非构造裂隙的新爆破方法与实践

1　简介 　　和田布雅露天煤矿 位于和田市以南118km，主要岩性为硬砂岩、中砂岩和碳质泥岩，其中:中粒和 中细粒砂岩岩石普氏系 数 f=4.5～7，主要分布在二采区和三采区上部；f=3～4的中等坚硬岩石主要分布在二采区下部 和 首采区；f=2～2.5的碳质泥岩主要沉积在煤层顶、底板之间。矿区干旱、少雨、多风，属 于典型的内陆亚干旱荒漠气候带，岩石表面风化剥蚀严重，裂隙发育，层理明显，均质性很差。 　　和田布雅露天煤矿设计分为3个采区，由东向西、由低向高依次分为首采区、二采区和 三采区；采场标高依次为+2731～2795、+2805～2860和+2868～3000m。台阶高度8m，汽车运 输 。除三采区只形成采掘标高+2984～2992m和+2992～3000m两个剥离台阶以外，首采区和二采 区剥 离台阶全部形成。根据采场内岩体裂隙、采场外岩体特性、岩性变化等构造情况，可以断定 该矿区岩体属非均质结构，所形成的裂隙为非构造裂隙。 　　2　常规爆破法存在的主要问题 　　根据笔者在现场的亲身体验，在非构造裂隙的岩体中，现场采用的是25kg大袋散包装硝铵炸药，球形集中装药，炸药完全集中在钻孔底部，平均炸药单耗0.4kg/m3，每孔装药70kg左 右， 孔径150mm，炸药密度950kg/m3，超深1m，药柱高度4m左右，所有剥离台阶全部采用单排 孔电力瞬发起爆。爆破以后，对爆堆形状可直观描述如下：爆堆沉降2～3m不一。台阶下部岩石完全破碎并沿底部自由面被完全抛出达5～6m ，而台阶上部岩石则裂隙多、大块多，有些因裂隙产生的大块最大可达4×4×5m，这些上 部大块多呈沉降形；爆堆后冲大、裂隙多，形成很大的裂沟，有些由台阶顶部直接开裂至底 部，给采装 带来很大困难，二次爆破量大；一次爆破量少，不到5000m3，不够电铲两天采装 。由此可见，由于非构造裂隙的存在，在采用球形散状集中装药、单排孔瞬发起爆的情 况下，爆破效果不好。 　　3　非构造裂隙岩体对爆破作用的影响分析 　　 根据现场统计分析，最易产生大块的是主要岩性为裂隙和节理都十分发育的f=4.5～7的中 、硬 砂岩。其中，在二采区上部和三采区的硬岩当中，由于岩体受风化剥蚀的影响程度大、作用 深，岩体强度小于岩块强度，爆破时岩体主要沿层理面裂开，形成较大岩块，一般都在2×2 ×3m以上，其形状多为方形和不规则矩形。据现场统计，大块发生率在60%左右，其余为 较小碎块。 　　在二采区下部和整个首采区，由于岩体所受到的风化剥蚀程度影响相对较小，裂隙细小、密 集，除少部分岩块是由爆破作用直接产生的以外，大部分岩块是因为爆炸应力波沿岩体原有 的 节理裂隙错动扩张而产生。从爆破现场看，爆破所产生的岩块相对较小，一般在2×2×2m以 下，其形状有别，间距不同，交角各异，完整性很差。据统计，大块发生率较高，一般在 70%左右。 　　通过观察发现：爆破效果的好坏与岩体结构面的产状有很大关系，在有裂隙、 软弱夹层和软硬互层的岩体中，爆破作用很容易从强度低、松软部位的方向突破，这也是经常造成大块多、使岩体抛得过于分散的重要原因。 　　4　爆破新方法与实践 　　针对在非构造裂隙中的爆破问题，笔者和现场工程技术人员一起经过6次有针 对性的爆破实验，提出以下解决办法。 　　4.1　采用多排孔毫秒微差压渣爆破 　　根据岩石力学性质，岩体中的应力场随时间迅速变化，采用导爆索加继爆管的联线方式 ，实现排与排之间的毫秒微差爆破，改善岩体中的应力场，使后排孔的爆炸应力波对前排孔 已爆松的岩体进行二次或反复破碎。由于炸药爆破时多裂隙的非均质岩体产生的 冲击波和应力波的衰减比均质岩体要快，将单排孔爆破改为三排或多排孔爆破，使排与排 、 孔与孔之间的爆炸应力波相互叠加，相互作用，相互影响，尽可能地使爆炸应力波的作用充 分发挥。在裂隙密集、节理发育和台阶自由面贯通的地段，采用压渣爆破的方法，在台阶 坡面 前留部分爆堆渣体不采，使爆炸应力波的破碎效果充分作用在岩体内，避免爆生气体从 裂隙中逸出。 　　表1　爆破参数表(略） 　　4.2　改球形集中装药为柱形集中或分段装药 　　4.2.1　 爆炸应力波衰减慢 现场采用的是25kg大袋散包装球形集中装药、电力瞬发起爆，使所有药量完全集中在钻孔底 部。根据爆炸应力波产生的应力场、应变和位移理论分析：应力波衰减指数与装药方式和 波阵 面有关。球形爆破爆源类似球形，相对集中，球面波呈散形扩展，动应力场是球对称的，应 力 波衰减很快，造成底部岩石被炸药充分破碎，而台阶上部岩石由于爆炸应力波随距离的增大 而衰减，已不足以有效地对上部岩石进行破碎，在有岩石结构面的〖JP2〗条件下，上部岩 石便很容 易沿裂隙节理裂开。为此，将大袋散包装改为每袋6kg、药包直径120mm的柱形小包装。而柱 形集中装药或分段装药，可使爆破产生的冲击波和应力波以柱面波的形式传播，其动应力场 是轴对称的，应力波相互叠加，爆破能量在岩体中均匀分配。 　　4.2.2　 爆炸应力波作用时间长 　　球形药包集中装药时冲击波正压作用时间： （公式略） 　　上式说明，球形药包集中装药冲击波对岩石的正压作用时间要比柱形装药短，对岩石的破碎 效果也就差。根据计算，球形冲击波的 有效能量只是冲击波总能量的1/6左右，而柱形冲击波的有效能量却占冲击波总能量的将近1 /4，其破碎作用可想而知。 　　4.2.3　爆炸应力波交叉破碎 　　根据台阶不同位置出现的岩性变化，可在岩性比较坚硬钻孔位置 处设置药室分段装药， 在岩性比较松软处进行充填。实验表明，采用分段装药，利用药室所处的不同位置对岩体进 行交叉破碎，使炮区中每一部分岩石都能受到爆炸应力波的作用，从而，解决台阶中由于岩 性变化或炸药爆力不足产生大块的可能。 　　4.3　集中装药和分段装药交替布置 为了避免由于全部采用集中装药药柱不高、药量过于集中、全部药量集中在钻孔底部而 带来的台阶底部岩石被抛出，上部岩石产生大块的可能，采用排和排之间集中装药和分段装 药交替布置的方式。 　　4.4　减少装药量，降低装药密度 为了减少后冲，避免爆破以后形成很多、很大的裂缝，减少最后一排孔20%的药量，将其增 加给中 间孔，采用集中装药，并将药包直径120mm的袋状小包装改为100mm的袋状小包装 以 达到降低装药密度的目的。减轻爆轰波对后排孔岩石的压力，使裂隙区的范围不至于扩大。  　　4.5　优化爆破参数 根据多次反复不同的实验，获取了优化的爆破参数。 信息来源于：中国煤炭