大孔徑深孔控制爆破技術(shù)在露天礦邊坡工程中的應(yīng)用

茍 強(qiáng)

（廣元海螺水泥有限責(zé)任公司，四川 廣元 628000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的基礎(chǔ)設(shè)施投入建設(shè)，各類(lèi)建筑材料的需求也隨之增加，因而各水泥礦山企業(yè)紛紛提高產(chǎn)量以滿足日益增大的水泥需求量[1-2]。而隨著礦山產(chǎn)量的增大，爆破作業(yè)強(qiáng)度和爆破次數(shù)均隨之增加，爆炸作業(yè)環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，爆破有害效應(yīng)所引起的民事訴訟及糾紛也日益增多，對(duì)礦山的正常生產(chǎn)秩序造成了嚴(yán)重的影響[3-5]；其中，尤以邊坡爆破滾石事故最為突出，由于此類(lèi)事故會(huì)對(duì)邊坡下方的建筑和山林農(nóng)作物產(chǎn)生極大破壞作用，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，必須采取有效的安全技術(shù)措施，滿足礦山的安全生產(chǎn)需要。

在露天礦山邊坡開(kāi)采過(guò)程中，傳統(tǒng)的小孔徑淺孔爆破技術(shù)由于施工進(jìn)度慢往往滿足不了生產(chǎn)要求，容易造成壓礦現(xiàn)象，導(dǎo)致礦山三量失衡，進(jìn)而影響生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)狀況及礦山的可持續(xù)發(fā)展。因此，為了減少爆破次數(shù)，加快施工進(jìn)度并提高爆破效率，大孔徑深孔爆破控制技術(shù)在邊坡開(kāi)采中的應(yīng)用日益廣泛。然而，工程實(shí)踐表明，該技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中難以有效控制爆破滾石事故。

1 工程概況

1）工程地質(zhì)概況。四川廣元五栗子石灰?guī)r礦山位處龍門(mén)山褶斷束北東部雁門(mén)凹褶束北東之明月峽背斜東段賴家埡背斜，該背斜貫穿全礦區(qū)，礦區(qū)地勢(shì)呈北東高南西低特征，為中山深切割構(gòu)造侵蝕山地。礦區(qū)內(nèi)部無(wú)斷層，巖溶不發(fā)育，礦層內(nèi)部有炭質(zhì)頁(yè)巖等軟弱夾層，地質(zhì)構(gòu)造及工程、水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單～中等復(fù)雜。

2）礦山邊坡概況。礦山整個(gè)邊坡沿東西走向布置，采準(zhǔn)工作面長(zhǎng)度達(dá)3.1 km，其中南側(cè)邊坡長(zhǎng)度1.8 km，邊坡高度15 m，平均坡度75°，局部坡度大于80°，北側(cè)邊坡長(zhǎng)1.3 km，邊坡高度15 m，平均坡度55°，局部坡度大于70°。整個(gè)礦山除東北方向爆破條件較好，其余方向均復(fù)雜，邊坡地段原始地貌突出，巖石陡峭不規(guī)整，存在較多孤石、土包石，爆破極易產(chǎn)生滾石下山。

3）爆區(qū)環(huán)境概況。邊坡地段除地質(zhì)地形復(fù)雜外，周邊的環(huán)境也極其復(fù)雜，其中南側(cè)邊坡距開(kāi)采平面-30 m 位置為征地界，距征地界-300 m 位置為B村山林農(nóng)作物。北側(cè)邊坡距開(kāi)采平面-135 m 位置為征地界，距征地界-650 m 位置為C 村山林農(nóng)作物，-650 m 位置為108 國(guó)道。整個(gè)礦山邊坡長(zhǎng)達(dá)3.1 km，并隨著開(kāi)采深度的延伸，邊坡長(zhǎng)度不斷增大，礦山邊坡爆破安全環(huán)境復(fù)雜，爆區(qū)環(huán)境示意圖如圖1。

圖1 爆破環(huán)境示意圖

2 基于大孔徑深孔爆破的邊坡爆破滾石控制技術(shù)

2.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

邊坡爆破滾石控制主要包括2 個(gè)方面：一是主動(dòng)防護(hù)；二是被動(dòng)防護(hù)。主動(dòng)防護(hù)指采取措施阻止?jié)L石潛在的失穩(wěn)，從滾石的起源上控制滾石危害的發(fā)生，如加固法和消除法。被動(dòng)防護(hù)則指允許滾石的發(fā)生，但采取相應(yīng)控制措施避免滾石造成危害，如攔截法和警示與監(jiān)測(cè)法[6]等，由于礦山特有高陡地質(zhì)結(jié)構(gòu)，工程機(jī)械設(shè)備無(wú)法開(kāi)挖防護(hù)溝，因此不對(duì)該被動(dòng)防護(hù)措施描述。基于此，提出基于大孔徑深孔爆破的邊坡爆破滾石控制技術(shù)，即根據(jù)炸藥臨界埋深和最小抵抗線控制炸藥爆炸能量，使其既能充分破碎巖石又不會(huì)讓滾石產(chǎn)生起源動(dòng)能。該技術(shù)通過(guò)研究應(yīng)用，可有效消除邊坡爆破滾石的潛在失穩(wěn)，同時(shí)通過(guò)設(shè)置外圍警戒被動(dòng)防護(hù)措施避免爆破滾石可能造成的危害，進(jìn)而有效控制邊坡爆破滾石事故發(fā)生。

其主要具有如下特點(diǎn)[7-9]：①炮孔深度較大：爆區(qū)地質(zhì)、地形、巖石構(gòu)造及節(jié)理裂隙、巖溶發(fā)育情況不易查明，爆破方案設(shè)計(jì)有一定困難；②巖石強(qiáng)度變化較大:炸藥單耗的取值也要隨著變化。若炸藥單耗取值過(guò)低，強(qiáng)度較高的基巖會(huì)達(dá)不到預(yù)期爆破效果，若炸藥單耗取值過(guò)高，爆破擾動(dòng)區(qū)則會(huì)出現(xiàn)大量滾石或飛石；③最小抵抗線變化較大，較難掌握：由于炮孔處在邊坡位置，炮孔四周的巖石強(qiáng)度因風(fēng)化、薄弱帶、爆破擾動(dòng)等原因發(fā)生變化，炮孔的最小抵抗線則會(huì)改變?cè)瓉?lái)設(shè)計(jì)的位置，指向巖石強(qiáng)度最小的方向，而產(chǎn)生滾石。

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

邊坡爆破炮孔布置示意圖如圖2。

圖2 邊坡爆破炮孔布置示意圖

礦山邊坡穿孔設(shè)備采用液壓潛孔鉆機(jī)，型號(hào)為DM50，鉆孔孔徑φ140 mm，鉆孔類(lèi)型為垂直孔。

根據(jù)爆破設(shè)計(jì)相關(guān)資料[10]，炮孔深度按如式（1）計(jì)算：

式中：H 為臺(tái)階高度，m；h 為鉆孔超深，m。

可由經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行選取，即h=（0.10～0.14）H。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，臺(tái)階高度H=4～15 m，代入計(jì)算得h=0.5～2.0 m，鉆孔深度較大時(shí)取大值，鉆孔深度較小時(shí)取小值。軟巖取小值，硬巖取大值。

前排炮孔最小抵抗線W1=2.5～4.0,第1～第2 排間炮孔最小抵抗線W1～2=2.5～4.0,第2～第3 排間炮孔最小抵抗線W2～3=3.0～5.0 m。抵抗線公式如下：

式中：W1為前排最小抵抗線，m；W1～2為第1～第2 排間炮孔最小抵抗線，m；W2～3為第2～第3 排間炮孔最小抵抗線，m；L 為鉆孔深度，m。

最后1 排正向村莊的炮孔的最小抵抗線是控制邊坡滾石的關(guān)鍵，為此，炮孔的最小抵抗線根據(jù)利文斯頓爆破漏斗理論實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行選取，即當(dāng)巖性和藥量一定的條件下，隨著藥包埋深的變化，爆破能量的作用效果相應(yīng)地變化，在此，巖石彈性、沖擊變形和破壞階段有關(guān)參數(shù)獲得對(duì)工程有很重要意義[11-12]。爆破漏斗試驗(yàn)采用本礦爆破所使用的2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為90 mm，單卷長(zhǎng)度為33 cm，藥卷重量為3.0 kg/卷，爆破采用普通毫秒雷管逐孔起爆。根據(jù)利文斯頓爆破試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 單孔爆破漏斗試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定表

式中：W0為末排炮孔最小抵抗線，即臨界埋深，m；Eb為應(yīng)變能系數(shù)；Q 為單孔藥量，kg。

將表1 中的的試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（5）可得本次試驗(yàn)條件下的主要技術(shù)參數(shù)，即W0=2.0 m，（這里W0即為臨界埋深）應(yīng)變能系數(shù)Eb=1.386722。

根據(jù)試驗(yàn)求Eb，即可求得邊坡爆破實(shí)際用藥量所能達(dá)到的爆破效果，及可指導(dǎo)判斷每孔爆破最小抵抗線，確保巖爆發(fā)生松動(dòng)，不產(chǎn)生爆破滾石。根據(jù)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，礦山邊坡爆破最后1 排孔單孔裝藥量Q=11～132 kg，將其的反代入式（5）即可得到末排炮孔最小低抗線W0=3.1～7.1 m。具體每孔最小抵抗線確認(rèn)根據(jù)裝藥量和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)實(shí)際情況稍作調(diào)整。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，炮孔孔距a=3～6 m。炮孔孔距按式（6）進(jìn)行計(jì)算：

邊坡爆破炮孔的排距取值采取比最小抵抗線小原則，增強(qiáng)自由面拋擲效果，減小后沖、側(cè)沖，避免后方拋擲。因此，炮孔排距b 按式（7）進(jìn)行計(jì)算：

式中：W 為最小抵抗線，m。

由于這類(lèi)炮孔地質(zhì)條件復(fù)雜，爆破可控度大大降低，因此，炸藥單耗的合理選取是控制滾石的關(guān)鍵，炸藥單耗q=0.34～0.45 kg/m3。一般邊坡臺(tái)階爆破的單耗q 按式（8）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Q 為單孔藥量，kg。

大量實(shí)踐表明該炸藥單耗既可以使巖石充分破碎達(dá)到理想爆破效果，又不會(huì)讓滾石產(chǎn)生足夠起源動(dòng)能，避免了爆破滾石產(chǎn)生。因此，在確定了巖石炸藥單耗情況下，爆破設(shè)計(jì)時(shí)就可以根據(jù)邊坡臺(tái)階高度計(jì)算出每孔最佳填裝炸藥量，每孔最佳填裝炸藥量具體需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

每孔最佳填裝炸藥量QH采式（9）進(jìn)行計(jì)算：

爆破警戒是整個(gè)爆破安全管理特別重要環(huán)節(jié)，因此必須高度重視嚴(yán)格把關(guān)，本礦山邊坡爆破重點(diǎn)做好B 村及C 村方向外圍警戒工作，外圍警戒組由3 人組成，攜帶擴(kuò)音器及通信設(shè)備，沿山間小道步行下山，對(duì)500 m 范圍安全距離內(nèi)人員、牲畜進(jìn)行清理并將兩頭路口封堵，禁止任何人員、設(shè)備進(jìn)入警戒區(qū)內(nèi)。待起爆后確認(rèn)安全無(wú)誤后方可解除警戒。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本次共在3 個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，分別是1035平臺(tái)S4 邊坡、1035 平臺(tái)S5 邊坡、1020 平臺(tái)S2 邊坡，各平臺(tái)邊坡爆破情況如下：

1）1035 平臺(tái)S4 邊坡。采用深孔爆破，爆破參數(shù)為：①鉆孔孔徑φ140 mm；②炮孔孔距a=4.0 m；③最小抵抗線W=5.6～7.1 m；④鉆孔深度L=12～17 m；⑤炸藥單耗q=0.41 kg/m3。鉆孔碎屑炮孔堵塞，采用非電逐孔起爆，爆破效果為拋擲明顯，沉降3～4 m，后排松動(dòng)，眉線清晰，無(wú)滾石，明顯可見(jiàn)大塊，改進(jìn)方案為后排孔堵塞位置加設(shè)小藥包，降低大塊率，改進(jìn)效果為爆破效果好，無(wú)滾石飛石，大塊率明顯降低。

2）1035 平臺(tái)S5 邊坡。采用深孔爆破，爆破參數(shù)為：①鉆孔孔徑φ140 mm；②炮孔孔距a=3.0 m；③最小抵抗線W=3.1～3.9 m；④鉆孔深度L=4～6 m；⑤炸藥單耗q=0.34 kg/m3，鉆孔碎屑炮孔堵塞，采用非電逐孔起爆，改進(jìn)后爆破效果為爆堆松動(dòng)，隆起0.3～0.5 m，無(wú)滾石產(chǎn)生。

3）1020 平臺(tái)S2 邊坡。采用深孔爆破，爆破參數(shù)為：①鉆孔孔徑φ140 mm；②炮孔孔距a=4.0 m；最小抵抗線W=5.6～6.6 m；④鉆孔深度L=10～15 m；⑤炸藥單耗q=0.39 kg/m3，鉆孔碎屑炮孔堵塞，采用非電逐孔起爆，爆破效果為拋擲明顯，沉降2～3 m，后排松動(dòng)，眉線清晰，無(wú)滾石，改進(jìn)方案為后排邊坡外側(cè)最小抵抗線位置增加穿孔，a=2～3 m，L=3～4 m，改進(jìn)后爆破效果為爆破效果好，無(wú)滾石，無(wú)飛石，爆破次數(shù)減少，邊坡處理進(jìn)度加快。

可以看出，采用基于大孔徑深孔爆破的邊坡爆破滾石控制技術(shù)后，爆破作業(yè)次數(shù)有所下降，巖石大塊率明顯降低，且爆破過(guò)程中基本無(wú)滾石和飛石等爆破有害效應(yīng)，表明該技術(shù)能夠有效改善爆破效果、提高爆后邊坡處理進(jìn)度、并能有效控制邊坡爆破滾石事故。

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了大孔徑深孔控制爆破技術(shù)在邊坡開(kāi)采中的應(yīng)用，正確處理了復(fù)雜環(huán)境爆破作業(yè)過(guò)程中炸藥量與最小抵抗線的關(guān)系，使得巖爆發(fā)生松動(dòng)，沒(méi)有足夠能量產(chǎn)生滾石。同時(shí)通過(guò)不斷總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，摸索出的“爆破規(guī)模控制+小孔網(wǎng)參數(shù)+臨近邊坡倒數(shù)2排孔裝藥量控制+逐孔起爆技術(shù)+外圍警戒”控制措施滿足了爆破滾石控制的安全技術(shù)要求，有效防范了邊坡爆破滾石的產(chǎn)生，礦山邊坡爆破工作可以高效有序開(kāi)展，保證了礦山的可持續(xù)發(fā)展。