不良地質條件下控制爆破技術在某露天礦山開采中的應用

萬 佳

（安徽省地質礦產勘查局327地質隊，安徽 合肥 230011）

1 工程概況

1.1 概述

隨著礦山基礎工程施工力度加大，石方開挖工程越來越多。當遇到堅硬礦石時，尤其是石方量大的工程，機械破除工期長成本高，而且噪聲擾民時間長。采用控制爆破的方法進行作業，既經濟又快速，滿足城鎮快速建設的需要。近十多年來，國內外露天深孔淺孔爆破和基礎開挖工程中大量采用了逐孔起爆技術[1]。

安徽某露天礦山前期開拓爆破開挖石方約9.6萬m3，爆破開采區域南北長約200m，東西寬約35m，主體爆破深度一般為12m～18m。由于爆破周邊環境較復雜，故采用逐孔起爆等控制爆破方式進行施工。

1.2 周圍環境

爆破周邊環境較復雜：爆破開采區域南側45m上方有一東西向10KV高壓電線經過，西北向為村莊，200m范圍內民房大量集中，最近的民房距離僅50m（后期需要拆遷，爆破時尚未完成搬遷），且位于爆破開采區域下方，具體見圖：爆破周圍環境平面示意圖。

1.3 工程地質

爆破開采區域礦物特性主要為石灰巖，土夾石，軟弱夾層較多，灰、肉紅色，中～微風化，礦石較硬，塊狀、大塊狀，表層有溶蝕現象，部分有溶洞、裂隙。

圖1 爆破周圍環境平面示意圖

2 爆破方案

工程難點：①該礦山開采工程爆破地質條件不良，隱含著節理、裂隙、斷層、軟弱夾層等結構面，在爆破前很難完全掌握礦體的每個細節。這些結構面與礦石相比屬于薄弱部位，破碎時需要的炸藥能量較小，而炸藥在炮孔中布置很難顧及每個薄弱面的存在。因此，炸藥在礦體中爆炸后，爆生氣體會從這些薄弱部位首先沖出，夾帶著個別碎塊形成飛石；②工程量較大，爆破周邊環境復雜，距離民房最近僅50m。所以如何控制爆破振動、爆破飛石和爆后邊坡穩定是礦山開采要考慮的重要問題，其次要確保爆破后大塊率控制在合理范圍內以便于后續挖運作業。

由于采用傳統的爆破方法，單段起爆藥量大，爆破振動很難控制，勢必會對周邊民房造成一定危害。若減小爆破藥量，就會增加爆破次數，這樣不僅影響爆破開采進度，而且容易造成大塊較多，爆破振動累加影響會對民房造成一定安全隱患。為控制爆破對高邊坡穩定性的影響，臨近設計邊坡，采用緩沖爆破技術[2]，適當加密炮孔布置，減小炸藥單耗，通過控制孔網參數和單孔裝藥量以及單段最大裝藥量，最大限度地減緩主炮孔爆破對邊坡的影響。

故綜合考慮采用露天深孔逐孔爆破的方式進行松動爆破，根據現場地質地形等條件確定從上而下，由北而南，分臺階進行開挖。

3 逐孔起爆的優點

（1）臺階爆破空間能量相互補償原理[3]。在爆破時，第一個起爆炮孔為后爆的第二個炮孔最大限度地提供自由面，先爆炮孔將礦石迅速推出，為后爆炮孔提供足夠多的自由面；使礦石在移動過程有足夠的相互作用空間，后爆炮孔能量進一步推動先爆炮孔，增加礦物間相互碰撞作用，以后炮孔以此類推，從而改善了爆破破碎度及爆堆的松散度，大大地提高了鏟裝的工作效率。

（2）最小抵抗線原理[4]。逐孔起爆時第一排炮孔按設計好的最小抵抗線起爆，每個炮孔爆破前，前一炮孔與側向的炮孔已經起爆并為該孔提供了最少三個自由面，減小后排炮孔的夾制作用，同時可以增加爆破后的應力波反射。

（3）有效減弱爆破振動。根據《爆破安全規程》[5]（GB6722-2014）中薩道夫斯基公式v=K（Q1/3/R）α可知，在一定的地質條件下，R、K、α都是一定的，所以要減小爆破振動，只能減小同時起爆藥量，逐孔起爆正好利用了這個原理。

4 爆破參數設計

（1）孔徑D：采用履帶式潛孔鉆機鉆孔，孔徑D為90mm。

（2）臺階高度H及超深h：由于開挖深度在12m～18m，采用分層爆破，臺階高度H為6m～9m，超深h為（0.1～0.15）H，取0.8m。

（3）最小抵抗線ω=（25～30）d，取2.5m。

（4）孔距a、排距b：孔距a=(1.0～1.5)ω、排距b=ω取孔距3m、排距2.5m，采用矩形布孔方式；對于鄰近設計邊坡的緩沖孔，其與主炮孔的間距取主炮孔間距的0.7倍。

（5）炸藥單耗q及單孔裝藥量Q：根據本開采項目礦石結構特點及以往工程經驗，炸藥選用2#礦石乳化炸藥，炸藥單耗q取0.35kg/m3，單孔裝藥量Q=qabH。

計算得到不同深度的深孔爆破的單孔裝藥量等參數如表1：

表1 深孔爆破參數表

5 爆破網路設計

一般認為，孔間延時影響爆破區礦石的破碎塊度，排間延時影響爆破區礦石的位移，在爆破區內礦石可分為孔間延時和排間延時，認為同排孔間最佳延時[6]在3ms/m～8ms/m、排間最佳延時在8ms/m～15ms/m內選擇時，可達到較佳爆破效果。根據雷管種類和工程實際，本開采項目選用孔間間隔50ms（Ms3），排間間隔110ms（Ms5），孔內采用380ms（Ms10）。詳見圖2：起爆網路示意圖。

圖2 起爆網路示意圖

6 爆破安全控制

6.1 爆破振動校核

根據薩道夫斯基公式計算質點的爆破振動速度：

式中：v為爆破安全允許質點振速，cm/s；Q為最大段別裝藥量，kg；R為爆源中心與保護目標的距離，m；k、α為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關系數和衰減指數。

本工程中Q=38kg，對中硬巖石取k=150、α=1.7、R=50m，經計算得v=1.57cm/s。露天深孔爆破f在10Hz～60Hz之間，對于一般民用建筑物，10Hz＜f≤50時，安全允許質點振動速度在2.0～2.5之間，所以本開采工程滿足爆破振動安全要求。爆破前在爆破區域和保護房屋之間鉆鑿一定數量的減振炮孔（不裝藥），用于緩沖、釋放爆破振動波的多余能量。同時為了避免不必要的糾紛，在每次爆破作業時進行了爆破振動監測。測得數據最大振速v=1.32cm/s。

6.2 爆破飛石控制

為防止爆破飛石對高壓線和房屋的破壞，合理選擇最小抵抗線方向，避開保護對象；鉆孔時出現裂隙、溶洞時做好記錄并標記，裝藥時改變裝藥結構，采用間隔裝藥等措施保證結構面對爆破的影響；保證良好的堵塞質量和合理的堵塞長度；離房屋較近時減小孔排距，加密炮孔多打孔少裝藥，適當增加堵塞長度，炮孔孔口采用土袋壓實防護。

圖3 爆破效果圖

6.3 爆破滾石及邊坡控制

在爆破時合理布置邊界孔的抵抗線，采用逐孔起爆網路，可以減小爆堆寬度，有利于爆堆集中。對于邊坡孔，預留0.3m左右的保護層，孔底采用空氣間隔裝藥，最大限度地減少了主爆孔對邊坡體的直接沖擊和破壞，爆后形成的邊坡面較平整，為邊坡穩定創造了有利條件。

7 爆破效果

爆破采用分層開挖，上層進行5次爆破，下層進行6次爆破，每次炸藥使用量約3000kg，完成石方爆破工程量約9.6萬m3。采用逐孔起爆和緩沖爆破技術以及深淺孔結合并加以適當的施工技巧、防護措施，本次開采石方爆破取得了良好的爆破效果、按質按量完成了業主方的要求。爆破振動、飛石、滾石都得到了有效控制，對周邊民房沒有造成損害。爆破后，由于土夾石的存在，有部分大塊，由于采用了深淺孔結合的布孔方式，最大化的利用破碎能量，并實現破碎能量的均衡分布，使爆破后的塊度相對更均勻，改善了爆破效果，一定程度上減少了“軟弱夾層”的地質構造頂部易產生大塊的問題，少部分塊度較大礦石輔助以機械破碎能將成本和進度控制在合理范圍內，滿足挖運要求。爆破后形成的邊坡穩定，便于機械修整，爆破效果得到業主和周邊群眾一致好評。

8 結論

由于露天礦山開采作業時礦體爆破充分考慮了地形、地質條件的影響，通過合理的參數設計和防護措施，爆破振動、爆破飛石和滾石等有害效應都得到了有效控制，破碎礦體全部坍塌在安全允許范圍以內；同時，臨近設計邊坡采用緩沖爆破技術，爆后形成了穩定的邊坡。土夾石、裂隙、溶洞等軟弱結構面的存在給爆破施工帶來風險，從鉆孔開始嚴格設計，精心施工，采取必要的防護措施可以安全高效地完成爆破作業。逐孔起爆技術在生產建設中發揮了日益重要的作用，呈現了良好的社會效益和經濟效益。周圍有重點建（構）筑物需要保護或對邊坡穩定性要求較高的爆破開挖中可以考慮應用。采用綜合措施可將爆破有害效應控制在安全允許范圍內。