禹朝群，溫海波，陳慶凱，胥國強(qiáng)

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司家營研山露天鐵礦預(yù)裂爆破技術(shù)應(yīng)用研究

禹朝群1，溫海波2，陳慶凱2，胥國強(qiáng)3

(1.河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)有限公司，河北 唐山市 063700；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；3.河北鋼鐵集團(tuán)司家營研山鐵礦，河北 唐山市 063700)

為了降低爆破振動(dòng)對(duì)最終邊幫穩(wěn)定性的影響以及解決爆破振動(dòng)擾民問題，依據(jù)巖石損傷與斷裂力學(xué)理論，對(duì)預(yù)裂爆破成縫機(jī)理進(jìn)行了分析。通過對(duì)預(yù)裂縫的形成條件與形成過程的分析，給出了預(yù)裂爆破參數(shù)的計(jì)算公式，并結(jié)合司家營研山鐵礦的巖石性質(zhì)，計(jì)算出了研山采場預(yù)裂爆破參數(shù)。通過爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，預(yù)裂爆破平均降振率為39%，降振效果較好。

預(yù)裂爆破；巖石損傷；斷裂力學(xué)；爆破振動(dòng)；爆破參數(shù)

在露天礦開采過程中，臺(tái)階深孔爆破產(chǎn)生的爆破地震效應(yīng)，對(duì)露天邊坡巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生較大的影響[1]。因此，在露天臺(tái)階爆破中，既要利用爆破產(chǎn)生的能量盡可能地破碎礦巖，又要控制炸藥爆炸對(duì)被保護(hù)邊坡的破壞。預(yù)裂爆破形成的預(yù)裂縫具有保護(hù)邊坡的作用，一方面，預(yù)裂縫可以阻斷主爆孔爆破時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波向保護(hù)區(qū)域傳播，從而達(dá)到減震的效果；另一方面，預(yù)裂縫可以阻斷主爆孔爆破時(shí)產(chǎn)生的裂縫向邊坡的延伸，從而保障邊坡巖體結(jié)構(gòu)的完整性[2?4]。本文依據(jù)巖石損傷與斷裂力學(xué)理論，確定了研山鐵礦露天采場邊坡預(yù)裂爆破公式，對(duì)其預(yù)裂爆破參數(shù)優(yōu)化研究有一定的實(shí)際意義。

1 預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

預(yù)裂爆破技術(shù)具有超挖量少、有效降低主爆區(qū)周邊巖體擾動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種形式的巖石爆破開挖工程[1-8]。根據(jù)研究成果，影響預(yù)裂爆破效果的因素很多，其作用機(jī)理也十分復(fù)雜，到目前為止對(duì)預(yù)裂爆破形成預(yù)裂縫(面)的機(jī)理尚沒有定論。針對(duì)預(yù)裂爆破學(xué)者提出的理論主要有3種：應(yīng)力波疊加理論、爆炸瓦斯高壓靜力作用理論、應(yīng)力波理論和爆炸瓦斯綜合作用理論等[5, 9?10]。目前應(yīng)用最廣的是應(yīng)力波與爆炸氣體綜合作用原理。巖土等爆破后，爆破應(yīng)力波首先作用于孔壁，在孔壁周圍形成大量徑向裂紋，在爆炸性氣體準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場作用下，初始徑向裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，在炮孔中心連線方向形成一條預(yù)裂縫(面)[6]。

1.1 裝藥不耦合系數(shù)

由于一般常規(guī)巖體爆破所產(chǎn)生的沖擊壓力遠(yuǎn)大于巖石的抗壓強(qiáng)度，爆破對(duì)爆源中心巖體破壞嚴(yán)重，為此，預(yù)裂爆破常采用非耦合裝藥結(jié)構(gòu)，目的是既能夠使孔間拉開預(yù)裂縫，又不會(huì)在孔壁周圍形成壓碎區(qū)[11]。不耦合系數(shù)是鉆孔直徑與藥包直徑的比值，根據(jù)巖石斷裂力學(xué)理論及巖石損傷理論[12]，不耦合系數(shù)一般根據(jù)巖石的極限抗壓強(qiáng)度計(jì)算確定。

1.2 炮孔直徑

預(yù)裂爆破通常選擇小孔徑的炮孔，可以減少對(duì)周圍巖石的破壞，提高半孔率與坡面平整度。但是孔徑越小，現(xiàn)場施工越困難，同時(shí)也很難控制不耦合率。一般實(shí)際施工中預(yù)裂炮孔的直徑取60~150 mm。結(jié)合司家營研山鐵礦鉆機(jī)的實(shí)際情況，預(yù)裂炮孔孔徑選擇為115 mm。

1.3 炮孔間距

預(yù)裂爆破炮孔間距的選擇應(yīng)該能夠使相鄰炮孔之間的裂縫貫通。因此，孔間距小于炸藥爆炸在孔間產(chǎn)生裂紋的最大長度。結(jié)合巖石損傷理論與斷裂力學(xué)理論，應(yīng)力波作用下產(chǎn)生的初始裂紋長度[12]：

爆生氣體作用下產(chǎn)生的裂紋長度：

炮孔間距計(jì)算，滿足式(3)：

≤2(a+a)+d(3)

1.4 裝藥線密度

裝藥線密度是指炮孔裝藥量與炮孔裝藥長度的比值。綜合考慮相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)及理論計(jì)算，由以下公式確定其取值[13]：

式中，q為裝藥線密度，kg/mq為體積裝藥密度，g/m3，為不耦合系數(shù)。

1.5 孔間起爆時(shí)間

預(yù)裂爆破孔間爆破時(shí)差以先爆炮孔應(yīng)力波剛到或剛超過后爆孔為宜，理論最佳延遲時(shí)間通過式(5)計(jì)算[14]；

式中，C為縱波速度，m/s；C為橫波速度，m/s。

2 司家營研山鐵礦預(yù)裂爆破

2.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

研山北幫采場?30 m臺(tái)階需要進(jìn)行靠幫作業(yè)，邊坡巖性主要為中風(fēng)化的砂巖，由于風(fēng)化嚴(yán)重，自身穩(wěn)定性差，其物理力學(xué)參數(shù)見表1。為保證邊坡穩(wěn)定及采場的正常生產(chǎn)秩序，需要對(duì)其實(shí)施預(yù)裂爆破。

設(shè)計(jì)采用2#巖石乳化炸藥，其相關(guān)參數(shù)為：密度0=1.15 g/cm3；爆速C=5200 m/s。根據(jù)邊坡巖體的力學(xué)性質(zhì)及現(xiàn)場情況，不耦合系數(shù)為4.05，最終設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

2.2 預(yù)裂爆破現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

2018年2月開始對(duì)研山露天采場北幫?30 m水平到界邊坡實(shí)施了6次預(yù)裂爆破。主爆區(qū)及緩沖孔均采用矩形布孔，預(yù)裂炮孔采取平行于坡面角的63°左右傾斜孔進(jìn)行施工，主爆孔和緩沖孔均采用垂直鉆孔。按照設(shè)計(jì)的線裝藥量，首先對(duì)每孔的藥量進(jìn)行分配，然后用膠帶、炮線或者綁帶將導(dǎo)爆索和炸藥按要求和竹片進(jìn)行綁扎，其中1米綁扎1節(jié)乳化炸藥。然后將綁扎好的竹片慢慢放置于孔中。預(yù)裂孔裝藥時(shí)要遵循底部加強(qiáng)裝藥、中間段正常裝藥、上部減弱裝藥的原則，預(yù)裂孔底部裝藥密度為800 g/m，中間部位裝藥為700 g/m，頂部裝藥為 400 g/m[15]，具體爆破參數(shù)見表2。

表1 研山巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 預(yù)裂爆破參數(shù)

施工期間，每次預(yù)裂爆破都對(duì)永久邊坡進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)并收集數(shù)據(jù)，其中測(cè)點(diǎn)1#在后法寶村，測(cè)點(diǎn)2#在東法寶村，預(yù)裂爆破降振效果統(tǒng)計(jì)見表3。

2.3 預(yù)裂爆破效果及減震效果

2.3.1 預(yù)裂爆破效果分析

預(yù)裂爆破的效果主要從坡面半孔率、坡面平整度、孔口位置巖體破碎狀況、有無根底、孔壁巖石上有無爆生裂紋、有無超挖現(xiàn)象以及對(duì)保留巖體的降振效果等幾個(gè)方面來進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過分析上述6次預(yù)裂爆破的效果可得出如下結(jié)論：

(1) 如圖1所示，預(yù)裂爆破的半孔率較大，整體上并未出現(xiàn)明顯超挖現(xiàn)象，爆破后整體上根底較少，局部由于施工和裝藥原因?qū)е抡ㄋ幏植疾痪鶆驈亩a(chǎn)生少量根底。

圖1 預(yù)裂爆破效果

(2) 爆破后邊坡坡面不平整度控制在20 cm左右，坡面平整度控制較好，預(yù)裂孔壁基本上沒有產(chǎn)生新生裂紋。

表3 預(yù)裂爆破減震效果統(tǒng)計(jì)

注：理論計(jì)算速度通過該礦山爆破振動(dòng)的衰減公式(=48.6、=1.23)計(jì)算得到。

(3) 爆后主爆區(qū)大塊率比較低，爆堆前沖距離較短，后沖較小。

2.3.2 減震效果分析

在預(yù)裂爆破過程中，為了掌握預(yù)裂爆破產(chǎn)生的爆破振動(dòng)情況，礦山利用TC-4850N 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，分別在采場東幫附近后法寶村、東法寶村布置固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別標(biāo)記為監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#、2#。預(yù)裂爆破最大單響藥量在100~160 kg之間，根據(jù)回歸得到的研山采場邊坡質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度公式，可以得到距離爆源不同位置處的 1#，2#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)計(jì)算值，然后再與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較計(jì)算降振率。如表3所示，預(yù)裂爆破的降振率最大可達(dá)到51%，平均降振率為39%，預(yù)裂爆破降振效果明顯。

3 結(jié) 論

為研究預(yù)裂爆破技術(shù)的降振效果，在司家營研山露天鐵礦進(jìn)行了多次預(yù)裂爆破試驗(yàn)，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 本文依據(jù)礦山實(shí)際的巖體性質(zhì)，并且結(jié)合巖石損傷與斷裂力學(xué)理論計(jì)算得到了適用于該礦山的預(yù)裂爆破參數(shù)。

(2) 通過對(duì)6次預(yù)裂爆破試驗(yàn)效果分析可知，預(yù)裂爆破的半孔率較大，未出現(xiàn)明顯的超挖現(xiàn)象，根底較少，坡面平整度控制較好，預(yù)裂孔壁基本上沒有產(chǎn)生新生裂紋，爆后主爆區(qū)大塊率比較低，爆堆前沖距離較短，后沖較小。

(3) 通過對(duì)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，預(yù)裂爆破的降振率最大可達(dá)到51%，平均降振率為39%，預(yù)裂爆破降振效果明顯。

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(2019?02?14)

禹朝群(1983—)，男，河南泌陽人，工程師，主要從事采礦工藝設(shè)計(jì)及研究工作，Email: yucq126@163. com。