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

单轴抗压强度(Mpa)

密度 (g/cm3)

纵波波速Vp (m/s)

动弹性模量(Gpa) 钾化云英闪长斑岩(POT) 60.5 2.68 绢云母化云英 闪长斑岩(ST) 138 2.63 5088 71.6 青盘岩化 粉砂岩(PS) 135.1 2.71 5909 74.1 青盘岩化云英 闪长斑岩(PT) 242.5 2.69 5613 71.6

2.2 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

岩体纵波速

位置 岩性

(m/s) (m/s) 岩块纵波速 完整性系数 完整程度

绢云母化粉砂岩

断层破碎带

东部

边坡 3735 3067 3806 3458

3949

4470

3574

3959 5223 5243 5251 5207 5317 5314 5305 5297 0.51 0.34 0.53 0.44 0.55 0.71 0.45 0.56 较破碎 破碎 较破碎 较破碎 较破碎 较完整 较破碎 较完整 青盘岩化粉砂岩 青盘岩化安山岩 青盘岩化云英闪长斑岩 云英闪长斑岩 西部 边坡 闪长斑岩 粉砂岩

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

孔现有予裂爆破装药结构如图4所示，线装药密度q 1=1.25Kg/m，

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。

3.3 予裂爆破主要参数分析

1. 对线装药密度q 的分析 1

因为没有成熟的公式直接应用，而只能是借鉴，因此我们使用经验公式和工程类比法分析现有数据。

以经验公式(采矿手册 第二卷) ：

k =1+18. 32[σ]−0. 26, a =19. 4D (k −1) −0. 523, q =78. 5D 2k −2ρ 1

其中： k 为不耦合系数；

[σ]为岩石极限抗压强度 Mpa；

a 为孔距 mm，D 为炮孔直径 mm；

3

q 为线装药密度 g /m ，ρ为药包密度 g /cm 。 1

边坡岩石极限抗压强度按140Mpa 和200Mpa 考虑，结果见表3。

表3 经验公式计算结果

岩石强度Mpa 不耦合系数k

140 200

6.07 5.62

孔距mm 2075.211 2178.341

线装药密度g/m

1865 2175

预裂爆破一般使用低爆速、低威力炸药，以普通铵油炸药爆力320ml 、硝化甘油爆力550ml ，可得爆力转换系数为0.58。对以上计算结果转换：可以得出线装药密度基本合理的结论，但以实际不耦合系数5.4(270/50)考虑，使用高爆速炸药不耦合系数是明显偏小的。

表4 国内部分工程予裂爆破参数

工程名称 眼前山铁矿掘沟

三江电厂 宝山铜矿

岩石类型

f

孔径mm 250170150

孔距

孔斜度m 2.5～31.35 1.5～2

孔深 线装药密度m Kg/m

混合岩 8～10

砂岩 2～4矽卡岩 6～10直 6～17 2.8～3.6 垂直 7 0.25 11 0.8～1.2

表5 E.Hoek提供予裂爆破参数推荐值 (硬岩，炸药为NOBEL公司Dynamex B型)

炮孔直径 装药直径不耦合

mm mm 系数 30 11 2.7 37 17 2.2 44 17 2.6 51 22 2.3 62 22 2.8 75 25 3.0 87 25 3.5 100 29 3.4 125 40 3.1 150 50 3.0 200 52 3.8 250 65 3.8

线装药密度

Kg/m 0.07 0.12 0.17 0.25 0.35 0.50 0.70 0.90 1.40 2.00 3.00 3.38

孔距 m

0.25～0.3 0.30～0.5 0.30～0.5 0.45～0.75 0.55～0.8 0.60～0.9 0.70～1.0 0.80～1.2 1.00～1.5 1.20～1.8 1.50～2.1 1.80～2.4

表6 兰格福斯的经验数据

炮孔直径mm 线装药密度kg/m

30 0.11 37 0.12 44 0.17 50 0.25 62 0.35 75 0.5 87 0.7 100 0.9 125 1.4 150 2 200 3

炸药种类

古立特 古立特 古立特 古立特 纳比特 纳比特 蒂纳米特蒂纳米特纳比特 蒂纳米特蒂纳米特

药卷直径mm

12 12 17 17 22 25 25 25 40 50 52

炮孔间距m 0.25～0.4 0.3～0.5 0.3～0.5 0.45～0.7 0.55～0.8 0.6～0.9 0.7～1.0 0.8～1.2 1.0～1.5 1.2～1.8 1.5～2.1

从表4 国内部分工程予裂爆破参数和表5 E.Hoek提供予裂爆破参数推荐值以及表6 兰格福斯的经验数据对大孔径予裂爆破所提供的线装药密度参考值来看，目前的装药密度似乎偏小了许多，但考虑到一般予裂爆破均采用低爆速、低爆力即低密度炸药，以目前高爆速炸药对应铵油炸药0.58的爆力转换系数，1.25 kg/m的线装药密度并没有小太多。但从不耦合系数明显偏小来看，不易盲目提高目前的线装药密度。

2. 从予裂爆破成缝机理分析填塞深度和装药量

从予裂爆破成缝机理来看，美国人H.K.Kotar和C.F.airhorst的试验证明:“应力波在两炮孔中间不可能形成开裂。同时起爆时，爆炸气体形成的应力场在预裂缝的形成中起主要作用”。目前的研究表明：“即使应力波没有产生裂缝，单靠高压气体的作用，也可能使岩石断裂。如果应力波产生了初始裂缝，高压气体渗入使裂缝尖端产生‘气刃效应’。因此爆炸气体作用是预裂缝最终形成的基本条件，起着主导的作用。”

这一点从山达克最初实施大孔径予裂爆破时也得到了证实。最初的大孔径予裂爆破实验阶段，就是否填塞存在争议，但最终证明：填塞后爆破出现半孔的几率远高于不填塞的情况。这说明填塞延长了爆破气体的作用时间，保证了孔间贯通率。

因此，从避免爆破漏斗产生和增加爆破气体作用出发，目前4m的填塞深度需要缩减，同时原来8棒起爆药卷和7.5Kg防水炸药量需要增加(1.25 x 8+7.5=17.5 Kg)。

我国目前一般堵塞深度为0.6m～2m，相关资料也推荐填塞深度在1m～2m之间。综合考虑，填塞深度确定为2m，并增加1棒起爆药卷。

3.分析予裂孔与生产孔距离

从避免可能损坏或破坏预裂面和防止生产孔与予裂孔之间出现岩坎的角度看，目前2m的间距是合理的，不做变动。

四、大孔径予裂爆破改进方案试验

4.1 予裂爆破装药结构方案

图7 予裂爆破装药结构图示

予裂爆破装药结构见图7，线装药密度q 1=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，由原来8棒药卷增加到9棒药卷，底部7.5Kg 防水炸药维持不变，从孔口往下约2m 位置用空气间隔器分隔，炮粉填塞。

4.2 主爆孔起爆控制 1. 起爆方式控制

鉴于现有起爆器材段间延时(25Ms)的限制，临近边坡缓冲爆破应严格控制一次爆破的排数、孔数以及单段最大起爆药量等。改进爆破方式(见图8) ，临近边坡爆破按三排孔布置，即两排主爆孔，一排缓冲孔，孔数控制在40个以内，单段最大药量不超过500Kg ，缓冲孔做到逐孔起爆。

图8 边坡处起爆方式

2. 清渣爆破方式和炸药单耗的处理

从予裂爆破成孔机理上，控制后冲对半孔率并不产生主要影响，因此不需要刻意处理清渣程度，只要保证部分清渣爆破，特别在第一段起爆位置保证足够抛掷位移即可。这样，一方面保证了爆破的安全作业，另一方面避免了过多大块的产生。

适当提高边坡处炸药单耗，对降低后冲有一定意义，在清渣程度不足时，应考虑减少主爆孔间距来提高炸药单耗。

4.3 实验结果

在南部多次试验中可看出，预裂爆破效果非常令人满意，不平整度控制在15cm～20cm之间、半壁孔痕率大于70%。

五、大孔径预裂爆破实施和推广

从2012年1月份起全面实施和推广大孔径预裂爆破改进方案以来，截止11月底，共完成预裂孔972个，米道12162.5m，缓冲孔1290

个，米道14156.5 m，实施预裂爆破边坡1944 m，形成最终边坡23328 m 。

2

六、予裂爆破效果评价

1、坡面不平整度评价

不平整度表示预裂面的超欠挖程度，即相对于预裂孔轴线平面的差值。边坡实施预裂爆破后，通过电铲开挖和长臂反铲清坡后，不平整度基本上都能控制在15 cm～20 cm之间。

2、坡面保留半壁孔痕百分率评价

坡面保留孔痕百分率是反映预裂爆破效果的重要指示，预裂爆破后在岩壁上留下半壁孔痕迹的多少，直接反映炮孔周围岩石的破坏程度。从坚硬岩石保留半孔痕迹大于70%，软岩大于50%的技术要求来看，以782～794水平坡面统计表明：可以保证至少65%的坡面达到技术要求。

3、整体评价

新的予裂爆破方案具有爆破效果良好，爆破质量稳定的特点，一旦某一范围内岩石条件、结构面状况适合，就可以保证大范围边坡成片成区实现技术要求，不同于以往零星、小片出现半孔痕迹。另外对于以往孔口往下4m 范围没有半孔痕迹状况，得到了有效改善。

同时，在爆破实践中逐渐认识到地质因素的影响并非不可克服，复杂地质环境下仍能进行予裂爆破。

4、予裂爆破方案适用情况和下一步改进方案

因为山达克矿区岩石、岩体及结构面状况在不同区域、不同深度

是完全不同的，因此任何一种爆破方案也不能保证适用每一个区域。现有改进方案可以保证至少65%的区域实现予裂爆破技术要求。把现有予裂爆破方案应对区域以适用、基本适用、待改进及不适合四种方式划分794～782水平边坡，我们可以在图9看到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区划分，各区对予裂爆破方案的适用情况见表

7。

图9 予裂爆破方案适用区域划分图示

表7 各区域适用情况说明

区域 适用情况 范围 (m)

Ⅰ 适用 749

Ⅱ 不适合 316

Ⅲ 基本适用 367

Ⅳ 待改进 385

从表7，“待改进”的Ⅳ区域和“不适合”的Ⅱ区域占到总区域的39%，从现场的分析来看，两部位出现问题的原因却完全不同。Ⅱ区域主要是因为岩石强度(估计岩石抗压强度可达到200Mpa)明显高于

其他区域造成。而Ⅳ区域的情况较为复杂，一方面Ⅳ区域从表2岩体完整性系数看，岩体较其他部位明显破碎；另一方面从目前已揭露边坡断层分布上，绝大部分断层均与边坡大角度切割，对予裂爆破效果影响有限，但东部两道贯穿多个台阶的断层与边坡小角度相交，局部接近平行，对边坡的予裂爆破效果影响很大，在这些部位要想获得予裂半孔痕迹是很难的。所幸这两道断层在758水平以下会逐步远离边坡位置，因此东部主要还是受岩体结构面情况影响。

针对Ⅱ、Ⅳ区域岩石、岩体特点，提出如下方案(见图10) ：线装药密度q 1=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，由原来9棒药卷增加到10棒药卷，底部7.5Kg 防水炸药维持不变，从孔口往下约1.5m 位置用空气间隔器分隔，炮粉填塞。此方案实际效果将在下一步的予裂爆破技术改造实施中得到验证。

图10 针对Ⅱ、Ⅳ区域予裂爆破改进方案

5、经济效果评价

2012年推广大孔径预裂爆破以来，实施边坡预裂爆破1944m ，形成最终坡23328 m2，坡面半壁孔痕率平均达到65%以上，坡面岩石明显优于上部没有实施预裂爆破的边坡，除东部、西部断层及断层破碎带需局部加固外，其它部位坡边不需要加固治理，大大节省了边坡治理成本，预计每年可节省边坡治理费用

100万美元左右。另外实施预裂爆破后，边坡岩石明显好转，确保了边坡稳定，为今后采场中深部开采提供了安全保障。

附：予裂爆破效果图示(图11～图

18)

图11 东南方向边坡半孔痕迹图示

图12 西南方向边坡半孔痕迹图示

图13正南方向边坡半孔痕迹图示

图14 西部方向边坡半孔痕迹图示

图15 北偏东部方向边坡半孔痕迹图示

图16 东部方向部分边坡半孔痕迹图示

图17 东部方向部分边坡半孔痕迹图示

图18 北部方向部分边坡半孔痕迹图示

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