大皇山建筑石料礦爆破開采根底分析與處理技術

杜磊，石磊，牛松峰

(北京中科力爆炸技術工程有限公司， 北京 101318)

0 引言

舟山大皇山凝灰巖建筑石料礦位于舟山市定海區岑港街道桃夭門社區，礦區處于海島丘陵區，近東西向展布，最高海拔+249.72 m，最低海拔+6 m。礦區面積為 1.0481 km2，年生產規模為1227萬t，約合473.7萬m3，設計服務年限為15 a，于2018年開始基建，2020年4月通過基建驗收。礦石主要為晶屑玻屑凝灰巖、流紋斑巖和沉凝灰巖，結構致密，屬堅硬巖類。礦區內斷層、節理不發育，巖體總體完整。開采標高為+249.72～+6 m，設計開采臺階高度15 m，現開采標高為+141 m，因礦山北側、東側各有一條生產線，且位于礦山老宕面坡底，距離老宕面坡底的距離分別為30 m和10 m。根據剝離區現狀及開挖區的地形條件、選用的鉆爆設備、巖石的塊度要求及巖石的穩定性，設計采用水平臺階開挖，鉆孔孔徑為 115 mm，孔網參數為7.0 m×3.3 m，梅花孔布置，采用Φ90 mm乳化炸藥，底部耦合裝藥，中上部為不耦合連續裝藥結構，填塞高度不小于 3.5 m。采區內巖層主要為凝灰巖類巖石，巖石節理、裂隙不發育，比較堅硬，屬于堅硬巖石類，但+126 m平臺以上節理裂隙較多，根底現象較多。

1 爆破根底現象及不利影響

1.1 根底成因

爆破根底是由于沖擊力過弱，沒能使爆破礦石完全破壞而產生的。現實生產過程中，炮孔底部抵抗線過大，往往造成前排布孔位置出現根底。前排爆破孔距、鉆孔情況、裝藥與超深也是造成根底的重要因素。常見的根底成因包括地質條件因素、炸藥及爆破器材因素、鉆孔情況、施工工藝等，主要可以概括為以下4個方面。

（1）巖石性質。巖石性質是對爆破效果至關重要的影響因素。巖石橫向裂隙多[1]，垂直巖體傾角少會降低炸藥能量利用率，制約爆破效果。在爆破作業過程中，首先應考慮爆破巖石的層理、斷層、性質等對爆破效果的影響。

（2）后排孔藥柱位置。當藥柱頂部與底部相對爆破臺階底盤水平的標高位置長度一定時，藥柱中心位置距離孔口越近，其后沖破壞范圍就越大，后沖角度也越大，新形成的爆破臺階邊坡角度變緩，新臺階在進行下次爆破時，前排孔底部抵抗線增大，難以克服下次爆破的底部阻力，使根底現象增加[2]。

（3）前排孔距與超深?？拙噙^小，會使生產成本增大，經濟性降低[3]；孔距過大，又會使爆破效果變差，難以達到理想的開采率，厚巖層、難爆破部位殘留根底。針對不同的工程項目，應該因地制宜，探討合適的前排孔距達到最佳的爆破效果；同一礦區，也要因不同礦石爆破性能的差異確定不同的孔距與超深值。

（4）穿孔狀況。穿孔質量影響著爆破效果，塌孔、堵孔一旦發生，將不利于炮孔裝藥作業，從而導致炮孔裝藥不足、炮孔拒爆等問題，最后產生爆破根底。現實前排穿孔作業中，也常見由于水平穿孔過大或上次爆破作業力度過大，產生根底。

1.2 根底不利影響

根底是爆破石方挖走后底板上留下的超出設計平臺0.5 m以上的凸出巖坎，根底的存在，不但影響臺階的平整度，造成平臺積水、運輸車輛通行困難，而且為了不影響下次臺階爆破，需要提前處理根底，增加破碎或爆破處理成本。根底對爆破施工產生不利影響主要為以下3個方面：

（1）降低挖運效率。根底附近,爆后巖石一般都很密實,而且常伴有大塊，需要進行大塊挑揀或破碎后才能挖裝，不利于采掘作業，影響挖裝效率。大面積根底將使挖裝效率降低，設備故障增多，增加了運輸車輛損壞的風險。開采平臺高低不平、平臺積水、運輸車輛通行困難，影響運輸車輛通行，容易產生爆胎、翻車等安全隱患。

（2）降低臺階爆破質量。開采平臺不平整，雨水天氣容易造成大面積積水,如不及時處理積水，容易產生水孔，影響平臺鉆孔及裝藥堵塞質量。如果根底出現在臺階底部，若不處理，將改變臺階爆破的前排抵抗線，容易造成更多根底和大塊，甚至臺階爆破沒有松動。

（3）增加爆破綜合成本。為了處理根底，需要對根底進行破碎或爆破，增加了破碎錘的機械臺班或者鉆孔爆破成本，最終增加爆破綜合成本。當根底凸出平臺高0.5～1.0 m、體積較小時，一般采用破碎錘進行機械破碎；當出現大面積根底，用機械破碎效率較低，一般采用潛孔鉆打孔爆破。根據根底的大小鉆3～5 m深的淺孔，堵塞不少于2.5 m，再進行裝藥、聯網、爆破。大面積根底可以單獨爆破，少量可以與臺階爆破一起爆破。

2 根底統計及根底產生原因分析

2.1 原臺階爆破方案

根據招標文件要求、礦山初步設計說明、礦產資源開發利用及安全設施設計方案、礦體賦存特征以及礦區范圍的地形地貌特征和已形成的開采現狀，礦山選擇露天開采，開拓方式為公路開拓汽車運輸。采礦工序為穿孔→爆破→二次破碎→鏟裝→運輸→排巖，即采用潛孔鉆機穿孔、中深孔爆破、機械二次破碎、裝載機裝載、汽車運輸，排至指定地點，最低開采標高為+6 m。

采場邊坡參數：臺階高度為 15 m；工作臺階坡面角為75°，設計終了臺階坡面角為53°（第四系及強風化層終了臺階坡面角不大于 45°），最終幫坡角為 44°；安全平臺寬為 5 m、清掃平臺寬為 8 m；3個安全平臺間隔設置1個清掃平臺。安全平臺設在+111 m、+96 m、+81 m、+51 m、+36 m、+21 m，清掃平臺設在+66 m開采水平；采場最終邊坡角為44°，最小裝運平臺寬度為60 m，裝運平臺最小工作線長度為120～150 m。

根據礦區地形可知，礦區最高標高+249.72 m位于礦區的中部，礦區內的資源量也主要集中在中部區域。根據“自上而下”的開采順序及盡快達產的要求，礦山開拓系統及首采工作面主要布置在礦區中部。

根據剝離區現狀及開挖區的地形條件、選用的鉆爆設備、巖石的塊度要求及巖石的穩定性，設計采用水平臺階開挖。臺階基本參數如圖1所示。采區內巖層主要為凝灰巖類巖石，巖石節理、裂隙不發育，比較堅硬。屬于堅硬巖石類，為了達到預期的爆破效果，選用爆速較高的乳化炸藥，藥卷直徑d=90 mm。

圖1 臺階基本參數

爆破參數匯總見表1。

表1 深孔爆破參數

2.2 根底統計

進入 2021年以來，在施工過程中，發現平臺底板高低不平，且根底過多。礦山爆破費用約占礦石總成本的 15%～20%[4]，為處理根底而進行的二次爆破不僅影響生產效率，還造成了單耗升高、成本浪費。為找到根底產生的原因，對2021年1月到5月的根底處理所鉆炮孔長度[5]和根底所在位置分別進行了統計，結果分別見表2和表3。

表2 2021年1-5月處理根底鉆孔與總鉆孔的數量

表3 2021年1-5月各工作面處理根底鉆孔長度

表2、表3顯示，2021年1月到5月處理根底鉆孔15 461 m，鉆孔個數共計6034個，處理根底鉆孔平均孔長2.56 m。而爆破總鉆孔合計總長142 911 m，鉆孔14 541個，平均孔長9.83 m。需要處理的根底鉆孔占到爆破總鉆孔的10.74%。其中3月處理根底鉆孔占比最多，達13.32%，占比最少的1月也達到了9.67%。從+156 m至+111 m的三處平臺與新生產線道路中，根底占比最多的是+156～+141 m工作面平臺，高達11.71%；根底占比最少的+126～+111 m工作面平臺根底總孔長也達到了5.86%。根底數量多、鉆孔長、占比大，不僅給施工造成困難，拖慢爆破掘進進度，也浪費了人力物力與財力。

2.3 大量根底產生的原因分析

從表2、表3可以看出，截至5月底，礦山共鉆孔142 911 m，處理根底鉆孔為15 461 m，平均占比為10.74%，其中5月份根底鉆孔米數最多，達4950 m，3月份根底占比最大，為13.32%；3月份+141～+126 m平臺根底占當月平臺總鉆孔米數的15.27%。根據施工實際情況和各平臺的地質情況，可以得出大量根底出現的原因有以下5點：

（1）爆破工作面推進方向的選取不合理。礦區因為受宕渣船運力不足的影響，使+141 m平臺東西兩側堆積大量宕渣，影響了工作面的開拓，致使爆破推進方向只能由南向北。此時受礦巖走向、結構面以及節理、裂隙發育的影響，爆破時爆炸能量遇節理、裂隙產生泄露，造成根底[6]。在生產過程中也曾試過改變起爆順序等措施來克服不利的地質條件，但效果并不明顯。

（2）礦巖涌水。正常裝藥時，底部采用耦合裝藥，中上部采用不耦合裝藥。由于炮孔內的水無法排出，在水的浮力作用下，炮孔底部裝藥密實度不夠，裝藥質量達不到要求[5]，形成根底。

（3）孔網參數不合理。原孔網參數為7.0 m×3.3 m?？拙嗖贾眠^大，炮孔間距遠大于最小抵抗線，相鄰炮孔裂隙大，產生的爆炸裂隙難以貫通臺階底部，兩孔間距超出爆破漏斗作用范圍，也極易產生根底。

（4）超深不合理[7]。原施工方案超深取值為1.0 m，由于超深淺，底部裝藥量少，底部炸藥能量不足以克服底盤的夾制作用，造成根底。超深過長，會使藥柱中心高度下降，但增加填塞長度，孔口極易產生大塊。

（5）底盤抵抗線過大[8]。原底盤抵抗線為4.02 m，爆破時炸藥能量難以到達臺階根部，前排孔孔底產生根底，進而直接影響到后排孔甚至整個爆區產生大面積根底。

3 解決辦法及其實施效果

3.1 解決辦法

為提高爆破作業效果、提高生產效率、降低礦山開采總成本，根據根底產生的原因提出了如下針對性的解決辦法：

（1）改變爆破工作面的推進方向。在+141 m平臺西側宕渣出運完畢后，各個工作面的推進方向從自南向北，改為由西向東。由與巖石節理走向斜交，改為平行或近乎垂直[9]，如圖2所示。爆破現場根據巖石走向，調整起爆方向，進而調整爆破自由面方向，以減少根底的產生。

圖2 爆破方向與節理走向關系

（2）加強底部裝藥。針對炮孔內部存水的問題，前期也采取了吹水、抽水等措施，但因存在交叉作業且巖石裂隙過多，炮孔內的水并無明顯減少。故在底部裝藥時，采取劃破成品炸藥包裝袋的方式，進行吊裝，盡量加大底部裝藥量，降低裝藥重心。

（3）選擇合理的孔網參數。根據礦山爆破的孔徑和裝藥直徑，確定礦山爆破的合適孔網，90 mm藥卷的最大推動距離約為直徑的35倍[7]，將孔距調整為6.2 m，并根據巖石性質和爆后效果進行調整，排距不變。

（4）增大超深。在原有超深1 m的情況下，將超深增加0.5 m，即把超深提高到1.5 m。同時，含水巖層中的液體滲入炮孔，炮孔含水也會導致實際可用超深低于設計值，在解決炮孔內部水問題后，進一步增大超深，以充分保證超深實際值。

（5）嚴格控制底盤抵抗線。當底盤抵抗線過大時，應在臺階爆破前處理完畢或與臺階爆破一同處理（應先于臺階爆破起爆）。

3.2 實施效果

2021年6 月以后，根據根底改進措施實施爆破，并對根底情況進行了統計，統計結果見表4和表5。

表4 2021年6-7月處理根底鉆孔與總鉆孔的數量

表5 2021年6-7月各工作面處理根底鉆孔長度

從表4和表5可以看出，6月總鉆孔為42 896 m，其中處理根底鉆孔為 2725 m，7月總鉆孔為35 718 m，其中處理根底鉆孔為2308 m，較4、5月降低約2000 m。除6月+141～+126 m平臺因處理前期存在的根底鉆孔占比較大外，各平臺根底占比均大幅下降，而且7月+141～+126 m平臺根底也由原來占每月根底總數的65%降至47%。

從措施實施前后爆破效果對比分析可知，6-7月較1-5月平均根底占比降低約40%，平均孔長增加了13%，炸藥單耗降低10%，在改善爆破效果的同時，也降低了爆破成本，取得了良好的經濟效益。

4 結論

通過統計處理根底所需的鉆孔，結合現場實施過程和各平臺地質狀況，分析得出了根底產生的原因，并提出了改正措施。后續實施中取得了顯著的效果，項目總結可得到以下結論。

（1）爆破現場根據巖石走向，調整起爆方向，進而調整爆破自由面方向，減少了根底的產生。

（2）在底部裝藥時，采取劃破成品炸藥包裝袋的方式進行吊裝，加大了底部裝藥量，降低了裝藥重心。

（3）根據礦山爆破的孔徑和裝藥直徑，合理優化了孔網參數。

（4）重視超深參數對工程的影響，適當加大了超深；同時嚴格控制底盤抵抗線，當底盤抵抗線過大時，在臺階爆破前處理完畢或先于臺階爆破起爆與臺階爆破一同處理。這些措施取得了較好的效果，平均根底占比降低約40%。