露天礦極薄上覆泥夾巖爆破方法探究

盧子冬,宋曉鳴,羅忠慶

(山西同德爆破工程有限責(zé)任公司,山西 忻州 034000)

隨著露天礦推進(jìn)工作線的不斷后移,礦產(chǎn)資源的賦藏條件相較于首采區(qū)露頭部分煤田,已呈現(xiàn)復(fù)雜化,多種地質(zhì)問(wèn)題逐漸凸顯,給爆破剝離造成很多困難和挑戰(zhàn)。作為一種沉積巖,煤田及其上覆巖層呈層狀分布,但因不同地理位置的上覆巖層在成巖過(guò)程中所受應(yīng)力和其他環(huán)境影響效果不同,造成其厚度、堅(jiān)固性系數(shù)和完整性等指標(biāo)變化,使鉆爆難易程度隨之改變。極薄泥夾巖即為露天礦開(kāi)采過(guò)程中常出現(xiàn)的一種棘手地質(zhì)問(wèn)題,因其厚度薄、埋藏淺、賦藏不連續(xù)且多層分布等特點(diǎn),極大地增加了爆破治理難度。采用機(jī)械硬挖效率極低且易損毀設(shè)備;采用鉆爆方法處理又常因泥夾巖厚度較小且上下兩層泥土夾制,使得爆破能量多數(shù)做無(wú)用功,爆后泥夾巖塊度較大,難以達(dá)到理想處理效果。針對(duì)露天礦極薄上覆泥夾巖處理難題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做過(guò)很多相關(guān)方向的研究。徐葉勤等[1]運(yùn)用力學(xué)分析方法解釋了軟弱夾層對(duì)巖石爆破變形破壞效果的影響。劉傳正等[2-4]研究了巖石中軟弱夾層對(duì)爆破應(yīng)力波的應(yīng)力影響特征和對(duì)應(yīng)力波傳播影響等關(guān)鍵問(wèn)題。丁恩理等[5]嘗試采用軟硬互層類巖石試樣模擬現(xiàn)場(chǎng)地層結(jié)構(gòu),通過(guò)三軸抗壓試驗(yàn)研究其力學(xué)特性。廖志毅等[6]從數(shù)值模擬角度分析了巖體在爆破應(yīng)力波下的破碎效果。黃雄等[7]針對(duì)軟硬夾層巖石創(chuàng)新地突出了深淺孔交替布置,以達(dá)到破碎效果互補(bǔ)的爆破方法。魏格平等[8]則在工程實(shí)踐中研究了藥壺爆破法在露天礦山的適用性。本文以山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)河曲舊縣露天礦在開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)的泥夾巖爆破難題為研究對(duì)象,通過(guò)多方面的技術(shù)分析和爆破試驗(yàn),總結(jié)出了較為理想的爆破處理方法。

1 工程概況及處理方案

1.1 地理位置

山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)河曲舊縣露天礦(簡(jiǎn)稱山煤舊縣露天礦[9])位于山西省河曲縣,毗鄰黃河,與當(dāng)?shù)刂饕煌ǖ缆稴249省道相連,露天礦生產(chǎn)極大地帶動(dòng)了地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。其首采區(qū)推進(jìn)已臨近礦田邊界,推進(jìn)線東側(cè)出現(xiàn)無(wú)序分布的極薄泥夾巖,平均厚度小于1 m,其埋藏較淺,呈多層分布,處在上下兩層泥土夾制之中。用機(jī)械直接硬挖效率低下,常規(guī)鉆爆法爆破效果極差,爆后該層泥夾巖大塊率較高,二次破碎工程量大,且易形成傘檐,已成為阻礙露天礦有序推進(jìn)的一大難題。根據(jù)地質(zhì)鉆勘探結(jié)果,首采區(qū)已探明的泥夾巖區(qū)域如圖1所示,山煤舊縣露天礦泥夾巖層現(xiàn)場(chǎng)分布如圖2所示。

圖1 山煤舊縣露天礦首采區(qū)泥夾巖范圍Fig.1 Mud-stone interlayer district of the first mining area in Jiuxian Open-pit Mine

圖2 泥夾巖層現(xiàn)場(chǎng)分布圖Fig.2 Field distribution of mud-stone interlayer

1.2 泥夾巖爆破處理方案

因泥夾巖層具有厚度薄、埋藏淺、上下泥土夾制等降低爆破效果的特點(diǎn),運(yùn)用傳統(tǒng)鉆爆法處理難以將炸藥裝至理想位置,炸藥爆炸能量多數(shù)在軟泥中消耗,所以常常會(huì)產(chǎn)生爆后大塊率高、剝離難度大、易形成傘檐等諸多問(wèn)題。想取得較為理想的爆破治理效果,需采用特殊爆破法。

擬采用的特殊爆破法有:間隔裝藥爆破法[10];藥壺爆破法[11];小孔徑炮孔分層爆破法;底部墊層藥壺爆破法。裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 五種爆破方法裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of charging structure of five blasting methods

傳統(tǒng)鉆爆法為保障裝藥長(zhǎng)度和填塞長(zhǎng)度,防止爆破產(chǎn)生飛石的同時(shí)足量裝藥,以保證泥夾巖破碎效果,需將炮孔深度延伸至下部泥土層內(nèi),按照12～32倍孔徑[12]來(lái)設(shè)計(jì)填塞長(zhǎng)度,利用下部足量的炸藥爆破產(chǎn)生的爆轟應(yīng)力和氣體膨脹做功來(lái)破碎泥夾巖層。通過(guò)大量爆破試驗(yàn)證明,傳統(tǒng)鉆爆法爆轟應(yīng)力多數(shù)損失于泥土層的彈塑性變形,而作用于泥夾巖層的爆轟應(yīng)力十分有限,只能使巖體產(chǎn)生較少裂縫,后續(xù)爆生氣體也難以將其進(jìn)一步擴(kuò)大,泥夾巖破碎效果極差,剝離過(guò)程中發(fā)現(xiàn)大塊率較高,需進(jìn)行二次破碎,少部分形成傘檐,剝離效率低下,爆破效果不佳。傳統(tǒng)鉆爆法現(xiàn)場(chǎng)爆破效果如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)鉆爆法爆破效果圖Fig.4 Blasting effect of traditional drill-blasting method

間隔裝藥爆破法為防止傳統(tǒng)鉆爆法爆轟應(yīng)力主要作用于泥土層彈塑性變形,而導(dǎo)致泥夾巖層破碎效果不佳這一缺點(diǎn),裝藥時(shí)在泥夾巖層段裝藥的同時(shí),在其下部設(shè)一段空氣間隔柱,保證爆轟應(yīng)力直接作用于泥夾巖層,使其產(chǎn)生爆破裂隙。后續(xù)底部裝藥爆破產(chǎn)生的膨脹爆生氣體將裂隙進(jìn)一步貫通,加強(qiáng)泥夾巖層破碎。

藥壺爆破法設(shè)計(jì)原理為:在主爆區(qū)爆破前先利用小段炸藥將炮孔內(nèi)的泥夾巖層段炸出一個(gè)壺形,再將除填塞段的炮孔全部裝滿炸藥,利用泥夾巖段藥壺過(guò)裝的炸藥,減小炮孔間抵抗線距離的同時(shí),先起爆藥壺段裝藥,增強(qiáng)該段爆轟應(yīng)力,達(dá)到加強(qiáng)泥夾巖層破碎的效果。

小孔徑分層爆破法避免了大孔徑炮孔填塞段太長(zhǎng)的問(wèn)題,利用小孔徑炮孔,減小其填塞段長(zhǎng)度,可充分匹配巖石賦存特點(diǎn),將裝藥段設(shè)置在巖性較硬的泥夾巖層中,將填塞段設(shè)置在巖性較軟的泥土層中。在保證單位炸藥消耗量的同時(shí)，將炸藥更均勻地進(jìn)行分布,使爆破能量更為合理分布,取得理想的巖石破碎效果。

底部墊層藥壺爆破法鉆孔時(shí)炮孔底部距離巖、泥分界面一定距離,留有約0.2 m的泥夾巖底部墊層,再運(yùn)用小段炸藥在爆破前于炮孔底部炸出一個(gè)藥壺,提高單個(gè)炮孔的裝藥量,并且通過(guò)加大鉆孔密度的方法保障單位炸藥消耗量。底部墊層可防止爆轟應(yīng)力提前在下部泥土中泄放掉,藥壺可增強(qiáng)泥夾巖位置的爆破效果。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

1)炮孔深度。傳統(tǒng)鉆爆法、間隔裝藥爆破法和藥壺爆破法的炮孔深度與臺(tái)階高度相同,即臺(tái)階高度h=l1=l2=l3=5.0 m;小孔徑分層爆破法炮孔深度根據(jù)巖、泥分層情況確定,上層炮孔孔深h1=1.0 m,下層炮孔孔深h1′=1.5 m;底部墊層藥壺爆破法因底部留有0.2 m泥夾巖墊層,炮孔深度h2=2.3 m。

2)炮孔直徑。根據(jù)露天礦采場(chǎng)潛孔鉆機(jī)型號(hào),選定常規(guī)炮孔直徑為d=115 mm,小孔徑分層爆破法選定鉆孔直徑為ds=40 mm。

3)炮孔間排距設(shè)計(jì)。采用梅花形布孔方式,傳統(tǒng)鉆爆法、間隔裝藥爆破法和藥壺爆破法的炮孔間距選定為la=4.0 m,排距選定為lb=3.5 m;小孔徑分層爆破法上層炮孔間、排距分別選定為la4=1.0 m,lb4=0.8 m,下層炮孔間、排距分別選定為la4’=1.2 m,lb4’=1.0 m;底部墊層藥壺爆破法炮孔間、排距分別選定為la5=3.0 m,lb5=2.5 m。

2.2 裝藥參數(shù)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)鉆爆法、間隔裝藥爆破法和藥壺爆破法的炮孔填塞長(zhǎng)度選定為2.0 m,則裝藥長(zhǎng)度為3.0 m,其中間隔裝藥爆破法在裝藥段內(nèi)設(shè)置0.5 m的空氣間隔柱;小孔徑分層爆破法上層炮孔填塞長(zhǎng)度為0.7 m,裝藥長(zhǎng)度為0.3 m,下層炮孔填塞長(zhǎng)度為0.9 m,裝藥長(zhǎng)度為0.6 m;底部墊層藥壺爆破法填塞長(zhǎng)度為1.8 m,裝藥長(zhǎng)度為0.5 m。

根據(jù)相同巖性爆破工程經(jīng)驗(yàn),選定炸藥單耗為q=0.35 kg/m3,則傳統(tǒng)鉆爆法單孔藥量為Q1=q×la×lb×h=0.35×4×3.5×5=24.5 kg,為施工便捷,取25 kg;間隔裝藥爆破法因在裝藥段設(shè)置0.5 m的空氣間隔柱,其單孔藥量設(shè)計(jì)為Q2=20 kg;藥壺爆破法因藥壺的存在,必然在傳統(tǒng)鉆爆法單孔藥量上有所增加,單孔藥量設(shè)計(jì)為30 kg;小孔徑分層爆破法上層單孔藥量Q4=q×la4×lb4×h1=0.35×1×0.8×1=0.28 kg,為裝藥便捷,將其設(shè)計(jì)為0.3 kg;下層單孔藥量Q4’=q×la4’×lb4’×h1’=0.35×1.2×1×1.5=0.63 kg,為裝藥便捷,將其設(shè)計(jì)為0.6 kg;底部墊層藥壺爆破法將單孔藥量設(shè)計(jì)為6.5 kg。

2.3 爆破參數(shù)比較

傳統(tǒng)鉆爆法、間隔裝藥爆破法在鉆孔環(huán)節(jié)速度并無(wú)差別,因有空氣間隔存在,可節(jié)約部分炸藥使用量;藥壺爆破法和底部墊層藥壺爆破法因需提前爆破產(chǎn)生藥壺,成孔速度較慢,爆前準(zhǔn)備工作較繁瑣,一定程度上使推進(jìn)速度滯后,藥壺成形較難把控,因藥壺存在而增加了炸藥使用量;小孔徑分層爆破法雖可使炸藥爆炸能量更均勻分布,但炮孔數(shù)量多且難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工,使工程進(jìn)度遲緩,將嚴(yán)重影響露天礦正規(guī)循環(huán)作業(yè)。5種爆破方法爆破參數(shù)詳見(jiàn)表1。因各種爆破方法均存在填塞長(zhǎng)度較小的問(wèn)題,為減少爆破飛石,需在爆破過(guò)程中采用毫秒延期起爆技術(shù)為炮孔創(chuàng)造有利的自由面。在爆破中,均采用數(shù)碼電子雷管實(shí)現(xiàn)逐孔起爆,同排孔間延期時(shí)間為17 ms,排間延期時(shí)間為42 ms。間隔裝藥爆破法需設(shè)置上下2個(gè)起爆藥包,起爆時(shí)應(yīng)使上部藥包先行爆破,上下藥包延期10 ms。

表1 五種爆破方法爆破參數(shù)表Table1 Blasting parameters of five blasting methods

2.4 泥夾巖治理效果

經(jīng)過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn),4種特殊爆破方法對(duì)泥夾巖治理效果各有利弊。間隔裝藥爆破法爆后泥夾巖破碎程度與傳統(tǒng)鉆爆法相差無(wú)異,地表無(wú)隆起,裂隙較少,剝離后大塊較多,見(jiàn)圖5(a)；究其原因,泥夾巖段的炸藥雖先行起爆,直接作用于泥夾巖層,但下部為空氣間隔柱,對(duì)爆轟波的約束作用極小,使爆轟波在泥夾巖段作用時(shí)間短,未起到良好的破碎作用。藥壺爆破法爆后效果呈現(xiàn)差異性,不同藥壺炮孔對(duì)泥夾巖的破碎效果差異明顯；因其擴(kuò)孔形成藥壺的過(guò)程中,藥壺位置處于巖、泥交界面,部分藥壺位于泥土層內(nèi),較難把握藥壺成型效果,爆破效果見(jiàn)圖5(b)。小孔徑分層爆破法因其分層精細(xì)化施工和均勻布藥,取得較為理想的泥夾巖破碎效果,爆后泥夾巖破碎治理效果明顯,爆破效果見(jiàn)圖5(c)；但該爆破法增加了平臺(tái)推進(jìn)次數(shù),對(duì)礦山正常推進(jìn)速度造成影響,同時(shí)Φ40 mm炮孔倚仗人工鉆孔,單片炮區(qū)孔數(shù)繁多,大大增加鉆孔和裝藥、組網(wǎng)環(huán)節(jié)的人工作業(yè)強(qiáng)度。底部墊層藥壺爆破法爆破效果最為理想,爆后爆區(qū)整體沉降明顯,泥夾巖層破碎塊度較小且均勻,底部墊層在藥壺內(nèi)炸藥爆炸后,對(duì)爆轟波起爆一定的約束作用,延長(zhǎng)了爆轟波在泥夾巖層內(nèi)的作用時(shí)間,使泥夾巖破碎較為充分；爆破試驗(yàn)同時(shí)證明,底部墊層藥壺爆破法在炮孔排數(shù)較少時(shí)可取得更為理想的爆破效果，見(jiàn)圖5(d)。對(duì)4種爆破方法爆后大塊率進(jìn)行比較,可得到出:間隔裝藥爆破法爆后大塊率仍保持在15%以上；藥壺爆破法爆后大塊分布無(wú)序,部分藥壺效果良好位置大塊得到了解體,整體大塊率為10%左右；小孔徑分層爆破法可徹底解決極薄泥夾巖爆后大塊多的問(wèn)題,大塊率可控制在3%以下；底部墊層藥壺爆破法因底部加強(qiáng)裝藥和炮孔加密,大塊率也得到了有效控制,約為6%。

圖5 四種爆破方法泥夾巖治理效果圖Fig.5 Mud-stone interlayer control effect by four blasting methods

3 結(jié)論

泥夾巖層因其特殊的賦藏條件而成為露天礦山常規(guī)推進(jìn)的一大阻礙,傳統(tǒng)鉆爆法因難以將炸藥裝至理想位置而造成爆破能量損失,無(wú)法取得理想的爆破效果。研究和探討間隔裝藥爆破法、藥壺爆破法、小孔徑炮孔分層爆破法和底部墊層藥壺爆破法4種針對(duì)泥夾巖的特殊爆破方法各自的適用性和爆破效果,可得到如下結(jié)論:

1)間隔裝藥爆破法因空氣間隔柱難以起到對(duì)爆轟波的約束作用,縮短爆轟波作用時(shí)間,無(wú)法取得理想的泥夾巖層破碎效果,爆后大塊率高,更適用于巖石內(nèi)部含有軟弱夾層的情形;

2)小孔徑分層爆破法施工精細(xì)、炸藥能量分布合理,爆破效果理想,可有效控制大塊率,但阻礙臺(tái)階推進(jìn)速度,且增大人工作業(yè)強(qiáng)度,難以大規(guī)模應(yīng)用,適用于小規(guī)模剝離爆破;

3)藥壺爆破法理論上可獲得較好泥夾巖層破碎效果,需控制好藥壺位置,底部留有泥夾巖墊層可取得更為理想的破碎治理效果,可在改進(jìn)后形成統(tǒng)一工法逐步推廣應(yīng)用于相似作業(yè)環(huán)境。但因藥壺的預(yù)先形成不確定因素較多,隨著泥夾巖賦藏條件變化,部分區(qū)域藥壺成型效果差,直接影響爆破效果,這點(diǎn)需在今后研究中著重解決。