预裂爆破在大直径深孔采矿中的应用.pdf

预裂爆破在大直径深孔采矿中的应用 1 预裂爆破的实质和机理 预裂爆破是5 0 年代在光面爆破基础上发 展起来的一项控制爆破技术。我国7 0 年代开 始应用 ，至今 已在 地下及 露天工程爆破 中获 得了广 泛应用，并 取得了很大成功。预裂爆 破技术在露天采矿中应用较多，但在地下大 直径深孔分段崩矿中，应用该技术控制矿柱 和围岩的垮落， 目前国内外尚无先例。 预裂爆破的实质是沿设计的开挖边界钻 一 排较密集的预裂孔，减少装药量，并采用 不耦合装药，超前爆破区的主爆炮孔起爆这 些预裂孔。从而 沿设计的 开 挖 面 将 岩石拉 断，形成 比较 平整的预裂 缝， 而不破坏预裂 孔孔壁 岩石 。如 果选 择的爆破 参数合适，预 裂缝的宽度可达l 2 c m 。预裂爆破不仅避免 了超爆，更重要的是 由于预裂缝的生成，当 主爆破孔爆破时，产生的爆破地震波传播到 预 裂面 时被 吸收反射了大部分能量，从 而大 大减少 了爆 区地震 波对未爆岩 体 的 破 坏 作 用。根据露天矿实测结果，预裂面减震效果 可达 5 0 ％～ 0 。 对预裂爆破裂缝发展过程的光弹试验表 明，预裂面首先出现于孔壁，而不是出现于 二孔连线 中点，故预裂缝生成的机理可认为 是；当预裂爆破后，爆生气体 以相 当高的压 力突加在 孔壁岩体上，由于相邻预裂孔的存 在，改变 了孔壁附近介质的环 向应力分布， 造成了炮孔中心连线方向的拉应力集中。如 图1 所示， 由于岩 石只会受拉 或 剪 切破 坏， 而 岩石抗拉强度最小 ，所 以在 孔中心连线方 向产生的环向集 中拉力，首先超过岩石的抗 拉强度，从而产生裂 缝。在孔内高压气体的 准静态作用下产生的裂缝，其长度并不大。 但此时爆生气体楔入裂缝，进一步改变了岩 石的受 力状态，使裂缝尖端区域的应力强度 因子犬于岩体的动态断裂韧性，导致裂隙在 开裂方 向上 即孔中心连线方 向形成 张开 型断裂 破坏。 当爆生气体对 孔壁的作用持续 一 段 时间后 ，炮孔空腔体积 增大，加之 气体 鞠 础 许 醑 糊 鞘 瀚 瀚 黼{I 。 ；{ 鞫 精 璐 端 黼 { 8e {f 糕j I e 端 * 糊 安全，吉林镍业公司与北京有色冶金设计研 生产需要，但工艺流程复杂，特别是充填料 究 总院台作，试验用高 水基 充填 技术回采 露 经过砂石井和 电耙 道时，多 次 棍 进 矿 内酒 天矿底 板下第 1， 2分 层矿体。 由于高水 基 水 ，改变 了设 计水灰比， 降 低 了 充 填体 强 充填材料强度高，密实性好，能形成完整隔 度，也加大了水泥消耗，提高了充填成本。 水层，有效地阻止露天矿坑 水 对 坑 内的渗 为此，富家矿已着手进行充填系统改造的研 透。现在这项技术正在试验中，期待能获得 究工作，简亿工艺流程，降低充填成本，使 较好 的效果 。 富家矿取 得更好的经济效 益。 此外，富家矿现有充填系统虽然能满足 责任编辑周致勤 预裂焊 破在大直径舔孔采矿中 的应甩李周簿 ～ 7 ～ 采讨 一 ；r ●f 矿 ，进， l 崩 L 器 塑 曼 铜 一 蒸一 ． l蛆．， 艚 维普资讯 向 ’ 圈l 孔 壁环 向应力分 布示 意图 逸 散，作用于孔壁 的压 力明显减小。 当裂 缝 尖端的应力强度因子减少到小于岩体平面应 变状态的动态断裂韧值时，就 会 使 裂 缝止 裂。若相邻两孔孔距较小时，不等到止裂， 裂 缝便 已贯 通。 根据 预裂 缝生成 机理 ，预裂爆 破 中应 选 择合适的孔距和不偶 合系数，并尽 可能 使用 爆速较低，但生成气体量较多的炸药，并加 强孔 口填塞。 2大直径深孔采矿的特点 和存在问题 大直径深 孔采 矿法是 7 0 年代 中期 发展 起 来的一项新工艺，新技术。它是依靠贯通采 场全高的下向大直径炮孔进行落矿的一种采 矿方法，具有采矿效率高、成本低、作业安 全、矿石破碎质量好等突出优点。近年来， 随着 采矿机械化程度 的提 高和 岩石加 固技术 的发展，国 内外大直径 深孔采 矿采 场布置有 着 向 高阶段大 空间方向发展 的趋 势，采场 回 采高度多在4 0 6 0 m以上 。侧如凡 口铅 锌矿 成功地进行了采场高度8 0 m的大直径 深孔采 矿试验 。安庆 铜矿矿体厚 大，矿房 、矿柱全 部采 用大直径深孔采矿法 回采 ，其 中矿房双 阶段 连续回采，采场 回采 高度达1 2 0 m。 图 2为 安庆 铜矿高 阶段大直径深孔法 回 采矿房示意图。采场垂直矿体走向布置，分 矿 房矿柱两个步骤 回采 ，矿房矿 柱 宽 均 为 5 1 m，长为矿体 厚度 3 0 5 O r a ， 高 1 2 0 m。 为 减小一次钻孔深度， 降低炮孔偏斜 ，采 场 布置上 、下两 个凿岩硐 室，分两 段凿岩。用 巍徽 宝 【 l 攒剐L a f l 圈2 高阶段大直 径深 孔采矿 示意 图 l 一上部酋岩硐室；2 一矿体边界{3 一直径1 6 5 ram炮孔； 4 一卞部酋岩硐室5 一凿岩硐室联络道 6 一竖 向爆 被切 割槽；7 一分段侧向崩矿界线；8 一装矿 进 路；9 一爆破矿 石 潜孔钻机钻凿 i 6 5 mm的下向平行 炮孔，每 段钻孔深度5 5 5 6 m。采 场底部 布置 堑沟， 用铲运机出矿。采场崩矿方式为；首先在采 场中采用V C R 法爆一烃向切割槽，形成侧向 自由面，然后甩球状或柱状药包由下而上分 段进行侧 向崩 矿。分 段侧 向崩 矿每次爆破 高 度为l O 2 0 m。一次爆破矿量为1 ～2 万t ，采 用毫 秒延时起爆， 最大单响药 量约l O 0 0 k g 。 通常每个采场 回采矿 量2 0 ～2 5 万t ，采 场 出 矿完 毕， 嗣后 一次尾砂胶 结充填。 高阶段大直径深 孔采 矿 的突出优点是采 切工程量小，采矿作 业集 中，有 利于充分 发 挥采矿设备的效率，采矿效率高，便于强化 开采和矿 山生产管理 。 ． 但高阶段大 直径 深孔采矿 回采矿房存在 的突出 问题，是分 段侧 向崩矿 高度大，爆 破 炸药量集中，矿房爆破 过程中，两侧矿柱和 上、下盘围岩超爆，以及爆后矿柱片帮现象 严重。矿房超爆和采空区片帮，将给二步骤 矿柱 回采 带来严 重 的损 失贫化。 为避免上述问题，国外不少矿山采用长 有 色矿 一1 9 9 5 ． 3 维普资讯 锚索加固围岩和矿柱，并取 得 了 良好的效 果。但采用长锚索大面积支护，成本高，在 我国地下矿山难以实施和推广。矿房回采时 如何减少爆破对两铡矿柱和围岩的破坏，是 高阶段大直径深孔采矿方法急待解决的一个 技术 问蘧 3 预裂爆破在大直径深孔采矿中 应用的可行性 与露天矿 台阶爆破相比，地下大直径深 孔采矿采用大孔径 通常为1 6 5 ram 爆破， 回采阶段 高，钻 孔深度大，爆破工艺复杂 。 但能否象露天矿那样，在大直径深孔采矿中 沿矿房回采边界布置一排预裂炮孔，采场爆 破时首先起爆这些预裂炮孔形成预裂缝， ， 从 而达到控制矿房超爆和降低爆破对两侧矿柱 的破 坏效应，实 现大直径深 孔 采 矿 回采 安 全。这应分析大直径深孔采矿的凿岩，爆破‘ 工艺是否满足预裂爆破 的技术要求。 3 ． 1 炮孔直径和钻孔精度 一 般来说，预裂爆破采用小孔径、小孔 距时，爆破效果较好，但我国绝大多数 地下 大直径深孔采矿的矿山，使用高风压潜孔钻 机 钻凿 1 5 0 1 6 5 mm的下 向深 孔 。对于 阶段 高度大于5 0 m的采 场，若 选 用 6 0 l O O mm 的小孔径预裂爆破，钻凿如此 深 的 下 向炮 孔 ， 国内目前尚无台适的凿岩设备 我国露天 矿多数矿山预裂爆破 孔径 为 1 0 0 l S O mm。 本 钢 歪 头 山 铁 矿 台 阶 高 度1 2 m， 采 用 2 5 0 m m的犬孔径预裂 爆 破，取得了良好的 预裂效果。所以地下直径深孔采矿预裂爆破 时，预裂孔选用同采场主瀑炮孔相同的孔径 1 5 0 ～1 6 5 m r d 是可行的。 预裂爆破对钻孔偏斜要求严格。据安庆 铜矿钻孔偏斜率统计和偏斜原因分析，钻机 偏斜 率 一 般 为2 ％～3 偏 斜 角1 。 1 0 ， ～ 1 。 6 0 ，但只要将凿岩碉室底板浮 面 清理 干 净，硐 室顶板采用光 面爆破 ，凿岩 过程 中 精确定位，安装稳杆器凿岩，炮孔偏斜可控 制在l 3 0 ～5 O 左右，对 于孔深5 0 m的 炮孔，孔底偏距可限 制 在0 ． S m内。这 样 即 使不能沿矿房回采边界形成预裂缝，其甄裂 爆破对保护矿柱岩体完整的作用仍是不可否 定 的。 3 ． 2 预裂爆破工艺 图 3 是结台安庆铜矿采场尺寸设计的大 直径深孔回采矿房时，预裂炮孔 布 置 示 意 图。预裂孔布置在矿房回采边界线上，预裂 孔是在最小抵抗线相当大的情况下，超前主 爆破起爆的，满足预裂孔爆破起瀑条件。犬 直径深孔采矿采用由下而上分段侧向崩矿的 爆破 方式 ，每次崩矿 高度l O 2 0 m， 一 个炮 孔通常分3 ～4 次爆破完毕。采场两铡的预裂 孔爆破也必须同主爆孔同步，由下而上分段 进行爆破，这与露天台阶爆 破 工 艺 截然不 同。但根据大直径深孔分段崩矿实践，只要 预裂爆破参数 线性装药量，起爆顺序，炮 孔堵塞等合适，预裂炮孔分段爆破时，对 上部未爆岩体不会造成孔壁破坏而影响上部 炮孔的预裂效果。 。 。盈 l ⋯ ，．___』 围8 预裂炮孔布置示意图 1 一凿岩碉室2 一预裂炮孔r 3 一主爆炮孔；a --璜裂炮孔 间距 ； 五 一孤裂炮 孔与主爆炮孔问距 由此分析，预裂爆破技术在地下太直径 深孔采矿 中应用，在 工艺 和 技 术 上是可行 的。 4 预裂爆破参数 的选择 4 一孔径D 和炸药种类 地下大直径深孔预 裂 爆 破 孔直径的选 预裂爆破在大直径深孔采矿 中的出用 李周经 一 2 9 维普资讯 择，主要取决于矿山现有的凿岩设备。通常 采用同主爆孔相同的孔径 l 6 5 mm能 够 满足要求。 大直径深孔采矿一般采用威力较高的乳 化油炸药，预裂爆破应选择爆速小，威力低 的炸药。预裂爆破对炸药除有与其它工程爆 破相同的要求外 炸药抗水性能好，有利于 提高装药效率，此外要求炸药有较小的临 界直径。因为预裂爆破的装药结构中。使用 连续不耦合装药比串状间 隔 装 药 的效果要 好，而连续装药时需用直径较小的药卷。而 在实际应用中，为保证药包能连续稳定的传 爆，选用的药卷直径应大于其临界直径。 我 国预裂爆 破多采用2 岩 石 或 铵 油 炸 药，近几年来，不少矿山采用密度小，威力 太的E L 系列乳化油炸药，这几 种 炸 药，在 低直径深孔采矿预裂爆破中均可选用。 4 ． 2 不耦合系数m 炮孔直径D 与药卷直径d 之 比 称为不 耦 n 合系 数 m 孚 ， 合适的不耦合系数可用 下列经验公式计算，即。 m 1 18． 32口一。r “ 式中 a 一岩石抗压强度。l 0 叩a 。 4 ． 3 预裂 孔间距8 露天矿 预裂爆破 孔间距一 般取 孔径的 7 ～l 5 倍，即a 7 ～1 5 D。对于大孔 径预 裂爆破而言，这种选择带有较大的盲 目性， 孔间距过大，必将引起预裂质量下降，孔间 距 过小，其预裂成本 增高。合适的孔 间距应 能够使裂缝贯通，同时又不出 现 过 渡 的破 坏。炮孔间距a 的计算公式为 n 2 R 器 _ 2 R c √ 等 C j P L 式中 r 。 初始破坏裂纹半径，c m} R 炮孔半径。c mI P t ， 一初始裂纹 形成 后，实际准 态静压力，P a j [ a1 ]岩石抗拉强度，P 0 ’ [ aI 1 ] 岩石动态抗拉强度， P a ； c 压力增高系数c I 1 ． 1 ～1 ． 2 P 爆生气体作用在孔壁上的准 一 静 态压 力，P a 。 上述公式未考虑岩体 内 结 构 面 如节 理 ，裂隙对裂纹形成的影响，其值一般偏 小。设计中应将计算求得的孔距a 乘 以 岩石 修正 系 数c z C 2 1 ． 1 ～1 ． 2 ，岩 体 稳 固，均匀时取小值，反之取太值。 4 ． 4 线装药量△ 线 装药量△ 是 预裂 爆 破 的一 个 重 要 参 数，长江科学院根据岩石抗压强度和孔距关 系，推荐如下经验公式，该式适合于大孔径 预裂爆破 △0 ． 3 6 a 。 ‘ 。g ／m 式_中 岩石极限抗压强度， 1 0 P a } a 孔 间距 ，c m。 为方便地下大直径深孔采矿预裂爆破参 数计算和选择，下表列 出了部分 露天矿预裂 爆破的主要参数，可供设计对比和参考。 露天矿预裂爆破 参考数据 孔径．mm孔 距． m线装药量 ，k g ／m 不耦台系数 4 ． 5 预裂 炮孔 与主爆 孔的 间距b 在太直径深孔采矿中应 用 预 裂 爆破技 术，采场炮孔有预裂孔和主爆孔两种 见图 3。主爆炮 孔与预裂 孔的 间 距b 过大时， 爆破太块率增加I过小时凿岩工程量大，同 时影响预裂效果。大直径深孔爆破通常采用 球状或柱状药包间隔装药，若将超前形成的 预裂面作为爆破的一个侧向自由面，则主抱 孔预裂孔的间距b 可通过利文斯 顿 爆破漏斗 一 3 0 一 青色矿山一1 日 日 5 ．3 维普资讯 理论试验求得。根据安庆铜矿爆破漏斗试验 结果，对于 1 6 5 mm的炮孔，其间 距b 在1 ． 5 ～2 m范围内，可同时满足采场崩矿 和 预 裂 效果。 ． 4 ． 6 药面位置与炮孔堵塞 大直径深孔分段侧向崩矿预裂爆破，要 求在分段侧 向崩矿对应的高度内，沿采场边 界形成一条贯通的预裂缝。孔 内 预 裂 药卷 上，下药面高度对预 裂爆 破效 果 有一定影 响。根据B k 伯鲁佐夫的研究，认 为在正常 预袭爆破情况下，形成的裂缝大体是一个倒 三角形 见图4 a ，即地表裂缝宽。向下逐 渐减小，直至尖灭，图4 b 和图4 c 的情况很少 见。 l 三 9 ＼三- 围4 预裂缝沿深度的分布 l 一堵塞段。2 疆袭转萄段 在地下大直径深孔采场预裂爆破中，炮 孔底部 下 水 平 自 由面岩石允许有轻微 的破坏，预裂药包的合理埋置深度 即下部 药面至孔底的距离不能过大，从满足炮孔 堵塞的要求来看，一般在0 ． 6 ～0 ． 8 m 之 间。 大直径深孔采矿分段侧向崩矿中，爆破 之后采场顶板基本上与装药面平齐。根据图 4 所 示的预裂缝 沿深度 的分 布，为保 证预裂 缝能向上延深至爆破后的采场顶板高度 ，预 裂孔的装药面应与相邻的主爆孔装药面平齐 或略高于主爆炮孔的装药面。 ， 预裂爆破中，为避免炸药能量逸散，预 裂药包两端均应堵塞，堵塞 材 料 一 般为岩 渣。为避免岩渣落入药卷与孔 壁 间 的 空隙 内，预裂药包上部应悬吊堵孔塞，药包上都 堵塞岩渣高度一般为0 ． 8 ～l m。 4 ． 7 微差起爆时间 预裂孔应超前主爆炮孔起爆。预裂缝发 展过程的试验观测表明，预裂爆破形成预裂 缝约需5 0 1 0 0 ms 时间，所以预裂孔应较分 段侧向崩矿第一响的炮孔超 前5 0 1 0 0 ms 起 爆。 一 排预裂孔起爆时差越短，预裂效果越 好，故预裂孔采用同段雷管爆破。 5 装药结构与装药工艺 根据露天矿实践，预裂孔最好采用连续 串状装药，同时应将药卷居于 炮 孔 轴 线中 心。大直径深孔采矿的炮孔较深，为装药方 便，可采用导爆索孔内起爆，同时利用导爆 索悬 吊预裂药包，装药结构见图 5。首先将 预裂药卷装入塑料编织袋内，装药时将药卷 孔 E l 田5 预裂爆破装药结构 弧裂爆破在 大直径并 汛 采矿中的虚用一李局 经 一 3 l 一 维普资讯 捆扎在孔内导爆索上，药包与导爆索周围绑 扎竹片或细竹杆。直接利用导爆索将捆扎好 的药包 吊入孔内，并拉紧导爆索．然后在其 上 部下放堵孔塞并填砂 。 6 地质条件对预裂爆破的影响 岩石层理 ，节理 裂隙 发育 时，预裂爆破 效果较 差，预裂面往 往不是 沿预裂孔连线 方 向形成，而是地质弱面的交错结合。衡量裂 隙发育程度的指标一般用裂隙率k 。 k 毕 】 0 0 式中A 被瀵 4 量岩石 的总面 积 ， m ； L 第 i 条裂 隙长度，i n ； w 一第i 条裂 隙的平均 宽度 ，m。 当k 5 ％时，预裂爆破几 乎无法 得 到预 想的效果，当k1 ． 5 ～5 时，应 适 当减 小预裂炮孔间距，尚能取得较好的效果。 7 预裂效果预 测与评价 7 ． 1 效 果预测． 评价预裂爆破 的质量，一般从预裂 面的 平整程度，减震效应的百分率以及残留半孔 率来表示。露天矿多采用后者表示，残留半 孔率指在预裂壁面上，残留半孔的累计长度 与钻孔累计长度之比，据对露天矿的统计， 在预裂参数选择合适的情况下，残留半孔率 在硬岩中不少于8 0 ％，中等坚硬完整岩体中 不少于7 0 ％，软弱破碎岩体中不小于5 0 ％。 根据预裂机理分析，在地下大直径深孔采矿 中，只要保证预裂孔凿岩精度，其半残留率 应接近露天矿，能够实现 矿 柱 壁 面基本平 整 。 7 ． 2 经济效益分析 在 大直 径深 孔采矿 中应用 预 裂 爆 破 技 术，毫无疑问采矿凿岩成本将增加，成本增 加比例与采场尺寸有关，以安 庆 铜 矿 为倒 见图3 ，当矿房1 5 m宽，沿采 场 两 侧圊 采边界布置 1 6 5 mm的预裂孔。若预 裂 孔间 距取I ． 8 ～2 m ，主爆孔与预裂孔间距按1 ． 5 ～ 2 m，主爆炮孔网度仍按原参数设计时， g 在 预裂爆破 区域，采场凿岩工作量增加2 0 ％～ 2 3 ，采 矿成 本 增 加0 ． 4 6 ～0 ． 5 3 元／t 。但 采用预裂爆破有效地控制了矿房超爆和矿柱 片落，这样矿房回采中降低了由于超爆和片 落而引起的大块率；矿柱回采中减少了由于 其壁面凹凸不平，导致充填料垮落而 I 起矿 石贫化，由此而带来的采矿效益将远远超出 其预裂爆破成本增加值。 8 结语 在地下大直径深孔采矿矿房回采中应用 预裂爆破技术，能有效地控制矿房超爆，减 少爆破地震对矿柱和围岩的破坏效应 ，实现 矿房回采边界规整。预裂爆破技术的应用， 将进一步完善大直径深孔采矿的工艺技术， 提高爆破 效果。由于目前地下大直径深孔采 矿预裂爆破尚无成功的经验借鉴，本文所推 荐的爆破参数和工艺还有待在应用中进一步 完善。 在 地下 大直 径深孔采矿 中应 用预裂爆破 技术，应对 控制预裂炮孔的偏斜 引起 高度 重 视。此外，预裂爆破参数 的 选 定 和爆破效 果，与爆区地质状况有密切的关系，而地质 条件不可能用一个或几个物理力学指标得到 全面的描述。所以有条件的矿山在试验和应 用 预裂 爆破之 前，应 根据利文斯 顿爆破 漏 斗 理论，在相同的岩石条件下进行现场小型预 裂爆破试 验， 以便 准确 地确定药包 合理 埋置 深度，线装药量和孔间距等主要爆破参数． 这将有助于提i每预裂效果。 参考文献 略 责 任编辑周致勤 ～ 3 2 一 有色矿山一 9 5 ．3 维普资讯