某矿高地应力采场爆破技术研究

苏 丹 曹万宝 吴和平

（1.湖南辰州矿业有限责任公司；2.鑫达金银开发中心有限责任公司）

我国浅部资源已经面临枯竭，许多矿山的开采已经进入深部，深采矿往往面临着“三高一扰动”的挑战。深部开采工程处于高地应力环境下［1］，由重力引起的原岩应力就可以达到20 MPa左右（埋深800～1 000 m）［2］。工程开挖所引起的应力集中水平（＞40 MPa）远大于工程岩体的强度，采场爆破产生的爆破振动也会对采场形成动力扰动［3］。有研究表明，微差起爆有助于爆破过程中应力波的叠加，延长岩石间碰撞时间，降低爆破振动，减少对周围岩体的影响［4］。同时能够改善爆破效果，减少大块的产生，降低二次破碎的成本，提升资源回收效益［5-6］。

某矿开采深度逐年增加，现已经进入深部采矿阶段，由岩石自重产生的地应力逐渐增加。由于地下采掘工程的不断拓展，导致应力集中程度更加明显。爆破振动和高应力水平的相互作用，对采场的安全性和稳定性影响较大。矿山进行现场爆破试验，探究单排孔及双排孔微差起爆产生的效果，以得到更加适合矿山高应力采场的爆破方案。

1 矿区概况

矿区在深部采场选择6个测点进行地应力测试，结果见表1。6个测点的垂直应力分量σz表现为随埋深增加而明显增大，28平-1#测点（埋深约655 m）垂直应力分量为6.698 MPa，32平-2#、3#测点（埋深约750 m）的垂直应力分量约10 MPa，而埋深超过930 m的4#～6#测点的垂直应力分量均达到30 MPa左右；垂直应力分量随深度变化的规律可拟合为公式σz=0.092 5h－56.891。

综合6个测点的地应力分量可以发现，在32平以上测点（1#～3#测点）的水平构造应力占优；而之下的40平中段自重应力占优。据此推测在32平～40平中段存在一个由水平构造应力占优向自重应力占优转化的深度范围。矿区侧压系数范围为4.22～0.79，该范围与我国大陆区域的侧压力系数分布规律基本一致。由于本次测量的测点大多位于埋深较大的深部矿区，应力分量中存在较大的剪应力，按照莫尔-库仑理论，岩体的破坏通常是由于剪切破坏引起的。在高应力条件下由脆性向延性转化的岩石较为明显。

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矿区有6条工业矿体平行展布，东西走向长50～300 m，倾斜延伸1 100～2 000 m以上，倾角26°～35°，平均脉幅0.2～2.0 m，局部较厚，达4 m以上。随着矿体向下延伸，矿体产状变化较大，表现在倾角上由缓倾斜到倾斜进而变化到急倾斜，脉幅渐薄，但品位渐高。矿体整体为缓倾斜薄矿体，地质赋存条件简单，矿体、围岩中等稳固。采场地压较大，爆破振动对采场的稳定性影响较大。

2 爆破试验方案

为探究高地应力采场的最优起爆方式，选定某矿的3个采场（3449采场、3287采场、4145采场）进行工业试验，采用MINIMATE PRO6型爆破振动测试设备对试验采场和对比采场进行监测。通过3个采场的现场试验，对爆破效果进行综合评价，对爆破效果、大块率、爆破振动以及技术经济进行对比，从而探究适合本采区高应力采场的最优起爆方式。

2.1 3449采场

3449采场使用的是矿山传统的非微差起爆方式，一次爆破2 m，爆破振动监测距离28 m，最大单响药量2.4 kg。

2.2 3287采场

3287采场进行单排孔微差爆破试验，多排孔一次起爆，毫秒延期起爆可以有效控制爆破后的块度，将爆破有害效应控制在安全范围之内［7］。采场爆破长度为10 m；采用光面爆破，光爆孔深3.3 m，孔径42 mm，采矿进尺2.2 m。监测距离40 m；最大单响药量11.2 kg。多排孔一次起爆，孔间延期为25 ms。

2.3 4145采场

4145采场使用双排孔微差爆破试验，采用单段双排毫秒微差起爆，采场爆破长度为6 m，监测距离23.5 m，最大单响药量11.2 kg。双排孔排间延期时间为25 ms

3 实验结果

3.1 大块率

3449传统爆破采场中大块较明显，3287和4145实验采场中均无60 cm以上的大块，在4145采场中60 cm以下的大块数量也比3287采场少。爆破后块度统计见表2。

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试验采场平均大块数约为对比采场的一半，且没有出现超过70 cm的特大块。说明了使用微差起爆对改善爆破块度是有效果的，双排起爆采场的大块少于一次多排起爆的采场，证明双排起爆对改善爆破块度的效果更好。

3.2 爆破振动

（1）3287实验采场最大振动速度为10.03 mm/s，发生在0.131 s。监测详细数据见表3。

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（2）4145实验采场最大振动速度为26.31 mm/s，发生在0.029 s，监测详细数据见表4。

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（3）3449对比采场最大振动速度为10.67 mm/s，发生在0.160 s，监测详细数据见表5。

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根据萨道夫斯基爆破振动经验公式，基于以上测试数据，推算出当3449对比采场中炸药量为11.2 kg时，距离爆炸中心22，40和23.5 m处质点的爆破振动速度分别为30.92，13.39和29.25 mm/s。3287实验采场在距离爆炸中心40 m处的最大振动速度为10.03 mm/s；4145实验采场在距离爆破中心23.5 m处的最大振动速度为26.31 mm/s。在距离爆炸中心40 m处，3287实验采场的爆破振动速度小于3499采场，在距离爆炸中心23.5 m处，4145采场的振动振动速度也小于3499采场。结果表明，微差起爆有利于降低爆破振动。

通过实验结果比较可知，采场应用毫秒微差爆破技术，大块率降低了50%，爆破振动减少了3～4 mm/s，双排起爆可以更好地降低爆破后大块的形成。第一段起爆药包基本不存在爆轰波叠加，会造成振动速度峰值相对较大，在具体布孔时，可由减少第一段起爆炸药量来控制整个爆破振动。而双排起爆具有更好的实用性，在降低爆破振动和控制大块率的同时，一次起爆量大，可以减少准备工作时间［8］。对于这2种不同的微差起爆方式，可以根据实际爆破矿体的厚度来决定。在厚度相对较大的矿脉进行爆破时，可采用单段双排毫秒微差起爆。

4 结语

用毫秒微差爆破开采深部高应力缓倾斜薄矿体，减少了作业准备时间，提高了劳动效率，使整个工作面暴露时间缩短，有利于控制顶板稳定，且爆破效果较好。矿脉较薄的采场可以采用一次起爆微差爆破，降低爆破振动的同时较少采场大块的产生；在矿体稍厚的采场采用单段双排毫秒微差起爆，可以提高一次爆破量，适应高地应力下的矿脉开采。