β—初始切向拉应力集中系数，一般取β=2；σdc、σdt—岩石极限抗压强度与动态抗拉强度；λ—岩石中应力波侧压系数，一般取λ=μ/(1-μ)；μ—泊松比；ξ—损伤变量。

当采用分段空气间隔装药结构时，径向轴向均有空气间隔，此时孔壁初始压力可用式(3)计算[3]：

(3)

式中：ρ0、D、n—炸药密度、爆速、孔壁压力增大倍数，一般取n=10。

根据式(1)～(3)可得装药不耦合系数应满足的关系式为：

(4)

2.2 线装药密度及单孔药量的计算

根据上述不耦合系数可以计算出预裂爆破线装药密度及单孔药量分别为：

(5)

Q=q线l

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(6)

式中：q线—线装药密度，kg/m；Q—单孔药量，kg；l—炮孔深度，m；d—炮孔直径，mm。

2.3 炮孔间距计算

关于两孔间预裂成缝，目前普遍认可的理论是爆炸应力波和爆生气体共同作用下的爆破成缝理论[4]。为简化计算，计算炮孔间距时可以认为初始裂纹在爆炸应力波作用下产生，然后在爆生气体作用下使之扩展贯穿，该作用下预裂成缝理论模型如图2所示。图2中rb表示炮孔半径；r1、rs分别表示爆炸应力波与爆生气体作用下产生的裂纹长度。

图2 相邻孔间预裂缝形成示意图Fig.2 Schematic diagram of the formation of pre-cracks between adjacent holes

由图2可知预裂孔距可表示为：

A=2r1+2rb+rs

(7)

爆炸应力波作用下孔壁产生的初始裂纹长度为：

(8)

式中：α—岩石中应力波衰减指数，α=2-λ。

爆生气体作用下形成贯穿裂缝，可用下列平衡表示[5]：

(9)

整理可得：

(10)

由式(7)、(8)、(10)可得孔距表达式为：

(11)

3 预裂爆破现场试验

试验选择在塔吉克斯坦吉劳金矿1915平台进行，该部位岩石岩性较差，节理裂隙发育，对预裂爆破要求较高，前期需严格监督钻孔质量。鉴于炮孔深度较大，为保证爆破效果，对以往装药结构进行优化，采用分段空气间隔装药结构。由于孔底夹制力较大，为加强孔底岩石破碎作用，需设置孔底1.5 m的加强装药段。同时孔口岩石较松软，在孔口设置2 m长的减弱装药段，为充分保护孔壁，试验前准备一定数量的PVC管，将炸药用黑色防水胶布捆绑于导爆索与绳子上，并将其放置于PVC管中，再次进行捆绑固定。检查合格后，由三人一组将其仔细放入孔内，放置过程中要注意尽量将炸药放置于炮孔中心位置，避免炸药与孔壁直接接触，孔口露出1.5 m长度的导爆索，PVC管要置于保留边坡一侧。为了防止炮孔填塞时炮泥从孔间滑入孔底影响不耦合效果，孔口应先拿纸袋堵塞后再填土，将本次试验所用到的岩石物理力学参数与炸药参数列于表1和表2中。

表1 1915平台岩石物理力学参数表

表2 炸药物理参数

根据表1、2相关数据，结合本文所提出的参数确定方法，计算得到预裂爆破参数及典型装药结构图，见表3、图3。

表3 预裂爆破试验参数

图3 装药结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the charge structure

由于现场药卷规格有限，可用于预裂爆破的为直径32 mm、长度0.3 m的2号岩石乳化药卷。实际装药时需对该药卷进行现场加工，例如正常装药段与加强装药段分别采用2个、3个药卷进行捆绑组合装药，以便调节不耦合系数，表3中3.97/2.0/1.32分别代表减弱装药段/正常装药段/加强装药段对应的径向不耦合系数。

为尽可能确保各个炮孔内的炸药同时起爆，孔外也采用导爆索将炮孔间炸药连接。为减小主爆区对预裂效果的影响，主爆区与预裂孔之间设置一排缓冲孔，采用逐孔起爆方式。主爆孔与缓冲孔采用孔间7 m长，17或25 ms地表导爆管雷管；排间7 m长，42或67 ms地表导爆管雷管；孔内采用15 m长、400 ms延期雷管。按照上述方案在吉劳金矿南部边帮1915平台进行预裂爆破试验。

4 试验结果及分析

从爆破效果图4以及爆破效果统计表4可以看出，本次试验半壁孔率高于80%，且不平整度小于15 cm，说明此次预裂爆破效果良好。与该矿山以往预裂爆破相比，预裂面平整度、半壁孔保存率均有较大提升。再与该矿山未进行预裂爆破的边坡相比，其对边坡的保护作用非常明显，说明此次试验不耦合系数控制合理，小直径药卷分段空气间隔装药结构适用于塔吉克斯坦吉劳露天矿特殊软岩地质环境，能很好地起到稳定边坡的作用。

图4 1915平台预裂爆破爆后效果图Fig.4 The effect of pre-split blasting on the 1915 platform after blasting

表4 爆破效果统计表

5 结论

针对塔吉克斯坦吉劳金矿地质条件复杂，节理裂隙发育的情况，采用分段空气间隔装药结构进行预裂爆破试验，试验效果良好，半壁孔率高于80%，不平整度小于15 cm，边坡超挖欠挖现象明显改善，大大降低了边坡滑坡的数量和范围，对节省边坡维护费用，提高矿山服务年限具有重要意义。