臨近邊坡緩沖減震控制爆破研究及應(yīng)用

封占鎖

(云南云天化股份有限公司，云南 昆明 650000)

1 礦山概況

云南磷化集團(tuán)尖山磷礦為國有大型露天開采磷礦企業(yè)，東采區(qū)邊坡于2008—2010 年已經(jīng)過一次治理，形成5 個削坡平臺。至2013 年3 月份采場最低開采標(biāo)高為1940 m，削坡后邊坡最高標(biāo)高為2220.2 m，邊坡最大高差為280 m，“削坡卸載”處置后的邊坡在延伸開采過程中發(fā)生過局部的坡體變形破壞，西端幫2130 m，2100 m，2070 m 3個平臺和坡面均出現(xiàn)裂縫，并對此進(jìn)行變化觀測。2012 年1 月2 日，2070 m 平臺發(fā)生的地表開裂與坡體變形破壞，對下部礦體的回采造成了極大的影響。根據(jù)2012 年下半年至2013 年3 月份邊坡“機(jī)器人”自動監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況，邊坡變形情況日益加劇[1]。2013 年4 月中旬，經(jīng)過現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)邊坡南面出現(xiàn)新的東西向弧形裂縫，發(fā)育后的裂縫長度約340 m，裂縫寬度為15～1200 mm，邊坡對尖山采場的正常開采和生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重的安全威脅。為確保安全，需對邊坡整體實施二次削坡治理。削坡施工設(shè)計臺階高度為30 m，要求采用爆破方式破碎巖石，既要滿足削坡卸載設(shè)計開挖要求，同時又不能對預(yù)留邊坡產(chǎn)生破壞。此外，必須采取有效的控制措施，減小爆破振動對邊坡穩(wěn)定性影響。

2 技術(shù)原理

2.1 施工目的

尖山磷礦東采區(qū)邊坡實施分臺削坡卸載治理，由于邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬于層狀沉積巖，根據(jù)前期削坡卸載情況，必須實施順層開挖才不破壞巖層結(jié)構(gòu)，確保削坡卸載后邊坡的穩(wěn)定。考慮到施工實際和成本要求，臨近邊坡的爆破不使用單純的光面爆破和預(yù)裂爆破。根據(jù)實際生產(chǎn)和安全的要求，施工技術(shù)及手段要保證邊坡壁面平整，減少超、欠挖量和整修工作量，節(jié)省投資并利于后期作業(yè)。

2.2 方法原理

預(yù)裂爆破即沿開挖邊界布置密集炮孔，采用不耦合裝藥或低威力炸藥，在主爆區(qū)爆破前起爆，在爆破和保留區(qū)之間形成一道有一定寬度的貫穿裂縫，以減弱主體爆破對保留巖體的破壞的爆破作業(yè)[2]。結(jié)合緩沖爆破機(jī)理，在開挖邊界上穿1～2 排平行炮孔，裝藥直徑小于孔徑，間隔裝藥且在藥包與孔壁間充填惰性物的爆破方法，可大為降低對孔壁和應(yīng)力波傳播的作用。預(yù)裂爆破采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，其特征是藥包和孔壁間有環(huán)狀空氣間隔層，該空氣間隔層的存在削減了作用在孔壁上的爆炸壓力峰值。因為巖石動抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，因此可以控制削減后的爆壓，不致使孔壁產(chǎn)生明顯的壓縮破壞，但切向拉應(yīng)力能使炮孔四周產(chǎn)生徑向裂紋。加之孔間彼此的聚能作用，使孔間連線產(chǎn)生應(yīng)力集中，孔壁連線上的初始裂紋進(jìn)一步發(fā)展，而滯后的高壓氣體的準(zhǔn)靜態(tài)作用，使沿縫產(chǎn)生氣刃劈裂作用，使周邊孔間連線上的裂紋全部貫通成縫[3]。

尖山磷礦邊坡為節(jié)理較為發(fā)育的砂質(zhì)白云巖，其節(jié)理的走向與邊坡走向重合性較高；層間的天然裂隙與預(yù)裂爆破后產(chǎn)生人工裂隙相似，且層間間隙達(dá)到技術(shù)要求，若在此前提下采用緩沖爆破，不僅節(jié)約預(yù)裂孔穿孔爆破費用，而且能夠達(dá)到預(yù)裂爆破與緩沖爆破的疊加效果。

3 技術(shù)實施方案

3.1 穿孔設(shè)備選型

根據(jù)企業(yè)實際，可使用3 種不同型號的穿孔設(shè)備（鉆孔直徑D=115 mm、130 mm、150 mm 的阿特拉斯?jié)摽足@機(jī)），結(jié)合臨近邊坡實際穿孔要求，滿足小震動和能量緩沖要求，選擇鉆孔直徑D=115 mm 型鉆機(jī)。主爆區(qū)域采用鉆孔直徑D=150 mm 的阿特拉斯?jié)摽足@機(jī)，設(shè)計參數(shù)只針對緩沖爆破區(qū)設(shè)計，并且在施工時根據(jù)現(xiàn)場情況，相關(guān)參數(shù)可做調(diào)整。

3.2 穿孔設(shè)計

3.2.1 設(shè)計參數(shù)

尖山磷礦二次設(shè)計削坡臺階高度為30 m，根據(jù)潛孔鉆機(jī)及采裝設(shè)備的性能，結(jié)合該工程的現(xiàn)場地形、地質(zhì)等情況，綜合考慮每個臺階分3 次開挖，工作臺階高度h=10 m。

抵抗線經(jīng)驗公式主要有：

式中，k1為0.6～0.9；k2為20～50；d為炮孔直徑 m。

則有w1=6.0～9.0 m 或w2=2.3～5.8 m。根據(jù)巖石的性質(zhì)、爆破方式及類似工程施工經(jīng)驗，綜合取定w=2.5 m[2]。

孔距計算公式為：

式中，m為鄰近系數(shù)，m=1.0～1.4；w為底盤抵抗線，w=2.5 m。

則：a=2.5～3.5 m。

根據(jù)大型土石方工程建設(shè)方面的施工經(jīng)驗及保護(hù)邊坡的原則，綜合取定a=3.5 m。

根據(jù)經(jīng)驗公式，排距b=0.87×a，所以b=3.05 m，根據(jù)巖石情況，綜合取定b=3.0 m。一般鉆孔超深0.5～3.6 m，取l=0.5 m。孔深計算如下：

式中，穿孔角度θ取第一排孔75°。則L=10.35 m。

3.2.2 布孔方式

采用三角形布孔方式。第一、二排緩沖孔參數(shù)為a=3.5 m、b=3.0 m，主爆區(qū)孔網(wǎng)參數(shù)為a×b=5.5 m×5 m；（第三排）為假想預(yù)裂孔。通過綜合考慮邊坡巖層角度，取巖層角度為50°；為保護(hù)邊坡，減少對最終坡面的影響，打兩排緩沖孔。結(jié)合鉆機(jī)的技術(shù)性能及施工成本，最終確定θ為60°和75°，第一排為孔深10.35 m 的鉆孔；第二排孔為θ=60°、孔深6 m 的鉆孔，主炮區(qū)確定為90°的炮孔，炮孔布置見圖1。

圖1 炮孔布置

3.3 爆破設(shè)計

3.3.1 單位炸藥消耗量[4]

單位炸藥消耗量計算公式為：

式中，r為巖石容重，r=2.45 t/m3；f為普氏系數(shù)，f=4～8，則：q=0.26～0.36（kg/m3）。

由于爆破對邊坡的影響較大，且邊坡四鄰條件較差，為達(dá)到控制飛石和爆破振動的目的，減小對邊坡的危害，經(jīng)試驗最終確定炸藥單耗為0.32 kg/m3（可視現(xiàn)場實際情況作調(diào)整）。

根據(jù)Q=q×a×b×h，可知Q=33.6 kg。為改善爆破效果，提高爆破質(zhì)量，克服前排孔阻力并減少根底，采用網(wǎng)絡(luò)管起爆，具體藥量可視施工中現(xiàn)場實際情況作調(diào)整。

3.3.2 裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥量

考慮整體爆破效果，最終確定兩排緩沖孔采用分段裝藥形式，底部采用空氣間隔器，中部采用惰性充填料，主爆孔采用集中裝藥結(jié)構(gòu)。具體裝藥結(jié)構(gòu)見圖2，A 段為空氣，B 段為炸藥，C 段為充填物，D 段為炸藥，E 段為充填物。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)圖

第一排孔裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)：LA=2.6 m，LB=2.5，LC=1 m，LD=2 m，LE=3.5 m；第二排孔裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)：LA=0.5 m，LB=1.0，LC=1 m，LD=2 m，LE=1.5 m。

根據(jù)經(jīng)驗，線裝藥密度Δ=11 kg/m。

3.3.3 充填高度

一般充填高度H=（0.7～0.8）W或H=（16～32）d，即：H=1.75～2 m 或H=2.32～3.68 m，為確保安全，控制飛石距離范圍，綜合取定H1≥3.5 m，H2≥2 m[5]。

3.3.4 起爆順序及起爆方式

采用逐孔起爆順序，孔間延遲35 ms，排間延遲65 ms。起爆方式采用網(wǎng)絡(luò)起爆系統(tǒng)[6]。網(wǎng)絡(luò)起爆最大單響藥量小于27.5 kg。施工中以每次單位爆破設(shè)計為準(zhǔn)，根據(jù)現(xiàn)場實際情況作適當(dāng)調(diào)整，以滿足施工技術(shù)要求，具體穿孔爆破參數(shù)見表1。

表1 穿孔爆破參數(shù)

采用梅花型布孔方式，網(wǎng)絡(luò)管孔間微差逐孔起爆方式。

3.4 設(shè)計方案選擇

通過前期準(zhǔn)備工作，為達(dá)到最優(yōu)爆破效果，根據(jù)現(xiàn)實情況開展了多次針對性的實驗。

A 方案在臨近預(yù)留邊坡15 m 以外優(yōu)先爆破并開挖，形成高度為10 m 的自由面，再對臨近邊坡剩余平臺經(jīng)行穿孔作業(yè)，實施控制爆破[7]。第二排緩沖孔離預(yù)留永久邊坡3 m，孔深為7 m，孔間距為3.5 m，第一排與第二排排間距為3 m，孔間距為3.5 m，孔深為10.35 m。兩排孔鉆孔角度為75°。第二排孔控制裝藥量為30～35 kg，第一排孔控制裝藥量為45～55 kg。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，由于孔角度較大，第二排孔較深且孔臨近邊坡距離稍小，對邊坡坡底造成不同程度的破壞，所以方案必須調(diào)整。

B 方案在A 方案的基礎(chǔ)上將第二排孔角度調(diào)整為60°，第二排孔離邊坡4 m，孔深為6 m，其余參數(shù)和A 方案相同，爆破之后發(fā)現(xiàn)，邊坡上掛有一整層巖石需要破碎錘處理。

C 方案在B 方案的基礎(chǔ)上將第二排孔和預(yù)留邊坡距離調(diào)整為3.5 m，其余參數(shù)與B 方案相同，爆破后發(fā)現(xiàn)效果較為理想。

根據(jù)具體實驗過程，最終選定C 方案。為了減少爆破對坡面的破壞，在臨近預(yù)留邊坡22 m 以外優(yōu)先爆破并開挖，形成高度為10 m 的自由面，再對臨近邊坡剩余平臺進(jìn)行穿孔作業(yè)，實施控制爆破。使用毫秒網(wǎng)絡(luò)塑料導(dǎo)爆管雷管從自由面開始，排間微差逐孔實施起爆，能充分利用炸藥能量延長爆破的有效作用時間，減小爆破振動保護(hù)邊坡作業(yè)面，改善巖石的破碎效果，使爆破后的石料塊度均勻，級配優(yōu)良。同時能有效控制飛石距離，確保爆破施工安全、優(yōu)質(zhì)、高效[8]。

4 施工過程

首先，確保穿孔作業(yè)場地的清理質(zhì)量和鉆機(jī)作業(yè)環(huán)境要求，設(shè)備操作人員嚴(yán)格按照技術(shù)人員標(biāo)定的孔位、孔深、鉆孔角度，實施穿孔并做好護(hù)孔工作。其次，現(xiàn)場技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計參數(shù)要求，在鉆孔施工工程中，確保技術(shù)員到現(xiàn)場逐孔檢查鉆孔孔位、孔深、角度是否合格，標(biāo)記不合格孔，以重新進(jìn)行穿孔作業(yè)。最后，裝藥施工人員按照設(shè)計裝藥，并保證設(shè)計充填以上的充填高度。網(wǎng)絡(luò)管連接之后由現(xiàn)場技術(shù)人員重復(fù)檢查3 遍，確保連接正確后方可實施下一步作業(yè)。

5 結(jié)語

（1）該項目的實施完成了邊坡2160 m 水平以下4 個臺階坡面的削坡卸載任務(wù)。通過加快邊坡卸載速度，有效減緩了邊坡的變化速率，為下方生產(chǎn)工作的持續(xù)進(jìn)行提供了保障。同時，該爆破方法有效保護(hù)了坡面，使整個邊坡坡面光滑平整，提高了生產(chǎn)效率，加快了削坡進(jìn)度。

（2）邊坡二次削坡采用該種爆破方式以來，不僅保證了邊坡的安全穩(wěn)定，同時加快了邊坡的削坡進(jìn)度，為下方采場工作提供條件。該方法充分利用地質(zhì)情況，靈活運用緩沖爆破，過程中利用天然裂隙，大大節(jié)約了預(yù)裂孔的穿孔爆破費用。實施該種爆破方法以來，邊坡從2160 m水平已經(jīng)降至2070 m 水平，4 個平臺走向長度累加為2800 m，對比使用常規(guī)的預(yù)裂爆破，減少了近90 萬元的成本，同時減少2 次邊坡坡面修整機(jī)械破碎產(chǎn)生的費用。

（3）項目在實施過程中，由于邊坡地質(zhì)條件較為復(fù)雜，局部地段為土夾石地質(zhì)，鉆桿夾桿頻繁，局部區(qū)域成孔率相對較低，給生產(chǎn)造成一定制約。在今后類似的穿孔過程中，對現(xiàn)場地質(zhì)條件要進(jìn)行更詳細(xì)的查勘，提高鉆機(jī)傾斜孔成孔率，從而有效提高整體爆破質(zhì)量。