西藏驅龍銅多金屬礦項目凍土層爆破及剝離技術研究

翟 翔 超， 陶 體 盛， 李 洪 豪， 龔 山 琳

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

驅龍礦區位于西藏自治區墨竹工卡縣西南約20 km處，礦區屬墨竹工卡縣甲瑪鄉和達孜縣章多鄉管轄。礦區位于青藏高原岡底斯山脈東段與念青唐古拉山脈結合部位，地勢險峻，切割強烈，礦區海拔5 050～5 512.2 m。礦區東西長2 590 m，南北寬1 810 m，沿礦區公路北行約28 km至318國道，向西行61 km至拉薩市，向東行6.5 km至墨竹工卡縣，礦區屬于溫帶高原半干旱季風氣候，晝夜溫差懸殊，空氣稀薄，日照充足，干濕季節明顯，夏季溫和濕潤，冬季寒冷干燥，晝夜溫差較大，根據實際數據統計，礦區晝夜溫差統計情況見表1。

表1 驅龍銅多金屬礦晝夜溫差統計表

礦區表面多數為高山草甸覆蓋，表面風化層或碎石堆積層厚度為0.5～10 m不等。由于在每年9月至次年2月晝夜溫差較大，使其基巖以上的松散巖層形成厚度不等的凍土層，3至5月凍土層逐漸融化，6至8月凍土層逐漸消融。

2 原狀凍土層具有的特點及難點

2.1 凍土層的特點

凍土層的形成有兩種方式：其一，高山草甸對土壤的保水性在低溫的影響下形成了土壤凍土層，為原狀凍土層；其二，松散碎石覆蓋一定厚度的冰雪，白天氣溫高，冰雪融化滲入碎石縫隙，夜間溫度下降后凝結成冰，將碎石凝結成整體，形成碎石凍土層，一般為巖石爆破后沒有及時進行剝離，在冰雪融水和氣溫的影響下形成的。

凍土由固體礦物顆粒、黏塑性包裹體、未凍水以及氣體包裹體組成的復雜四相體,在常態下具有一定的硬度、韌性、孔隙度。其對鉆削與沖擊能量的吸收與巖土不同，隨著含冰量與凍結程度的不同，其鉆鑿性質也在變化[1]。驅龍銅多金屬礦凍土層厚度為0.6～2 m，海拔越高，其厚度越厚。凍土層的強度與溫度有關，隨著溫度降低，強度增大，最后趨于穩定；其還與含水量有關，初始隨著含水量的增大強度增大，增大到一定數值后，隨著含水量的增大，強度減小并趨于純冰的強度[2]。

2.2 凍土層的施工難點

(1)凍土層凍結后強度較大，難以采用挖掘設備直接剝離，必須采用爆破或其他技術進行處理才能達到良好的剝離效果；

(2)凍土層往往也是草甸及腐殖層，鑒于西藏環境脆弱，為保護礦區生態環境，需要采取專門措施保護原生植被；

(3)在凍土層進行穿孔作業時，大量的機械能通過摩擦轉化為熱能，造成凍土融化，形成泥漿團，惡化鉆屑的形成及排出條件，降低鉆孔效率甚至無法成孔[3]；

(4)凍土層的爆破需面對鉆孔含水、溫度低的問題，對爆破器材性能要求高；

(5)當凍土層下存在未凍結松散土層時，會削弱沖擊波對凍土層的松動作用[4]，影響爆破效果，易形成“鍋蓋”，嚴重影響剝采進度；

(6)由于晝夜溫差較大，爆破后的凍土受外熱融化，夜間重新凍結，造成清理困難。

3 凍土層處理方案研究

針對以上面臨的施工難點，結合有關研究資料，在現有的設備條件下，優化控制穿孔、爆破、剝離的生產工藝過程，以取得較好的生產效率及經濟效益。

3.1 穿孔設計

驅龍銅多金屬礦處理原狀凍土層前進行了穿孔試驗，采用潛孔鉆機，孔徑為115 mm，設計基本孔網參數為2 m×4 m，菱形布置，垂直鉆孔，孔深為凍土層厚度。試驗過程中由于鉆頭摩擦轉化為熱能，孔口返出的鉆渣較為濕潤，鉆速為0.3 m/min，成孔率與鉆孔時的氣溫有關，氣溫在5 ℃～-10 ℃時成孔率在72%～90.5%之間。根據有關文獻描述，采用麻花鉆的穿孔效果優于潛孔鉆，而筆者僅僅根據現有的鉆孔設備進行穿孔設計。鉆頭穿過凍土層出現了兩種情況：其一，鉆頭鉆穿凍土層后鉆孔速率變慢，說明達到原狀巖石表面，凍土層以下巖層比較完整，進行裝藥爆破時下部氣密性良好；其二，鉆穿凍土層后鉆速突然加快，隨即孔口出現不返渣、卡鉆等現象，說明凍土層以下存在未受凍的松散土層，層下的松散土層將影響凍土層的爆破效果。進行穿孔爆破設計時臨空面的設計對其爆破效果影響較大，利用爆破區域地勢較低的一側采用鏟裝設備處理后形成臨空面以保證良好的爆破效果。由于凍土層厚度不同、凍土層下的地質條件不確定，鉆孔時鉆頭穿過凍土層后立即停止向下鉆進，并根據該孔孔底的地質狀況進行標記，為穿爆施工后續工序做好準備。

3.2 爆破設計

3.2.1 爆破器材

驅龍銅多金屬礦所采用的炸藥為2#巖石乳化炸藥和氨油炸藥兩種，由于受水的影響，凍土層爆破采用2#巖石乳化炸藥進行爆破，該炸藥在溫度低于0 ℃時敏感度低，通過爆破試驗，最終決定采用高爆起爆彈和高爆非電雷管起爆能取得良好的效果，使用導爆索、分段延時管等器材將爆破連接成網狀進行爆破。

3.2.2 爆破參數

凍土層采用松動爆破，炸藥單耗約為0.3～0.4 kg/m3，爆破后的塊石長邊直徑小于1.2 m即滿足鏟裝要求，根據裝藥位置不同，分為凍土層下爆破和層中爆破[5]，根據凍土層的實際賦存情況，靈活選取合適的爆破方式。

層下爆破是指將炸藥裝填于凍土層以下孔柱范圍，使其產生向上的沖擊波以達到松動的目的。試驗證明：當凍土層厚度大于1 m或凍土層下存在未凍結的土層或松散土層，爆破同時產生向下的沖擊波，削弱了爆破對凍土層產生的沖擊力，爆破效果很差，故層下爆破適用于厚度為0.6～1 m之間且層下為堅硬巖石的原狀凍土層的情況。根據爆破試驗數據進行統計，其層下爆破參數見表2。

表2 凍土層下爆破參數統計表

當凍土層厚度大于1 m或凍土層厚度小于1 m，但層下存在松散土層時采用層中爆破，即將炸藥裝填于凍土層厚度范圍內的孔柱進行爆破。層中爆破裝藥前應對爆破孔進行處理，爆破孔貫穿了整個凍土層厚度，需要采用細土料對其超深部分進行回填處理，以保證炸藥裝填于凍土層中間部位的孔柱內；其次，對于厚度小于1 m且層下存在松散土層爆破區域的孔網參數應進行適當的調整，以達到爆破的預期效果，其爆破參數見表3。

表3 凍土層中爆破參數統計表

3.3 剝離工藝流程優化

3.3.1 草甸及腐殖層的剝離

為保護礦區生態環境，礦區閉坑后要求對排土場、礦坑局部區域作復墾處理，要求對高山草甸及腐殖層土必須單獨剝離并將其運至特定區域堆放待用。由于受晝夜溫差的影響，白天氣溫較高時草甸及腐殖層土中所含的冰狀物逐漸融化，是進行剝離的最佳時段，對凍土層平緩地段采用推土機集堆草甸和腐殖層土，對凹凸不平區域采用小型液壓挖掘機進行剝離。鑒于腐殖層土的厚度不同以及受冰狀物消融速率的限制，采用分層剝離的方式進行。

3.3.2 原狀凍土層的剝離

原狀凍土層爆破后，由于礦區晝夜溫差大，爆破處理后的凍土含水率較高，在低溫的影響下很快形成新的凍土，或者爆破后形成一定的空隙導致原凍土層下的松散土層形成凍土，故對爆破后的凍土層必須及時進行剝離。驅龍銅多金屬礦項目的爆破施工一般在下午3點進行，而礦區氣溫較高的時段為中午12點至18點，為了及時對凍土層進行剝離，將凍土層爆破調整至中午12點左右進行。對于層下為堅硬基巖的凍土層須將其剝離至基巖表面；對于層下為松散土層的凍土層，應根據采剝標準臺階高度、松散土層厚度、設備生產效率等客觀條件，對凍土層與松散土層同時進行剝離處理。

3.3.3 碎石凍土層處理方案研究

碎石凍土層是由于爆破施工后采剝不及時，在晝夜溫差和冰雪融水影響下形成的凍土，該凍土層孔隙率大，采用松動爆破處理方法氣密性欠佳且難以成孔，爆破效果甚微，固體顆粒之間的粘結力較小，厚度一般小于1 m，采用破碎錘處理后及時采剝處理或利用白天氣溫較高時段直接采用鏟裝設備進行剝離處理。

碎石凍土層的預防和處理需要注意以下幾點：

(1)采剝生產計劃的合理性。為保證露天礦連續性生產，穿爆作業必須提前進行，并保證一定的爆破余量；

(2)必須對礦區所在地氣候變化規律有所了解，如不同時期晝夜溫差的變化，根據氣象預報和當地氣候資料預測雨雪天氣的到來時間和持續時間，采取小規模爆破、多次爆破的方式，減少爆渣的存儲時間，保證生產的連續進行；

(3)采剝前，對爆渣表面的積雪進行及時清理或噴灑融雪劑，防止冰雪融水與碎石結合形成碎石凍土層。

4 結 語

高寒地帶凍土層的爆破與采剝技術作為一項新的課題具有一定的研究價值，筆者僅從現有的設備配置、礦區的實際氣候條件，結合大型露天礦山經驗爆破參數進行了爆破試驗，根據試驗不斷調整與爆破相關的參數、爆破器材和采剝工藝，從多方面不斷總結和優化凍土層的爆破與采剝技術方案，達到了解決實際問題的目的。

在試驗研究過程中，筆者針對原狀凍土層，總結了一套“小規模爆破、及時剝離”的處理原則，根據凍土性質及產能適量爆破，及時剝離；針對碎石凍土層，采取合理安排采剝計劃、噴灑融雪劑等措施，降低了凍土重新凍結造成的影響。實踐表明：以上措施能夠達到提高鏟裝效率、節約成本的目的，進而保證了項目生產的順利進行。