层理发育软硬层叠岩体大密集系数爆破技术研究

王桂林,王德胜，鲁文岐，乔海平，李 方，陈 浩

(1.国家能源集团准格尔能源有限责任公司，内蒙古 准格尔 010300；2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083)

1 黑岱沟煤矿岩体特征

黑岱沟露天煤矿的覆盖岩体为层理发育的各类沉积岩，最上部黄土之下的泥岩、粘土岩及砂岩可用露天台阶松动爆破法剥离。岩体的台阶高15 m，台阶坡面角65°～70°，待松动爆破各类岩体的特征对爆破效果有一定的影响。

1)岩性差异大。岩体中有粉砂岩、页岩、泥岩和细砂岩等，不仅种类多，岩体结构也从节理、裂隙发育到质地均匀无裂隙。岩石的抗拉、抗压等物理力学特性差异大，爆破过程中易出现破碎的岩石大小不均匀，尤其台阶顶部致密韧性大的泥岩和底部硬度较大的砂岩中，易出现不合格“大块”或“根(拉)底”现象，需要采取大密集系数爆破，增大后爆炮孔的有效自由面积，创造更多的自由面数量，改善层理发育、软弱互层岩体的破碎效果。

2)层理发育、节理构造不均衡且复杂。因为爆破区域各类岩体层理发育、岩层分界明显，节理裂隙发育差异大。爆破应力波进入这些岩体构造时，能量反射、透射、泄漏严重，需加强对节理、裂隙影响爆破效果的探索。采用孔内空气间隔装药均衡爆压及逐孔起爆等技术，来提高炸药破岩能量利用率，改善裂隙岩体的爆破效果。

3)软硬互层岩体的破碎。台阶上部填塞段和台阶底部分别是韧性大、强度高的砂岩和泥岩，中部是软弱的粘土岩，沿台阶垂直高度上呈现了“上硬、下韧和中部软”的软弱互层，似“夹心饼”状的岩体。为避免排间或炮孔间、台阶底部岩体的不充分破碎，减少不合格岩石大块产出，现行的爆破技术设计需要改善。为此，基于现场正交试验，优化此类岩体大密集系数及空气间隔装药爆破技术参数，改善破岩质量，同时也可降低松动爆破成本。

2 大密集系数爆破技术破岩模拟

层(节)理发育、软弱互层的岩体爆破过程，较均质岩体更为复杂，对裂隙岩体爆破现象进行分析非常困难。数值模拟技术在求解爆炸荷载的超动态问题方面独有的优势，对再现爆破过程有着重要价值。为此，可用LS-DYNA 3D模拟大密集系数布孔、逐孔起爆时，同排炮孔间和前后相邻炮孔间，在爆炸荷载作用下岩石的破坏特性。因为黑岱沟煤矿台阶高度15 m，所以取模型高30 m，底面长30 m、宽24 m。根据炮孔直径φ250 mm，超深2.0 m，孔距16 m，排距5.0 m，炮孔填塞长度6.5 m，炮孔底部空气间隔，间隔高度2.0～3.0 m，建立台阶爆破模型(见图1)。

图1 深孔台阶爆破模型Fig.1 Deep hole step blasting model

选择最难爆的泥岩，现场测定岩体的节理、裂隙分布特征，按照霍克—布朗公式修正、取样、实验测定岩石力学参数后，获得其力学性能参数如表1所示。利用现场混装车，采用矿用车辆废油加工多孔粒状铵油炸药，其性能如表2所示。

表1 修正后被爆破岩体的物理力学参数

表2 黑岱沟露天煤矿现场混装铵油炸药的性能参数

1)边界条件及介质参数。对称建模，计算时构建1/2模型即可。模型正面为对称边界，左面、右面、底面和背面为无反射边界；台阶的顶面、坡面和底盘处为自由面，并对自由面处的位移进行约束，且自由面的位移和波不加限制。

孔内水深超过孔底间隔高度时装填乳化炸药，炮孔的装药结构如图2所示。在计算孔底的空气间隔装药量时，输入的介质参数如表3所示。

图2 深孔松动爆破装药结构Fig.2 Charge structure of deep-hoe loose blasting

ρ0/(kg·m-3)C0C1C2C3C4C5C6E0/GPaV01.22500000.40.402.5×1051.0

2)模拟结果及分析。在台阶坡底和顶部距离炮孔中心，每隔0.5 m各取1个监测单元，求出各单元应力峰值，考察用底部空气间隔装铵油炸药和乳化炸药时，被爆岩体中的有效应力发展趋势(见图3)。考察结果表明，采用孔底空气间隔装乳化和铵油炸药时，待爆岩体中的有效应力均超过岩石的动态抗拉强度，说明都可以对被爆岩体进行有效破碎。

图3 大密集系数爆破台阶底部和顶部被爆岩体监测单元的Mises有效应力Fig.3 Mises effective stress of the monitoring unit of the rock mass to be explored at the bottom and top of the step with big dense coefficient

3 爆破方案

现行爆破方案是使用DM-H和CDM 型牙轮钻机穿凿垂直炮孔、炸药混装车装填炮孔炸药和高精度塑料导爆管雷管逐孔起爆技术 ，采用台阶深孔松动爆破对岩体进行剥离。其参数如下：孔径250 mm，孔、排距为7 m ×10 m， 台阶高15 m，孔深17.5 ～18.0 m，超深2.5～3.0 m。炸药为现场混装车配置，无水的干孔装铵油炸药，炮孔水深超过1.0 m装乳化炸药。以干孔为例，每孔装药量516～540 kg，平均单耗为0.40～0.42 kg/m3。

由于现行爆破方案属常规布孔，在炮孔连续装药，炸药综合单耗较高的条件下，仍存在软岩过渡破碎，硬岩破碎块度不均匀，底部韧性大的岩体时有根(拉)底发生。因此，根据矿区的岩性、构成等实际条件，改进爆破设计方案，确定新的爆破技术参数，用空气间隔装药技术均衡孔内炮轰气体压力，延长破岩作用时间，采用大密集系数布孔技术改善岩石破碎效果。

3.1 炮孔布置

采用CDM75牙轮钻机穿孔，炮孔直径为250 mm;台阶高15.0 m，炮孔超深2.0 m，炮孔深17.0 m；三角形布置炮孔，炮孔的孔距和排距分别为14.0～15.0 m和5.5～6.0 m，炮孔密集系数为2.5～2.7。

3.2 炮孔的装药结构设计

用炸药混装车装填普通多孔粒状铵油炸药，密度0.866 g/cm3，爆速2 700～2 800 m/s；为了均衡炮孔压力，适应黑岱沟煤矿软硬岩体互层叠置的特点和降低炸药单耗，采用空气间隔装药结构。现场为了适应混装车装药速度快，避免中部间隔的装药停顿和二次装填起爆弹的繁琐手续，孔底空气间隔装药的间隔高度为2.0～3.0 m。因为提高整体装药高度，便于台阶顶部填塞段致密细砂岩石的有效破碎，所以炮孔填塞长度取6.5 m(见图2)，单耗0.26～0.29 kg/m3。

3.3 爆区衔接及压渣问题

为满足黑岱沟煤矿日剥离超过40万t的大规模生产需求，必须保证电铲的挖掘装载效率，松动爆破现场难以做到清渣。为避免大量压渣对松动爆堆松散程度的影响，爆破时控制压渣厚度以不超过15 m为宜。

大范围的连片穿孔及大规模爆破，可以提高穿孔设备、电铲和其他矿山大型履带式设备的作业效率，减少因为避炮造成的无效辅助作业时间，因此合理的爆区规划是露天矿至关重要的内容。为此，根据现场情况确定松动爆破岩体的后冲、侧冲破裂范围为4.3～5.0 m，爆区的前后和侧向分割带宽度取9.0 m；侧向爆区间分割采用大于90°的钝角，以减小夹制作用，保障衔接处爆破效果，侧向分割角度取140°～146°，以保障相邻爆区的有效衔接(见图4)。

图4 爆区布置Fig.4 Arrangement of blasting areas

3.4 延时时间及起爆网路

待爆岩体层理发育，软硬岩层叠置，采用毫秒延时起爆，使待爆岩体在爆轰压力的压缩作用过程中，下一个相邻的炮孔就被起爆，避免过长时间的延时使已被压缩闭合的层(节)理，在炸药爆轰卸载波的作用下重新张开，泄漏爆轰气体，损失破岩能量。故设计孔间毫秒延时时间为42 ms，排间延时时间为100 ms，采用高精度塑料导爆管雷管逐孔起爆技术，最大限度提高爆破能量对裂隙岩体的破碎和降低爆破振动，起爆网路如图5所示，深孔松动爆破后岩石破碎效果如图6所示。

图5 逐孔起爆网路Fig.5 Hole-by-hole detonation network

图6 爆破效果Fig.6 Blasting effect

选择主要影响因素孔距、排距和孔底间隔高度，按三水平正交排列表组织爆破现场正交试验，爆破后跟踪统计不合格岩石，试验获得的适合黑岱沟煤矿松动爆破的技术参数如表1所示。

表4 黑岱沟露天煤矿裂隙岩体台阶深孔松动爆破技术参数

4 结语

露天煤矿岩体层理发育、不同岩种的力学性能参数差异大，常出现软硬岩层互相叠置的现象。传统爆破难以克服不合格岩石大块率、根(拉)底率较高，炸药单耗偏高，软弱岩石过渡破碎，爆破过程及后续铲装、运输粉尘大的困难。黑岱沟露天煤矿大密集系数松动爆破的实践表明，合理的大密集系数布孔和空气间隔装药技术，不仅可实现层理发育、软硬叠置岩体良好的破碎效果，经济效益也很显著。

1)大密集系数布孔显著改善了后爆炮孔的自由面条件，增加了后爆孔的自由面积，对于层理发育、裂隙发育差异大的岩体改善破碎效果有重要作用，提高了延米爆破量21%，节省大量穿孔量。

2)空气间隔装药技术均衡炮孔内的爆轰气体压力，延长了爆轰气体的有效破岩时间，对黑岱沟韧性大的泥岩，和类似“夹心饼”状软硬叠置层理发育的岩体有效破碎具有重要作用，降低了炸药单耗25%以上。

3)毫秒延时逐孔起爆技术配合大密集系数布孔技术，改善了软硬叠置岩体的破碎效果，有效控制了爆破振动等有害效应，为黑岱沟煤矿松软边坡维护和50 m高台阶抛掷坡面泄压小滑体的安全防护创造了有利条件。