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預裂爆破在露天礦邊幫爆破中的應用研究

2017-12-14 10:59:50 責任編輯:崔瑋娜

 

作者:孫 

單位:寧夏爆破公司

目前大多露天礦山爆破開采均存在邊坡不穩定現象,不但嚴重影響了開采效率,而且存在諸多安全隱患。本文就目前此狀況,從現代爆破技術出發,就露天礦邊坡穩定性問題做了短淺的研究。

利用現代爆破技術中的預裂爆破技術可以在很大程度上減小對臺階邊坡的破壞,從而確保臺階邊坡的穩定。

關鍵詞:預裂爆破;邊坡;控制;不耦合裝藥

 

邊坡及邊坡穩定性

1.1  露天礦邊坡的定義[1]

巖體、土體在自然重力作用或人為作用而形成一定傾斜度的臨空面。露天礦邊坡又稱露天礦邊幫,是露天礦場的構成要素之一。指露天礦場四周的傾斜表面,即由許多已經結束采掘工作的臺階所組成的總斜坡。它與水平面的夾角,稱邊坡角或最終邊坡角。按邊坡與礦體的空間相對位置,可將邊坡分為上盤邊坡、下盤邊坡和端部邊坡。邊坡與地表的交線稱露天采場的地表境界線,邊坡與底平面的交線則稱底部境界線。

 

1.2  影響露天礦山邊坡穩定性的因素

1.2.1  爆破對邊坡穩定性的影響

爆破對邊坡的影響主要是爆破產生的地震波對邊坡原有的自穩結構造成破壞,造成臨界爆破孔周圍巖石節理結構以及圍巖應力改變,從而使邊坡失去自穩。

1.2.2  臺階高度和平臺寬度的影響

確定臺階高度和平臺寬度要考慮礦巖的埋藏條件和力學性質,以及穿爆作業和采掘工作面的要求。我國大中型礦山的臺階高度為815 m。平臺寬度不但影響邊坡角的大小,也影響邊坡的穩定,因此臺階的最小寬度必須保證運輸和安全的需要。

1.2.3  邊坡角與邊坡高度的影響

在邊坡角相同的條件下,邊坡越高穩定性越差,這是由于邊坡礦體自重力加大使邊坡滑動的剪切力也相應增加。增加量與滑體體積的增加成正比,而抗滑動剪切的內聚力的增長與滑體面積成正比,增長量較小。當邊坡高度一定時,邊坡角越大,邊坡越不穩定,反之,邊坡角越小,邊坡越穩定。

1.2.4  巖體結構面的影響

結構面就是在巖體內形成具有一定方向、規模、形態和特性的面、縫、層、帶狀的地質界面。結構面直接影響著邊坡巖體變形、破壞的發生和發展過程,主要體現在以下幾個方面:

(1)巖體的結構面都是弱面,較破碎,易風化,結構面中有裂縫,抗剪強度較低

(2)孔隙、裂隙、節理為地表水的滲人及活動提供了良好的通道,使巖石抗剪強度進一步降低

(3)結構面影響滑體的滑動面及邊緣輪廓,甚至決定了邊坡破壞的類型。結構面的成因(原生、次生、構造)、規模、連續性與間距、起伏度與粗糙度、結合狀態和充填物都對邊坡的穩定性產生影響,尤其結構面與邊坡臨空面走向關系的影響最大。典型的結構面破壞類型分為平面滑坡、楔體滑坡、傾倒滑。

1.2.5  地形地貌與地質構造因素

邊坡坡面的形狀對邊坡穩定性有很大的影響,邊坡坡面的形狀為凹形時較凸形對邊坡穩定更有利,平面斜坡穩定性居中;地表面的不同形狀則對重力分布產生影響,巖體重力分布不均容易使邊坡失穩。地質構造主要指破碎帶、斷層、節理裂隙和層理面等形成的弱面,包括弱面的朝向、強度、填充性質等。朝向和坡面一致且傾角小于坡面的弱面朝向是最不利朝向;邊坡中含有不穩定且與水膨脹的軟巖夾層時,也會對坡面夾層造成嚴重影響。

邊坡預裂爆破技術

2.1  預裂爆破的概念[2]

預裂爆破是在光面爆破的基礎上發展起來的一項控制爆破技術,目前已廣泛地應用于露天礦邊坡、水工建筑、交通路塹等基礎開挖工程,為了使爆破開挖的邊界盡量與設計的輪廓線相符合,不出現超挖和欠挖現象,同時使開挖邊界上的巖體能盡量地保持完整無損,保持其強度和穩定性,降低爆破地震的危害范圍和破壞程度,在露天中深孔臨界永久邊坡和塹溝、基坑等的露天爆破工程中,常采用保坡的預裂爆破方法。

預裂爆破是沿開外邊界或設計輪廓線布置一排小孔距的預裂孔,采取不耦合裝藥或裝填低威力炸藥,在開挖區主爆破炮孔爆破前,首先起爆這些輪廓線上的預裂孔,從而在主爆區與保留區之間形成平整的預裂縫,以減弱主爆破對保留巖體的破壞作用,形成平整輪廓面的爆破作業。

2.2  預裂爆破技術的發展及應用現狀

2.2.1  預裂爆破技術的發展

20世紀60年代初,不耦合裝藥,密眼齊發等預裂爆破技術在美國Niagara水電站建設中首先得到了大規模應用,并取得了良好的爆破效果。70年代中期,預裂爆破在我國露天礦開始大量應用,目前,大多數礦山采用大孔徑,小藥徑的不耦合裝藥法,如南京白云石礦露天開采過程中,孔徑160mm,臺階高度12m,藥卷直徑50mm,長藥包連續裝藥結構,孔距2.0m,用電雷管起爆導爆索起爆藥包,預裂孔超前50100ms于主爆孔,爆破后邊幫殘留炮痕率大于50﹪,保邊(幫)效果良好。

2.2.2  國內外靠幫預裂控制爆破現狀[3]

國內露天礦靠幫爆破均采取了相應的降震措施,大多數礦山采用預裂爆破,少數礦山采用緩沖爆破和光面爆破,按鉆孔方向分類:有垂直孔爆破和傾斜孔爆破,垂直孔爆破采用牙輪鉆機或潛孔鉆機穿孔,孔徑170mm;傾斜孔爆破采用潛孔鉆穿孔,孔徑多為170mm150mm,如表2-1所示:

武漢鋼鐵公司大冶鐵礦是我國大型深凹露天礦之一,東露天采場上盤邊幫為閃長巖,下盤邊幫為大理巖,巖石堅固性系數為814,個別地段節理發育有斷層斷碎帶。大冶鐵礦自1974年開始試驗預裂爆破,1978年于臨界固定邊幫處普遍使用預裂爆破,降震率為19.2﹪~42﹪,在邊幫穩定性差的地段采用緩沖爆破,降震率為18﹪~23﹪。

本鋼南芬露天鐵礦是本溪鋼鐵公司主要的鐵礦石原料基地,也是我國生產能力最大,機械化程度最高的露天礦之一,底盤為角閃巖,巖石堅固性系數為1214,上盤為片麻狀混合巖,巖石堅固性系數為812。南芬露天鐵礦于1984年進行了預裂線總長為470m的預裂爆破。預裂炮孔為垂直炮孔,孔徑為250 mm,孔距為2.8 m,不耦合系數為3.9;裝藥密度為2.7 kg/m。裝藥結構采用徑向不耦合柱狀連續裝藥,預裂孔超前起爆時間為50ms以上。

國外露天礦控制爆破主要采用預裂爆破和緩沖爆破,據統計加拿大25個露天礦中,約有1/2礦山采用預裂爆破,1/3礦山采用緩沖爆破。其他國家也有類似情況,見表2-2 

表2-1 國內主要金屬礦山預裂爆破使用情況

礦山

臺階高度/m

孔徑/mm

鉆孔角度

爆破方法

裝藥結構

首鋼水廠

12

250      310

90°

預裂爆破

徑向不耦合

本鋼南芬露天礦

12

250      310

90°

預裂爆破

徑向不耦合

武鋼大冶鐵礦

12

170

70°

預裂爆破

徑向不耦合

鞍鋼大連石灰石礦

12-13

250

90°

預裂爆破

徑向不耦合

鞍鋼東鞍山鐵礦

13

250

90°

預裂爆破

徑向不耦合

鞍鋼大孤山鐵礦

12

250

90°

預裂爆破

徑向不耦合

包鋼白云鄂博鐵礦

12

200       250

90°

預裂爆破

徑向不耦合

攀鋼蘭尖鐵礦

15

250

60°

預裂爆破

徑向不耦合

 

表2-2 國外礦山靠幫預裂控制爆破方法

國別

礦山企業

孔徑/mm

鉆孔傾角

爆破方法

備注

美國

共和鐵礦

250.8

垂直

緩沖爆破

上盤和下盤南部

127

垂直

預裂爆破

下盤中央部位

蒂爾登鐵礦

114

垂直

預裂爆破


加拿大

派普鎳礦

102

傾斜

預裂爆破


西來爾卡敏銅礦

251

垂直

緩沖爆破


前蘇聯

巴拜露天礦

105

傾斜

預裂爆破

主要方法

269

垂直

緩沖爆破


前達巴什花崗巖礦

105

垂直

預裂爆破


215.9

垂直

預裂爆破


馬林露天礦

215.9

垂直

預裂爆破


澳大利亞

戈茲維西鐵礦

310

垂直

緩沖爆破


湯姆普賴斯鐵礦

310

垂直

緩沖爆破


2.3  控制邊坡穩定的預裂爆破參數設計

爆破參數設計是預裂爆破成功與否的關鍵,合理的爆破參數直接決定著爆破效果的好壞,良好的預裂爆破效果殘留眼痕率應該達到50﹪以上,確保對邊幫或設計輪廓線周邊的巖體結構不造成破壞,從而保證邊坡穩定。

2.3.1  巖石爆破作用機理

巖石爆破破碎的機理有多種理論和學說,人們普遍認同的是:應力波和爆轟氣體壓力共同作用學說。此學說綜合考慮了沖擊波和爆轟氣體在巖石破壞過程中所起的作用,爆轟波波陣面的壓力和傳播速度大大高于爆轟氣體產物的壓力和傳爆速度。爆轟波首先作用在藥包周圍的巖壁上,在巖石中激發形成沖擊波并很快衰減為應力波。沖擊波在藥包附近巖石中產生“壓碎”現象,應力波在壓碎區域之外產生徑向裂隙。隨后,爆轟氣體產物爆破氣體壓縮被沖擊波壓碎的巖石,爆轟氣體“楔入”在應力波作用下產生的裂隙中,使之繼續延伸和進一步擴張。當爆轟氣體的壓力足夠大時,爆破氣體將推動破碎巖塊作徑向拋擲。對于不同性質的巖石和炸藥,應力波與爆轟氣體的作用程度是不同的。在堅硬巖石、高猛炸藥、耦合裝藥或裝藥不耦合系數較小的條件下,應力波的破壞作用是主要的;在松軟巖石、低猛度炸藥、裝藥不耦合系數較大的條件下,爆轟氣體的破壞作用是主要的。

預裂爆破過程中,采用小孔距,低猛度炸藥,不耦合裝藥結構,根據巖石爆破作用機理在炸藥爆破瞬間由于沖擊波作用在巖石徑向產生裂隙,隨之,在沖擊波和爆轟氣體的共同作用下使炮孔裂隙不斷擴大,從而在各個預裂孔之間產生一條較大的貫穿裂隙,之后爆轟氣體沿著裂隙方向作用,不再對輪廓線周邊的巖體產生破壞,在主爆區爆破時此預裂縫極大了阻礙了爆破沖擊波及爆轟氣體作用的傳播,不使被保護巖體產生破碎,失穩。 

2.3.2  預裂爆破參數設計

影響預裂爆破參數的因素很多,目前,一般根據實踐經驗,并考慮各爆破參數之間的相互關系來進行參數的確定。

1.孔徑 d

目前露天礦爆破的孔徑主要是根據臺階高度和鉆機性能來決定的。對爆破質量要求高的工程,采用較小的鉆孔。一般工程鉆孔直徑以80~150mm為宜,對于質量要求較高的工程,鉆孔直徑以32~100mm為宜,最好能按藥卷直徑的2~4倍來選擇鉆孔直徑。

2.預裂孔距 a

預裂爆破的孔距相對較小,通常一般工程取a=(5~7);質量要求高的工程取a=(7~10)d。選擇a時,孔徑大于100mm時取小值,小于60mm時取大值;對于較軟弱破碎的巖石a取小值,堅硬的巖石取大值;對于質量要求高的 a取小值,要求不高的取大值。

3.預裂孔不耦合系數 Kd

不耦合系數為炮孔內徑與藥卷直徑的比值。值大時,表示藥卷與孔壁之間的間隙大,爆破后對孔壁的破壞小;反之對孔壁的破壞大。一般可取 Kd=(2~4)。實踐證明,當Kd≥2時,只要藥卷不與保留的孔壁緊貼,孔壁就不會受到嚴重的損害。如果 Kd<2,則孔壁質量難以保證。所以,在裝預裂孔時藥卷應當放在炮孔中間,不能與保留區的孔壁緊貼,否則就可能造成對孔壁的破壞,邊坡也將失穩。

4.線裝藥密度 q

裝藥量合適與否關系到爆破的質量、安全和經濟性,因此,預裂孔的線裝藥密度是一個很重要的參數。裝藥密度以下經驗公式進行計算:

(1)保證不破壞被保護孔壁的線裝藥密度計算公式:

 

式中  δ—巖石極限抗壓強度,MPa;

       r—預裂孔半徑,mm;

       q —線裝密度,kg/m。

該式適用范圍是巖石極限抗壓強度為10~15 MPa,預裂孔半徑為46~170 mm。

(2)保證形成貫通相鄰炮孔裂縫的線裝藥密度計算公式:

該式適用范圍是巖石極限抗壓強度為10~150 MPa,預裂孔半徑為46~170 mm。

5.預裂孔孔深 

預裂孔孔深的確定以不保留根底和不破壞臺階底部巖石的完整性為原則,根據具體的工程的巖體性質來確定。

6.堵塞長度 

良好的堵塞不但能充分利用炸藥爆炸的能量,而且能減少有害氣體的效應,如果不堵塞,炸藥在爆炸反應過程中,除與自身的氧結合外還與空氣中的氧結合,造成炸藥反應的負氧平衡。

2.3.3  露天礦靠幫預裂爆破的質量標準及效果評價

一般根據預裂縫的寬度、壁面的平整度、孔痕率等來評價露天礦靠幫預裂爆破的質量及效果。

(1)預裂縫縫口寬度不小于1cm;

(2)預裂壁面上完整地留下半個炮孔痕跡,藥卷附近巖體不出現嚴重的爆破裂隙;

(3)預裂壁面基本光滑、平整,不平整度應小于15cm;

(4)殘留孔痕率在硬巖中不少于80﹪,在軟巖中不少于50﹪;

 

參考文獻

[1] 丁士昭.礦業工程管理[M].中國建筑出版社,2015

[2] 汪旭光,于亞倫,劉殿中.爆破安全規程實施手冊[M].人民交通出版社,2004

[3] 楊軍,陳鵬萬,胡剛.現代爆破技術[M].北京理工大學出版社,2004



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