铜钴矿风化影响下预裂爆破试验研究.pdf

露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月边坡稳定性一直以来都备受关注，在道路建设和露天开采中如果边坡失稳，可能影响施工工期和人员安全等问题。边坡治理除了边坡形成后进行结网、加锚等1-4方案外，还可以在边坡形成前进行预处理，其中预裂爆破的处理方式被广泛应用5-6。李祥龙等7建立模型进行预裂爆破，通过极差和方差分析，得出不耦合系数敏感性最高，其次是爆破延期时间；厉美杰等8则从多孔粒铵油炸药出发，进行了现场试验，得到了80%的半孔率边坡；王亚强等9研究了装药密度与成缝宽度之间的关系，得出装药线密度越大，则成缝宽度越大；高斌10则通过数值模拟的方式，分析了预裂爆破中孔间距与孔径倍数的关系，得出孔间距与孔径的函数关系。刚果金某铜钴矿长期受时间和空间的演化，损DOI:10.13235/ki.ltcm.2023.03.008陈元利，郭丽娟，董斌斌.铜钴矿风化影响下预裂爆破试验研究 J.露天采矿技术，2023，38（3）：30原33.CHEN Yuanli,GUO Lijuan,DONG Binbin.Experimental study on pre splitting blasting under the influenceof weathering in copper cobalt mine允.Opencast Mining Technology,2023,38（3）:30原33.移动扫码阅读铜钴矿风化影响下预裂爆破试验研究陈元利1，郭丽娟2，董斌斌3（1.万安县应急管理局，江西 万安 343800；2.永新县财政局，江西 永新 343400；3.江西铜业集团建设有限公司 井巷分公司，江西 瑞昌 332200）摘要：为了解决刚果金铜钴矿由于地理位置约束和围岩受风化影响，矿山在进行预裂爆破时，普遍存在超欠挖严重，导致边坡时有失稳现象发生。采用理论分析和国内矿山经验公式，充分考虑矿山实际边坡围岩固有性质，进行了预裂爆破试验，探讨了不耦合装药和起爆顺序对不同程度损伤下的铜钴矿边坡预裂爆破带来的影响。结果表明：铜钴矿在时空演化下受到不同程度的损伤时，应适当加大不耦合系数，保护钻孔孔壁，以此来提高半孔率；在起爆顺序上，要充分考虑微差间隔时间，让两排起爆在空间上形成撞击破坏，达到破碎的效果。关键词：时空演化；不耦合装药；起爆间隔时间；半孔率；岩石力学中图分类号：TD824.2文献标志码：B文章编号：1671-9816（2023）03-0030-04Experimental study on pre splitting blasting under the influence of weathering in copper cobalt mineCHEN Yuanli1,GUO Lijuan2,DONG Binbin3（1.Wanan County Emergency Management Bureau,Wanan 343800,China;2.Yongxin County Finance Bureau,Yongxin 343400,China;3.Jingxiang Branch of Jiangxi Copper Group Construction Co.,Ltd.,Ruichang 332200,China）Abstract:In order to solve the problem of over and under excavation in the pres plitting blasting of the copper cobalt mine in theDemocratic Republic of the Congo due to the restriction of geographical location and the influence of weathering on the surroundingrock,the slope is unstable.Based on the theoretical analysis and the empirical formula of domestic mines,taking full account ofthe inherent properties of the surrounding rock of the actual mine slope,the pre splitting blasting test was carried out,and theinfluence of uncoupled charging and blasting sequence on the pre splitting blasting of the copper cobalt mine slope under differentdegrees of damage was discussed.The results show that when the copper cobalt ore is damaged to different degrees under thespace-time evolution,the uncoupling coefficient should be appropriately increased to protect the borehole wall,so as to improve thehalf hole rate.In terms of the initiation sequence,the millisecond interval time shall be fully considered,so that the two rows ofinitiation will cause impact damage in space and achieve the effect of breaking.Key words:space-time evolution;uncoupled charge;interval time between blasting;half hole rate;rock mechanics收稿日期：2022-07-14责任编辑：张东旭作者简介：陈元利（1993），男，贵州遵义人，助理工程师，硕士，2020 年毕业于江西理工大学，主要从事矿山安全技术管理工作。30露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月伤分布不均，导致预裂爆破效果不理想。为此，在前人的基础上，结合理论分析和国内的矿山爆破经验公式，在刚果金某铜钴矿进行了试验，以期解决该矿山在时空演化下，矿山围岩存在不同程度的损伤，导致矿山在预裂爆破后，形成半孔率不高，后期存在边坡失稳的现象。1爆破分析预裂爆破实质上是通过合理的控制装药结构、布孔间距、起爆顺序等来减少预留边坡损伤的一种技术。主要机理在于两孔间的炸药同时起爆，形成的气体准静压力、爆炸应力波叠加等对岩体进行贯穿切割，让矿石从岩体上脱离，形成光滑的坡面。主要机理是应力波叠加与爆生气体共同作用，应力波在孔壁产生初始裂纹，在瞬时爆生气体立即“楔入”，迫使裂纹扩张，形成连心线大贯通。1.1不耦合装药系数不耦合装药的作用在于通过控制药卷与孔壁间的空隙，炸药在发生爆炸时，装药孔内空气瞬时压缩，高温高压气体直接作用于孔壁，利用空气可压缩性和爆生气体膨胀的阻尼作用非常小之间的关系，对预留岩体起到保护作用。其准静压力与不耦合系数关系为11：p0越n员8籽eD2（dcdb）6=n员8籽eD2Kd-6（1）式中：p0为准静压力，MPa；n为压力增加倍数，n=8耀11；籽e为炸药密度，kg/m3；D为炸药爆速，m/s；dc为装药直径，m；db为炮孔直径，m；Kd为不耦合系数。从式（1）中可以看出，不耦合系数与爆生气体压力成反比关系，且不耦合系数不得小于1。根据计算，不耦合系数选取为4.75。1.2孔深及超深矿区采用阿特拉斯D45一体钻机，打孔直径为0.115 m，根据矿山实际情况，矿山边坡高11 m，则可以表达为：蕴越匀/sin 琢+h（2）式中：L为预裂孔深，m；H为高程差值，m；琢为预裂空与地面间的夹角，（毅）；h为超深距，m。从式（2）可以看出预裂孔深还要考虑超深距离，夏钢源12认为超深与岩石抗压强度、最小最小抵抗性、炮孔直径有关，其数值上关系为：h越（1015）db（3）经过计算和结合矿山实际情况，刚果金某铜钴矿预裂孔孔深为12 m，超深1 m较合适。2试验条件1）岩矿条件。本次试验在刚果金某铜钴矿进行，该矿山爆破环境较复杂，矿山直线距离900 m左右有1所学校，学校建筑为砖混结构，最高建筑10 m左右，该校因建筑结构的原因，不能经受大爆破的频繁累计损伤。因而该矿山在进行开采时，需控制单响炸药量，使得每排起爆孔眼不能太长，起爆排数不宜过多，使得气体准静压力、爆炸应力波叠加等对岩体进行贯穿切割线不长，一定程度影响了预裂爆破效果。从岩石结构上看，岩石力学性质测试发现变砾岩在烘干情况下抗压强度为60.25 MPa，抗拉强度为5.57 MPa，饱和状态下抗压强度为50.20 MPa，抗拉强度为3.12 MPa，变泥硅质岩力学性质最差，烘干情况下抗压强度为11.40 MPa，抗拉强度为1.94 MPa，饱和状态下抗压强度为10.23 MPa，抗拉强度为1.02 MPa。可以看出除了变砾岩抗压强度稍好之外，其他岩石抗压强度、抗拉强度都不高。分析发现主要原因在于矿山采用露采的方式，矿体表面受不同程度的时空演化，存在不同程度的损伤。在这样的背景下，露天边坡在该矿山现有预裂爆破方式后，矿山边坡光滑程度不高，在平凡爆破震动后，出现开裂、滑坡等现象，对矿山开采带来不便的同时，也威胁着矿山工人的安全，迫切需要改变现有的预裂爆破方式，提高边坡安全性系数。岩石特征指数见表1。2）爆破条件。根据矿山现有设备，本次试验采用阿特拉斯D45一体钻机，钻取孔径0.115 m，钻孔深度为13 m。炸药选取2号岩石乳化炸药，爆速大于3 200 m/s，起爆雷管选用半秒延期雷管。炸药特征指数为：淤药卷直径：90 mm；于炸药密度：0.96耀1.4g/cm3；盂殉爆距离逸3 mm；榆爆速逸3 200 m/s；虞爆力：逸260 mL；愚猛度逸12 mm。表 1岩石特征指数岩性风化程度岩样状态密度/（t m-3）抗压强度/MPa抗拉强度/MPa大理岩化变砾岩变泥硅质岩微风化中风化强风化烘干饱和烘干饱和烘干饱和2.792.802.702.732.712.6740.7021.4560.2550.2011.4010.235.403.675.573.121.941.0231露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月图 1优化后预裂爆破效果3试验过程矿山前期采用的爆破方式为预裂爆破，根据调研发现在该矿山采用预裂爆破时，孔间距长度不一，预裂孔厚度不一致，时而薄时而厚，存在不规范现象。在装药时，采用沙石进行间隔装药，一定程度减小了不耦合洗漱。多重因素影响下，导致矿山在爆破后超欠挖严重等问题频发，降低边坡稳定性，加大了后期边坡治理成本。本次试验在现有的矿山设备的基础上，进行了预裂爆破试验，以期解决矿山在时空演化后进行的预裂爆破超欠挖严重的情况。3.1控制孔间距与排距试验根据前期调研发现，刚果金某铜钴矿预裂爆破中，主爆孔孔间距3 m、缓冲孔间距3 m、预裂孔间距2 m，主煤孔排距5 m、缓冲孔排距3.5 m、预裂孔排距3.5 m。在起爆间隔时间上，选取1段预裂孔、3段主爆孔、5段起爆。根据爆炸力学理论，炸药在爆炸后，直接作用于孔中空气，再压缩空气作用于岩石上，当使用耦合装药时，炸药直接作用在岩壁上，致使岩壁扩张破坏，呈现压缩破坏，达到极限扩张后，爆炸应力波回缩，形成拉伸破坏，再次迫使岩石进行破碎，达到爆破效果。原矿山主炮孔选取厚度为3 m，炸药在发生爆炸后，能量在岩壁直线上传导，通过岩层后，一部分能量作用于空气上，形成能量浪费，达不到爆破目的。预裂孔上，选取厚度为2 m，为了达到爆破的目的，会加大炸药量，导致多余能量作用于孔壁上，使得孔壁被破坏，降低了半孔率，形成超欠挖严重。由预裂爆破经验公式，对刚果金某铜钴矿进行参数优化。预裂爆破优化参数见表2。表 2预裂爆破优化参数孔距/m装药结构孔深/m单孔炸药/kg4.03.01.3连续连续间隔12121284568炮孔倾角/（毅）填塞长度/m炮孔区域主爆孔缓冲孔预裂孔孔径/mm台阶高度/m1151151151111119090755.45.41.5在原来的主爆孔间距3 m、缓冲孔间距3 m、预裂孔2 m的基础上进行了改进，根据理论及经验公式，主爆孔选取5 m、缓冲孔3 m、预裂孔1.3 m的孔间距进行爆破试验，试验得到了良好的预期效果。优化后预裂爆破效果如图1。从本次爆破效果来看，半孔率达到83%以上。这说明在铜钴矿在时空演化后，岩体存在不同程度的损伤，在预裂爆破中，应充分考虑其损伤带来的不利因素，从而调整不耦合系数、装药结构、孔间距等，用以减少不利因素带来的影响。在清理矿渣时，发现存在一部分块度较大的矿块，分析发现，岩石软硬分布不均，存在一部分软弱层夹石，炸药在爆炸时，大量能量从软弱层“逃逸”至空气中，没有直接作用在矿岩上进行破碎矿体，从而增加了大块率。3.2控制起爆时间试验在以上得到良好的爆破效果，半孔率达到82%以上，说明在孔间距和排间距设计合理，但是岩石软硬分布不均，存在一部分软弱层夹石，影响了爆破破碎效果。从起爆间隔时间进行优化，达到破碎的效果。由原来的1段预裂孔、3段主爆孔、5段起爆改变为1段预裂孔、3段主爆孔、4段起爆。目的在于用以在主爆孔起爆后，产生一定的抛掷，辅助孔又瞬时起爆，2次间隔时间不长，在空间上形成撞击，形成二次破碎，在一定程度上控制了大块率。其原理是间隔25 ms微差时间主炮孔起爆后，为辅助孔起爆提供了第二补偿空间，辅助孔在起爆后，直接作用于岩体，多余能量则抛掷矿渣，与主爆孔爆破因自重应力32露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月增量均集中在火烧区内，火烧区内部破坏为边坡的潜在失稳模式。3）经过不同状态下边坡稳定性的定量化分析得出，较原岩状态相比，受火烧影响的边坡安全系数大幅下降、稳定性降低且滑面扩大。4）针对火烧区边坡潜在的滑坡风险，应结合实际情况，必要时采取内排压脚、边坡参数优化、工程加固等边坡增稳措施加以管控和治理。参考文献：1 张秀山援新疆煤田火烧区特征及灭火问题探讨 J 援中国煤田地质，2004，16（1）：18-21.2 缪海宾，王建国，王振伟，等援新疆别斯库都克露天矿火烧区煤岩试验 J 援辽宁工程技术大学学报（自然科学版),2013，32（12）：1618-1621.3 赵德乾，王振伟，赵雪，等援烧变岩剪切特性试验研究J 援露天采矿技术，2013（9）：5-7.4 赵德乾，王振伟，李营作，等援火烧蚀变岩和火烧高变质煤试样抗剪强度指标测定实验研究 J 援露天采矿技术，2013（7）：1-3.5 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援散装水泥，圆园圆圆（猿）：员远远原员远愿援缘 黄朱盛，刘继岩，龙一平援深孔台阶预裂爆破技术在公路复杂环境的运用 允 援山西建筑，圆园圆圆，源愿（员员）：怨苑原员园园援远 白二涛，邹虎诚援预裂爆破在牛苦头露天采场终了边坡中的应用 允 援云南冶金，圆园圆员，缘园（缘）：员员原员源援苑 李祥龙，杨长辉，王建国，等援基于模型试验的预裂孔爆破参数优选 允 援高压物理学报，圆园圆圆，猿远（圆）：188-194.愿 厉美杰，杜军，李泽华，等援孕灾悦 管装入多孔粒铵油炸药在露天矿预裂爆破中的应用 允 援采矿技术，圆园圆员，圆员（远）：员源源原员源远援怨 王亚强，杨海涛，李晨，等援预裂爆破成缝宽度与线装药密度关系试验研究 允 援金属矿山，圆园圆员（苑）：愿怨原怨缘援员园 高斌援预裂爆破炮孔间距与孔径倍数关系的数值模拟与优化 阅 援包头：内蒙古科技大学，圆园圆员援员员 陈元利，付玉华，郭丽艳，等援“小构造”复杂岩石条件下掏槽爆破的试验研究 允 援矿业研究与开发，圆园圆园，源园（远）：圆猿原圆苑援员圆 夏钢源，方建国援预裂爆破在晋宁磷矿露天坑边坡的应用 允 援现代矿业，圆园圆员，猿苑（员圆）：员缘远原员缘怨援33