爆破測振技術在凹山采場高陡邊幫開采中的應用

鄧國平

(馬鋼集團(控股)有限公司南山礦業(yè)公司)

臨近閉坑的凹山采場形成了1個長約1 230 m、寬1 050 m、封閉圈標高45 m、最低開采水平-210 m 的凹陷采坑。采場大規(guī)模爆破和開挖對邊坡巖體造成了較大的應力擾動，并在坑底坡腳處形成了應力集中，對凹山地質(zhì)環(huán)境治理和掛幫礦開采時，會進一步引起巖體發(fā)生變形和破壞。高陡邊坡穩(wěn)定性主要由礦山工程地質(zhì)條件決定，但在巖石物理力學性質(zhì)、邊坡結構構造、采場結構參數(shù)和開采方式一定的條件下，采場爆破振動是危害邊坡的主要因素，特別是節(jié)理裂隙比較發(fā)育的軟弱結構面更可能受其影響。采場南幫受F2斷層影響，南幫治理區(qū)域地質(zhì)條件較差，節(jié)理裂隙等結構面較多，爆破振動對邊坡穩(wěn)定性有一定影響。2013年，隨著東南幫地質(zhì)環(huán)境治理工程穩(wěn)步推進(主要治理南幫-15～-165 m 水平)，該部位受深孔爆破及生產(chǎn)作業(yè)影響，人工監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，該部位有明顯下沉現(xiàn)象。南幫治理區(qū)域正上方分布有0～-15 m、-15～-30 m 水平鐵路運輸線路，其中，0～-15 m水平鐵路線為0 m水平轉(zhuǎn)運平臺電機車的必經(jīng)線路，-15～-30 m水平鐵路線為-15 m水平轉(zhuǎn)運平臺電機車的必經(jīng)線路。為確保凹山采場安全高效開采，本研究對爆破振動進行監(jiān)測分析，以合理優(yōu)化邊坡爆破設計方案。

1 臨近邊坡爆破對失穩(wěn)邊坡的影響

(1)爆破應力波作用使得邊坡圍巖中的剪應力增加，原生結構面、構造結構面、原有的裂紋裂隙進一步擴展和延伸，甚至會產(chǎn)生新的裂紋裂隙，大大降低了邊坡的承載能力，從而影響到邊坡穩(wěn)定性[1-2]。

(2)地表水滲入造成節(jié)理、裂隙和軟弱層的靜水壓力增大，軟化結構面并降低潛在滑面強度，爆破振動作用使得地下水狀態(tài)發(fā)生改變，直接或間接影響到滑塌面的摩擦力，振動慣性力對邊坡形成了1個致滑力，使得邊坡產(chǎn)生誘滑。

(3)爆破振動對邊幫圍巖進行了長期擾動和沖擊，使得破壞效應不斷加強和延續(xù)，導致邊坡產(chǎn)生了近似材料蠕變或巖石內(nèi)部損傷積累，改變了圍巖內(nèi)部的抗剪切能力。

2 正常臺階的中深孔爆破參數(shù)

凹山采場臺階高度為15 m，采用φ250 mm牙輪鉆穿孔，孔深設計為17 m，采用逐孔微差順序起爆，非電導爆管起爆。炸藥采用銨油炸藥，其余為多孔粒狀銨油炸藥。爆破參數(shù)為底盤抵抗線8.5～10 m，孔距8～9 m，排距5.5～6.5 m，孔深17 m，超深2 m，炮孔傾角90°，炸藥單耗0.5 kg/m3。

3 爆破振動規(guī)律

對于露天礦爆破，與爆破振動關系最為密切的參數(shù)分別為爆心距、最大段藥量、一次爆破總藥量、爆轟波傳播方向、方位、高差等[3-4]。在治理高危邊坡時，由于邊坡容易受水文地質(zhì)條件的影響，治理期不宜過長，而預裂爆破對于頻繁擴幫到界的開采比較費時，影響推進進度，故不建議采用，為此，只能通過減少最大段藥量來降低爆破振動對邊幫的破壞。

最大段藥量控制方法主要通過對爆破最大段藥量的控制來有效降低爆破振動的峰值質(zhì)點振速[5]。其主要原理是在保證礦巖能夠被充分破碎的條件下，減少爆破能量大小來降低爆破振動強度。 根據(jù)采場鉆孔設備、爆破器材、爆破工藝等條件，本研究對半深孔(孔深8.5 m)爆破的單孔最大段藥量與高臺階深孔(孔深17 m)爆破進行了爆破振動效果對比監(jiān)測試驗。

現(xiàn)場爆破試驗采用IDTS 3850型爆破振動記錄儀，每次測量3個測點，3個測點均設置于南幫不穩(wěn)定邊坡的固定位置上，由于選取的全深孔爆破位置和半深孔爆破位置的爆心相距很近，故與邊幫固定測量點的距離近乎相等，通過數(shù)次爆破后，得出了爆破振動典型波形圖(圖1)，相關實測數(shù)據(jù)見表1。分析圖1、表1可知：爆破振動引起的邊坡質(zhì)點的振動速度隨爆心距的增加而遞減，當爆心與測點距離相同時，最大段藥量小的爆破對邊幫產(chǎn)生的質(zhì)點振動速度越小，振動速度降幅為17.6%～72.4%。

圖1 爆破振動速度波形

表1 凹山采場-90 m臺階半深孔(8.5 m)和全深孔(17 m)爆破振動測試數(shù)據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場采集的大量數(shù)據(jù)，采用計算機讀取每臺儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)(分別為垂直振動速度、水平徑向振動速度、水平切向振動速度)，并記錄每個通道的最大振動速度，對各方向的振動速度平方相加再開根號，即可得出該測點的合速度。根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，分別對每條測線采用薩道夫斯基公式進行了回歸計算分析，凹山采場爆破振動在F2斷層方向的測振數(shù)據(jù)回歸分析結果見圖2。

圖2 F2斷層方向爆破振動回歸直線

經(jīng)過薩道夫斯基公式回歸計算，得出該公式中K、α取值分別為165.9、1.418，相關性系數(shù)r=0.917，則F2斷層方向爆破振動傳播規(guī)律公式可表示為

圖3 F2斷層方向爆破振動衰減曲線

參照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)給出的質(zhì)點振動速度安全允許值[6]，根據(jù)采場F2斷層方向上的爆破振動速度衰減規(guī)律，可求得不同爆心距、不同最大段藥量所對應的爆破振動速度，結果見表2。

表2 F2斷層方向不同爆心距、不同最大段藥量對應的振速

4 結 語

以凹山采場為例，分析了爆破振動速度傳播規(guī)律，認為合理分配藥量和布置藥包，從而使炸藥能量充分用于破碎介質(zhì)，并使作用于爆破飛石、振動等有害效應上的能量達到最小值，從而有效控制爆破振動。具體措施為：合理布置炮孔和藥包，限制最大段藥量和總藥量；采用逐孔順序起爆網(wǎng)路，嚴格控制最大段裝藥量和一次起爆藥量；合理設置填塞高度，嚴格按照規(guī)程進行施工作業(yè)。