1工程概括

某位于刚果（金）东南部，矿区地貌类型属高原山丘地貌。现状已形成北西-东南走向近椭圆状露天采坑，长约 1300m，宽约 700m。矿区存在多处边坡局部破坏现象，但均集中分布于南部边坡及西部边坡，其岩体松散，加之降雨及爆破等因素影响，极容易产生局部破坏现象。绿纱铜钴矿区属热带草原气候，一年中分为旱季、雨季两个季，11 月至翌年 3 月份为雨季，空气潮湿，雨量充沛，对矿坑边坡的稳定性具有巨大的影响。

现状形成东、南、西三侧边坡，矿坑东侧边坡主要为白云岩为主，整体边坡角12~30°。该边坡部分台阶岩石风化严重，局部存在岩石碎裂现象。矿坑南侧边坡主要出露泥岩、泥砾岩、泥质粉砂岩，整体边坡角 27~39°。边坡出露岩体风化严重，强风化泥岩及泥质粉砂岩厚度大，岩体质量较差，导致边坡上部已产生大规模滑塌，滑坡体长约 200m，高约 60m。滑塌部分堆积于下部开采平台，未对矿山造成严重影响。矿坑西侧边坡主要出露泥岩、泥砾岩、泥质粉砂岩、白云岩，整体边坡角 19~43°。该边坡台阶岩石风化严重，存在多处小规模坍塌。边坡顶部有较宽裂缝，部分边坡岩土体悬空，存在滑塌风险。

2试验方案

为了研究不同边帮情况下预裂爆破的减震效果，分别对三种边帮的同一平台设计了普通爆破与预裂爆破的对比试验，每次爆破均在矿坑外扩线上设置固定的三个测点，每个测点都安置一台TC-04850 爆破测振仪，以便精确的检测出，爆破应力波穿透边帮后的振动数值，测定布置与仪器如图3所示。

                  （a）测点图                   （b）TC-0 4850 爆破测振仪

图3.测点与测量仪器

2.1爆破参数设计

根据矿山原有爆破经验以及矿山经济效益的考虑下，对于主爆破的爆破参数设定为a：b为4.5:2.3。矿山开采设计台阶高度为12m，主要爆孔设计为12m，超深0.7m。基于对预裂爆破效果的考虑，对其设计参数如下。

（1） 钻孔直径：绿纱矿目前采用的钻孔设备为泰业TAIYE370-DTH-V分离式钻孔机，直径为115mm。由于受机器、场地情况、操作技术的限制，炮孔角度一般选为90°。

（2） 台阶高度：预裂孔设计按照现场实际情况来设定，本次实验采用整段爆破，预裂孔应较设定台阶超深0.5m~1.5m，为确保预裂爆破效果良好以及爆破后底板的平整性，选用超深为1.5m.

（3） 炮孔长度L按照如下公式计算：

           (1)

其中，L为爆破孔总长度，单位m；H为台阶高度单位m；h 为设计超深。

（4） 预裂孔间距是预备爆破中的主要参数，也是影响预料爆破效果的影响因数之一。其经验公式为：

         (2)

公式，m为经验系数，取m=0.6～0.8。由公式可以得出a=0.8~1.3m.

（5） 预裂爆破装药量;

          (3)

公式中，Q为预裂爆破单孔装药量，单位g;q为预裂爆破的线装药密度，单位g/m。根据试验前预试验的预裂爆破经验，q的取值在0.76～1.36g/m之间，硬岩取大值，软岩取小值。

根据上文对预裂爆破影响因数的分析，基于不同边帮的岩石力学参数，选取了3组不同的爆破对比试验参数进行了现场试验，具体数据如下表2所示。

表2爆破试验参数

2.2施工工艺与装药方式

本次爆破试验中主炮孔使用乳化炸药，在爆孔底部安置400g的起爆弹，用500ms的雷管引爆；预裂孔采用不耦合连续装药结构，使用导爆索垂直于爆孔中央，将Φ30mm的乳化药卷均匀的黏贴在导爆索上。而东邦的岩性较为坚硬，且岩体内部孔隙发育小，为了爆破效果的良好，在预裂孔底加强放置了2根Φ70 mm的乳化药卷，每根药卷重2kg，装药方式如图4所示。

（a）东邦装药                 （b）西南装药结构

图4 装药结构

为了便于到导爆索的安放，采用竹片与导爆索捆扎的施工方案。首先按着装药方式与设计方案将乳化药卷粘贴在导爆索上，将粘贴后的导爆索捆扎在相应长度的竹片上，固定完好后，缓缓放入爆孔内，调制好位置，确保竹片位于爆孔中间位置。如图5所示。预裂孔要先于主爆孔50-150ms起爆，为了控制爆破振动值的精确，主爆孔采用逐孔起爆方式，孔间距间隔时间去25ms。填塞长度基不同岩性的强度、岩体裂隙的发育程度考虑，在西帮、南邦处则考虑适当的减少填塞长度，以便于爆破能量的外放，确保爆破后岩体的完整性。

图5 预裂孔装药方式                图6 爆破应力波矢量拟合图

2.3实验结果统计

本次爆破严格按照爆破设计进行，在爆破后使用TC-04850 爆破测振仪测定出爆破应力波传播过测点的爆破振动速度，对三轴（x、y、z）的爆破应力波进行矢量拟合，拟合结果值如图6所示。由公式4可知，爆破应力波的波形能表现出爆破后的不同时间段内，测点内爆破应力波传播过程中携带的能量，振动值越大，携带的能量愈大，对围岩的损伤情况越多^[2-3]。由于可见爆破应力波中峰值在爆破应力波能量传播过程中有着显著的意义。故此本次试验结果选取每次爆破的峰值作为参考。

                （4）

公式中，E为爆破振动某一刻的能量，单位为j； m 为质元的质量；v为爆破中某一时刻的爆破振动速度，单位cm/s。

为了便于比较不同边帮的预裂爆破与普通爆破后的爆破振动值的变化情况。将爆破结果值整合到同一表格内。表3给出了三组对比爆破试验后的各个测点的爆破振动值与半孔存留率。

表3  爆破对比试验结果

3.试验结果分析

为了便于分析爆破对比试验结果，对表3进行优化，即将不同边帮各个测点的普通爆破与预裂爆破的峰值、半孔老率进行计算，得出结果下表4所示.

表4 爆破点应力波峰值对比结果

由表4可知，在东邦爆破时候，预裂爆破较与普通爆破，各个测点的爆破应力波振动值下降率为9.5%、4.5%、55.6%。这主要是测点5位于预裂孔的正向位置，在预裂孔爆破后形成了裂隙空间，当爆破应力波传播此处后，岩体与空气间的阻尼不同，爆破应力波发生透反射，导致了爆破波的能量大量耗散，减缓了爆破应力波的能量传播，维护了边帮的稳定性^[4]。其他边坡的预裂爆破结果与此也是相同的原理。

由表4可知，相应的正面衰减爆破应力波传播的情况下，西帮、南邦的的地震应力值变化情况要小于东邦的变化值。东邦的岩体节理、裂隙发育较缓，在预裂爆破中能被爆破能量完整的切割分离；而在西帮与南邦的预裂爆破中，岩体节理裂隙发育度较高，岩体在爆破切割过程中，爆破能量从孔隙中逃逸，导致了岩体平整度低，甚至部分岩体依旧连接在一起，因而减缓爆破应力波的衰减进程^[5]。也就是西帮、南邦的爆破应力波峰值减缓程度低的原因。

由表4可知，各个边帮的经过预裂爆破后，其半孔率相应提升了53.1%、51.0%、46.2%。而半孔率作为统计边坡稳定性情况的重要指标之一，主爆破下爆破对边帮稳定性的帮助较低，其原理为普通爆破过程中，尤其是逐孔起爆，爆破区内部不同受到的爆破载荷力存在差异，一部分的爆破载荷作用在边帮上，进而导致了阶梯面出现凹凸不平，半孔存留率低。边帮上半孔率值增多，则相应的岩壁上伞岩、突石的概率降低。半孔率值提升越高，边坡岩体表面的平整度有显著的提升，对边坡的稳定性有极大的影响^[6]。

4.结论

（1）预裂爆破对地震应力波传播中的衰减，具有加速作用，极大的维护了矿山高边帮的稳定性。且边帮的岩性愈坚硬、岩体内节理裂隙发育小，则预裂爆破对爆破应力波的衰减促进越多，基于岩体的岩性，选择合理的预裂爆破参数，能更有有效控制爆破振动的衰减，维护边帮稳定性。

（2）预裂孔后岩壁的半孔存留率相应提升了53.1%、51.0%、46.2%。试验证明了预裂爆破在矿山扩帮过程中对边帮的稳定性有显著的帮助。

参考文献：

[1]蔡美峰.深部开采围岩稳定性与岩层控制关键理论和技术[J].采矿与岩层控制工程学报,2020,2(03):5-13.

[2]卢大卫,李双智,王艳君.爆炸应力波传播及衰减规律研究[J].重庆第二师范学院学报,2014,27(06):19-21.

[3]夏致晰,张生余,涂建刚.爆炸应力波在层状岩体中的传播与衰减[J].河南科学,2007(05):727-730.

[4]吕祥锋,林鑫,欧阳韦,王年近,张福荣.动载作用下岩-强/软阻隔层-煤组合承载体应力波传播衰减规律及能量耗散的特征（英文）[J].Journal of Central South University,2023,30(01):276-288.

[5]田振农,张乐文.岩体中软弱夹层影响爆炸波传播规律的数值分析[J].沈阳工业大学学报,2010,32(03):349-354.

[6]张迎春,赵良玉,张遵辉,刘丰博,周晓光.预裂爆破技术在露天矿山治理工程中的应用[J].采矿技术,2023,23(02):135-138.