露天矿山大孔径无导爆索光面爆破技术

陶明 ，罗福友 ，王云茂 ，郑初东

(1.江西国泰五洲爆破工程有限公司，江西 南昌 330038；
2.江西国泰集团股份有限公司，江西 南昌 330096；
3.江西省爆破工程技术研究中心，江西 南昌 330012)

边坡稳定是露天矿山开采面临的重要问题，决定着矿山生产安全。随着表层矿产资源的日益枯竭，开采深度不断增大，边坡稳定性问题日益突出[1-2]。边坡稳定取决于其围岩的稳定性，保证其围岩受爆破作业扰动小，边坡稳定性就能得到保障。当前降低围岩受扰动的主要方法有光面爆破和预裂爆破控制法两种[3-6]，且光面爆破理论及实践已经很成熟，主要应用于隧道、路堑、矿山等，并取得了较好的效果，但针对大孔径光面爆破的研究比较少见。

线装药密度、炮孔密集系数、装药结构、不耦合系数、网路延时是光面爆破效果的主要影响因素。目前，国内已有大孔径光面爆破的相关试验研究，如唐喜明[7]对广东某矿山采用无导爆索光面爆破技术，使边坡达到了稳定及平整；
张五兴[8]通过对光面爆破参数优化和过程严格控制，使光面爆破半孔率达到90%以上，且岩面规整；
刘成敏等[9]通过试验优化调整孔网参数、装药方式、装药量、起爆顺序，达到了预期爆破效果。

本文探讨的大孔径光面爆破，利用定制吊袋代替传统的竹片，且孔内装大直径乳化药卷，采用无导爆索不耦合间隔装药方式进行爆破，并取得了较好的爆破效果。

赣州某石灰岩矿采用凹陷露天台阶式开采，前期开采沿矿体走向由西南向东北推进。凹陷式开采地面起始标高为+163 m 至+167 m，设计采矿最低标高为+60 m，最终边坡垂直高度约100 m。边坡松散堆积层厚度为5～10 m，基岩为红色碎屑岩和水泥灰岩。采场边坡中上部为全-强风化红色碎屑岩及松散层，边坡稳定性差。在采场的边界采用光面爆破法施工，矿山采场已有7 个作业台阶，采场台阶高度为12～15 m，平台宽度在40 m 以上。

由于该矿山工作面较少，生产紧张，采用竹片及导爆索进行施工的方式存在爆前准备工作量大、施工耗时长、不便操作等问题。为便于光面爆破施工，矿山专门定制了吊袋，吊袋直径比药卷直径大2～3 mm，采用乳化炸药间隔装药。施工时采用定制吊袋间隔装药，首先利用扎带把吊袋按设计长度分成若干段，如图1(a)所示；
然后再按设计把药卷装入吊袋中，每段安插一发雷管，并进行固定，如图1(b)所示；
最后缓慢放入炮孔内，完成后靠自由面反方向孔壁放置，如图1(c)所示。该施工过程熟练后，两个人就可以单独操作，且施工过程简单，可大大缩短光面爆破施工时间。

图1 光面爆破施工过程

采用定制吊袋装药工艺进行光面爆破时，影响爆后效果的因素主要有不耦合系数、吊袋直径、药卷直径、装药结构、线装药密度、炮孔密集系数、填塞长度、网路延时等，其中不耦合系数大小取决于药卷直径，而吊袋直径一般比药卷直径大2～3 mm，以保证药卷能顺利装入吊袋内并在孔内处于垂直状态。综合理论和以往经验，光面爆破不耦合系数宜控制在2～5 之间，但由于爆破器材的限制，如采用直径为Φ32 mm 的乳化炸药连续装药，在无导爆索的情况下，装药过程中相邻药卷之间缝隙距离不易控制，易产生拒爆药卷、光面效果差等现象。受限于矿山设备及爆破器材，本矿边坡光面爆破只能采用直径为Φ70 mm 的乳化药卷间隔装药工艺。查阅相关资料可知，石灰岩光面爆破的炸药单耗取值范围在0.16～0.38 kg/m3，密集系数控制在0.6～0.8，光面爆破孔延后于主爆孔150～200 ms 起爆，填塞长度需根据不同岩石的结构进行选取，一般情况下大于光面孔间距。炮孔孔口位置岩石较破碎，且周边环境较好的情况下，可取适当减少填塞长度。综合以上分析，该矿光面爆破不耦合系数基本不变，光面孔起爆延时时间变化较小，对光面效果影响甚微，因此影响该矿光面爆破的因素主要有光面孔线装药密度、光面孔密集系数、填塞长度3 个因素。本矿针对这3 个因素展开现场试验，对比爆后效果，选出适合该矿的最佳光面孔参数。

4.1 爆破参数设计

（1）钻孔直径：根据矿山现有两种型号的钻孔设备，其钻孔直径分别为140 mm 和170 mm，光面爆破选取140 mm 孔径设备更有利于边坡稳定。钻孔施工中钻孔倾斜度应严格按设计的边坡坡度来确定。

（2）台阶高度H：台阶高度为12～15 m，孔深按照现场地形坡度变化来确定。本设计采取一次到底的方法进行爆破，孔深应比设计底板高程超深0.5～1.5 m，以确保爆后底板的平整性。

（3）炮孔长度L可按以下公式计算：

式中，L为炮孔长度，m；
α为边坡钻孔角度。

（4）光爆层厚度：

式中，K为计算系数，一般取K=15～25；
D为钻孔直径，光面爆破选取140 mm 孔径设备更有利于边坡稳定，故本设计D=0.14 m。W光=2.1～3.5 m，软岩取大值，硬岩取小值。

（5）爆孔间距是光面爆破中的重要参数，其经验公式为：

式中，m为比例系数，取m=0.6～0.8。故a光=1.26～2.8 m。

（6）光面爆破装药量：

式中，Q光为光面爆破单孔装药量，g；
q光为光面爆破的线装药密度，g/m。

4.2 现场试验参数选取

根据上文对该矿光面爆破效果影响的因素分析，采用控制单一变量的方法，选取了4 组不同的光面孔参数进行现场试验，对比其爆后效果，具体数据见表1。

表1 光面爆破试验参数

4.3 装药结构

主爆孔采用连续装药结构，每孔安插两发雷管；
光面孔采用不耦合间隔装药结构，利用吊袋使药卷均匀分布于炮孔内。第1、第2 组试验孔底加强段3 节Φ70 mm 的乳化药卷，每节药卷重2 kg，孔口减弱段一节药卷，中间两段各两节药卷，药卷长度40 cm，共分为4 段，每段药内安插一发起爆雷管；
第3、第4 组试验改变每条药卷重量，重量减少为1.6 kg，装药结构与1、2 组相同，装药结构如图2 所示。

图2 装药结构

4.4 爆破网络设计

该矿采用数码电子雷管起爆网路，主爆孔设计为逐孔起爆，孔间间隔时间取25 ms，根据实际情况进行调整，一般孔排距越大，间隔时间越长，主爆孔与光面孔之间延时160 ms。起爆顺序如图3所示。

图3 起爆网路设计（单位：ms）

本次爆破作业严格按设计进行，精细施工，爆后效果如图4 所示。第1 组试验爆破效果显示，基本无半孔痕迹，孔口拉裂严重，眉线不齐，爆后岩壁平整度差；
第2 组试验半孔痕迹明显，孔口拉裂严重，爆后岩壁平整度一般，眉线整齐度一般；
第3 组试验半孔率达90%以上，孔口依然存在拉裂现象，爆后岩壁平整度好，眉线整齐度一般；
第4 组试验半孔率达95%以上，炮孔填塞段基本无超欠挖情况出现，爆后眉线整齐。

图4 试验爆破效果

（1）使用定制吊袋进行光面爆破不耦合装药，选择合理的孔间距、光爆层厚度、线装药密度，可以在一定程度上保证光面孔爆后平整度及半孔率。

（2）选择合理的光面孔填塞长度能有效降低填塞段孔壁超欠挖程度，并能保证爆后眉线的整齐度。

（3）选取吊袋进行光面爆破施工，操作简便，省时高效，在保证爆后效果的同时，能节约大量施工时间，为类似矿山施工提供借鉴。