大孔徑深孔控制爆破技術在露天礦邊坡工程中的應用

茍 強

（廣元海螺水泥有限責任公司，四川 廣元 628000）

隨著我國經濟社會的不斷發(fā)展，越來越多的基礎設施投入建設，各類建筑材料的需求也隨之增加，因而各水泥礦山企業(yè)紛紛提高產量以滿足日益增大的水泥需求量[1-2]。而隨著礦山產量的增大，爆破作業(yè)強度和爆破次數均隨之增加，爆炸作業(yè)環(huán)境也越來越復雜，爆破有害效應所引起的民事訴訟及糾紛也日益增多，對礦山的正常生產秩序造成了嚴重的影響[3-5]；其中，尤以邊坡爆破滾石事故最為突出，由于此類事故會對邊坡下方的建筑和山林農作物產生極大破壞作用，造成巨大的經濟損失，因此，必須采取有效的安全技術措施，滿足礦山的安全生產需要。

在露天礦山邊坡開采過程中，傳統(tǒng)的小孔徑淺孔爆破技術由于施工進度慢往往滿足不了生產要求，容易造成壓礦現象，導致礦山三量失衡，進而影響生產經營狀況及礦山的可持續(xù)發(fā)展。因此，為了減少爆破次數，加快施工進度并提高爆破效率，大孔徑深孔爆破控制技術在邊坡開采中的應用日益廣泛。然而，工程實踐表明，該技術在生產過程中難以有效控制爆破滾石事故。

1 工程概況

1）工程地質概況。四川廣元五栗子石灰?guī)r礦山位處龍門山褶斷束北東部雁門凹褶束北東之明月峽背斜東段賴家埡背斜，該背斜貫穿全礦區(qū)，礦區(qū)地勢呈北東高南西低特征，為中山深切割構造侵蝕山地。礦區(qū)內部無斷層，巖溶不發(fā)育，礦層內部有炭質頁巖等軟弱夾層，地質構造及工程、水文地質條件簡單～中等復雜。

2）礦山邊坡概況。礦山整個邊坡沿東西走向布置，采準工作面長度達3.1 km，其中南側邊坡長度1.8 km，邊坡高度15 m，平均坡度75°，局部坡度大于80°，北側邊坡長1.3 km，邊坡高度15 m，平均坡度55°，局部坡度大于70°。整個礦山除東北方向爆破條件較好，其余方向均復雜，邊坡地段原始地貌突出，巖石陡峭不規(guī)整，存在較多孤石、土包石，爆破極易產生滾石下山。

3）爆區(qū)環(huán)境概況。邊坡地段除地質地形復雜外，周邊的環(huán)境也極其復雜，其中南側邊坡距開采平面-30 m 位置為征地界，距征地界-300 m 位置為B村山林農作物。北側邊坡距開采平面-135 m 位置為征地界，距征地界-650 m 位置為C 村山林農作物，-650 m 位置為108 國道。整個礦山邊坡長達3.1 km，并隨著開采深度的延伸，邊坡長度不斷增大，礦山邊坡爆破安全環(huán)境復雜，爆區(qū)環(huán)境示意圖如圖1。

圖1 爆破環(huán)境示意圖

2 基于大孔徑深孔爆破的邊坡爆破滾石控制技術

2.1 技術簡介

邊坡爆破滾石控制主要包括2 個方面：一是主動防護；二是被動防護。主動防護指采取措施阻止?jié)L石潛在的失穩(wěn)，從滾石的起源上控制滾石危害的發(fā)生，如加固法和消除法。被動防護則指允許滾石的發(fā)生，但采取相應控制措施避免滾石造成危害，如攔截法和警示與監(jiān)測法[6]等，由于礦山特有高陡地質結構，工程機械設備無法開挖防護溝，因此不對該被動防護措施描述。基于此，提出基于大孔徑深孔爆破的邊坡爆破滾石控制技術，即根據炸藥臨界埋深和最小抵抗線控制炸藥爆炸能量，使其既能充分破碎巖石又不會讓滾石產生起源動能。該技術通過研究應用，可有效消除邊坡爆破滾石的潛在失穩(wěn)，同時通過設置外圍警戒被動防護措施避免爆破滾石可能造成的危害，進而有效控制邊坡爆破滾石事故發(fā)生。

其主要具有如下特點[7-9]：①炮孔深度較大：爆區(qū)地質、地形、巖石構造及節(jié)理裂隙、巖溶發(fā)育情況不易查明，爆破方案設計有一定困難；②巖石強度變化較大:炸藥單耗的取值也要隨著變化。若炸藥單耗取值過低，強度較高的基巖會達不到預期爆破效果，若炸藥單耗取值過高，爆破擾動區(qū)則會出現大量滾石或飛石；③最小抵抗線變化較大，較難掌握：由于炮孔處在邊坡位置，炮孔四周的巖石強度因風化、薄弱帶、爆破擾動等原因發(fā)生變化，炮孔的最小抵抗線則會改變原來設計的位置，指向巖石強度最小的方向，而產生滾石。

2.2 爆破參數設計

邊坡爆破炮孔布置示意圖如圖2。

圖2 邊坡爆破炮孔布置示意圖

礦山邊坡穿孔設備采用液壓潛孔鉆機，型號為DM50，鉆孔孔徑φ140 mm，鉆孔類型為垂直孔。

根據爆破設計相關資料[10]，炮孔深度按如式（1）計算：

式中：H 為臺階高度，m；h 為鉆孔超深，m。

可由經驗公式進行選取，即h=（0.10～0.14）H。

根據設計資料，臺階高度H=4～15 m，代入計算得h=0.5～2.0 m，鉆孔深度較大時取大值，鉆孔深度較小時取小值。軟巖取小值，硬巖取大值。

前排炮孔最小抵抗線W1=2.5～4.0,第1～第2 排間炮孔最小抵抗線W1～2=2.5～4.0,第2～第3 排間炮孔最小抵抗線W2～3=3.0～5.0 m。抵抗線公式如下：

式中：W1為前排最小抵抗線，m；W1～2為第1～第2 排間炮孔最小抵抗線，m；W2～3為第2～第3 排間炮孔最小抵抗線，m；L 為鉆孔深度，m。

最后1 排正向村莊的炮孔的最小抵抗線是控制邊坡滾石的關鍵，為此，炮孔的最小抵抗線根據利文斯頓爆破漏斗理論實驗數據進行選取，即當巖性和藥量一定的條件下，隨著藥包埋深的變化，爆破能量的作用效果相應地變化，在此，巖石彈性、沖擊變形和破壞階段有關參數獲得對工程有很重要意義[11-12]。爆破漏斗試驗采用本礦爆破所使用的2#巖石乳化炸藥，藥卷直徑為90 mm，單卷長度為33 cm，藥卷重量為3.0 kg/卷，爆破采用普通毫秒雷管逐孔起爆。根據利文斯頓爆破試驗測得的數據見表1。

表1 單孔爆破漏斗試驗數據測定表

式中：W0為末排炮孔最小抵抗線，即臨界埋深，m；Eb為應變能系數；Q 為單孔藥量，kg。

將表1 中的的試驗數據代入式（5）可得本次試驗條件下的主要技術參數，即W0=2.0 m，（這里W0即為臨界埋深）應變能系數Eb=1.386722。

根據試驗求Eb，即可求得邊坡爆破實際用藥量所能達到的爆破效果，及可指導判斷每孔爆破最小抵抗線，確保巖爆發(fā)生松動，不產生爆破滾石。根據爆破設計參數，礦山邊坡爆破最后1 排孔單孔裝藥量Q=11～132 kg，將其的反代入式（5）即可得到末排炮孔最小低抗線W0=3.1～7.1 m。具體每孔最小抵抗線確認根據裝藥量和現場地質實際情況稍作調整。

根據經驗數據，炮孔孔距a=3～6 m。炮孔孔距按式（6）進行計算：

邊坡爆破炮孔的排距取值采取比最小抵抗線小原則，增強自由面拋擲效果，減小后沖、側沖，避免后方拋擲。因此，炮孔排距b 按式（7）進行計算：

式中：W 為最小抵抗線，m。

由于這類炮孔地質條件復雜，爆破可控度大大降低，因此，炸藥單耗的合理選取是控制滾石的關鍵，炸藥單耗q=0.34～0.45 kg/m3。一般邊坡臺階爆破的單耗q 按式（8）進行計算。

式中：Q 為單孔藥量，kg。

大量實踐表明該炸藥單耗既可以使巖石充分破碎達到理想爆破效果，又不會讓滾石產生足夠起源動能，避免了爆破滾石產生。因此，在確定了巖石炸藥單耗情況下，爆破設計時就可以根據邊坡臺階高度計算出每孔最佳填裝炸藥量，每孔最佳填裝炸藥量具體需根據現場地質條件進行設計。

每孔最佳填裝炸藥量QH采式（9）進行計算：

爆破警戒是整個爆破安全管理特別重要環(huán)節(jié)，因此必須高度重視嚴格把關，本礦山邊坡爆破重點做好B 村及C 村方向外圍警戒工作，外圍警戒組由3 人組成，攜帶擴音器及通信設備，沿山間小道步行下山，對500 m 范圍安全距離內人員、牲畜進行清理并將兩頭路口封堵，禁止任何人員、設備進入警戒區(qū)內。待起爆后確認安全無誤后方可解除警戒。

3 現場應用

本次共在3 個地點進行現場應用，分別是1035平臺S4 邊坡、1035 平臺S5 邊坡、1020 平臺S2 邊坡，各平臺邊坡爆破情況如下：

1）1035 平臺S4 邊坡。采用深孔爆破，爆破參數為：①鉆孔孔徑φ140 mm；②炮孔孔距a=4.0 m；③最小抵抗線W=5.6～7.1 m；④鉆孔深度L=12～17 m；⑤炸藥單耗q=0.41 kg/m3。鉆孔碎屑炮孔堵塞，采用非電逐孔起爆，爆破效果為拋擲明顯，沉降3～4 m，后排松動，眉線清晰，無滾石，明顯可見大塊，改進方案為后排孔堵塞位置加設小藥包，降低大塊率，改進效果為爆破效果好，無滾石飛石，大塊率明顯降低。

2）1035 平臺S5 邊坡。采用深孔爆破，爆破參數為：①鉆孔孔徑φ140 mm；②炮孔孔距a=3.0 m；③最小抵抗線W=3.1～3.9 m；④鉆孔深度L=4～6 m；⑤炸藥單耗q=0.34 kg/m3，鉆孔碎屑炮孔堵塞，采用非電逐孔起爆，改進后爆破效果為爆堆松動，隆起0.3～0.5 m，無滾石產生。

3）1020 平臺S2 邊坡。采用深孔爆破，爆破參數為：①鉆孔孔徑φ140 mm；②炮孔孔距a=4.0 m；最小抵抗線W=5.6～6.6 m；④鉆孔深度L=10～15 m；⑤炸藥單耗q=0.39 kg/m3，鉆孔碎屑炮孔堵塞，采用非電逐孔起爆，爆破效果為拋擲明顯，沉降2～3 m，后排松動，眉線清晰，無滾石，改進方案為后排邊坡外側最小抵抗線位置增加穿孔，a=2～3 m，L=3～4 m，改進后爆破效果為爆破效果好，無滾石，無飛石，爆破次數減少，邊坡處理進度加快。

可以看出，采用基于大孔徑深孔爆破的邊坡爆破滾石控制技術后，爆破作業(yè)次數有所下降，巖石大塊率明顯降低，且爆破過程中基本無滾石和飛石等爆破有害效應，表明該技術能夠有效改善爆破效果、提高爆后邊坡處理進度、并能有效控制邊坡爆破滾石事故。

4 結語

介紹了大孔徑深孔控制爆破技術在邊坡開采中的應用，正確處理了復雜環(huán)境爆破作業(yè)過程中炸藥量與最小抵抗線的關系，使得巖爆發(fā)生松動，沒有足夠能量產生滾石。同時通過不斷總結施工經驗，摸索出的“爆破規(guī)模控制+小孔網參數+臨近邊坡倒數2排孔裝藥量控制+逐孔起爆技術+外圍警戒”控制措施滿足了爆破滾石控制的安全技術要求，有效防范了邊坡爆破滾石的產生，礦山邊坡爆破工作可以高效有序開展，保證了礦山的可持續(xù)發(fā)展。