安家嶺露天礦東幫靠界區爆破施工方案優化

呂德仙

（中煤平朔集團有限公司 安家嶺露天礦，山西 朔州 036800）

爆破必然要帶來爆破振動，但振動大小是可以通過技術措施加以控制的。露天開采技術的突飛猛進得益于爆破工程技術的蓬勃發展，尤其是基于高精度毫秒延期雷管的控制爆破以及預裂爆破技術在降震方面的應用，更是將很多不可能的工程問題變成了現實。安家嶺露天礦東部靠界區爆破施工得以安全順利地開展，就得益于露天控制爆破降震技術的長足發展。

1 工程概況

安家嶺露天礦是我國自行設計、自主建設的特大型露天礦山，設計生產能力15.0 Mt/a，核定生產能力20.0 Mt/a，主要經濟可采煤層3 層，煤層上部附著物除了局部表層為黃土外，其余大部為砂巖，采裝前需對剝離巖層進行松動爆破，年松動爆破方量超1 億m3，對穿爆效率要求極高。。

按照計劃，2020 年安家嶺露天礦東部局部區域將面臨靠界，依據初步設計中劃定的安家嶺露天礦東部境界作為地表境界，并結合安家嶺露天礦東部開采深度大于200 m 的實際情況，同時遵照相關規定，安家嶺露天礦將損失東部靠界區礦權界范圍內煤量近2 800 萬t，為了盡最大可能降低對煤炭資源的浪費，有效提升了安家嶺露天礦的經濟效益。基于技術指標和經濟指標的對比分析，經多方論證，安家嶺露天礦決定將東部境界靠界距地面建筑物的安全距離由200 m 縮短至50 m，項目成功實施后，這一舉措將帶來經濟效益高達20 億元左右[1－2]。

2 問題的提出及研究目的

2.1 問題的提出

東部境界靠界距地面建筑物的安全距離由200 m 縮短至50 m，隨著安家嶺露天礦采掘作業的持續深入，從2020 年開始，安家嶺露天礦爆破作業面逐步逼近后安礦矸石倉、后安礦變電室、臨時建筑等重要建（構）筑物，爆破作業面到最近建筑物為礦坑東北角的后安礦矸石倉，距離僅為50 m。東邊界附近建（構）筑物距地表境界距離見表1。

表1 東邊界附近建（構）筑物情況表

大規模的爆破作業距離建（構）筑物及設施越來越近，因此爆破作業對附近產生的安全威脅不容忽視，尤其是對爆破振動控制不合理的情況下，將會對東邊界建（構）筑物以及生產活動的人員造成毀滅性的打擊。鑒于爆破的危害效應，不僅容易引起安全問題、經濟問題、民事糾紛還容易損害安家嶺特大型露天礦的生產效益，甚至造成露天礦不能正常生產[1－2]，因此，研究安家嶺特大型露天礦安全高效生產的爆破施工方案已經迫在眉睫。

2.2 原有爆破方案的局限性

安家嶺露天礦現有250 mm 孔徑鉆機11 臺、165 mm 孔徑鉆機6 臺，原有的爆破方案無論是250 mm 還是165 mm 鉆孔，都采用5 排方形布孔，孔內采用600 ms 非電管，地表網絡采用42 ms 配合65 ms 的地表管進行起爆。這種爆破方案的單段起爆藥量大，顯然不能滿足東邊界對爆破震動的要求，需要對東邊界爆破方案進行優化，從而降低爆破振動[3－5]。

2.3 優化爆破方案的目的

東邊靠界區周邊有各種不同建筑物分布，對保護的要求也不盡相同，本工程的研究目的就是制定出一套專項爆破施工方案，方案的優化需要考慮2種孔徑鉆機在生產效率和控制爆破振動方面的相互制約[6－9]。為了兼顧采運接續、穿爆效率以及東邊界復雜環境的爆破安全，需要根據東邊界建筑物距離炮區的遠近不同提出不同的爆破方案，將被保護區域的爆破有害效應控制在允許范圍內，實現端幫推進至距離礦界50 m 的位置。

3 爆破方案優化

安家嶺露天礦常用的炸藥品種主要為銨油炸藥和乳化炸藥，鑒于乳化炸藥的延米裝藥量高以及靠界區巖層基本不含水的相關地質情況，靠界區大部采用銨油炸藥進行爆破，局部無法克服的鉆孔水采用乳化炸藥，同時為了兼顧采運接續、穿爆效率以及東邊界復雜環境的爆破安全，需要根據東邊界建筑物距離炮區的遠近不同提出不同的爆破方案。

3.1 正常臺階大孔徑5 排爆破

1）方案1。參數為：①鉆孔直徑?=250 mm；②臺階高度H=15 m；③超深h=1.5 m；④鉆孔深度L=H＋h=16.5 m；⑤布孔方式：方形；⑥孔距a=8 m；⑦排距b=8 m；⑧排數：5 排；⑨裝藥方式600 ms 非電管裝配450 g 起爆具多點反向起爆，孔底間隔連續耦合裝藥；前排孔裝藥量：?250 mm 孔銨油炸藥168 kg、?250 mm 孔乳化炸藥217 kg；正常孔裝藥量：?250 mm 孔銨油炸藥420 kg、?250 mm 孔乳化炸藥558 kg；充填高度：前排孔12～13 m，正常孔6～7.5 m。

3.2 正常臺階大孔徑3 排爆破

2）方案2。參數為：①鉆孔直徑?=250 mm；②臺階高度H=15 m；③超深h=1.5 m；④鉆孔深度L=H＋h=16.5 m；⑤布孔方式：方形；⑥孔距a=8 m；⑦排距b=8 m；⑧排數：3 排；⑨裝藥方式600 ms 非電管裝配450 g 起爆具多點反向起爆，孔底間隔連續耦合裝藥；⑩前排孔裝藥量：?250 mm 孔銨油炸藥168 kg、?250 mm 孔乳化217 kg；正常孔裝藥量：?250 mm 孔銨油炸藥420 kg、?250 mm 孔乳化558 kg充填高度：前排孔12～13 m，正常孔6～7.5 m。

3.3 正常臺階小孔徑5 排爆破

3）方案3。參數為①鉆孔直徑?=165 mm；②臺階高度H=15 m；③超深h=1 m；④鉆孔深度L=H＋h=16 m；⑤布孔方式：方形；⑥孔距a=6 m；⑦排距b=6 m；⑧排數：5 排；⑨裝藥方式600 ms 非電管裝配450 g起爆具多點反向起爆，孔底間隔連續耦合裝藥；⑩前排孔裝藥量：?165 mm 孔銨油炸藥72 kg、?165 mm 孔乳化炸藥94.5 kg；正常孔裝藥量：?165 mm 孔銨油炸藥198 kg、?165 mm 孔乳化炸藥270 kg；充填高度：前排孔12～13 m，正常孔5～6.5 m。

3.4 半臺階小孔徑5 排爆破

4）方案4。參數為：①鉆孔直徑?=165 mm；②臺階高度H=7.5 m；③超深h=0.5 m；④鉆孔深度L=H＋h=8 m；⑤布孔方式：方形；⑥孔距a=6 m；⑦排距b=6 m；⑧排數：5 排；⑨裝藥方式600 ms 非電管裝配450 g 起爆具多點反向起爆，孔底間隔連續耦合裝藥；⑩前排孔裝藥量：?165 mm 孔銨油炸藥45 kg、?165 mm 孔乳化炸藥67.5 kg；正常孔裝藥量：?165 mm 孔銨油炸藥72 kg、?165 mm 孔乳化炸藥94.5 kg；充填高度：前排孔5 m，正常孔3.5～4.5 m。

4 可行性驗算

4.1 最大單段起爆藥量

4 個爆破方案中，起爆網絡全部采用澳瑞凱高精度導爆管雷管進行地表網絡連接，為了盡最大可能實現逐孔起爆，根據爆破設計軟件SHOTplus5模擬以及現場實測得知，地表網絡連接中，東邊靠界區域控制排采用25 ms 延期，其余炮孔采用65 ms延期的時候，這個時候8 ms 范圍內起爆的炮孔數最少，僅為2 孔，即前排第6 孔和第3 排第1 孔、第2排第7 孔和第4 排第2 孔等2 孔起爆時間間隔相差僅5 ms，根據雷管延期誤差以及現場實測，炮孔延期差值在8 ms 之內起爆的算作同一段。因此上述4種方案的最大單段起爆藥量Qmaxi分別為Q1max=1 116 kg、Q2max=775 kg、Q3max=540 kg、Q4max=189 kg。

4.2 可行性驗算及方案適用范圍

根據東邊界附近建（構）筑物等保護對象類別，將爆破振動控制在其安全允許標準以內，爆破振動安全允許標準以及相關信息可以在GB 6722—2014爆破安全規程上查詢，經查詢得知相應建（構）筑物的安全允許質點振動速度分別為：Ⅰ類，王高登村土窯，0.15～0.45 cm/s；Ⅱ類，王高登村民房屋、后安礦家屬房（磚混＋預制板）和煙囪以及中部2 處臨時建筑物屬于一般民用建筑物，1.5～2.0 cm/s；Ⅲ類，礦坑東北角的臨時停車場、后安礦矸石倉以及后安礦工業廣場內的彩鋼房，屬于工業和商業建筑物，2.5～3.5；Ⅳ類，后安礦、白蘆礦等周邊礦井的井筒及井下巷道，屬于礦山巷道，15～18 cm/s。

爆破振動安全允許距離按式（1）計算

式中：R 為爆破振動安全允許距離，m；Q 為炸藥量，齊發爆破為總藥量，延時爆破為最大單段藥量，kg；V 為保護對象所在地安全允許質點振速，cm/s；K、α 為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數[6－9]，根據遼寧工程技術大學爆破工程有限責任公司編制的《東幫靠界爆破振動監測及爆破優化方案》的研究成果得知，安家嶺露天礦東邊界區域與地形、地質條件有關的爆破振動關鍵參數為K=146.09、α=1.91。

根據方案1～方案4 最大單段起爆藥量，以及4類建（構）筑物的安全允許質點振動速度，分別求出各自的最小安全距離Rmin，爆破方案1～方案4 的安全距離見表1。

表1 爆破方案1～方案4 的安全距離

由表1 可知，東邊靠界爆破區域距離被保護對象最近位置即靠界區最后1 幅開展爆破時，只有爆破方案4 是可靠的，符合爆破安全要求；考慮爆破方案4 炮區1 幅寬度為30 m 左右，那么靠界區倒數第2 幅爆破時，爆區就離開被保護建筑的距離相應增加了30 m，再通過表1 相關數據可知，爆破方案1～3 都滿足靠界區倒數第2 幅爆破安全要求；同理，靠界區倒數第3 幅爆破時，爆破方案1～方案4 全部滿足爆破安全要求。

4.3 爆破方案評價

1）4 種爆破方案中，方案4 對于控制爆破振動最理想，但是穿爆效率最低，考慮到安家嶺露天礦生產效率極高，顯然方案4 不可能滿足爆破效率和生產接續的需求。為此考慮到4 種爆破方案爆破參數、施工效率以及控制爆破振動方面的問題，安家嶺露天礦在靠界區距礦界50～80 m 范圍內選用爆破方案4 進行爆破。

2）4 種爆破方案中，方案2 和方案3，生產臺階從半臺階過渡到正常臺階，穿爆效率較方案4 有了重大的進步。但是具體來講，方案3 的爆破振動要小于方案2，方案2 在穿爆效率方面優于方案3。因此，為了得到更高的爆破安全系數，在靠界區距礦界80～110 m 范圍內要優先選用爆破振動相對較小的爆破方案3，當方案3 的穿爆效率滿足不了80～110 m 范圍內生產需要的時候，要及時采用穿爆效率較高的方案2 進行高效穿爆。

3）4 種爆破方案中，方案1 穿爆效率最高，但爆破振動最大。根據表1 數據，在靠界區倒數第1、第2幅炮區內無法將爆破振動控制在安全范圍內，因此，只能在靠界區距礦界110～200 m 范圍內優先選用方案1 進行爆破，只有在穿爆效率有富裕的情況下，考慮其余幾種對降震比較明顯的爆破方案。

4）4 種爆破方案都采用孔底間隔裝藥，從作用機理上降低爆破震動峰值[10]，從而到達降低爆破震動的目的。

同時，每個平盤靠界時都要采用預裂爆破對邊幫和附近建筑進行保護，同時，預裂段齊發藥量不超過對應爆破方案1～方案4 的最大裝藥量，預裂齊發段藥量超過主炮區單段最大藥量時，預裂爆破也應進行分段來控制單段藥量。

5 結語

制定了安家嶺露天礦東幫靠區爆破施工優化方案。截止2021 年3 月底，靠界區爆破方案的優化實施，讓東部靠界區北部從上到下有7 個臺階已經靠界，爆破施工開展過程中，在滿足生產正常接續的同時，沒有對周邊大量的土坯房、停車場、井工礦地下巷道等建筑物造成任何的安全問題，可以說靠界區復雜條件下的爆破施工作業已經基本上安全、順利地進行到了尾聲，為安家嶺礦實現東部靠界區煤炭資源的安全高效開采提供了有力的現實基礎。