优化大孔径预裂爆破参数、提高半孔率

《优化大孔径预裂爆破参数、提高边坡处理质量》编制：陈立强中冶集团资源开发有限公司（巴基斯坦）2012年12月优化大孔径预裂爆破参数、提高边坡处理质量一、立项背景自大孔径(φ250mm～φ270mm)予裂爆破实施以来，原采用小孔径穿孔设备(Atlas Copco ROC F9-11，φ100mm)作业面临的问题：实际废孔率过高(大于30%)，作业效率低(无法与生产同步)，维护、运营均存在困难等，得到了彻底解决。

大孔径预裂爆破的技术优势主要在于不耦合系数相对较高，爆破冲击波和高压气体的压力相对下降，对孔璧和岩壁有很好的保护作用；另外大孔径使得相邻孔做为导向孔的效果更为明显，炮孔联接方向的孔璧两侧更易形成应力集中产生裂缝。

但在现场操作中，予裂爆破的质量并不稳定，从坚硬岩石保留半孔痕迹大于70%，软岩大于50%和地表贯通裂缝不小于1cm的技术要求来看，整体爆破效果也不能让人满意。

出现以上问题主要有以下三方面因素的限制：1. 所用炸药类型的限制。

为了避免对孔壁的破坏，一般予裂爆破都是采取低爆速铵油炸药(爆速约3500m/s)。

现场采用生产爆破所用的起爆药卷：高爆速的硝化甘油(爆速5000m/s，Φ50mm×500mm×1.25Kg)，这不可避免的对孔壁造成一定程度的破坏。

2. 穿孔设备的限制。

现场采用衡阳衡冶重型机械的YZ-35A牙轮钻机，为了避免孔内出渣掩埋相邻孔以及作业场地狭小(相对于钻机)的原因，予裂孔间距很难小于2m。

3. 岩石、岩体条件的限制。

山达克铜金矿床为典型的斑岩铜矿热液蚀变型，通过肉眼很难判断岩性。

岩性从平面上和剖面上分布非常不均匀；岩体的完整性程度，不同位置也截然不同，局部不时穿插出现破碎带。

这给现场操作带来很大困难。

这也决定了不可能用固定的装药结构应对不同的区域。

从影响予裂爆破效果的三个方面来看，炸药类型、穿孔设备的改变是很难的，唯一可以操作的就是针对不同岩性和岩体设计不同的装药结构，即优化予裂爆破参数，提高半孔率。

基于此，2011年初，采矿厂在公司领导和生产部的大力支持下成立了科研小组，对现有预裂爆破出现的问题及相关参数进行了分析和论证，针对不同部位予裂爆破参数进行了理论计算、爆破试验，最终确定了合理的预裂爆破参数，通过近一年的实施，初步取得了良好的效果。

二、岩石、岩体及结构面情况说明2.1 岩石情况说明山达克铜金矿床为典型的斑岩铜矿热液蚀变型，矿化岩性为云英闪长斑岩及Amalaf组粉砂岩。

岩性的蚀变程度从露天境界中心往外，依次为钾化云英闪长斑岩(POT)→绢云母化云英闪长斑岩(ST)→青盘岩化粉砂岩(PS)(青盘岩化云英闪长斑岩 PT)，其中钾化云英闪长斑岩(POT)占到其中的绝大多数。

边坡岩石强度随开采深度下降逐渐变差，整体以青盘岩化→绢云母化→钾化过度。

以758水平分界，各边坡岩性依次过渡为钾化云英闪长斑岩(POT)。

目前边坡岩性以青盘岩化粉砂岩(PS)为主，局部有2～3 m厚度可爆性极差的青盘岩化云英闪长斑岩(PT)和地表露头的安山岩脉。

图1 采场东西方向岩性分布图表1岩石力学性能参数表岩性 钾化云英闪长斑岩(POT)绢云母化云英闪长斑岩(ST)青盘岩化粉砂岩(PS)青盘岩化云英闪长斑岩(PT)单轴抗压强度(Mpa) 60.5 138 135.1 242.5 密度 (g/cm3) 2.68 2.63 2.71 2.69 纵波波速Vp (m/s) 5088 5909 5613动弹性模量(Gpa) 71.6 74.1 71.62.2 岩体情况说明岩石硬度属于坚硬岩型。

岩体节理非常发育，按Deere的节理分类应属于密集和很密集型，节理密度最高可达44 条/m，较低处也有16 条/m，但节理裂隙均被石膏充填胶结，保证了岩芯的完整性，实际岩芯RQD指标一般在50%以上，岩石质量指标RQD属于较差类型。

就岩体完整性情况，以东部8个钻孔、西部3个钻孔实测数据(表2)分析比较，可以看到东、西部边坡岩体整体属于较破碎，西部边坡岩体完整性程度明显优于东部边坡岩体。

整体边坡岩体质量等级可分类为Ⅲ～Ⅳ之间。

表2 岩体完整性系数位置 岩性岩体纵波速(m/s) 岩块纵波速(m/s)完整性系数 完整程度东部 边坡绢云母化粉砂岩 3735 5223 0.51 较破碎 断层破碎带 3067 5243 0.34 破碎 青盘岩化粉砂岩 3806 5251 0.53 较破碎 青盘岩化安山岩 3458 5207 0.44 较破碎 青盘岩化云英闪长斑岩 3949 5317 0.55 较破碎西部 边坡 云英闪长斑岩 4470 5314 0.71 较完整 闪长斑岩 3574 5305 0.45 较破碎 粉砂岩 3959 5297 0.56 较完整2.3 结构面情况说明以现场调查226 个结构面节理产状所做极点等密线图可以看到(图2)，矿区岩石表现出3 组优势节理组(倾向/倾角)，分别为第一组65°∠60°、第二组130°∠80°、第三组235°∠80°，其中倾角50°以上占到80%，倾角60°以上占到70%。

这说明矿区岩石节理的倾角以陡倾为主。

采场断层规模不大，断层间隙一般在10～40 mm之间，断层面大多舒缓平直，层面擦痕迹明显，断层充填物基本为石膏，部分泥质充填，局部硬塑状，少量粉砂状。

断层上下盘破碎带不发育，属于剪切性断层。

断层倾角在70°～86°之间变化，属于陡倾。

图2 节理极点等密线图 图3 断层分布图三、现有预裂爆破效果分析及相关主要参数的研究和论证3.1 现有予裂爆破参数和爆破方式说明现有予裂爆破装药结构如图4所示，线装药密度q1=1.25Kg/m，孔内炸药(使用主爆孔起爆药卷，Φ50mm×500mm×1.25Kg)用导爆索绑扎，底部7.5Kg防水炸药，从孔口往下约4m位置用空气间隔器分隔，炮粉填塞。

一次爆破孔数一般控制在60个以内。

图4 预裂爆破孔内装药结构与边坡处缓冲孔和生产爆破孔平面关系如图5所示：1. 生产爆破：主爆孔孔距7m，排距6.3m，单孔装药250Kg，压渣时渣前孔装药300Kg；正常主爆孔孔深14m，超深2m，平均填塞长度约7m～8m。

2. 缓冲爆破：缓冲孔单孔装药150Kg，孔距5m，抵抗线5m，单耗与主爆孔相同，距预裂孔2m，下部涉及安全平台时，超深0.5m，其余超深1m。

图5 边坡处炮孔布置图3.2 予裂爆破主要存在的问题和分析主要存在问题归结如下：1.爆破质量不稳定，不能确保边坡各处出现半孔；2.爆破效果不理想，从保留半孔痕迹大于70%的角度看，爆破效果仍需提高；3.从孔口往下约4m范围，很难出现半孔痕迹。

3.2.1 从予裂爆破理论发展情况和予裂爆破对岩壁的保护机理出发，分析“爆破质量不稳定、爆破效果不理想”。

一般露天矿山予裂炮孔直径在φ76～102mm之间，在大型露天矿部分采用大孔径(φ300mm)予裂爆破。

小孔径予裂爆破的使用已经非常成熟，爆破质量可以得到有效保障，而对大孔径予裂爆破目前还没有非常成熟的经验。

对予裂爆破机理，相关参数等，不同著作的论述都有不小的出入，具体到予裂孔间距、予裂孔与生产孔间距、线装药密度、不耦合系数以及是否填塞等等都不尽相同，甚至是完全相反的结论。

另外不同的经验公式适用的对象和条件也不尽相同，因此得出的结论与实际出现大的出入也是无法避免的。

所以需要根据实际情况不断改进。

传统的予裂爆破理论认为，当主爆孔爆破时，由于爆炸应力波传至予裂面时会产生反射，地震强度一般可衰减50%～80%，因而阻止了对保留岩体的破坏，开挖后能沿开挖线形成平整光滑的壁面。

地震波的衰减从采场振动记录中得到印证，现场采样数据显示地震强度衰减达到54.43%。

但是获得平整光滑坡面并不主要是因为应力波衰减造成的。

英国伦敦皇家矿业学院教授E.Hoek教授在他的著作《Rock Slope Engineering》提出这样的观点：“一个普遍性的错误看法是认为予裂爆破能保护其后面的岩体免受主要爆破诱发的振动的影响。

近年来所做的观测表明，情况并非如此，也非意外，因为这种振动是由主要爆破向外辐射的压应变波引起的。

这种压应变波不会受予裂爆破所产生的裂缝的影响，就像它不会受岩体中的密集节理的影响一样。

然而，这样的裂缝将给爆炸气体提洪泄漏通道，这种通道将阻止主要爆破所产生的径向裂隙跨过预裂线蔓延。

”新的相关研究也证实了E.Hoek教授的观点，《岩石爆破理论与技术新进展》一书中强调：“沿开挖边界予裂形成的连续裂缝，为后续的生产爆破提供厂一个阻隔弱面。

这条裂缝将“阻隔”主炮孔爆破产生的爆轰气体对边坡岩体的破坏。

同时，相关的研究表明，这条予裂缝对冲击波的减弱作用有限。

”因此我们可以得出这样的结论：要得到理想的光滑壁面和半孔痕迹必须要为主爆破孔提供良好的排气通道，防止爆破气体和冲击波对岩壁的破坏。

我们也可以通俗的认为提高半孔率就是要控制好予裂爆破孔的贯通率和降低生产爆破后冲对岩壁的破坏。

而贯通率和后冲并不是矛盾的关系，予裂爆破孔得到良好贯通，爆破冲击波(后冲)的影响也会相应降低。

从两者的重要性来看，贯通率是根本性指标，我们可以大胆认为孔间贯通率决定了7成的予裂爆破成功率，而后冲仅仅决定3成。

从这个角度来看，予裂爆破后就可以决定爆破是否成功，而不用等到主爆孔爆破。

反映到现场予裂爆破“质量不稳定、效果不理想”，从根本上来说是因为予裂爆破后孔间没有贯通或者孔间贯通率不理想造成。

从这一角度来看，目前的炸药线装药密度至少对60%的作业区域是完全不够的。

3.2.2 从爆破漏斗作用和结构面倾角影响分析“从孔口往下约4m范围，很难出现半孔痕迹(见图6)”的问题从装药结构上看(见图4)，4m的位置恰好是间隔器的位置，也就是说：这4m区域是爆破作用较弱的区域，同时也是爆破漏斗产生区域。

从矿区岩石结构面表现上看，矿区有3 组优势节理组(倾向/倾角)，分别为第一组65°∠60°、第二组130°∠80°、第三组235°∠80°，而这三组优势节理全部都是陡倾(>60°)，研究表明：“位于边坡区而距设计顶裂面不太远的高倾角裂隙，爆破时它前面的岩石是很难保留住，由此造成的不可避免的超挖区域”。

因此我们看以看到，出现“从孔口往下约4m范围，很难出现半孔痕迹”，主要由爆破漏斗和高倾角结构面两方面因素的影响。

至于两因素，谁是决定性的并不重要，我们可以做的只有减弱爆破漏斗的影响，因此需要重新考虑填塞段的深度。

图6 予裂缝和超挖区图示综合来看，解决目前予裂爆破存在的问题，可以简单归结为提高线装药密度和减弱爆破漏斗影响。