高台阶并段预裂爆破半隔孔导向爆破技术研究.pdf

Series No.569November 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第569 期2023 年第 11 期收稿日期 2023-05-09基金项目“十四五”国家重点研发计划项目(编号:2023YFC2907305)。作者简介 徐晓东(1983),男,经理,高级工程师,硕士。高台阶并段预裂爆破半隔孔导向爆破技术研究徐晓东 杜文秀(内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司,内蒙古 包头 014000)摘 要 为控制高台阶并段爆破边坡质量及稳定性,在传统预裂爆破技术的基础上,提出了半隔孔导向预裂爆破技术。分析了隔孔导向预裂爆破应力分布规律及裂隙扩展情况。研究表明:半隔孔发挥上部未装药段空孔导向作用,形成拉应力集中,并在炮孔底部加强装药段形成压应力集中,弥补正常孔装药的不足,克服炮孔深部夹制作用;选取半隔孔装药量 1.5、2.0、2.5、3.0 kg 及孔间距 0.6、0.7、0.8、0.9 m 各 4 种方案,开展了半隔孔技术方案数值分析和现场试验。试验结果表明:装药量 2.5 kg、线装药密度 0.42 kg/m 时,孔距选为 0.8 m,此时可使能量利用率最大,保证底部的炮孔贯穿。研究结果对于露天矿山开采靠界爆破实践具有一定的参考意义。关键词 矿山爆破 高台阶并段 预裂爆破 半隔孔导向 夹制作用 中图分类号TD235 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-11-154-07DOI 10.19614/ki.jsks.202311018Study on High Bench Parallel Section Presplitting Blasting with Half Separated Hole Guided Blasting TechniqueXU Xiaodong DU Wenxiu(Barun Mining Branch,Inner Mongolia Baotou Steel Union Co.,Ltd.,Baotou 014000,China)Abstract In order to control the quality and stability of high bench parallel blasting slopes,based on traditional pre-splitting blasting technique,a semi spaced hole guided pre-splitting blasting technique was proposed.The stress distribution law and crack expansion of the separated hole guided pre-splitting blasting were analyzed.The study results show that the semi spaced hole played a guiding role in the upper unfilled section of the empty hole,forming tensile stress concentration,and strengthening the charging section at the bottom of the blast hole to form compressive stress concentration,make up for the in-sufficient charging of normal holes and overcome the deep clamping effect of blast holes.Four schemes were selected for semi spaced hole charging,namely 1.5,2.0,2.5,3 kg,and hole spacing of 0.6,0.7,0.8,and 0.9 m.Numerical analysis and on-site experiments were conducted on the semi spaced hole technology scheme.The results indicated that when the charging a-mount was 2.5 kg and the linear charging density was 0.42 kg/m,the hole spacing was selected as 0.8 m,which maximized energy utilization and ensured the penetration of the bottom blast hole.The study have a certain reference significance for the practice of boundary blasting in open-pit mining.Keywords mine blasting,high step parallel section,presplitting,half spacing hole guide,clamping effect 预裂爆破是露天矿山进行爆破边界控制的主要手段,在一定程度上能够减小因爆破产生的裂隙扩展,降低炸药能量对台阶边坡的冲击和损害,有效地控制边坡稳定。在高台阶并段区域进行靠界预裂爆破作业时,由于炮孔深度加大,底部的夹制作用对预裂爆破效果影响较大。若仅通过缩小孔网参数,增大装药量来克服底部夹制作用,不但造成成本急剧攀升,预裂面的形成效果往往并不理想,最终导致保护区岩体的超、欠挖,伞岩及挂帮形成,达不到预期的爆破效果。近年来,针对预裂爆破边界控制,不少学者采用理论分析、数值模拟、现场试验等方法研究了预裂成缝机理及爆破参数对预裂效果的影响程度1-5。王亚强等6通过对线装药密度公式进行理论推导,得出了预裂孔开裂及预裂缝贯通时的合理线装药密度;王和平等7以大孤山铁矿为例,利用 LS-DYNA 数值模拟软件分析了耦合与不耦合装药条件下的预裂爆破效果,发现不耦合条件下的预裂效果更加理想;崔正451荣等8通过数值模拟和现场试验,分析和验证了底部加强装药对预裂效果的影响程度,结果表明:在深孔预裂爆破中采用底部加强装药能够明显改善预裂效果,提高保护区岩体的稳定性。上述针对提高预裂效果的研究侧重于调整预裂爆破参数、改变装药结构,较少涉及改变预裂炮孔装药结构时的预裂爆破效果。而在实际工程中为达到控制爆破边界、保护边坡围岩稳定性的目的,适当改变预裂孔结构,使之按预定方向扩展,同时抑制其他方向的裂纹生成,从而达到更加理想的控制效果。为此,本研究提出了高台阶并段半隔孔预裂爆破边界控制技术,利用理论分析、数值模拟、现场试验等方法,研究半隔孔预裂爆破技术时的围岩应力分布及预裂爆破效果,为矿山生产提供参考。1 半隔孔导向预裂爆破技术预裂成缝机理分为两个过程,即应力波的作用过程和高压气体的作用过程9-11。炸药爆炸后,炮孔爆炸应力波向四周传播,产生的切向拉应力超过岩石的抗拉强度而使岩石破裂,在两个炮孔连线方向出现裂缝。如果相邻炮孔间的应力波在两孔之间能够发生叠加,那么在该区段内,合成拉应力也能使岩石产生有利于预裂缝导向产生的裂缝;在爆生气体进一步作用下,裂缝延伸扩大,最后形成炮孔间贯通的平整开裂面。在露天矿山高台阶并段边坡靠界工程背景下,并段台阶高度达到 2428 m,预裂炮孔最深可达 30 m左右,岩体初始应力在炮孔底部周围产生的环向应力集中愈发明显,不利于孔壁处形成初始裂缝,进而抑制了贯通裂缝的形成。基于此,本研究提出了半隔孔预裂爆破技术,其炮孔、装药结构布置如图 1、图 2 所示。图 1 高台阶并段预裂爆破炮孔布置Fig.1 Layout of boreholes for high step presplitting blasting图 2 预裂半隔孔装药结构布置Fig.2 Arrangement of presplit half-hole charge structure半隔孔装药结构上部未装药部分可视为两个预裂孔间布置空孔,利用空孔导向及应力集中效应,使两个预裂孔间岩体进行贯通。随着正常孔预裂爆破应力波向孔外传播并到达半隔孔,发生空孔应力集中效应,使岩体产生微裂隙并且不断扩展。根据弹性力学理论确定的空孔峰值应力状态为12-14rr=0.51-k2()-r()+1-4k2+3k4()r+()cos2,(1)=121+k2()+121+3k2()cos2+rcos2(),(2)式中,rr为空孔应力集中后岩石中的径向应力,MPa;为岩石中某一点的径向应力,MPa;r为岩石中某一点的切向应力,MPa;k=r2/rb;r2为空孔半径,cm;rb为岩石中某一点与空孔中心的距离,cm;为任意方向与孔间连线的夹角,();为空孔应力集中后岩石中的切向应力,MPa。由式(1)和式(2)可知,当 k=1 时,rr=0,=0 时,=3+r为极大值(拉应力为正,压应力为负),最大拉应力出现在相邻炮孔连线方向,半隔孔的存在改变了相邻炮孔之间的应力分布,证明了空孔的导向作用。综合分析影响岩体爆破破裂的各种因素发现,所谓炮孔底部夹制作用,即为岩体初始应力对破裂成缝的影响。岩体初始应力在孔壁周围产生的环向应力集中将抵消爆炸应力波而产生环向拉应力集中,在这种情况下,不利于孔壁形成初始裂缝。在裂缝扩展过程中,岩体初始应力的存在也将会抑制裂缝扩展,使表征裂缝扩展能力的应力强度因子降低。平均水平应力与垂直应力的比值称为侧压比,其值随深度增加而减小。该值变化范围可进行如下计算:100H+0.3 hv1 500H+0.5,(3)式中,h为水平应力,MPa;v为垂直应力,MPa;H551 徐晓东等:高台阶并段预裂爆破半隔孔导向爆破技术研究 2023 年第 11 期为赋存深度,m。在均质、等密度的情况下,垂直应力可进行如下计算:v=H106,(4)式中,为岩土体容重,取 25 000 N/m3。埋深 550 m 内的水平应力分布如图 3 所示。图 3 水平应力随深度变化特征Fig.3 Variation characteristics of horizontal stress with depth 由图 3 可知:对于浅部岩体来说,随着埋深增大,水平应力逐渐增大,埋深 30 m 的白云岩水平应力为2.72537.8 MPa,受水平应力影响裂纹扩展受到抑制,裂纹数量减少,预裂缝的贯通效果越差,即为底部夹制作用的主要原因。半隔孔底部加强装药及上部空孔段一方面发挥空孔导向作用,形成拉应力集中,另一方面在炮孔底部加强装药段形成压应力集中,弥补正常孔装药的不足,克服炮孔深部水平应力,可以达到改善底部爆破效果的作用。2 数值模拟2.1 模型建立及试验方案参考某露天矿山实际采场参数建立二维数值分析模型(图 4),高台阶并段模型单孔深度为 26 m,两个常规预裂孔间布置半隔孔。本研究选取节点H82000、H81525 分析应力变化特征。图 4 高台阶并段预裂爆破半隔孔装药结构计算模型Fig.4 Calculation model of charging structure of half hole in high-step parallel pre-cracking blasting结合爆破漏斗理论及矿山常规预裂爆破生产实践参数15-17,设置1.5、2.0、2.5、3 kg 4 种半隔孔装药量方案,对应的装药高度分别为 3.5、5.0、6.0、7.0 m;在合理的半隔孔装药高度方案基础上,设置 0.6、0.7、0.8、0.9 m 4 种相邻孔间距方案,分析不同半隔孔装药量及孔间距下的应力变化及裂隙扩展规律。2.2 半隔孔装药结构应力分析选取半隔孔 1.5 kg 装药量方案,选取 4 种典型时刻的应力云图(图 5),以及对应的裂隙扩展情况(图 6),并提取节点 H82000,H81525 的应力时程曲线(图 7)进行深入分析。图 5 不同时刻应力云图Fig.5 Stress nephograms at different time图 6 不同时刻裂隙扩展情况Fig.6 Fracture propagation at different time图 7 监测节点应力时程曲线Fig.7 Stress-time history curves of monitoring nodes 结果显示:孔口的预裂药柱首先被引爆,爆炸应力波主要向孔间连线方向传播,0.13 ms 时刻应力波651总第 569 期 金 属 矿 山 2023 年第 11 期到达空孔壁并反射形成拉应力集中(图 5(b),空孔壁处的应力波在反射拉伸作用下形成拉伸裂纹(图 6(b),0.63 ms 时刻应力波到达孔口自由面并反射形成拉应力集中(图 5(c),顶部自由面在应力波反射拉伸作用下形成拉伸裂纹(图 6(c)。可见,由于空孔导向作用,空孔孔壁附近存在明显的应力集中效应,有利于岩石破碎。由图 7 可知:由于半隔孔预裂药柱起爆,节点H81525 峰值应力远大于节点 H82000,超出了岩石的破坏极限,有效克服了底部夹制作用,在爆生气体作用下裂纹进一步扩展,保证了底部的炮孔贯穿。2.3 装药量方案数值分析本研究根据装药量方案爆破终了时刻(4.5 ms)数据计算了模型裂纹扩展面积(图 8),提取的监测点应力时程曲线如图 9 和图 10 所示。图 8 装药量方案计算终了裂纹面积Fig.8 Crack areas at the end of calculation of charge scheme图 9 装药量方案节点 H82000 应力时程曲线Fig.9 Stress-time history curves of charge scheme of H82000 node 4 种装药量方案裂纹扩展面积分别为 19.26、19.22、19.50、19.47 m2。其中方案一、二裂纹面积相差不大,方案三、四裂纹面积明显增大,且炮孔间底部岩石裂纹分布明显增多,孔底岩石破碎效果明显改善;4 种方案节点 H82000 峰值应力分别为 15.0、13.7、15.3、13.6 MPa;节点 H81525 峰值应力分别为22.0、14.5、22.4、14.6 MPa,两节点均在方案三出现图 10 装药量方案节点 H81525 应力时程曲线Fig.10 Stress-time history curves of charge scheme of H81525 node 最大峰值应力,与裂纹扩展面积优选方案相符,综合考虑孔底破岩效果及炸药成本,优选方案三。2.4 孔间距方案数值分析本研究根据孔间距方案爆破终了时刻(4.5 ms)数据计算了模型裂纹扩展面积(图 11),提取的监测点应力时程曲线如图 12 和图 13 所示。图 11 孔间距方案计算终了裂纹面积Fig.11 Final crack areas calculated by hole spacing scheme图 12 孔间距方案节点 H82000 应力时程曲线Fig.12 Stress-time history curves of hole spacing scheme of H82000 node 随着孔间距增大,裂纹统计区域越大,孔间裂纹面积逐渐增大。为此,以单位孔距裂纹面积为指标对各个方案进行优选,4 种方案单位孔距裂纹面积分别为 32.46、32.71、32.6、32.23 m2。方案四由于孔间距较大,单位孔距裂纹面积最小,孔间岩石破碎效果751 徐晓东等:高台阶并段预裂爆破半隔孔导向爆破技术研究 2023 年第 11 期图 13 孔间距方案节点 H81525 应力时程曲线Fig.13 Stress-time history curves of hole spacing scheme of H81525 node 最差;方案二单位孔距裂纹面积最大,且炮孔间底部岩石裂纹分布较多,孔间岩石破碎效果较好;方案一与方案二、三相比,单位孔距裂纹面积更小,这是由于孔距过小造成了炸药 能 量 浪 费;4 种 方 案 节 点H82000 峰值应力分别为 12.8、13.7、11.3、7.9 MPa;节点 H81525 峰值应力分别为 13.3、14.5、12.6、9.1,两节点均在方案二出现最大峰值应力,与裂纹扩展面积优选方案相符,综合考虑孔间岩石破碎效果及炸药能量利用率,优选方案二。3 现场试验本研究在包钢股份巴润矿业分公司采场进行现场试验,采取预裂孔双段穿孔,双台阶高度约 24 m。缓冲孔和主爆孔采用液压潜孔钻机穿孔,单台阶穿孔,与预裂孔一次爆破。预裂孔和缓冲孔倾斜角度与设计坡面角一致,倾角为 65,预裂孔、缓冲孔直径为120 mm,主爆孔直径为 165 mm,倾角为 90。3.1 试验方案由于矿山地质条件复杂,矿岩节理裂隙发育,岩性多变,炮孔底部存在夹制作用影响,易出现孔口部位爆破大块多、炮孔底部根底现象突出。为确定最佳的半隔孔装药参数,结合数值分析结果,开展了半隔孔装药高度分别为 3.5、4.0、4.5、5.0、5.5 m 共 5 种方案的现场爆破试验。现场试验爆破参数取值见表 1。表 1 现场试验炮孔参数Table 1 Parameters of boreholes in field test试验编号 炮孔数目/个 炮孔深度/m 炮孔间距/m 半隔孔装高度/m132300.63.5229300.75.0331300.86.0435300.97.0530301.07.53.2 爆破参数选取(1)不耦合系数。为保证预裂孔壁不出现压碎,孔壁压力应小于岩石静态抗压强度,同时应大于岩体的动态抗拉强度,预裂孔周围才能形成一定数量的微小裂纹,预裂孔连线方向才能形成预裂缝。不耦合系数 Kd可进行如下计算:Kd=1+13.07压-0.24,(5)式中,Kd为不耦合系数;压为岩石的静态抗压强度,MPa。(2)线装药密度(qL)。线装药密度对于改善爆破效果、维护采场边坡稳定具有关键作用,其计算公式为qL=78.5D2K-2,(6)式中,为炸药密度,取 1.25 g/cm3;D 为炮孔直径,12 cm;K 为装药长度与直径的比值。(4)孔口余高。正常情况下,一般孔口部分余高2.5 m 不装药。对于松软岩体,不装药高度可以适当加大,深度为 35 m。此外,半隔孔间距及装药量按照模拟方案选取。3.3 试验结果在矿山采场北帮+1 596+1 560 m 水平共进行了 5 次固定帮现场靠界爆破试验,试验结果见表 2。表 2 现场试验结果统计Table 2 Statistics of field test results试验编号试验地点半隔孔间距/m半隔孔装药高度/m预裂爆破效果1+1 584 m 北帮0.63.5半壁孔率 78%,下部出现根底,未成缝现象2+1 596 m 北帮0.75.0半壁孔率83%3+1 584 m 北帮0.86.0半壁孔率85%4+1 560 m 北帮0.97.0半壁孔率 81%,局部超挖5+1 572 m 北帮1.07.5半壁孔率 79%,局部出现伞岩挂帮,下部出现根底 试验结果表明,半隔孔间距 0.8 m、装药高度 6 m时,炮孔半壁孔率达 85%,没有出现明显的伞岩挂帮及下部根底现象(图 14)。随着孔距增大及装药高度减小,逐渐出现半壁孔率降低、上部伞岩挂帮及下部根底现象,与前文进行的理论分析结果相吻合,既避免了超深孔孔底夹制作用下的根底突出现象,又最大限度地减少了炸药用量及穿孔成本。4 结 论(1)露天矿山高台阶并段预裂孔由于受到较强的底部夹制作用,裂纹扩展受到抑制,裂纹数量减少,预裂缝的贯通效果越差,基于此提出了预裂爆破半隔孔装药结构,一方面发挥上部未装药段空孔导向作851总第 569 期 金 属 矿 山 2023 年第 11 期图 14 半隔孔装药爆破效果Fig.14 Effects of half hole charge blasting用,形成拉应力集中;另一方面在炮孔底部加强装药段形成压应力集中,弥补正常孔装药情况不足,克服炮孔深部水平应力,可以达到改善底部爆破效果、降低生产成本的作用。(2)建立了高台阶并段预裂爆破半隔孔装药结构数值分析模型,对模型孔网参数(装药量、孔距)进行了优化研究。结果表明:半隔孔装药量 2.5 kg,装药高度 5 m,孔距选定 0.8 m,此时可使能量利用率最大,并开展了现场试验进行验证。(3)在试验矿山开展靠界现场预裂爆破试验,结果表明:装药高度 6 m、孔间距 0.8 m 时,炮孔半壁孔率达 85%,没有明显的伞岩挂帮及下部根底现象出现。随着孔距加大及装药高度减小,逐渐出现半壁孔率降低、上部伞岩挂帮及下部根底现象,与理论分析结果相吻合,既避免出现超深孔孔底夹制作用下的根底突出现象,又最大限度地减少了炸药用量以及穿孔成本。(4)本研究在传统预裂爆破工艺基础上,提出了针对高台阶并段超深预裂爆破工艺半隔孔装药结构,可为露天矿山靠界爆破参数优选提供参考,但受限于试验矿山单一的岩性,后续将选取多种岩性进行试验验证分析。参 考 文 献1 陈岳会,杨郜辉,马沁春,等.复合型准预裂爆破在露天终了边坡中的应用研究J.云南冶金,2022,51(4):14-21.CHEN Yuehui,YANG Gaohui,MA Qinchun,et al.Study on applica-tion of compound quasi-presplit blasting on open air end slopeJ.Yunnan Metallurgy,2022,51(4):14-21.2 庄又军,薛峰,张卫,等.深孔预裂爆破装药量计算方法及水耦合装药结构优化J.中国矿业,2021,30(1):150-154.ZHUANG Youjun,XUE Feng,ZHANG Wei,et al.Calculation meth-od of charge in deep hole pre-split blasting and optimization of water-coupling charge structure J.China Mining Magazine,2021,30(1):150-154.3 李鹏飞,丘小强,王宝,等.预裂爆破在吉劳金矿高陡边坡的应用J.有色金属(矿山部分),2021,73(3):37-40.LI Pengfei,QIU Xiaoqiang,WANG Bao,et al.Application of pre-split blasting in Jilau Gold Mines high and steep slopeJ.Nonfer-rous Metal(Mining Section),2021,73(3):37-40.4 刘际飞,璩世杰.预裂爆破中节理走向角度对预裂缝贯通性的影响J.金属矿山,2014(4):6-11.LIU Jifei,QU 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