0 引言

大红山铜矿二期工程是云南省首家全面采用无轨机械化设备，进行地下开采的现代化矿山。矿床内主要赋存多层缓倾斜中厚矿体，层间开采相互影响大，矿体形状变化大，界线不清。通过现场调查和统计分析知，大红山二期工程范围矿岩具有节理裂隙发育，结构面粗糙，倾角陡，干燥无渗水及结构面闭合的分布特征。由此造成大红山铜矿崩矿块度不均匀，炸药单耗高。本文针对大红山铜矿的爆破现状，分析了岩体内节理裂隙对中深孔爆破效果的影响，对爆破方案作了优化，取得了良好的效果。

1 国内外研究动态 1.1 节理岩体爆破的理论研究状况

纵观国内外关于节理岩体理论的研究情况可以看出，20世纪80年代前主要是对节理岩体爆破产生的现象进行了理论分析，20世纪80年代后主要是建立模型来进行分析^[1]。但是，这些研究一方面没有全面和系统地研究节理岩体的集合特征和物理特性，没有定量地综合性地给予其质量评价，造成了节理岩体在爆炸载荷作用下研究的深入受到很大限制；另一方面，对节理岩体在爆炸载荷作用下所发生的炸药爆轰、应力波传递和气体作用过程、岩石动载变形、节理滑移、裂纹开裂以致破碎成块和抛掷全过程缺乏全面而深入的认识，致使对节理岩体爆破机理的深入研究受到很大限制。

1.2 节理岩体爆破的试验研究状况

国内外关于节理岩体对爆破效果的试验研究，绝大多数结果都是以试验数据为基础，主要侧重于分析节理面的某些特征与孔网参数的相互关系对爆破质量的影响，部分考虑爆破的物理过程，以单因素为前提，具有很强的针对性^[1]。然而工程爆破中，很多因素都同时发生变化，节理分布、岩体特性、爆破孔网参数、装药参数等都难以实现单因素变化的条件。多因素之间相互制约、相互影响，即便是同一因素的影响作用也会因其他因素的改变而产生明显的差异，由此使得试验研究结果的意义受到较大限制。

对比分析节理岩体爆破的理论与试验研究的进展发现，理论研究滞后于试验研究，基础理论的研究成果十分有限，导致试验研究始终停留在定性分析与经验公式阶段，缺少必要的理论指导。

2 节理裂隙对爆破的影响 2.1 节理裂隙对爆破效果的影响

炸药爆炸对岩石介质的破坏过程主要是应力波传播作用过程。炸药爆炸的瞬间, 产生大量的高压、高速、高温的爆炸气体。爆炸气体以其冲击压力作用于岩石炮孔孔壁上。该压力远大于岩石介质的抗压强度, 使距离炮孔中心2~3倍钻孔直径范围内的岩石被压碎。之后, 这种压应力以波的形式向远离炮孔方向传播, 炮孔孔壁产生沿径向的振动位移形成应力纵波。根据弹性力学压力隧洞理论^[2]，径向位移又将引起与径向压应力等值的切向拉应力, 也向远离炮孔方向传播, 形成应力横波。

大量的试验与工程实例表明：岩体中的地质不连续面对爆破结果有显著的影响。事实上其影响甚至超过了岩石的其他物理力学性质的影响。由于通过节理面应力波衰减，爆炸气体外逸，以及由地质不连续面造成装药分布不平衡，都会产生不均匀破碎。

2.2 节理裂隙对爆破应力波传播的影响 2.2.1 节理裂隙带对应力波传播的影响

应力波和其它波一样, 具有折射、反射、绕射等性质。当应力波传播到介质的自由表面或与其它介质的交界面的时候, 波将在该表面或交界面上发生反射和折射^[2]。当应力波通过两侧为相同岩石的结构面时，应力波通过结构面的透射、反射系数可由方程组求出^[3]：

式中：V_ll为纵波的反射系数，W_l为纵波的透射系数；V_lt为纵波转化为横波的反射系数，W_t为纵波转化为横波的透射系数；α₁为纵波入射角，β₁为纵波转化为横波的反射角；C_p为纵波波速，Cs为纵波转化为横波波速；tanϕ为摩擦系数。

当应力波通过多个平行线性节理时，节理带对波传播的影响较为复杂，原因是波在这些节理之间发生多重反射与透射，对它们进行精确的叠加分析，是很困难的。这里比较科学的处理方法是将位移不连续模型与特征值方法结合联合分析^[4]。用位移不连续模型，可以直接考察每个节理处波衰减的情况；而特征值方法，又隐含地考虑了岩体内部节理的多重反射作用。既考虑了多重反射的影响，又避免了为直接确定反射波与透射波的叠加，而进行复杂的中间处理过程。通过该方法针对节理个数进行的参数研究显示，透射系数W与节理间距、节理个数的依赖关系，可由节理间距与波长的比值ξ统一控制；并发现ξ存在两个重要的指标——门槛值ξ_thr、临界值ξ_cri（ξ_thr>ξ_cri）。

节理个数的影响：一般地讲，W随节理个数N的增加而减小。①若ξ≥ξ_thr，W较强地依赖于节理个数，即随节理个数的增加而显著减小；②当ξ_thr>ξ>ξ_cri时，W随节理个数的增加而减小的趋势变弱；③若ξ≤ξ_cri，W随节理个数的增加而减小的趋势变得更弱。

王明洋等关于爆炸应力波通过节理裂隙带的衰减规律的研究^[5]，由图 1可以看出，对于固定的泊松比，当爆炸应力波通过节理裂隙带时，裂隙带和入射角对波的传播起阻碍作用，且裂隙带越发育，裂隙条数越多，波的透射系数越小，能量损耗越多。

通过现场调查和统计知，大红山二期工程范围矿岩节理裂隙具体情况见表 1^[6]。

由统计表可以看出，从I₃矿体直接顶板到I₃~I₂矿体夹层平均间距35.26cm，矿区内主采矿体节理裂隙发育，基本属层状结构；且结构面间距较小，说明岩体被结构面切割的厉害，岩体的完整性差。由于炮孔穿过的节理裂隙数目多，所以当爆破应力波通过节理裂隙带时，产生了多重反射和透射，部分能量在节理面上产生逃逸，部分能量损耗于扩展原有裂隙，减少了有效破碎的总能量，直接影响崩落矿石的块度的均匀性。

2.2.2 节理裂隙倾角对应力波传播的影响

Larson和Pugleise在小台阶爆破中发现：炮孔排与裂隙方向斜交时破碎效果不好，而炮孔排平行于裂隙方向时可得到较好的爆破效果。Singh等研究了裂隙方向的两个极端情况（即水平和垂直的），发现平均碎块尺寸受裂隙方向和抵抗线的影响相当大。他们的研究表明：抵抗线的影响比裂隙方向的影响更大。对于非裂隙型模型试验发现：最优破碎抵抗线为30mm。

D·P·Singh，K·S·Sarma通过室内模型试验研究裂隙对岩石爆破的影响^[3]，可以看出，裂隙方位角θ= 60°时，随抵抗线的不同，爆破后岩石块度、径向破裂情况也有很大差异。并在爆破以后，收集碎块进行筛分分析。按下面公式可以得出每次试验的平均块度。

式中：m_i——等于在i级筛与（i-1）级筛之间的碎块质量；

n_i——等于i级筛与（i-1）级筛之间的平均孔径。

通过块度分析，发现除了垂直裂隙模型外（θ= 90°），抵抗线为20mm得到的平均块度都小于抵抗线为30、40mm的情况。在裂隙倾角θ=0°的模型中，抵抗线为30mm时获得最大平均块度；在裂隙倾角θ=60°的模型中，平均块度随抵抗线增加而增加；在裂隙倾角θ=90°的模型中，抵抗线为40mm时获得最大平均块度。

大红山二期工程实验盘区内爆破采用上向扇形中深孔大爆破，其爆破参数为^[6]：

（1）最小抵抗线（炮孔排距）W=1.4m；

（2）孔底距a=2.8m；

（3）拉槽抵抗线（炮孔排距）W=1.0m；

（4）拉槽孔间距a=1.0m；

（5）炮孔直径d=80mm。

综合上面的分析可以看出，大红山二期工程主采矿体节理倾角68°，爆破后矿石的块度随抵抗线的增大而增大。二期工程的爆破参数是与一期工程类比后确定的，未充分考虑节理裂隙倾角与抵抗线对爆破效果的影响，这将使得爆破方案中抵抗线与裂隙倾角不协调，将对爆破块度产生一定影响，使大块率大于设计。

3 工程实例 3.1 地理位置和地质概况

大红山铜矿位于云南省新平县境内，紧靠哀牢山脉东侧的嘎洒江东岸，是一大型、浅~深埋矿床，隶属于云南省易门矿务局。矿区内有3个铜矿体，其中二期工程主采矿体I₃铜矿体赋存于Ptdm³含矿地层上部，矿体在A₂₀₀线以西走向N60°W，倾向S30° W，倾角为25~35°，厚度为2~34m，呈层状、似层状产出^[6]。

3.2 爆破岩石块度分析

爆破后采用照相面积法对盘区崩落矿石进行块度分析。选择位于矿房中央部位，服务周期长，因而矿石块度对整个矿房矿石块度代表性强的3^#、4^#进路为测试地点^[7]，具体情况见表 2、表 3，块度组成曲线见图 2、图 3。

通过对取样的分析计算，得出切割槽爆破时的不均匀系数K_b=113.2%，大于60%，故切割槽爆破时矿石的块度是不均匀的；大量崩落矿石时的不均匀系数K_b=87.6%，大于60%，故矿房爆破时矿石的块度也是不均匀的。

通过对盘区切割槽和盘区矿房崩落矿石块度的分析，得出造成矿石块度不均匀的主要原因有：

（1）切割槽爆破时炸药单耗过高，造成矿石过于粉碎；

（2）矿房大爆破时，装药设计不十分合理，造成炸药单耗过高；

（3）由于节理构造的存在, 岩体抗拉强度的粘结力(内聚力)大大降低, 使岩石出现薄弱面。在爆炸的作用下, 爆轰气体会以楔入作用使裂隙张开, 造成爆轰气体由裂隙处逸出, 爆炸能量损失, 同时产生飞石，提高了单位炸药量的消耗。

（4）岩石的波阻抗等于岩石密度和纵波速度的乘积。岩石节理降低了岩石密度, 也使波阻抗降低。岩石波阻抗越小, 应力衰减指数越大。因此节理的存在导致爆炸应力波的严重衰减, 乃至逸出, 使爆炸能利用率降低, 影响破岩效果。

（5）设计爆破方案时未充分考虑该矿发育的节理裂隙对爆破造成的影响，导致爆破效果受节理裂隙影响较大，大块率增加。

4 结语

由理论分析看出，爆破漏斗的形状和尺寸、破碎发展的形式均受节理裂隙发育程度及相对于裂隙方向的装药位置的控制。为了取得良好的爆破效果，矿山开采时在以下方面作了改进：

（1）组织训练小组进行培训，使训练小组成员能熟练掌握进口凿岩台车、装药台车的基本性能、操作技巧。通过专家指导、员工现场操作，最终使得炮孔各项规格指标，装药的各项参数达到了设计要求。其中装药台车的使用成功，使得装药深度（30m）和孔径（80mm）均实现突破，达到国外先进水平。

（2）针对崩落矿岩过于粉碎，在爆破时适当降低了装药量，并进行间隔装药^[8]，爆破效果得到一定改善。

（3）充分利用在节理面上容易贯通这一特点，结合该矿具体的节理裂隙特点，通过工业试验，确定合理的爆破参数，适当改变孔底距，改变最小抵抗线，避免过早地在同一排孔间形成贯穿裂隙，提高炸药能量利用率，改善爆破效果。最终确定了最小抵抗线W=1.6m，孔底距a=2.5~3.0m，交互布置的变孔底距爆破参数。

（4）为减弱因应力集中引起的后冲，选取合理的起爆方式和排间微差时间，保证后排孔新的自由面形成的时间，减弱爆破后冲作用对后部岩体的影响，避免表面裂隙的形成。

（5）通过不断的爆破实践，进一步研究了增大网孔参数、装药结构优化、排间微差起爆时间等问题，通过参数优化使爆破效果得到了一定的改善，降低了炸药单耗，崩矿块度均匀性得到了提高，提高了整个生产系统的工作效率，大大降低了采矿成本。