紫金山金铜矿靠帮高陡边坡爆破减震研究.pdf

第2 8 卷第2 期 2 0 1 1 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 8N o ．2 J u n ．2 0 1 1 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 11 ．0 2 ．0 1 6 紫金山金铜矿靠帮高陡边坡爆破减震研究木 楼晓明1 ，赖红源2 ，唐小军2 1 ．福州大学紫金矿业学院，福州3 5 0 1 0 8 ；2 ．紫金山金铜矿，上杭3 6 4 2 0 0 摘要为确保紫金山露天矿高陡靠帮边坡的稳定性，对临近边帮的上部1 0 1 2 北平台爆破进行了爆破减 振研究。根据紫金山露天矿实际情况及岩石物理力学性质，首先提出了减振控爆设计方案。然后，根据孔壁 初始冲击压力与岩石强度关系及爆生气体形成的静态应力场，得出了预裂爆破不耦舍系数和炮孔间距关系 式，并分析了炮孔直径等其它预裂孔及主炮孔和缓冲孔爆破参数。最后，以紫金山露天矿为试验现场，对爆 破设计进行了验证，为紫金山露天矿深孔减震爆破的施工提供了参考依据。 关键词预裂爆破；不耦合系数；孔间距； 高陡靠帮边坡 中图分类号T D 2 3 5 ．3 7 1文献标识码A文章编号1 0 0 l 一4 8 7 X 2 0 1 1 1 0 2 0 0 5 6 0 4 S t u d yo nB l a s t i n gV i b r a t i o nA b s o r b i n go fH i g hR o c k E n d s l o p ei nZ i j i n s h a nG o l d c o p p e rM i n e L O UX i a o m i n 9 1 ，L A IH o n g - y u a n 2 ，T A N GX i a o - j u n 2 1 ．C o l l e g eo fZ i j i nM i n i n g ，F u z h o uU n i v e r s i t y ，F u z h o u3 5 0 1 0 8 ，C h i n a ； 2 。Z i j i n s h a nG o l d - c o p p e rM i n e ，S h a n g h a n g3 6 4 2 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oc o n t r o lt h es t a b i l i t yo fh i g I Ir o c ke n d s l o p ei nZ i j i m h a ng o l d - c o p p e rm i n e ，t h eb l a s t i n gv i - b r a t i o na b s o r b i n gi nn o r t he n d p l a t f o r m1 0 1 2i ss t u d i e d ．B a s e dO Nt h ef a c t sa n dt h er o c k sp h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fZ i j i n s h a ng o l d c o p p e rm i n e ，t h eb l a s t i n gv i b r a t i o nr e d u c t i o nm e t h o di sp u tf o r w a r d ．T h e n ，b a s e do nt h e i n t e r r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n i t i a ls h o c kp r e s s u r e so nb o r e h o l ew a l la n dt h er o c ks u , e n g t ha n dt h es t a t i cs t r e s sf i e l d f o r m e db yd e t o n a t i o ng a s ，t h er e l a t i o n so ft h ed e c o u p l i n gc o e f f i c i e n ta n dt h es p a c eo fb o r e h o l e so fp r e - s p l i t t i n gb l a s - t i n ga r eo b t a i n e d ．T h eo t h e rp a r a m e t e r ss u c ha sh o l 船d i a m e t e ro ft h ep r e s p l i t t i n gb l a s t i n g ．t h ep r o d u c t i o nb l a s t i n g a n dt h eb u f f e rb l a s t i n ga r ea n a l y z e d ．F i n a l l y ，t h eb l a s t i n gv i b r a t i o ns h o e , i n sd e s i g ni sv a l i d a t e di nZ i j i n s h a no p e np i t m i n e ． K e yw o r d s p r e - s p l i t t i n gb l a s t i n g ；d e e o u p l i n gc o e f f i e i e m ；s p a c eo fb o r e h o l e s ；h i 【g hr o c ke n d s l o p e 紫金山金铜矿为上金下铜特大型有色金属矿 床，随着金矿露天采场不断向下、向外开采，上部 1 0 1 2 北平台首先临近最终边帮。露采1 0 1 2 北平台 位于1 0 一1 6 线之间，台阶高1 21 1 “ 1 ，边坡角7 0o 。边 坡岩体主要岩性为强风化中细粒花岗岩，属五龙寺 收稿日期2 0 1 l 一0 3 2 3 作者简介楼晓明 1 9 7 2 一 ，男，浙江东阳人，福州大学紫金矿业学 院教师。博士，讲师，从事爆破工程方向研究， E - m a i l l x r a f z u ．e d u ．c n o 基金项目福建教育厅资助项目 J A 0 9 0 2 9 ；2 0 0 8 年度福州大学科技 发展基金 自然科学类 资助项目 2 0 0 8 一X Q - 2 0 岩体主体部分，原生矿物除部分石英外均已蚀变，被 硅化石英、明矾石、地开石及少量绢云母取代，形成 强烈蚀变的花岗岩或交代石英岩。该岩组力学强度 低，受地下水影响明显，透水性较好，易形成软弱结 构带，岩石极易碎裂成粉末状，工程地质条件较差， 其具体物理力学性质如下表l 所示⋯。为减少临近 边帮爆破对最终边坡岩体的破坏和超挖现象，确保 最终边坡在矿山服务年限内的稳定性，防止今后最 终边坡失稳滑坡造成重大经济损失，须对临近边帮 的台阶爆破进行减振控爆设计。 万方数据 第2 8 卷第2 期楼晓明，赖红源，唐小军紫金山金铜矿靠帮高陡边坡爆破减震研究 5 7 表1 岩石物理力学性质 1 减振控爆设计方案 为满足生产和安全需要，结合紫金山露天矿具 体情况边坡高陡、稳定性要求高、爆破生产量大 等特点，提出在最终边坡设计轮廓线附近采用预裂 缓冲减弱隔震爆破技术，形成阻隔减震屏障，在临近 边坡地段的矿石生产区，主炮孔采用逐孔起爆方法， 严格控制大药量爆破震动危害的产生。具体做法是 在最终边坡设计轮廓线上钻凿比普通预裂爆破相对 较为密集的小间距预裂孑L ，采用较大的不耦合系数、 减弱空气间隔装药，先期爆破；同时在形成的预裂缝 附近采用减弱的缓冲爆破，减小对保护边坡爆破震 动危害。缓冲孔和主炮孔采用逐孔起起爆技术来满 足安全、产量和成本的要求。 1 ．1 预裂爆破参数 1 炮孔直径 紫金山露天矿目前只有钻孑L 直径1 6 5m l n 的 K Q G l 5 0 型露天潜孔钻和钻孔直径1 5 5m m 的 C M 3 4 1 潜孔钻2 种设备。由于K Q G l 5 0 型露天潜孔 钻穿孔效率较高，成本更低，故优先采用K Q G l 5 0 型 钻，部分地段因K Q G l 5 0 型露天潜孔钻体积较大无 法施工时采用C M 3 5 1 潜孔钻。本文仅对直径 1 6 5m m 的炮孔进行设计。 2 孔深 从减震角度考虑，预裂孑L 应比主炮孔深。但如 果超钻太深，则会对下部台阶造成损坏，因此确定超 深的原则是在确保底部不留根底，不破坏台阶底部 岩体的完整性的条件下，孔深取大些，简单地称为 “超深不超线，超线不超深，适当取深些。” 按露天开采设计，终了边坡坡面角为7 0o 。为 了减少欠挖量，炮孔设计为沿边坡线倾斜，即炮孔倾 斜角7 0o 。根据L 日 h ／s i n 7 0o H 1 2n l 为台 阶高度，取h lm 为超深 计算，考虑减震要求较 高，取孔深为1 4m 。 3 不耦合系数 不耦合系数是指孔径与药径之比，其大小直接 影响到爆炸能量的传播和预裂缝的成长状况，从而 影响到减震效果。为达良好的减震和爆破效果，预 裂孔起爆后既要形成明显的裂缝，又不能在岩体内 形成粉碎圈。因此，孔壁上初始冲击压力就得小于 岩石动态抗压强度大于岩石动态抗拉强度，即 [ o r 掰] ≤P c ≤[ o r c d ] 1 [ 口d ] N N D [ 盯。] 2 式中[ 盯“] 为动态抗拉强度，其值随加载应变率变化 很小，在岩石工程爆破的加载应变率范围内，可以取 盯“ o r 。，其中吼为岩石的单轴静态抗拉强度；[ 盯耐] 为动态抗压强度；Ⅳ是抗压强度提高系数，一般取7 一 1 0 ，软岩取大值，硬岩取小值；N o 是岩石动态强度提高 系数，当加载速度为1 1 0 2 一l 1 0 4k g ／c m 2 s 时， 岩石抗压强度提高1 ．1 6 ～1 ．4 3 倍，一般工程爆破，加 载速度约为1 1 0 2k g ／c m 2 s ；[ o r 。] 是岩石单向静态 抗压强度；P 。为环形不耦合柱状装药在预裂炮孔中爆 炸后对孔壁施加的强冲击载荷，可表示为⋯ P ，堕芸K i 6 3 。 萏 ” 式中P 。为炸药的密度；仇为炸药爆速；／ g 为炸药爆 炸产物膨胀碰撞炮孔壁时压力增大系数，n 8 ～1 5 ； K d r b ／r 。为装药径向不耦合系数；h ，r 。分别为炮孔 半径和药包半径。 本次工程中采用的炸药为2 号岩石乳化炸药， 其相关参数为炸药密度P 。 1 ．2g ／c m 3 ，爆速 D o 50 0 0m ／s 。由式 1 、 2 和 3 可得不耦合系 数取值范围为2 ．2 ≤K d ≤5 ．2 ；由于炸药卷直径为 3 2m i l l ，故取不耦合连续装药系数为h ／r o 5 ．1 6 。 4 布孔间距 对于预裂爆破而言，本文设定其爆破不产生压 碎区，则炮孔间距是爆破应力波作用于岩石产生的 初始裂隙圈及随后爆生气体作用而形成的扩展裂隙 之和B 圳。显然，要使炮孔间距达到要求，必须使爆 生气体扩展裂隙达到设计要求。 设炮孔间距为Z 2 a ，相邻2 孔爆破后静态应力 场在距离炮孔r 及Z r 处相遇叠加，由文献[ 5 ] 及 叠加计算可得静态应力静引起的径向应力和切向应 力盯∞为 盯。 町， 南【 手 ‘ 吉 ‘】 4 盯，r2 矿r 盯z 一，2 而【l 手J l 厂与JJ 矿棚Ⅵ帼- r - 南【 争 2 吉 2 】 5 矿棚2 ％竹h2 西I I 手J l 毒JJ ∞ 式中r p 为初始裂隙圈半径；D 为岩体损伤系数；P 为炮孔外初始裂隙圈内气体的压力‘引。 如果切向拉应力o r 阳大于岩体的动态抗拉强度， l p m i n [ r 鲫 r ] i o - “，则在距离炮孔r 处形成裂缝。 万方数据 爆破2 0 1 1 年6 月 由此对上式求导，并令 孑 o 且r ／／2 ，解得 z s [ 掣≯r z ‘ 6 由此可根据式 6 及表1 得预裂} L 间距为 17 6m ，实际取预裂孔间距n l71 1 1 。 5 装药密度 采用合适的线装药密度可以有效地控制爆破能 对岩体的破坏形成一定数量的贯通裂缝，而贯通裂缝 的形成好坏与否直接与减震效果相关。按经验公式 △2 赢秽；尝 7 式中，△为线装药密度。 计算可得△ O9 6 5g ／c m ’，实际取A 10V ／c m 3 。 为了克服孔底的夹制作用，确保裂缝到底，底部 1 2 i n 加强装药．线装药密度取25 ／, ，孔口 05 一 l2 i n 处不装药，进行堵塞，不装药段以下 1 - 2 I t t 处岩层相对较软，防止表层岩石抬开松动，线装药密 度取04 A ．中部按△ 10 ∥c m 3 进行装药，导爆索 自始至终在全部长度内均与炸药卷搭接在一起。由 此得紫金山预裂孔主要爆破参数如下表2 所示。 表2 预裂爆破预裂孔主要爆破参鼓 12 主爆破及缓冲爆破参数 紫金山露天矿金矿生产爆破孔网参数已应用多 年，仍采用以前参数及装药结构。在主炮孔和预裂孔 之间打l 排缓冲孔，可减少爆破对临近边坡的震动影 响．减小对固定边帮的破坏作用，有利于保证预裂爆 坡揭露出来的爆破效果如图3 和图4 所示。 T 1 _ T 广T 丁‘- T 一 图2 爆破试验炮孔布置及起爆顺序图 单位m s 破的质量。主爆破及缓冲爆破的参数如表3 所示。 图3 岩体裂隙发育处的预裂爆破效果 寰3 主爆破爰缓冲爆破参数 一徽165 3 ．042 ．51 3 ．5 8 7 ．5 一／／1 1 ／一 ／m 排距／m 层／m ／m 药量／k g 缓捕坦赫 髫雾- “” ensmo 2试验结果与分析 万方数据 第2 8 卷第2 期楼晓明，赖红源，唐小军紫金山金铜矿靠帮高陡边坡爆破减震研究 5 9 后将会破坏孔壁周边岩石，扩大爆破漏斗，形成锯齿 状面，没有达到预期的爆破效果。把预裂爆破参数 中孔间距改为口 1 ．2m ，再在裂隙岩体发育处进行 试验，则爆破效果明显变好。 3 结语 针对紫金山露天矿的实际情况，应用前面的理 论，对高陡边坡下的爆破进行减震控爆设计，得出符 合现场的爆破参数，并通过多次工业应用试验对其 进行了验证和改进。主要内容如下 1 减震控爆设计有明显的预裂减震作用，是 合理可行的。 2 预裂爆破的不耦合系数主要由爆炸应力波 的大小决定，同时还受岩体和炸药性能的影响；炮孔 间距不仅和初始裂隙有关，同时还决定于岩石强度 及爆生气体产生的压力。 3 爆破效果的好坏与岩体产状及裂隙发育程 度有很大关系。对于裂隙较发育、岩石不连续的预 裂爆破，由于相邻2 孔的动态和静态应力场作用受 到干扰，2 孔之间难以贯穿成缝。对于此类岩体进 行预裂爆破，应对爆破工程地质需进行分析、推测， 减小孔间距和药量，或从装药结构入手，原则上以不 扩大预裂孔壁，不加剧破坏孔周围岩石为主。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]代永新．紫金山金铜矿露天开采高陡边坡稳定性研究 报告[ R ] ．安徽中国集团马鞍山矿山研究院，2 0 0 8 ． [ 2 ] 戴俊．岩石动力学特性与爆破理论[ M ] ．北京冶金 工业出版社，2 0 0 2 ． [ 3 ] 张志呈．定向断裂控制爆破[ M ] ．重庆重庆出版社，1 9 9 7 ． [ 4 ] 李守巨，费鸿禄，何庆志，等．试论爆炸气体的爆破作 用[ J ] ．阜新矿业学院学报，1 9 9 2 3 4 6 ．4 9 ． [ 5 ] 楼晓明，马建军．裂隙岩体不耦合装药的爆破破坏分 区计算[ J ] ．矿业研究与开发，2 0 0 4 ，2 4 4 5 0 - 5 3 ． 上接第2 0 页 4 结语 1 小波类的去噪方法虽具有方便灵活的特 点。，但是去噪效果依赖小波基函数的选择，同时仍未 摆脱F o u r i e r 变换为基础带来的缺陷。 2 E M D 具有自适应性，但是由于非纯白噪声 干扰信号的存在，导致分解的I M F 分量存在模式混 叠，失去了实际的物理意义，因此限制了该方法在爆 破振动信号处理中的应用。 3 E E M D 克服了E M D 的固有缺陷，不用选择 基函数具有自适应性，分解出的I M F 分量具有实际 的物理意义。该方法信噪比更高，更为方便、灵活， 为爆破振动信号的去噪处理提供一个新的方法。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 凌同华，李夕兵，王桂尧．爆破震动灾害主动控制方法 研究[ J ] ．岩土力学，2 0 0 7 ，2 8 7 1 4 3 9 1 4 4 2 ． 李洪涛，卢文波，舒大强．小波分析在爆破振动加速度 推求中的应用[ J ] ．爆破器材，2 0 0 6 ，3 5 5 4 - 7 ． 卢文波，赖世骧，舒大强，等．关于爆破振动速度和加速度 等效性问题的讨论[ J ] ．爆破，2 0 0 0 ，1 7 S 1 1 1 - 1 4 ． 高勇军，陈小波，王伟策．小波分析在爆破地震信号降 噪中的应用[ J ] ．爆破，1 9 9 9 ，1 6 3 3 - 7 ． 谢全民，龙源，钟明寿．基于小波、小波包两种方法 的爆破振动信号对比分析[ J ] ．工程爆破，2 0 0 9 ， 1 5 1 5 - 9 ． [ 6 ] 徐学勇，程康．爆破震动信号模极大值小波消噪方 法的改进[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 9 ，2 9 3 1 9 4 - 1 9 8 ． [ 7 ]熊正明，中国生．基于平移不变小波爆破振动信号去 噪的应用研究[ J ] ．金属矿山，2 0 0 6 2 1 2 1 5 ． [ 8 ]李夕兵，张义平，左字军，等．岩石爆破振动信号的 E M D 滤波与消噪[ J ] ．中南大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 6 ，3 7 1 1 5 0 - 1 5 4 ． [ 9 ] 文莉，刘正士，葛运建．小波去噪的几种方法[ J ] ．合 肥工业大学学报，2 0 0 2 ，2 5 2 1 6 7 1 7 2 ． [ 1 0 ]陈可，李野，陈澜．E E M D 分解在电力系统故障 信号检测中的应用[ J ] ．计算机仿真，2 0 1 0 ，2 7 3 2 6 3 ．2 6 6 ． [ 1 1 ] W U 踟o - h u a ，H U A N GE ．D 删ee m p i r i c a lm o d ed e c o m - p o s i t i o n - - an o i s e - a 删d a t aa n a l y s i sm e t h o d [ R ] ．C a l v e r - t o n C e n t e rf o rO c e a n - L a n d - A t m o s p i 峨S t u d i 鹤j 加0 c 5 ． [ 1 2 ] 祝志慧，孙云莲，李洪．基于E M D 的时频分析方法 的电力故障信号检测[ J ] ．武汉大学学报 工学版 ， 2 0 0 7 ，4 0 5 1 1 9 1 2 4 ． [ 1 3 ] 曹冲锋，杨世锡，杨将新．大型旋转机械非平稳振动 信号的E E M D 降嗓方法[ J ] ．振动与冲击，2 0 0 9 ， 2 8 9 3 3 - 3 9 ． [ 1 4 ] 李海涛，王成国，许跃生，等．基于E E M D 的轨道一车 辆系统垂向动力学的时频分析[ J ] ．中国铁道科学， 2 0 0 7 ，2 8 5 2 4 - 3 0 ． [ 1 5 ] 唐飞勇，王意堂，梁开水．爆破振动信号特征分析的 应用探讨[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 8 4 1 0 9 ．1 1 1 ． [ 1 6 ]费鸿禄，马诺诺．坝基开挖爆破振动频带小波能量分 析[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 7 3 9 9 1 0 4 ． 万方数据