《武汉工程大学学报》 2012年12期
66-70
出版日期：2013-01-11
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
晋宁磷矿杨梅山区域高台阶深孔爆破设计及应用
0引言近年来，随着露天矿开采向深部的推进，矿体顶板出露岩石量急剧增大，且风化较低，硬度较大，主要为石英砂岩及含砾石英砂岩、白云岩、夹泥质白云岩、泥质岩等，f=5～8.由于产能要求和工作面条件 影响因素，采用小孔径、小孔网参数、低台阶爆破技术，从爆破进度、爆破效果、成本控制上不能充分满足生产的需求.为能提高穿爆施工进度，改善爆破效果，有效控制爆破成本，在岩石性质、地质条件、周边环境、铲装设备及采用爆破技术条件满足的情况下，采用增加炮孔钻凿深度（台阶高度），合理调增孔网参数，在安全允许的条件下，相应加大单孔装药量，达到增大一次爆破岩石量、改善爆破效果、提高钻机穿孔效率、降低钻机油耗，减少成本具有重要意义\[14\]. 1高台阶深孔爆破设计及钻凿设备
选型高台阶深孔的钻孔深度为15 m.1.1钻孔形式选取露天深孔爆破的钻孔形式一般分为垂直孔和倾斜深孔，单一从爆破效果来看，斜孔优于垂直孔，主要是斜孔的抵抗线均一；但钻凿斜孔的技术操作比较复杂，孔的长度相应比垂直孔长，而且装药过程中易发生堵孔.为方便钻机操作，提高钻孔速度，因此，采用垂直布孔.1.2布孔方式布孔方式有单排布孔和多排布孔两种.多排布孔又分为方形、矩形、三角形（梅花形）三种.布孔方式的合理选择，可为爆破创造良好的条件，爆破效果好，大块率较低；反之，则爆破条件相对较差.根据对比，采用三角形交错布置炮孔可以使炸药能量分布均匀，减少根底大块，还能更好地调整爆破实际密集系数；因此，采用三角形（梅花形）.1.3钻机选型采用柱齿类潜孔钻，山特维克（DI500）钻机，孔径152 mm，单根钻杆长度L=5 m.其主要特点为：① 冲击的凿入能量不经钻杆而直接传递到钻头，能量损伤小.② 冲击器工作中以强吹高压气体方式，排出孔底的岩渣，效果显著，有利于提高凿岩速度；③冲击器置于孔底，方向定位好，一般不会出现斜孔或弯孔现象；④可在节理、破碎岩体中作业，适用范围广，可打直孔，也可打倾斜孔.2爆破参数2.1炮孔直径d爆破的孔径大小主要取决于钻机类型、台阶高度和岩石性质.晋宁磷矿主要使用潜孔机，钻机孔径大小为152 mm, 140 mm, 110 mm, 102 mm几种.根据现有钻机型号情况，同时考虑到孔径越大，越有利于炸药的稳定传爆和达到理想爆轰，利于充分释放炸药能量从而提高延米爆破量.因此，此次深孔台阶爆破实验采用山特维克D1500潜孔钻机，孔径152 mm.2.2钻孔深度L与超深Δh钻孔深度由台阶高度和超深确定.台阶高度一般采用10～12 m台阶，也有采用15～20 m高台阶，台阶高度的取值大小主要考虑为钻孔、爆破和铲装创造安全和高效率的作业条件，主要取决于铲装设备选型和矿岩开挖技术条件.根据我矿现有铲装设备型号和开挖技术，同时考虑充分发挥钻机效率，增大一次爆破岩石量，加快爆破作业进度，改善爆破效果，确定开挖台阶高度为14 m.超深是指钻孔超出台阶底盘标高的那一段孔深，其作用是用来克服台阶底盘岩石的夹制作用，使爆破后不留残根，而形成平整的底盘.超深选取过大，将造成钻孔和炸药的浪费，增大对下一个台阶顶盘的破坏，使下台阶钻机穿孔时易塌孔；并且会增大爆破地震波的强度；超深不足将产生根底或抬高底盘的标高，而影响装运工作\[5\].超深值与岩石坚硬程度、炮孔直径、底盘抵抗线有关\[6\]，其值可按下式确定： Δh=（10～15）d Δh=（0.11～0.35）Wd经计算Δh=1.52～2.28 m 或者 Δh=0.99～3.15 m.在坚硬岩石中爆破，系数取大值；相反在硬度较小岩石中爆破，系数取小值.根据实践经验，确定超深为1 m.钻孔深度L、台阶高度H、超深Δh满足下列关系式：L=H+Δh
式中，L为炮孔深度，m； H为台阶高度，m；Δh为超深，m.综合确定钻孔深度L=15 m.
2.3底盘抵抗线W1底盘抵抗线是指从台阶坡底线到第一排孔中心轴线的水平距离.它是一个重要的爆破参数，过大的底盘抵抗线会造成根底多、大块率高、后冲作用大；过小则不仅浪费炸药、增大钻孔工作量，而且易产生飞石危害.底盘抵抗线的大小与炸药威力、岩石可爆性、岩石破碎块度要求以及钻孔直径、台阶高度和坡面角等因素有关.为了克服爆破时的最大阻力，避免台阶底部出现“根底”，一般都采用底盘抵抗线作为爆破参数设计的依据.按照深孔钻机安全作业的要求，底盘抵抗线W1应满足下列关系:W1≥Hctgα+B
式中，W1为底盘抵抗线，m；α为台阶坡面角，（°），α=65°;H为台阶高度，m； H=14 m； B为钻孔中心至台阶坡面顶边的安全距离B=2.5 m.）代入取值，可得W1=9.03 m.根据爆破实践经验，底盘抵抗线与台阶高度H之间存在如下关系，W1=（0.6～0.9）H或 W1=8.4～12.6 m且满足，岩石坚硬，台阶高度小，系数取小值；反之，系数取大值.综合上述计算，确定底盘抵抗线W1为9.0 m.第12期唐俊瑞：晋宁磷矿杨梅山区域高台阶深孔爆破设计及应用
武汉工程大学学报第34卷
2.4孔距a和排距b的取值孔距（a）是指同一排深孔中相邻两钻孔中心线间的距离.对于孔距a值，一般都按下式确定.a=M Wd（式中：a为孔间距，m； M为炮孔邻近系数，）为了获得良好的爆破条件，可取M=0.7～0.85；经计算a=6.3～7.65 m；根据实践经验取a=7 m.由于在布置钻孔时，通常使所有钻孔的间距都是相等的，因此不难列出孔排距b的计算公式为b=asin60°=0.87a=6.09 m为了获得良好的爆破效果，国内外普遍采用大孔间距、小排距的方式，再考虑到每孔装药量，经现场测定为16.5 kg/m及保证填塞高度L′，最终确定孔排距b=5.5 m.2.5填塞长度L′填塞高度是一个重要的爆破参数，堵塞长度关系到堵塞工作量的大小、炸药能量利用率和空气冲击波的危害程度.合理的堵塞长度应能防止爆炸气体产物过早地冲出孔外，同时又使台阶上部岩石能得到充分破碎.根据经验，按底盘抵抗线Wd的大小，填塞高度满足：L′=（0.5～0.75）Wd或L′=4. 5～6.75 m再按照《爆破安全规程》的规定，填塞高度不小于孔深的13，因此L′取≥5 m.2.6炸药单耗q影响单位炸药消耗量的主要因素有岩石的可爆性、炸药特性、自由面条件、起爆方式和块度要求.因此，选取合理的单位炸药消耗量，一般需要通过多次试验或经过长期生产实践来验证.采用下列公式q=0.083r·f(kg/m3)
式中：r为岩石容重；f为普氏系数.结合我矿生产实践，经过多次试验，综合确定q=0.33 kg/m3(可视现场实际情况进行调整).3典型爆破分析此次爆破位于东二采118～119勘探线，2 310 m水平（东采区东扩区域，杨梅山地带），总设计孔数99个，爆破点距民房650 m，采用网络管微差爆破.3.1穿孔设备选型主爆区炮孔采用山特维克DI500钻机穿凿，孔径152 mm.3.2台阶爆破参数①炮孔深度和超深：炮孔深度L=15 m
超深Δh =1 m②底盘抵抗线：W1=9 m③孔距和排距：孔间距a=7 m
排间距b=5.5 m④填塞长度：L′取≥5 m⑤炸药单耗q=0.33 kg/m3,平均单孔装药量189 kg,总炸药量18 711 kg.3.3装药结构主爆区采用连续集中装药，为保证每孔炸药可响性，采用双管连线，先往炮孔（经检查为干孔）内装入蓬化炸药，装到一定高度的时候，将起炮雷管反向插入直径为70 mm的岩石乳化炸药卷内，然后将网络管缠绕在药卷柱壁上，放入炮孔内，再放入蓬化药，然后再将起炮雷管正向插入直径为70 mm的岩石乳化炸药卷内，将其缠绕在药卷柱壁上放入孔内，再装药（见图1）.图1装药结构示意图
Fig.1Charge structure schematic diagram3.4起爆网路采用网络导爆管连接逐孔爆破技术，地表孔间延时65 ms,排间延时为：1排与2排，微差：17 ms； 2排与3排，微差：（17+65）ms；3排与4排，微差：（17+65+65）ms；4排与n排，微差：\[17+65+65+(n-2)65\]ms；孔内延时500 ms；如图2所示.
图2爆破设计网络示意图
Fig.2Blasting design network diagram3.5爆破振动速度的验证根据大量实测资料证实，质点振动速度与一次爆破的装药量大小，测点至爆源的距离、地质地形条件和爆破方法因素有关\[7\].根据现场对主爆区周边地质地形条件进行察看，资料收集分析，地质条件属坚硬岩石，K取150，衰减指数a取1.5.计算对采区周边最近村庄震速(最大响药量，由于采用逐孔爆破技术，Q=189 kg)为：V=K（Q13R）ɑ V= 150（（189）13/650）1.5V=0.11 cm/s＜1.0 cm/s通过验算得出结论：单孔装药量增至189 kg，地震波到达爆源距最近村庄的质点振动速度为0.11 cm/s，小于土坯房、毛坯房质点振动安全允许速度，不会对采区周边民房造成影响.3.6爆破效果此爆区爆破后，靠近边坡边沿，设置了保护孔，拉缝明显，没有对东边坡造成影响.爆堆隆起1.2~2.0 m，岩石块度破碎较均匀，大块率控制在3%~5%以内，岩石破碎块度及深度满足铲装要求，爆破效果比较理想，达到了预期效果\[6\].4原爆破技术相关技术参数炮孔深度和超深：炮孔深度L=10 m
超深Δh=0.8 m底盘抵抗线：Wd=5.0 m工作台阶高度(H):9.2 m孔距和排距：孔间距a=5 m,排间距b=4.5 m布孔方式：三角形（梅花形）布孔角度：90°（垂直孔）填塞长度：L′取≥3.4 m炸药单耗q=0.33 kg/m3.5新旧技术比较5.1钻机柴油消耗根据实际应用过程中，对一定时期内生产过程中钻机油耗及钻机进尺量进行统计、分析、计算得出：钻凿15 m孔钻机柴油消耗量为1.2 kg/m；钻凿10 m孔钻机柴油消耗量为1.09 kg/m，仅从每米进尺油耗来看，15 m孔单米进尺油耗偏高.但在钻凿总方量一定的情况下，由于钻孔深度的加深，延米爆破量（孔网参数）的增大，钻机移动时间的减少，降低了岩石爆破单方柴油消耗量.经大量数据统计、整理、分析计算得出，15 m深孔爆破技术岩石爆破穿孔单方柴油消耗为0.033 kg/m3,原10 m深孔爆破技术岩石爆破穿孔单方柴油消耗为0.053 kg/m3,岩石爆破穿孔单方柴油消耗降低了0.02 kg/m3.钻机柴油消耗总成本明显降低，据统计柴油消耗成本可降低37.5%，有效节约了爆破穿孔成本.5.2钻机效率 经现场进行监测、分析得出，在作业平台条件同等的情况下，钻机钻凿15 m深孔（延米爆破量为35.93 m3/m），钻机效率为33 m/h；小时形成穿爆方量1 185.69 m3；钻凿10 m孔（延米爆破量为20.7 m3/m），钻机效率为38 m/h，小时形成穿爆量786.6 m3，每小时可多形成爆破量399.1 m3.由于延米量的增大，从形成爆破方量（千米进尺量）上，大大提高了钻机生产效率，加快了穿孔作业进度.5.3警戒工作晋宁磷矿采区周边，耕地较多，大多数在爆破警戒范围内，经常有附近村民农作，若放炮过于频繁，会给现场清理、警戒工作带来困难.每次清理现场需12～1 h，严重影响施工进度.该项目的实施，降低了爆破频繁带来的警戒因难，同时降低爆破对周边村民的影响，提高了施工进度.5.4爆破成本采用15 m深孔爆破技术，炮孔深度（台阶高度）增大，底盘抗线Wd增大,相应孔、排间距也随之增大；在总爆破量一定的情况下，在增大一次爆破岩量的同时，钻凿孔数明显减少，网络导爆管使用数量也随之明显减少，经一定生产时期的统计、分析、计算，新技术的应用，网络管使用数量可减少62%，每立方爆破量减少网络管使用费0.135元.有效降低了爆破器材使用成本\[8\].5.5对各生产工序的影响穿孔爆破主要是对矿体围岩进行松动、破碎，使其满足采装的要求.穿爆工作的超前进行，是采剥生产作业的必要条件，但较为频繁的爆破施工又会对采剥作业的正常进行造成一定影响.该技术方案的应用，可避免由于频繁爆破对采装、运输、调度工序造成影响，减少采装、运输、调度等工序的停顿次数，提高采剥作业效率\[9\].6综合分析在同种岩石性质、地质条件下，两种爆破技术设计方案，测试结果如表1所示.
表1不同爆破技术设计方案指标测试情况
Table 1Different blasting technology design index tests
设计
方案钻机效率小时钻孔进尺量/m·h-1小时穿孔方量/m3·h-1每米进尺柴油消
耗量/kg·m-3单方岩石柴油消
耗量/kg·m-3网络管使用成
本/元·m-315 m孔331 185.71.20.0330.09810 m孔38786.61.090.0530.23由表1可以看出，两种爆破技术方案相比较，15 m深孔爆破技术与10 m深孔爆破技术比较，钻机小时钻孔进尺量略低，但由于延米爆破量的增大，从形成爆破方量上来看，小时穿孔形成爆破实施方量远远大于10 m深孔爆破技术，钻机效率得到了充分发挥.通过数据结果可以看出，这两种技术方案15 m深孔爆破技术钻机每米钻孔进尺柴油消耗虽然较高，但在总爆破方量一定的情况下，单方岩石钻机柴油消耗较低，钻机柴油消耗总量减少；数据结果还表明,15 m深孔爆破技术网络管使用投入成本明显降低，单方岩石爆破网络管使用成本远远低于10 m深孔爆破技术.通过上述分析，15 m深孔爆破技术的应用，有利于提高穿爆作业效率，降低岩石穿孔钻机柴油消耗及爆破成本.7结语该爆破技术的推广应用，着重解决爆破施工进度、爆破影响、钻机穿孔使用成本、钻机效率，爆破成本等问题，潜在经济效益大.与原有爆破技术相比较，具有很大的低成本优势和实施效应优势.但该技术主要适用于多排孔自由面比较好的区域台阶爆破，布孔方式采用三角形布孔，起爆顺序从邻近工作台阶坡顶线第一排孔开始起爆，爆破效果较好.爆破围岩如果只有一个临空面，两边岩石夹制作用较大，且排数比较少时，爆破效果则达不到预期开挖深度和破碎质量.