0 前言

某露天矿是一个日采剥总量达8500 t，服务年限仍有20年的中型矿山。矿山采用移动边坡开采, 设计最终开采标高为+190 m，+280 m以上为山坡露天，+280 m以下为凹陷露天。目前最低开采标高已达+240 m，+420 m台阶以下均未达到最终开采境界。有9个台阶作业，台阶高度18~22 m。矿山所使用的爆破方法是在台阶下部凿水平浅孔，孔深6~8 m的药壶爆破，1 m³挖掘机出矿。但药壶爆破使边坡很不平整，易造成超挖和欠挖；台阶坡面上松石较多，爆破裂隙深入到台阶内6~7 m以上，个别情况下甚至超过10 m，极易造成滑坡，安全隐患很大。矿山决定进行露天矿最终边坡整治，在最终边坡处进行预裂爆破，以形成较为平整、符合设计和安全要求的最终边坡，减少和杜绝超挖或压矿的现象，确保最终边坡在矿山服务年限内的稳定性，为矿山创造最大的经济效益。

1 矿山地质概况

矿体赋存于火山凝灰熔岩与花岗斑岩的内外接触带，顶板围岩为火山凝灰熔岩与花岗斑岩，底板围岩为花岗斑岩。最终边坡上的岩石基本上为花岗斑岩，岩石本身较致密坚硬，f=8~12。但裂隙发育，大部分裂隙的走向、倾向和倾角与矿区的断裂构造的走向、倾向和倾角一致，但也有小部分不规则裂隙。现场统计，1 m²的范围内，有东西走向，倾向南，倾角60°左右的裂隙6~10条；北北东走向，倾向南东，倾角70°左右的裂隙8~15条；北偏西走向，倾向南西，倾角55°左右的裂隙8~13条；还有一些不规则裂隙5~10条。这些裂隙多被矿液或硅质物质充填，胶结程度较好。

2 边坡预裂爆破试验 2.1 凿岩参数设计

（1）孔径d及炮孔倾角β。d=100 mm；β=75°。

（2）超深h₁及孔深h。①预裂孔h₁=2.0 m；②预裂孔前的所有炮孔h₁=1.0 m；③h=h₁+H/sin75°=19~ 23 m。式中H为台阶高度，H=18~22 m。

（3）预裂孔孔间距a。预裂孔孔间距a是预裂爆破中最重要的参数之一。孔间距大，则线装药密度增高，将可能破坏光面层；若不加大线装药密度，预裂缝将可能难以形成。孔间距小，将大大增加预裂孔的数量，增大凿岩费用。参考类似工程，试验选用的孔间距a=0.8~1.3 m，从1.0 m开始进行试验。

（4）光面层厚度(即预裂孔至预裂孔前的缓冲孔之间距离)N。光面层厚度是确保预裂爆破效果的重要参数之一，N过小，缓冲孔的爆炸应力波可能会穿过预裂缝，破坏永久边坡；N太大，可能造成缓冲孔与预裂孔之间的岩石不能充分破碎，因此该设计选用N=1.0~1.3 m。

（5）缓冲炮孔。孔间距a₂，a₂=1.4~2.0 m（即预裂孔前的第一排炮孔）。缓冲孔至常规炮孔的排间距b₁=1.8~2.2 m，及常规炮孔的排间距b₂=2.5~3.0 m, 底盘抵抗线W_底=2.5~4.0 m，第一排孔距坡顶线的距离s≮2.0 m。

（7）常规炮孔的孔间距a₃=2.5~3.0 m。

（8）炮孔布置。首先在最终边坡线上布置预裂孔，然后按N和a₂布置一排缓冲孔，再根据b₁、b₂、s、a₃布置常规孔，常规孔采用梅花形布孔(见图 1)。

2.2 爆破参数设计

（1）爆破器材品种、规格。乳化油炸药：炸药直径Φ=32 mm时，每节炸药重200 g，每节炸药长230 mm；炸药直径Φ=70 mm时，每节炸药重1000 g，每节炸药长240 mm；导爆索；普通20段毫秒导爆管雷管。

（2）预裂孔的线装药密度q_L。线装药密度q_L是预裂爆破中最重要的参数之一，线装药密度过大，破坏预裂孔孔壁及周围的岩石，半孔率难以实现；线装药密度不足，预裂缝难以形成。线装药密度的计算与确定有3种方法：理论计算法，经验公式计算法与经验数值法。理论计算法由于许多参数确定困难，其次其准确度也存在问题，故本试验研究中未采用，经验公式常见的有：

(1)

(2)

(3)

(4)

式（1）~式（4）中：G_c为岩石的极限抗压强度，/MPa；r为预裂孔半径，/mm; a为预裂孔孔间距，式（1）、式（2）、式（3）中的单位为cm；式（4）中的单位为m；D为预裂孔直径，/cm；q_L为线装药密度，/g·m^-1。

若考虑a=100 cm，r=35 mm，D=7.0 cm，G_C=80 MPa，按式（1）q_L≈367 g/m，按式（2）q_L≈531 g/m，按式（3）q_L≈342 g/m，按式（4）q_L≈376 g/m。参考一些已成功的工程实例和实际经验，从地质条件、炸药性能、钻孔孔径、爆破规模和施工等进行类比，综合考虑孔间距及钻孔所在位置情况，线装药密度q_L的试验研究值q_L=0.3~0.6 kg/m。

（3）缓冲孔的炸药单耗K₁及每孔装药量Q₁，/kg，K₁=0.45~0.55 kg/m³，Q₁=K₁ a₂ b₁H。

（4）常规孔的炸药单耗K₂及每孔装药量Q₂，/kg，K₂=0.42~0.53 kg/m³，Q₂=K₂a₃b₂H或Q₂=K₂a₃W_底 H。

2.3 装药结构与充填设计

（1）预裂孔的装药结构与充填设计。为克服孔底较大的“夹制”作用，采取孔底1.0 m二节Φ32 mm的炸药卷并排连续，紧接着2.0 m一节Φ32 mm的药卷连续，剩余的炸药沿预裂孔剩余的装药长度均匀间隔分布。毫秒导爆管雷管装在孔下部的炸药卷内。全炮孔敷设导爆索和竹片。导爆索、炸药、雷管、脚线（导爆管）均用胶带（胶布）捆扎在竹片上，在孔外加工好，多人（4~5人）把按设计要求加工好的炸药慢慢放入预裂孔内。见图 2（b）。预裂孔的充填长度设计考虑L₁=1.0~2.0 m，根据试验效果调整。用钻孔的岩粉进行充填，充填前，要先用炸药包装纸堵塞到装药部位，以避免充填的岩粉掉入装药部位，见图 2（b）。

（2）缓冲孔的装药结构与充填设计。缓冲孔的装药结构为孔底2.0 m为Φ70 mm的炸药卷连续装药，剩余的炸药量约三分之二用Φ32 mm药卷二节并排连续装药装在孔的下部，余下的约三分之一炸药量用Φ32 mm的药卷单节连续装在孔的上部至充填部位。除孔底2.0 m外，缓冲孔剩余长度上均敷设导爆索和竹片。导爆索、Φ32 mm的药卷、导爆管均用胶布捆扎在竹片上，毫秒导爆管雷管装在孔中下部的药卷内，在孔外加工好后，慢慢装入孔内。见图 2（a）。缓冲孔的充填长度L₂=1.2~2.0 m，用岩粉充填，充填前先用包装纸堵塞到装药部位。

2.4 起爆网路设计

预裂孔和缓冲孔采用孔内1发导爆管雷管和导爆索双重引爆炸药，常规孔采用孔内2发同段导爆管雷管引爆炸药；孔外用1段毫秒导爆管雷管作联接元件，最后用2发火雷管激发的非电起爆网路。预裂孔和预裂孔前的所有炮孔同段次引爆。

试验期间爆破规模不大，每次预裂孔控制在15个孔左右，总炮孔40~60个。预裂孔超前常规孔150 ms以上同时（预裂孔一般用一段毫秒雷管）起爆。预裂孔前的炮孔采用排间微差。前排超前后排1~2段起爆。

3 试验结论

预裂爆破参数优化现场试验共进行了预裂爆破试验20余次，获得了大量的试验数据。经整理分析，可获以下简要结论：

（1）钻孔质量是确保预裂爆破效果的关键。爆破现场清理干净后能够清楚地看到；若预裂孔的倾角误差小于0.5°，孔深达到设计要求的地段，半孔率可达80 %以上，且岩面平整，不平整度小于±15 cm，底部也平整，无岩坎；若预裂孔的倾角，孔深达不到设计要求，半孔率低，岩面不平整度可达到于±30 cm以上，底部也会有岩坎。

（2）在工程地质条件和孔径不变的情况下，随着预裂孔孔间距a的增大，线装药密度q_L增大。随着孔间距的降低，预裂面的平整度和半孔率增高。在孔深19~23 m，炮孔角度偏差小于1°的情况下，a=0.8 m，q_L=0.35~0.40 kg/m时，残留半孔率达75 %以上；a=0.9 m，q_L=0.38~0.43 kg/m时，残留半孔率为70 %左右；a=1.0 m，q_L=0.40~0.46 kg/m时，残留的半孔率为50 %~65 %；a=1.1 m，q_L=0.43~0.49 kg/m时，残留的半孔率仅为40 %左右，且预裂面不太平整，不平整度达到±20 cm；a=1.2 m，q_L=0.40~0.52 kg/m时，残留的半孔率为15 %~25 %，且预裂面不平整。综合考虑各方面的因素，推荐该矿采用的预裂孔的主要爆破参数为：a=1.0 m，q_L=0.445 kg/m左右。

（3）缓冲孔孔间距1.5 m，光面层厚度1.3 m，缓冲孔与常规孔之间的距离2.0 m，缓冲孔的炸药单耗0.49 kg/m³；常规孔的孔间距2.5 m，排间距3.0 m，底盘抵抗线W_底＞4.0 m时，采用台阶底部打水平浅孔扩壶，把W_底降到4.0 m以下，常规孔的炸药单耗0.47 kg/m³。采用上述参数可获得较好的爆破效果。

（4）孔间距的大小对充填长度影响不大；爆破地点的地质条件和孔径D、排间距b（或说最小抵抗线）对充填长度的影响较大。在孔径为100 mm时，在岩石较为破碎地带，预裂孔的充填长度L₁=1.9 m左右，一般破碎地带L₁=1.6 m左右时，预裂孔起爆时未看见爆破飞石上抛现象，爆后现场勘查，边坡线较平直，台阶面上也未出现爆破破碎的碎石。缓冲孔的充填长度在2.5 m左右，常规孔的充填长度在3.0 m左右时，一般不出现爆破时爆破飞石上抛现象，爆堆表面大块一般不出现，1 m³的挖掘机正常挖装，不用二次破碎。

通过本预裂爆破实验，我们总结出了适用于本矿山的预裂爆破的参数。保证了露天矿山边坡的稳定，为类似矿山的边坡预裂爆破提供了参考，具有较好的现实意义。