李 林，郭連軍，張大寧，徐鴻博

(遼寧科技大學， 遼寧鞍山市 114000)

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源需求的增加以及面臨淺部資源日漸枯竭的情況，國內(nèi)外的很多金屬礦陸續(xù)轉(zhuǎn)入了深部或超深開采狀態(tài)。據(jù)不完全統(tǒng)計［1］，到21世紀20年代，我國有1/2的露天礦將轉(zhuǎn)入地下開采，同時，有2/3的地下礦也即將轉(zhuǎn)入深部開采或超深開采，然而面對深部巖石的復雜條件，采用爆破崩落礦石的開采方法將又迎來全新的挑戰(zhàn)。例如:如何在深部巖石復雜應(yīng)力環(huán)境下實施爆破;又如何控制爆破來降低對采場穩(wěn)定性的影響;再者是如何能優(yōu)化爆破設(shè)計來節(jié)能減排，達到高質(zhì)量的爆破效果，以提高生產(chǎn)效率。

國外開采深度超過千米的金屬礦山已將近百余多座。南非Witwatersrand地區(qū)的Tau Tona金礦在2008年開采至地下3900 m，超過南非3585 m的East Rand金礦［2］。Tau Tona金礦在2009年開采深度達到3910 m，成為目前世界上開采深度最深的礦山。與國內(nèi)外的眾多深部金屬礦相比，雖然中國的金屬礦開采深度尚淺，但是即將會有一大批金屬礦也會進入深部開采。例如山東招遠玲瓏金礦、云南會澤鉛鋅礦、廣東韶關(guān)凡口鉛鋅礦、湖北鄂州程潮鐵礦都已進入了深部開采，河南靈寶崟鑫金礦豎井掘進深度已達 1500 m［3］。

進入深部開采環(huán)境后，將面臨高地應(yīng)力、高溫、高提升等問題。目前的采礦方法和爆破方法是否適應(yīng)以后的深部開采，尤其是隨著深部開采后期的智能爆破和大規(guī)模機械化開采。深部巖石由于長期受高地應(yīng)力的影響，其各種特性與淺部巖石特性相比會有很大的差異，再者深部巖石在開采時就具有巖爆、巖石冒落、失穩(wěn)等開采動力災害現(xiàn)象，如果不能選擇合適的爆破方式和控制爆破能量，將會加劇這些動力災害現(xiàn)象。

1 硬巖深部爆破的動力學特性

由于其形成年代和形成環(huán)境不同，不同巖石甚至是同一巖層，由于巖石的層理，節(jié)理及產(chǎn)狀的分布不同，其結(jié)構(gòu)和力學性能也會呈現(xiàn)很大的差別。而且，深部硬巖處于高地應(yīng)力賦存條件下，環(huán)境復雜，巖石的各種特性與淺部巖石性質(zhì)更是有著很大的差異。炸藥在巖石介質(zhì)中的爆炸是一個非常復雜的過程，目前還沒有一套完整而系統(tǒng)的理論分析體系和定量計算依據(jù)，這也為深部巖石爆破理論研究增添了更多的困難。

1.1 深部硬巖的性質(zhì)

由于高地應(yīng)力的存在，在淺部十分普通的硬巖，在深部則可能表現(xiàn)出軟巖的特征，從而引起巷道和圍巖的大變形;淺部的原巖大多處于彈性狀態(tài)，而深部的原巖處于“潛塑性”狀態(tài)，各向不等壓的原巖應(yīng)力場引起的壓、剪應(yīng)力超過巖石強度，造成巖石的潛在破壞狀態(tài)［4］，同時巖石的變形將會從脆性向延性轉(zhuǎn)變。這可能對巖石的爆破是一種“好處”，但是這種“好處”會給深部巷道、巖爆等一系列的動力災害提供機會。

深部地壓通常有兩種形式:變形地壓和沖擊地壓［5］。變形地壓是因開挖產(chǎn)生的圍巖位移所引起的壓力，這也是地壓的最基本形式。沖擊地壓是一種巖石動力學現(xiàn)象，它是圍巖內(nèi)聚的大量彈性變形能在一定誘因下突然釋放而表現(xiàn)的一種形式，在硬巖金屬礦山叫做巖爆。深部高應(yīng)力條件下，圍巖具有產(chǎn)生大變形的內(nèi)外部條件，將產(chǎn)生微觀或宏觀破裂、巖層移動、巷道底板、片幫、冒頂、斷面收縮、支架破壞、采場垮落等，只有改善圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，抑制圍巖變形，阻止圍巖失穩(wěn)和破壞，才能減少巖爆等開采動力災害。

1.2 深部硬巖的爆破及其控制

由于深部巖石處于復雜環(huán)境之下，對于在淺部開采所采用的爆破方式就不能直接用于深部巖石爆破，必須充分考慮到巖石所處的高地應(yīng)力、高溫以及巖石誘變出的各種性質(zhì)來實施爆破。而且需考慮到因爆破所引起的圍巖損傷、各種裂紋的衍生和擴張，爆破震動引起的巖爆、圍巖失穩(wěn)等情況。開采系統(tǒng)對原巖的擾動(動載荷)加上高地應(yīng)力的雙重作用使深部巖石處于動靜組合受力狀態(tài)下［1］。

巖體是十分復雜的非均勻、非連續(xù)的地質(zhì)體。巖體中的爆炸效應(yīng)也是相當復雜的，相比較其深部巖體中的爆炸則更為復雜，其爆破地震波的傳播、擾動都有很大的區(qū)別。深部巖體中初始地應(yīng)力可以達到與巖體單軸破壞強度相比擬的量級，當巖體具有該量級的初始地應(yīng)力時，地應(yīng)力對巖體中爆炸效應(yīng)，特別是對破壞的影響比較明顯。研究表明，在不超過巖體的強度范圍內(nèi)，即使增加不大的初始地應(yīng)力量值，也可能顯著地改變巖體爆破破碎的特性，因此在深部巖體條件下，巖體的三向爆炸破壞效應(yīng)可以減小，直至當?shù)貕汉艽髸r破壞消失［6］。

采用爆破落礦是目前硬巖金屬礦山最主要的落礦方式，因此在巷道掘進和工作面上經(jīng)常需要爆破，巖體在不斷地受到擾動和平衡過程中有的暫時局部達到穩(wěn)定，有的則發(fā)生失穩(wěn)等現(xiàn)象。爆破震動對巖石來說具有震動積累的效果，這就為巖石的瞬移和失穩(wěn)提供了能量基礎(chǔ)。為此有必要研究爆破對深部硬巖開采帶來的各種影響。

2 深部硬巖的巖爆和動力災害預防

硬巖礦山淺部開采中一般通過支護、崩落圍巖、充填等方式來控制地壓及其帶來的危害，但是在深部開采中，運用支護、崩落圍巖、充填等方式是遠遠不能夠解決地壓及其危害的，特別是由于爆破產(chǎn)生的一些誘導因素使得巖體在時間、空間和能量方面具有很多不確定性，最終導致巖爆、圍巖失穩(wěn)等一系列開采動力災害。

在巖體中存在大量的裂隙、節(jié)理，使得巖體的爆破復雜化。對于深部巖體爆破，首先要用控制介質(zhì)變形和破壞過程的手段來控制爆破的效果。在有裂隙、節(jié)理的爆炸條件下，固體介質(zhì)的變形特性將導致爆源與裂隙間巖石的附加破碎，而附加破壞與靜止裂隙相互撞擊將導致裂隙相鄰區(qū)域的巖石破壞增強，長期的爆破使得原巖體在空間和能方面的積累、震動效果的積累都將導致巖體各種性質(zhì)的突變，成為深部開采中不可預防和估量的危險。在深部，巖石爆破的控制和開采動力災害有著密不可分的關(guān)系，若能很好的控制爆破，開采動力災害爆發(fā)的幾率就降低很多，否則開采動力災害發(fā)生的頻率會居高不下，不僅嚴重影響了生產(chǎn)，也會給生命財產(chǎn)帶來巨大的損失。所以，控制好硬巖深部的爆破是預防開采動力災害的重要因素。

2.1 深部硬巖的巖爆

巖爆為地下開挖體空間周圍巖體(包括斷層滑移)的突然破壞，并伴隨著受壓巖體的應(yīng)變能的急劇釋放，巖爆往往以巖片彈射、大量巖石崩塌或者礦震的形式表現(xiàn)出來［7］。深部巖石由于重力引起的垂直原巖應(yīng)力和巖石在構(gòu)造運動過程中仍存有部分構(gòu)造應(yīng)力，二者的共同疊加形成高地應(yīng)力。深部巖石在高地應(yīng)力的作用下相當于在巖石內(nèi)部施加了部分預應(yīng)力，使深部硬巖成為儲能體，即深部原巖具有能量源和能量匯的特性，在一定條件下，巖石內(nèi)積蓄的變形能會釋放出來，轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽?］。而在深部實施爆破就會給巖石釋放能量提供機會，造成巖爆和圍巖失穩(wěn)等一系列災害問題。

在深部由爆破產(chǎn)生的震動積累、能量聚集、誘發(fā)節(jié)理、巖爆、圍巖失穩(wěn)等都是需特殊關(guān)注的問題。各種誘導因素的結(jié)合、條件的分析，都將成為深部硬巖爆破亟待解決的核心問題。對于巖爆發(fā)生的機理，陶振宇教授認為，巖石內(nèi)部積聚了很大的彈性應(yīng)變能，一旦受到機械沖擊作用或爆破動力擾動就會突然釋放出來，形成巖爆。有關(guān)統(tǒng)計資料顯示，礦山巖爆的2/3發(fā)生在生產(chǎn)爆破之后［9］。

2.2 深部爆破對巖爆形成的誘因及預防

在深部開采中，由于各種爆破引起的礦震現(xiàn)象是很常見的。為此很多礦山為了檢測巖爆和大的礦震現(xiàn)象，大都布置了微震檢測系統(tǒng)，獲取了大量的有關(guān)爆破引起礦震和巖爆等動力災害的現(xiàn)場資料。大量數(shù)據(jù)表明，爆破與礦山地震之間存在著直接聯(lián)系，并且爆破是礦山地震的主要誘導因素之一。

爆破對巖石不僅有震動積累效果，同時還有能量積累效果。兩者在某種意義之下又可以相互轉(zhuǎn)換，只要其中一種達到了巖石破裂的要求，巖石即可發(fā)生巖爆、圍巖失穩(wěn)、片幫等一系列災害。通常對巖爆預防的方式是采用微震監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測，輔助于支護來預防巖爆。面對爆破對巖爆發(fā)生的影響，不能從單純意義上進行監(jiān)測與支護，應(yīng)該深入了解其巖石性質(zhì)、節(jié)理發(fā)育、斷層滑移、解理破壞等方面綜合考慮，制定詳細的防護措施，把爆破引起巖爆的可能性降到最低。礦山支護、崩落圍巖、等控制地壓的方法都可以為深部硬巖的開采提供很重要的作用。這些方法雖能起到控制地壓的作用，卻無法在深部或超深狀態(tài)下巖爆和圍巖失穩(wěn)等開采帶來的動力災害預防方面取得突破性作用。國外深部硬巖巖爆支護基本上采用噴射混凝土、錨網(wǎng)及其聯(lián)合支護，或是其發(fā)展形式如南非的錨網(wǎng)加索帶支護。開采方法的合理選擇、開采順序的優(yōu)化、井巷工程的合理布置及斷面形狀選擇、采場與井巷支護方式的選擇，對預防或減輕巖爆災害有著重要的意義。

3 硬巖深部爆破落礦工藝與方法討論

在金屬礦山淺部開采中，傳統(tǒng)的房式采礦法把階段分為礦房和礦柱，先采礦房后采礦柱，留下的大量礦柱可以支撐圍巖，控制地壓活動，或者采完之后崩落圍巖、充填采空區(qū)等方式去控制地壓。但是在深部開采中，礦柱承受很大的靜壓力，開采后期回收礦柱時頂板沉降快，結(jié)果會導致嚴重的巖爆問題。所以在深部開采中運用常規(guī)的淺部開采方式是相當不妥的。而且在巷道的切割、采準、回采過程都需要通過爆破的方式來破壞巖石以達到開挖落礦的目的，但爆破產(chǎn)生的爆破震動對已開完巷道和原巖體的穩(wěn)定性又產(chǎn)生了很大的危害，這是開采過程中無法避免的。目前對連續(xù)采礦模式研究尚淺，對爆破崩落礦石還是有相當?shù)囊蕾囆裕苡斜匾驯茖ι畈块_采的影響納入研究的范疇。

在深部爆破時，為了減少由爆破引起的開采動力災害，控制開采過程中的單次落礦量，降低崩礦步距和爆破的能量，可以減緩巖體能量釋放的過程，為巖體達到動態(tài)平衡提供時間，有效的控制巖爆或者圍巖失穩(wěn)等一系列動力災害。在淺部開采中，無底柱分段崩落法采用擠壓爆破落礦，階段高度可以達到80～150 m，回采巷道間距和崩礦步距都可以達到很大，炮孔直徑也逐漸增大，隨之每次落礦也就增大了。但是，在深部開采中由于高地應(yīng)力的存在導致巖石的很多性質(zhì)發(fā)生了變化，為此只能控制單次爆破的能量和落礦量，降低崩礦步距來平衡復雜情況下地應(yīng)力的動態(tài)平衡，同時就降低了由爆破引發(fā)的開采動力災害發(fā)生的頻率。在深部開采時，需要把淺部的空場采礦法、充填采礦法和崩落采礦法等開采技術(shù)進行限制性的修正才能夠運用到其開采中，充分考慮因爆破帶來的負面影響。

在深部爆破時，必須考慮在高地應(yīng)力，高溫情況下實施爆破的條件。對于爆破所采用的孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥參數(shù)、起爆參數(shù)和炸藥類型的調(diào)整和限制，合理地布置爆破方式，必須得進行室內(nèi)與現(xiàn)場試驗綜合驗證。在爆破過程中采取微差控制爆破，逐孔起爆，降低階段爆破炸藥能量的釋放;通過高精度數(shù)碼雷管精確控制微差時間，通過移頻技術(shù)降低爆破振動的主頻。工程中常用爆破震動記錄儀對爆破震動情況實施監(jiān)測和采集，然后通過小波變換時頻分析法或者HHT法進行爆破震動信號處理。采集所得到的信號經(jīng)EMD分解后，每一個IMF分量都有不同的震幅和頻率，通過對每個信號的分析處理，調(diào)整爆破參數(shù)可以達到降低爆破震動的影響，進而控制爆破震動誘發(fā)開采動力災害的幾率。

在深部爆破時，針對不同的巖石和高地應(yīng)力狀況，選擇與其相匹配的炸藥來調(diào)整炸藥能量的輸出結(jié)構(gòu)，降低無效能耗引起的地震，獲得特定巖石最佳的爆破破碎及損傷效果，從而有效的控制爆破帶來的負面影響。隨著炸藥生產(chǎn)工藝的改進和混裝炸藥車推廣使用，使礦山根據(jù)需要適當調(diào)整炸藥能量輸出成為可能。例如:在采礦過程中掘進和落礦的目的不同，掘進主要是圍巖的崩落成巷，而落礦是礦巖的崩落，面對不同的巖體則需要不同的炸藥和爆破參數(shù)與其匹配，才能達到炸藥的有效利用，降低無效能耗引起的地震及其災害。為了能夠更好的掌握巖石與炸藥相匹配的關(guān)系，需要通過動態(tài)實驗了解巖石的各種動力學特性。

4 結(jié)語

深部開采及其深部爆破是金屬礦山發(fā)展的趨勢。本文分析了深部硬巖的賦存、高地應(yīng)力、如何通過爆破方式管理高地應(yīng)力、如何減少開采動力災害、充填采礦法在深部開采中的運用、爆破優(yōu)化等方面，闡述了深部開采及其深部爆破的問題。分析了由于爆破震動導致的巖爆、巷道失穩(wěn)等開采動力災害，通過優(yōu)化爆破設(shè)計，合理進行地壓管理，減少災害發(fā)生，可為深部開采提供較安全的環(huán)境。

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