楊超

(攀鋼礦業(yè)公司白馬鐵礦，四川 攀枝花617000)

白馬鐵礦為大型山坡露天釩鈦磁鐵礦，礦區(qū)地勢北高南低，標(biāo)高1 400～2 400 m，地形坡度多為30°～35°。圍巖上盤主要有輝長巖、斷層角礫巖以及微風(fēng)化巖;下盤主要有偉晶輝長巖、輝綠巖以及少量角閃石英正長巖。采場最終邊坡角為42°～47°，階段高度15 m，兩個階段并段臺階坡面角為65°，預(yù)留安全清掃平臺，平臺寬14 m。目前采場已形成180 m的中高邊坡，再經(jīng)過1～2年的開采，采場將形成高邊坡，面臨滑坡危害。因此在終了境界采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)，既能減少邊界超挖、欠挖，保證輪廓整齊度，同時預(yù)裂縫還可以降低爆破振動對圍巖的不利影響，有效保證邊坡穩(wěn)定。

1 工程地質(zhì)概況

白馬鐵礦地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石類型眾多，巖脈相互穿插交錯，如“五花肉”狀，巖性變化較大，斷層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎現(xiàn)象顯著，采場東幫尤為突出。幾種圍巖的物理力學(xué)特征情況如表1所示[1]。

表1 圍巖地質(zhì)特征Table 1 Geological characteristics of surrounding rocks

2 預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計

礦山穿孔選用移鉆靈活、故障率低、穿孔效率高、場地要求低的潛孔鉆機，鉆孔直徑160 mm，其爆破參數(shù)如圖1所示[2-5]。

圖1 爆區(qū)穿孔Fig.1 Perforation of blasting zone

1)預(yù)裂孔孔距。根據(jù)預(yù)裂孔孔距公式[2]ɑ1＝(8～12)D＝(1.28～1.96)m計算，其中D為孔徑，結(jié)合白馬采場以往預(yù)裂爆破經(jīng)驗，ɑ1取1.5 m。

2)預(yù)裂孔角度與孔深。根據(jù)白馬鐵礦邊坡設(shè)計預(yù)裂孔穿孔角度ɑ＝75°，計算出孔深L1＝H實/sin 75°＝15/sin 75°＝15.5 m。考慮超深0.5 m，預(yù)裂孔孔深L取16 m。

3)預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)。采用不耦合空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)，孔底部加強段裝φ80藥包4 000～6 000 g，φ32藥卷600～1 200 g;中間正常段間隔50 cm并排捆綁2支φ32藥卷，共600 g;上部減弱段距孔口7 m處間隔50 cm捆綁1支φ32藥卷300 g。藥卷用專用膠布捆綁在竹片上，并用雙股導(dǎo)爆索連接，填塞高度2.0～2.5 m(見圖2)。

圖2 預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic of pre-splitting charge structure

4)緩沖孔。為使主爆孔和預(yù)裂孔之間的巖體得以破碎，且使主爆孔的能量得以緩沖，在主爆孔和預(yù)裂孔之間穿鑿1排緩沖孔。緩沖孔孔距有ɑ2＝3 m，距預(yù)裂孔距離b1＝2 m，穿孔角度75°，超深1.5 m，孔深L2＝L1＋1.5/sin75°＝17 m。

5)半截孔。擬在緩沖孔前方穿鑿1排半截孔，用于減少臺階上部大塊，孔深7.5～8.0 m，孔距ɑ3＝5 m，距緩沖孔距離b2＝2.5 m。

6)主爆孔?？拙啜?＝mW，由公式[2]W＝(20～48)D計算。根據(jù)爆破經(jīng)驗W取3.5 m，m取2，則ɑ4＝2×3.5＝7 m，頭排孔減小孔距至6 m;當(dāng)排距b4＝0.6ɑ4＝4.2 m，考慮到開挖巖體為難穿鑿難爆類型的輝長偉晶巖，主爆孔取b4＝3.5 m;另外第2排主爆孔距離半截孔距離b3＝2.5 m。預(yù)裂爆破參數(shù)如表2所示。

表2 預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計Table 2 Design of pre-split blasting parameters

7)不耦合系數(shù)Kv。采用馬鞍山研究院爆破組根據(jù)現(xiàn)場試驗推導(dǎo)出的公式[4]:

式中:[σ]壓為巖石的極限抗壓強度。

代入數(shù)據(jù)計算出白馬鐵礦各種巖石適合的不耦合系數(shù)Kv(見表3)。根據(jù)白馬鐵礦預(yù)裂爆破實踐情況，不耦合系數(shù)Kv往往小于表3中數(shù)據(jù)，通常取2.8～5.0。

8)線裝藥系數(shù)Δ。由下列公式計算線裝藥密度:

式中:為線裝藥密度，kg/m;r為預(yù)裂炮孔半徑，mm;qv為炮孔體積裝藥密度，g/cm3;ρ為炸藥密度g/cm3;Kv為裝藥不耦合系數(shù)。

表3 邊坡巖石地質(zhì)特征及相應(yīng)K v值Table 3 Rock geological characteristics and corresponding K v values of slope

根據(jù)采場圍巖地質(zhì)情況，結(jié)合以往同類工程的施工經(jīng)驗，取每米線裝藥量800～1 100 g。

3 爆破振動驗算

根據(jù)爆破振動安全允許距離推算最大允許段藥量[6]:

式中:R為爆破振動安全允許距離，m;v為保護(hù)對象所在地質(zhì)點振動安全允許速度，cm/s;K、α為與爆破點至計算保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù);Q為延時爆破最大一段起爆藥量，kg;對于永久性巖石高邊坡，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》[6]的規(guī)定，安全允許速度為8～15 cm/s，取小值8 cm/s，堅硬巖石K取150，α取1.5，需重點保護(hù)的靠幫邊坡在2 140～2 125臺階中段，R取48 m;計算得Qmax＝314.6 kg。根據(jù)計算結(jié)果，嚴(yán)格控制最大段起爆藥量來保護(hù)預(yù)裂爆破振動對破碎邊坡的影響。

因此，主炮孔和緩沖孔采用逐孔起爆網(wǎng)路，單孔最大裝藥量為280 kg＜314.6 kg;預(yù)裂孔每孔裝藥量為13.6～15.3 kg，按每組不多于20個預(yù)裂孔分組起爆，可確保預(yù)裂邊坡爆破時破碎邊坡段在安全允許振動范圍內(nèi)。

4 起爆網(wǎng)路

預(yù)裂孔采用導(dǎo)爆索排間分組同時起爆方式。根據(jù)白馬鐵礦預(yù)裂爆區(qū)組織規(guī)模，通常為60～70孔，每20孔為一組，組與組之間用排間非電導(dǎo)爆管MS1段雷管與地表高精度導(dǎo)爆管雷管(17 ms)進(jìn)行串聯(lián)，在預(yù)裂孔導(dǎo)爆索網(wǎng)路上連接排間非電導(dǎo)爆管MS9段雷管。主爆孔、半截孔與緩沖孔采用逐孔起爆網(wǎng)路，孔間延時采用地表高精度導(dǎo)爆管雷管17 ms，排間使用25 ms搭配(見圖3)。預(yù)裂孔首先起爆，超前于主爆孔90 ms起爆，保證預(yù)裂孔首先貫通成縫。

圖3 爆破起爆網(wǎng)路Fig.3 Blasting initiation network

5 預(yù)裂爆破效果評價及注意事項

兩年多時間里，白馬鐵礦預(yù)裂爆破施工達(dá)7 000多米長。對于預(yù)裂爆破效果的評價，主要依據(jù)預(yù)裂縫是否形成，減振效應(yīng)的大小，預(yù)裂面的平整度以及半壁孔孔痕率。白馬鐵礦缺少對預(yù)裂爆破振動的檢測手段，減振嚴(yán)格按照爆破設(shè)計執(zhí)行控制最大段裝藥量。其他僅從后沖龜裂程度、爆堆下塌高度以及坡頂線齊整度等爆堆感官質(zhì)量與爆堆挖裝結(jié)束后效果(坡角是否有根底、預(yù)裂面半壁孔是否形成、散塊掛幫情況)評價。

1)預(yù)裂爆破在穿孔前必須是清碴狀態(tài)。爆區(qū)以寬8～15 m，長80～100 m為宜，防止因為排數(shù)過多或者壓碴過厚，爆炸時根據(jù)牛頓定律作用力與反作用力的關(guān)系，造成對預(yù)裂面的破壞;預(yù)裂爆破盡量在旱季實施，由于巖層含水性，雨季易發(fā)生堵孔、孔深不夠等現(xiàn)象，成孔率較旱季偏低;另外雨季水孔預(yù)裂爆破效果差于旱季，且爆破振動更大。另外，相鄰預(yù)裂爆區(qū)在接頭處容易出現(xiàn)散塊掛幫，因此，預(yù)裂孔長度需超前于主爆孔2～3 m，克服側(cè)沖拉裂對下一爆區(qū)開挖面的破壞。

2)在實際開采過程中，加強挖裝規(guī)范作業(yè)管理。禁止超挖或欠挖，底板平整度控制在±0.2 m內(nèi)，否則會導(dǎo)致穿孔平臺高程不一致，穿孔預(yù)裂面偏斜誤差超過±1°。在實施預(yù)裂穿孔之前，必須測量實際段高，嚴(yán)格按照實際段高進(jìn)行孔深和角度設(shè)計，預(yù)裂爆區(qū)穿孔超深控制在0.5～1.5 m。主爆孔超深過大，會破壞臺階的下平臺，這樣會導(dǎo)致下臺階開孔難度大，預(yù)裂爆破結(jié)束后孔口1～2 m處破碎嚴(yán)重。鉆機采用三角鉛錘定點法進(jìn)行預(yù)裂穿孔，角度偏斜誤差不得超過±1°，避免偏斜過大貫穿相鄰孔，另外對于超、欠挖大于2 m的臺階，必須及時通知測量人員在終了境界圖上按照實際標(biāo)高進(jìn)行靠幫采放點，部分靠幫邊坡角驗收情況如表4所示。

表4 邊坡角驗收結(jié)果Table 4 Acceptance results of slope angle

3)嚴(yán)格加強爆破施工裝藥過程的管控和操作規(guī)范。周邊浮塊若未徹底清理，會導(dǎo)致炮孔堵塞;裝藥時塌方形成廢孔，未及時掏孔或透孔，會造成局部根底;捆綁孔質(zhì)量不牢導(dǎo)致藥卷滑落，會失去耦合目的，影響預(yù)裂孔貫通成縫，出現(xiàn)掛幫現(xiàn)象。

4)預(yù)裂爆破效果除了與巖石的強度、穿孔質(zhì)量以及設(shè)計參數(shù)有關(guān)，巖體地質(zhì)條件對預(yù)裂爆破效果有著明顯的影響。在下盤堅硬完整巖體如偉晶輝長巖、中粗粒輝長巖中，爆破效果良好，半壁孔痕從上往下保留完整;通過大量對比試驗，堅硬巖體部位預(yù)裂孔距優(yōu)化到1.8 m也能取得良好效果。在兩種或多種巖石交錯巖體中，硬度更大的巖石半壁孔痕更完整，硬度較小的巖石半壁孔痕較差些，但預(yù)裂開挖面較完整。在微風(fēng)化巖體中，形成完整預(yù)裂面，但半壁孔痕保留較少;在順坡向斷層滑面部位，爆破后開挖巖體沿弱面、層面滑落，造成底部形成大根底，上部后沖過大，靠幫不到位，無平整預(yù)裂面。在風(fēng)化和破碎帶巖體中，預(yù)裂爆破效果不理想，但通過技術(shù)攻關(guān)和加強現(xiàn)場質(zhì)量管理措施，將半壁孔痕率由25%提高至40%左右。首先在技術(shù)參數(shù)方面，增大不耦合系數(shù)，由原來捆綁2支φ32藥卷改為單支φ32藥卷，或者通過減小線裝藥密度，由原來藥卷間隔距離40 cm提高至45～50 cm;其次做好開挖境界標(biāo)識，防止挖機或電鏟超挖，破壞邊坡。預(yù)裂爆破試驗結(jié)果如表5所示。

表5 預(yù)裂爆破試驗結(jié)果Table 5 Test results of pre-split blasting

5)臨近邊坡的生產(chǎn)爆破，要通過控制總藥量、起爆器材及起爆方式進(jìn)行控制。尤其注意由斷層和弱面強度控制邊坡破壞模式情況下，避免因頻繁的生產(chǎn)爆破，致使邊坡巖體及結(jié)構(gòu)面強度降低，誘發(fā)滑坡，影響邊坡穩(wěn)定性，阻礙順利生產(chǎn)。

6)攔截地表水。防止地表水對邊坡巖體沖刷，滲入邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面中侵蝕降低巖體強度。白馬鐵礦屬中高山地形，山坡匯水面積大，在邊坡上境界外修筑地面排水溝，攔截地表水，以免流入采場滲入坡體。同時在邊坡面上，用水平鉆孔疏排構(gòu)造裂隙水，特別是對需基本疏干地下水才能達(dá)到穩(wěn)定或基本穩(wěn)定的地段。

7)嚴(yán)禁坡腳超挖。在電鏟采剝時注意保護(hù)坡腳，邊坡形成后驗收并繪制靠幫地段實際終了境界圖，監(jiān)控邊坡位置，嚴(yán)禁超爆、超挖。特別是采場西幫邊坡，超挖可能造成某些巖脈斷層并造成坡角出露。

6 結(jié)語

大孔徑深孔傳統(tǒng)“預(yù)裂-緩沖”爆破方案在白馬采場靠幫實踐中，較開采前期取得明顯成效(見圖4～圖5)，但仍然存在一些問題，比如由于上臺階超深過大，導(dǎo)致孔口1～2 m位置破碎嚴(yán)重，影響邊坡跨落石塊。目前采場已推廣半截孔代替緩沖孔的新穿爆模式，在巖性均一、整體性較好的硬巖部位不僅達(dá)到了預(yù)期效果，還節(jié)省了對外穿孔費用。隨著采場的下降，靠幫臺階增多，靠幫控制爆破不僅要考慮靠幫質(zhì)量，還要考慮穿孔成本、物流成本，邊坡維護(hù)費用等;現(xiàn)階段的靠幫控制爆破仍需要不斷研究與改進(jìn)，為今后的施工提供指導(dǎo)依據(jù)。

圖4 偉晶輝長巖預(yù)裂爆破效果Fig.4 Effect of presplitting blasting of pegmatite gabbrr

圖5 微風(fēng)化巖預(yù)裂爆破效果Fig.5 Eeffect of pre-splitting blasting of aeolian rock