降低結構面發育露天礦爆破大塊率的技術措施

王 曉，張曉華，趙曰超，蘇筱嘉，楊亞明，王 珂

（1.河南迅達爆破有限公司，河南焦作 454000；2.山東省公安廳治安總隊，山東濟南 250000；3.滕州市鑫巖石料有限責任公司，山東棗莊 277000）

衡量石灰石露天礦爆破質量的一個重要指標是大塊率的控制水平，大塊率高，不能滿足生產質量要求，二次破碎成本高，且影響生產產量，而結構面發育地區石灰石礦山大塊率通常高于正常水平，因此控制結構面發育地區礦山爆破的大塊率目前仍然是在不斷地探討研究的問題。

畢可程[1]針對東山采場的復雜結構面區段，采用多種裝藥結構，提高裝藥高度，改變爆破能量的分配，降低大塊率和炸藥單耗，改善爆破效果；耿貴剛[2]等分析了中深孔爆破大塊產生的原因以及降低大塊率的技術措施；汪帥文[3]根據別斯庫都克露天煤礦地質狀況、結構面賦存特點、現有礦山生產設備情況，對此礦山開采過程中大塊率居高不下的工程難題進行研究分析，研究巖體中結構面因素對臺階爆破的影響規律，對礦坑各個平盤巖層特點、結構面分布規律及特點進行統計分析。

1 工程概況

滕州市鑫巖石料露天石灰石礦山位于魯西南丘陵區，山體總體呈北東向連綿起伏，礦山結構面發育，有較多不規則裂隙，延伸長度不均勻，多數超過10 m，風化者多張開、夾泥。礦山現已形成+165 m 水平和+150 m 水平工作平臺，臺階高度均為15 m。

由于前期對地質環境考慮不多，按常規爆破參數進行施工，造成大塊率高，爆堆高度不正常，爆破后裝車困難，增加了施工成本，影響了礦山的生產產量，在總結前期1 個月爆破經驗的基礎上，通過調整爆破方案，優化爆破參數，大塊率和塊度得到明顯改善，取得良好的爆破效果。

2 大塊集中部位及產出原因

1）結構面發育的影響。巖體的強度受巖石強度和結構面強度的控制，在更多的情況下，主要受結構面控制，巖塊的破裂面大多數是沿巖體內部的結構面形成的。結構面的分布不僅對巖塊的破裂特征有重要影響，還對爆堆的塊度分布規律也有重要影響。研究表明，結構面的發育程度對較大塊徑的塊度分布有控制性，即爆破后塊徑較大的石塊多分布在結構面發育的位置。受泄能作用的影響，當軟弱帶或軟弱面穿過爆源通向臨空面，且由爆源到臨空面間軟弱帶或軟弱面的長度小于爆破藥包最小抵抗線時，炸藥的能量以“沖炮”或其他形式泄出，使爆破效果明顯降低。

2）孔口堵塞的影響。在露天礦山的深孔臺階爆破施工中，為了減少爆破飛石的危害，孔口段必須有一定長度的堵塞，裝藥主要集中在炮孔中下部，重心低，導致臺階上表面巖石得不到足夠炸藥能量而使其不能充分破碎[4]。

3 降低大塊率的技術措施

3.1 結構面發育部位技術措施

3.1.1 優化爆破參數

爆破參數的確定是保證爆破效果的基礎，合理的爆破參數也是在實踐中不斷總結后優化確定的。在前期爆破效果欠佳的情況下，通過對爆破參數的不斷優化調整，最終使爆破效果得以明顯改善。在確保安全的前提下增大炮孔密集系數（縮短排距、加大孔距）、減小堵塞長度，改變裝藥密度，適當增加單耗[5]。爆破參數調整對比一覽表見表1。

3.1.2 更換炸藥品種

巖石的波阻抗對爆破能量在巖石中的傳播效率有直接影響。炸藥的波阻抗與巖石的波阻抗相匹配時，炸藥傳遞給巖石的能量最多，在巖石中引起的應變值就大，可獲得較好的爆破效果。因此必須根據巖石的性質選擇波阻抗合適的炸藥。

研究表明，炸藥波阻抗和巖石波阻抗的匹配時，所選炸藥的波阻抗與巖石波阻抗的比值應在0.5～2間變化[6]。高阻值的巖體對應于高阻值的炸藥，但兩者不成正比關系。在波阻抗較小的煤層及松軟巖層中，所用工業炸藥的波阻抗往往大于被爆介質的波阻抗，波阻抗比取2.0，對于波阻抗較大的完整堅硬巖石，工業炸藥的波阻抗遠小于巖石的波阻抗，波阻抗比取0.5；而對于波阻抗值中等大小的一類巖石，工業炸藥的波阻抗與巖石的波阻抗接近或相等，波阻抗比取1.0。在上述3 種炸藥巖石波阻抗匹配關系下，都取得了良好的爆破效果[7]。

表1 爆破參數調整對比一覽表

地質勘查資料表明，礦山中巖層主要為石灰巖和白云巖。石灰巖的波阻抗為（7～14）×106kg/（m2·s），白云巖的波阻抗為（12～17）×106kg/（m2·s），2 種巖石均屬于強度較大的堅硬巖石，炸藥與巖石的波阻抗比應大于0.5。

炸藥波阻抗為裝藥密度與爆速的乘積[2]。前期爆破中，采用巖石膨化硝銨炸藥，巖石膨化硝銨炸藥密度為800 kg/m3，爆速為3.2×103m/s，炸藥波阻抗2.56×106kg/（m3·s），炸藥與巖石的波阻抗比為0.18～0.36。改進后裝填巖石粉狀乳化炸藥，裝藥密度900 kg/m3，爆速為3.5×103m/s，波阻抗3.15×106kg/（m3·s），炸藥與巖石波阻抗比為0.225～0.45。雖然更換為巖石粉狀乳化炸藥后，炸藥波阻抗與巖石波阻抗的匹配仍沒有達到理想狀態，但是相比巖石膨化硝銨炸藥匹配程度明顯提升。事實證明，更換為巖石粉狀乳化炸藥后，爆破效果有明顯改善。

3.1.3 優化起爆網路

采用毫秒延期爆破技術，可利用應力波疊加作用、巖塊相互碰撞作用提高巖體的破碎度，減少大塊率；但是確定合理的起爆順序、延期間隔時間是毫秒延期爆破技術的關鍵。

優化爆破參數前，采用逐孔起爆技術，孔間采用ms3（延期時間50 ms）塑料導爆管雷管連接，排間采用ms5（延期時間110 ms）雷管連接，孔內裝填ms13（延期時間650 ms）雷管，優化前起爆網路連接如圖1。

圖1 優化前起爆網路示意圖

為了減小巖層中結構面對爆破產生的不利影響，減小泄能作用，優化后的爆破網路采用3 孔齊爆，排間延期時間不變，通過增大單段起爆藥量，增大炸藥的做功能力，減少結構面處炸藥爆炸的泄能作用。優化后的網路連接如圖2。

圖2 優化后起爆網路示意圖

3.2 孔口堵塞段技術措施

3.2.1 適當減小堵塞長度

如果堵塞長度過大，就會減少單孔裝藥量，使爆破能量集中于炮孔底部，能量分布不均，造成孔口堵塞段產生大塊；相反，如果炮孔堵塞長度過短，爆生氣體瞬間就會沖出炮孔，造成“沖泡”，也會產生大塊并存在安全隱患；合理的堵塞長度，利用堵塞物的慣性阻力、堵塞物與孔壁的黏結力和摩擦阻力，增加炸藥爆炸后高溫高壓氣體的做功時間，使之前由沖擊波產生的裂隙在高壓氣體的楔入作用下充分發展，形成楔形塊裂破壞[8]。

優化前堵塞長度為3.0 m，爆破后孔口堵塞段大塊集中，并且由于結構面的存在，在孔口部位出現了直徑超過2.0 m 的大塊，給后期的二次破碎增加了很大的成本。堵塞長度可按下列公式確定：

式中：L2為堵塞長度，m；W1為底盤抵抗線，m；d為炮孔直徑，m。

經計算，堵塞長度可取范圍為2.1～2.7 m。優化后，堵塞長度取2.5 m，相比改進前堵塞長度降低0.5 m，也增大了單孔裝藥量。

3.2.2 確保堵塞質量

良好的堵塞質量能增加爆炸氣體在孔內的作用時間；另外，在降低堵塞長度的同時，要降低“沖炮”的可能性，確保爆破效果，也必須保證堵塞質量。堵塞材料選用級配合理的鉆屑、黏土、粗砂，嚴禁使用含有粒徑超過4 cm 石塊的材料和細小粒徑的鉆粉堵塞。深孔和堵塞段加密淺孔布置平面示意圖圖3。深孔和堵塞段加密淺孔裝藥結構剖面圖如圖4。

圖3 深孔和堵塞段加密淺孔布置平面示意圖

圖4 深孔和堵塞段加密淺孔裝藥結構剖面圖

3.2.3 深孔間加密淺孔

為了彌補孔口堵塞段爆炸能量不足而產生大塊，在每3 個深孔之間鉆鑿2.5 m 深的淺孔，裝填0.7 m 高炸藥，堵塞1.8 m，間接的減小了孔口段的孔排距，增大了孔口堵塞段的炸藥爆炸的能量。

4 改善爆破效果的技術

爆破參數的優化是一個逐步試驗的過程，通過在相同的爆破條件下，改變某一個參數后，分析爆破效果的改進程度，確定該參數變化對改善爆破效果作用的權重。

1）通過改變炮孔密集系數，增大孔距、減小排距對降低結構面處大塊率的效果甚微，但是有利于控制爆堆高度和臺階眉線的整齊度。

2）更換炸藥品種，使用了裝藥密度和爆速更高的粉狀乳化炸藥，使炸藥和巖石的匹配度更高，同時也提高了單耗，更換炸藥后，堵塞段以下的大塊率降低明顯，整體爆破效果明顯提升。

3）改變起爆網路，總的起爆順序不變，通過增加同響炮孔的個數，減少爆破的總延期時間，有利于減小堵塞段以下的大塊率，但是對爆破振動控制不利。

4）減小堵塞長度，堵塞長度由3.0 m 降低為2.5 m 后，堵塞段的大塊率降低不明顯。

5）深孔間鉆淺孔，孔口堵塞段的大塊減少明顯。

5 結語

結合工程實際，從現有理論出發，分析巖石結構特征，采取更換炸藥品種、提高單耗、優化起爆網路、增大炮孔密集系數等技術措施，使結構面發育位置的爆破大塊率明顯降低。通過縮短堵塞長度、深孔間用淺孔加密的方式，減少了孔口堵塞段大塊。通過上述技術措施的綜合利用，爆破大塊率明顯降低，降低了施工成本，從而提高了生產產量，也為結構面發育地區的礦山爆破降低大塊率提供了經驗參考。