作者：孙 炜
摘 要
目前大多露天矿山爆破开采均存在边坡不稳定现象，不但严重影响了开采效率，而且存在诸多安全隐患。本文就目前此状况，从现代爆破技术出发，就露天矿边坡稳定性问题做了短浅的研究。
利用现代爆破技术中的预裂爆破技术可以在很大程度上减小对台阶边坡的破坏，从而确保台阶边坡的稳定。
关键词：预裂爆破；边坡；控制；不耦合装药
1 边坡及边坡稳定性
1.1 露天矿边坡的定义[1]
岩体、土体在自然重力作用或人为作用而形成一定倾斜度的临空面。露天矿边坡又称露天矿边帮，是露天矿场的构成要素之一。指露天矿场四周的倾斜表面，即由许多已经结束采掘工作的台阶所组成的总斜坡。它与水平面的夹角，称边坡角或最终边坡角。按边坡与矿体的空间相对位置，可将边坡分为上盘边坡、下盘边坡和端部边坡。边坡与地表的交线称露天采场的地表境界线，边坡与底平面的交线则称底部境界线。
1.2 影响露天矿山边坡稳定性的因素
1.2.1 爆破对边坡稳定性的影响
爆破对边坡的影响主要是爆破产生的地震波对边坡原有的自稳结构造成破坏，造成临界爆破孔周围岩石节理结构以及围岩应力改变，从而使边坡失去自稳。
1.2.2 台阶高度和平台宽度的影响
确定台阶高度和平台宽度要考虑矿岩的埋藏条件和力学性质，以及穿爆作业和采掘工作面的要求。我国大中型矿山的台阶高度为8～15 m。平台宽度不但影响边坡角的大小，也影响边坡的稳定，因此台阶的最小宽度必须保证运输和安全的需要。
1.2.3 边坡角与边坡高度的影响
在边坡角相同的条件下，边坡越高稳定性越差，这是由于边坡矿体自重力加大使边坡滑动的剪切力也相应增加。增加量与滑体体积的增加成正比，而抗滑动剪切的内聚力的增长与滑体面积成正比，增长量较小。当边坡高度一定时，边坡角越大，边坡越不稳定，反之，边坡角越小，边坡越稳定。
1.2.4 岩体结构面的影响
结构面就是在岩体内形成具有一定方向、规模、形态和特性的面、缝、层、带状的地质界面。结构面直接影响着边坡岩体变形、破坏的发生和发展过程，主要体现在以下几个方面:
(1)岩体的结构面都是弱面，较破碎，易风化，结构面中有裂缝，抗剪强度较低 ；
(2)孔隙、裂隙、节理为地表水的渗人及活动提供了良好的通道，使岩石抗剪强度进一步降低 ；
(3)结构面影响滑体的滑动面及边缘轮廓，甚至决定了边坡破坏的类型。结构面的成因(原生、次生、构造)、规模、连续性与间距、起伏度与粗糙度、结合状态和充填物都对边坡的稳定性产生影响，尤其结构面与边坡临空面走向关系的影响最大。典型的结构面破坏类型分为平面滑坡、楔体滑坡、倾倒滑。
1.2.5 地形地貌与地质构造因素
边坡坡面的形状对边坡稳定性有很大的影响，边坡坡面的形状为凹形时较凸形对边坡稳定更有利，平面斜坡稳定性居中；地表面的不同形状则对重力分布产生影响，岩体重力分布不均容易使边坡失稳。地质构造主要指破碎带、断层、节理裂隙和层理面等形成的弱面，包括弱面的朝向、强度、填充性质等。朝向和坡面一致且倾角小于坡面的弱面朝向是最不利朝向；边坡中含有不稳定且与水膨胀的软岩夹层时，也会对坡面夹层造成严重影响。
2 边坡预裂爆破技术
2.1 预裂爆破的概念[2]
预裂爆破是在光面爆破的基础上发展起来的一项控制爆破技术，目前已广泛地应用于露天矿边坡、水工建筑、交通路堑等基础开挖工程，为了使爆破开挖的边界尽量与设计的轮廓线相符合，不出现超挖和欠挖现象，同时使开挖边界上的岩体能尽量地保持完整无损，保持其强度和稳定性，降低爆破地震的危害范围和破坏程度，在露天中深孔临界永久边坡和堑沟、基坑等的露天爆破工程中，常采用保坡的预裂爆破方法。
预裂爆破是沿开外边界或设计轮廓线布置一排小孔距的预裂孔，采取不耦合装药或装填低威力炸药，在开挖区主爆破炮孔爆破前，首先起爆这些轮廓线上的预裂孔，从而在主爆区与保留区之间形成平整的预裂缝，以减弱主爆破对保留岩体的破坏作用，形成平整轮廓面的爆破作业。
2.2 预裂爆破技术的发展及应用现状
2.2.1 预裂爆破技术的发展
20世纪60年代初，不耦合装药，密眼齐发等预裂爆破技术在美国Niagara水电站建设中首先得到了大规模应用，并取得了良好的爆破效果。70年代中期，预裂爆破在我国露天矿开始大量应用，目前，大多数矿山采用大孔径，小药径的不耦合装药法，如南京白云石矿露天开采过程中，孔径160mm，台阶高度12m，药卷直径50mm，长药包连续装药结构，孔距2.0m，用电雷管起爆导爆索起爆药包，预裂孔超前50～100ms于主爆孔，爆破后边帮残留炮痕率大于50﹪，保边（帮）效果良好。
2.2.2 国内外靠帮预裂控制爆破现状[3]
国内露天矿靠帮爆破均采取了相应的降震措施，大多数矿山采用预裂爆破，少数矿山采用缓冲爆破和光面爆破，按钻孔方向分类：有垂直孔爆破和倾斜孔爆破，垂直孔爆破采用牙轮钻机或潜孔钻机穿孔，孔径170mm；倾斜孔爆破采用潜孔钻穿孔，孔径多为170mm，150mm，如表2-1所示：
武汉钢铁公司大冶铁矿是我国大型深凹露天矿之一，东露天采场上盘边帮为闪长岩，下盘边帮为大理岩，岩石坚固性系数为8～14，个别地段节理发育有断层断碎带。大冶铁矿自1974年开始试验预裂爆破，1978年于临界固定边帮处普遍使用预裂爆破，降震率为19.2﹪～42﹪，在边帮稳定性差的地段采用缓冲爆破，降震率为18﹪～23﹪。
本钢南芬露天铁矿是本溪钢铁公司主要的铁矿石原料基地，也是我国生产能力最大，机械化程度最高的露天矿之一，底盘为角闪岩，岩石坚固性系数为12～14，上盘为片麻状混合岩，岩石坚固性系数为8～12。南芬露天铁矿于1984年进行了预裂线总长为470m的预裂爆破。预裂炮孔为垂直炮孔，孔径为250 mm，孔距为2.8 m，不耦合系数为3.9；装药密度为2.7 kg/m。装药结构采用径向不耦合柱状连续装药，预裂孔超前起爆时间为50ms以上。
国外露天矿控制爆破主要采用预裂爆破和缓冲爆破，据统计加拿大25个露天矿中，约有1/2矿山采用预裂爆破，1/3矿山采用缓冲爆破。其他国家也有类似情况，见表2-2。
表2-1 国内主要金属矿山预裂爆破使用情况
表2-2 国外矿山靠帮预裂控制爆破方法
2.3 控制边坡稳定的预裂爆破参数设计
爆破参数设计是预裂爆破成功与否的关键，合理的爆破参数直接决定着爆破效果的好坏，良好的预裂爆破效果残留眼痕率应该达到50﹪以上，确保对边帮或设计轮廓线周边的岩体结构不造成破坏，从而保证边坡稳定。
2.3.1 岩石爆破作用机理
岩石爆破破碎的机理有多种理论和学说，人们普遍认同的是：应力波和爆轰气体压力共同作用学说。此学说综合考虑了冲击波和爆轰气体在岩石破坏过程中所起的作用，爆轰波波阵面的压力和传播速度大大高于爆轰气体产物的压力和传爆速度。爆轰波首先作用在药包周围的岩壁上，在岩石中激发形成冲击波并很快衰减为应力波。冲击波在药包附近岩石中产生“压碎”现象，应力波在压碎区域之外产生径向裂隙。随后，爆轰气体产物爆破气体压缩被冲击波压碎的岩石，爆轰气体“楔入”在应力波作用下产生的裂隙中，使之继续延伸和进一步扩张。当爆轰气体的压力足够大时，爆破气体将推动破碎岩块作径向抛掷。对于不同性质的岩石和炸药，应力波与爆轰气体的作用程度是不同的。在坚硬岩石、高猛炸药、耦合装药或装药不耦合系数较小的条件下，应力波的破坏作用是主要的；在松软岩石、低猛度炸药、装药不耦合系数较大的条件下，爆轰气体的破坏作用是主要的。
预裂爆破过程中，采用小孔距，低猛度炸药，不耦合装药结构，根据岩石爆破作用机理在炸药爆破瞬间由于冲击波作用在岩石径向产生裂隙，随之，在冲击波和爆轰气体的共同作用下使炮孔裂隙不断扩大，从而在各个预裂孔之间产生一条较大的贯穿裂隙，之后爆轰气体沿着裂隙方向作用，不再对轮廓线周边的岩体产生破坏，在主爆区爆破时此预裂缝极大了阻碍了爆破冲击波及爆轰气体作用的传播，不使被保护岩体产生破碎，失稳。
2.3.2 预裂爆破参数设计
影响预裂爆破参数的因素很多，目前，一般根据实践经验，并考虑各爆破参数之间的相互关系来进行参数的确定。
1.孔径 d
目前露天矿爆破的孔径主要是根据台阶高度和钻机性能来决定的。对爆破质量要求高的工程，采用较小的钻孔。一般工程钻孔直径以80～150mm为宜，对于质量要求较高的工程，钻孔直径以32～100mm为宜，最好能按药卷直径的2～4倍来选择钻孔直径。
2.预裂孔距 a
预裂爆破的孔距相对较小，通常一般工程取a=(5~7)；质量要求高的工程取a=(7~10)d。选择a时，孔径大于100mm时取小值，小于60mm时取大值；对于较软弱破碎的岩石a取小值，坚硬的岩石取大值；对于质量要求高的 a取小值，要求不高的取大值。
3.预裂孔不耦合系数 Kd
不耦合系数为炮孔内径与药卷直径的比值。值大时，表示药卷与孔壁之间的间隙大，爆破后对孔壁的破坏小；反之对孔壁的破坏大。一般可取 Kd=(2~4)。实践证明，当Kd≥2时，只要药卷不与保留的孔壁紧贴，孔壁就不会受到严重的损害。如果 Kd＜2，则孔壁质量难以保证。所以，在装预裂孔时药卷应当放在炮孔中间，不能与保留区的孔壁紧贴，否则就可能造成对孔壁的破坏，边坡也将失稳。
4.线装药密度 q
装药量合适与否关系到爆破的质量、安全和经济性，因此，预裂孔的线装药密度是一个很重要的参数。装药密度以下经验公式进行计算：
（1）保证不破坏被保护孔壁的线装药密度计算公式：
式中 δ—岩石极限抗压强度，MPa；
r—预裂孔半径，mm；
q —线装密度，kg/m。
该式适用范围是岩石极限抗压强度为10～15 MPa，预裂孔半径为46～170 mm。
（2）保证形成贯通相邻炮孔裂缝的线装药密度计算公式：
该式适用范围是岩石极限抗压强度为10～150 MPa，预裂孔半径为46～170 mm。
5.预裂孔孔深
预裂孔孔深的确定以不保留根底和不破坏台阶底部岩石的完整性为原则，根据具体的工程的岩体性质来确定。
6.堵塞长度
良好的堵塞不但能充分利用炸药爆炸的能量，而且能减少有害气体的效应，如果不堵塞，炸药在爆炸反应过程中，除与自身的氧结合外还与空气中的氧结合，造成炸药反应的负氧平衡。
2.3.3 露天矿靠帮预裂爆破的质量标准及效果评价
一般根据预裂缝的宽度、壁面的平整度、孔痕率等来评价露天矿靠帮预裂爆破的质量及效果。
（1）预裂缝缝口宽度不小于1cm；
（2）预裂壁面上完整地留下半个炮孔痕迹，药卷附近岩体不出现严重的爆破裂隙；
（3）预裂壁面基本光滑、平整，不平整度应小于15cm；
（4）残留孔痕率在硬岩中不少于80﹪，在软岩中不少于50﹪；
参考文献
[1] 丁士昭.矿业工程管理[M].中国建筑出版社，2015
[2] 汪旭光，于亚伦，刘殿中.爆破安全规程实施手册[M].人民交通出版社，2004
[3] 杨军，陈鹏万，胡刚.现代爆破技术[M].北京理工大学出版社，2004
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