長九神山灰巖礦爆破開采滾石控制研究*

陳名英，劉建程，熊峻巍，尹岳降，盧文波，陳 明

(1.中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410004；2.武漢大學 a.水資源與水電工程科學國家重點實驗室；b.水工巖石力學教育部重點實驗室，武漢 430072)

爆破是礦山開采中常用的手段[1]，在加快施工速度、提高生產效率的同時，也不可避免地帶來了如振動、噪聲、飛石、滾石、有毒有害氣體等有害效應。其中，滾石引起的災害在礦山梯段爆破開采中不容忽視。

國內外學者對滾石運動路徑已進行了大量的研究計算。黃潤秋等通過現場試驗研究了邊坡類型對滾石運動的阻滯作用[2]，試驗發現70%的巖體停留于坡面，緩坡、覆蓋層和坡面平臺對滾石坡面運動的阻滯作用明顯。張亞輝[3]、呂慶等人將滾石簡化為剛體[4]，進行運動學分析，分別提出了邊坡滾石的運動路徑和運動距離計算公式。李新翰通過AUTODYN建模進行爆破飛散物拋擲初速度研究[5]，并在此基礎上進行運動分析；張云鵬提出在梯段爆破開挖中可以將柱狀藥包分解為球形藥包，利用疊加原理對各點運動初速度進行矢量疊加。

滾石的沖擊與防護也得到了廣泛的研究。Pichler B等通過巖崩試驗[6]，得到了一種被廣泛運用的半經驗的沖擊力計算公式。王星等提出了滾石沖擊力的LS-DYNA算法[7]，并與傳統的脈沖算法、彈塑性算法等計算結果對比相吻合。冉永華基于重慶某高速公路邊坡危巖崩塌的工程背景[8]，利用Rockfall軟件進行落石運動路徑分析，并在此基礎上進行攔石網的設計。陶志剛通過對“平臺滾石防護措施”和“平臺V形槽滾石防護措施”的正交試驗對比[9]，提出設計V形槽或者增加平臺寬度均可以加速減小滾石運動距離。Zhu C和Wang D S等通過試驗證明砂石墊層對落石沖擊產生有效緩沖[10]，其中墊層厚度是最主要的設計參數。

在礦山露天梯段爆破開采作業中，爆落的巖塊中不乏大體積巖石，且常伴有較大的初速度，在高陡邊坡地形的影響下向坡底滾落，對礦山內設施設備、施工人員構成較大威脅，在本工程中甚至對周邊農田、公路、民房帶來安全隱患。因此，對爆破過程中滾石的運動路徑和運動距離進行合理預測，并采取有效措施進行防護，是必須面對和亟待解決的重要問題。

1 工程背景

長九神山灰巖礦礦山位于安徽省池州市西南方向約37 km處，池州神山北麓山腳，隸屬池州市貴池區牌樓鎮青山村、神山村、濟公村管轄，礦區范圍面積5.14 km2。礦山以生產建筑骨料為主、水泥用原料為輔，投產后礦山即建成產能達7000萬t的建筑石料生產線，開采規模與露天骨料加工規模都將成為世界第一。由于神山骨料礦開采范圍廣、規模大，服務年限長，礦區周邊村莊多，運行環境復雜，其中爆破開采過程中產生的滾石危害得到了極大關注，是工程中亟待重視及控制的重要因素。

礦區屬丘陵地貌，山體總體走向呈北東向NE40°～60°，東西長約4.5 km，南北寬約1.5 km；礦區內地勢總體特征為中部高，向周邊逐步降低，最大標高408.63 m，最低點標高27.60 m，相對最大高差381.03 m。礦區灰巖礦埋藏淺，厚度大，賦存標高基本位于當地地表標高以上。礦山為緩傾角的獨立山體，坡度為20°～30°，山體植被發育，主要為灌木及闊葉林，如圖1所示。基于此，采取露天爆破開采方式，礦山采剝工作面采用礦體走向布置方式，自上而下開采，采場梯段高度為15 m。

圖 1 長九神山灰巖礦邊坡Fig. 1 Highwall of Changjiu Shenshan limestone mine

長九神山礦區涵蓋多個村莊，居民較為密集，周圍有民房300余戶，主要分布在礦區東南部山坡坡腳，大都位于300 m爆破警戒線范圍內。根據礦山生產規劃，礦權線300 mm范圍內的民房都將搬遷，但目前仍有部分未搬遷的民房。此外，礦山周邊300 m爆破警戒線內有部分農田和部分農村道路通過，主要分布于礦區東南部區域。

2 滾石的產生與運動過程

2.1 滾石產生機理

滾石是指因某種原因從原巖體表面失穩，并經下落、回彈、跳躍、滾動或滑動等運動方式沿坡面向下快速運動，最后在較平緩的地帶或障礙物附近靜止下來的個別塊石[11]，滾石的發生過程實質上是一種動力演化過程。

在臺階爆破過程中，在爆炸應力波和爆生氣體的聯合作用下，絕大多數爆落的塊體向臨空面方向拋擲形成爆堆，部分巖塊順坡繼續向下滾動，少量巖塊會脫離爆堆飛散一定距離后順坡繼續向下運動；后述兩種情況均會形成滾石。此外，爆破滾石的危害還包括由于爆破振動引起的原臨邊危石、孤石等發生的位移和滾動，停滯在邊坡上的石塊在雨水沖刷、地震作用或者爆破作用下再次發生滑動而產生的危害。

在長九神山灰巖礦山爆破開采過程中，爆落的巖塊具有一定初速度，其中的大體積塊石相對一般情況的落石具有更大能量，對周邊環境將構成更大威脅。

2.2 運動過程

本工程將坡面簡化為邊坡段和平直段。假設在邊坡段滾石由滑動變為滾動狀態，在變坡點發生滾石的拋擲運動，進入平直段，落下后發生連續彈跳碰撞，當法向速度小于某一值時轉為滾動運動，直至運動結束。

參考張亞輝提出的運動學計算模型[3]，并根據長九神山礦實際情況對該模型進行簡化，該模型計算圖示如圖2所示，并提出如下假設：①忽略滾石之間的相互影響和空氣阻力；②考慮滾石平動時，將滾石簡化為一個質點；考慮滾石轉動時，將滾石簡化為剛性的均質球體；③滾石的碰撞屬于剛體碰撞，碰撞過程中動能的損失通過恢復系數來考慮；④不考慮滾石碰撞破碎情況。

圖 2 邊坡滾石運動軌跡計算圖示Fig. 2 Schematic diagram of rockfalls′ motion on slope

A邊坡段

一般來說，當邊坡坡角小于60°時，滾石表現為滾動。根據工程資料分析可知長九神山礦山體坡度一般在20°～30°，在本例中取25°的山體坡度。

假設滾石由A點以初速度v0(沿坡面)開始沿坡面滾下，摩擦系數μ取tanφ1，則滾石到達谷底平直段B點時速度為

(1)

在本工程中，通過不同的摩擦角取值，考慮不同坡面對滾石運動的阻礙作用。其中，巖質坡面、植被覆蓋土質坡面的摩擦角φ1分別取10°、13°，初速度考慮0、5、10 m/s三種情況。

B谷底平直段

滾石以速度vB在B點碰撞后，繼續進行連續的碰撞彈跳，當豎向速度減小到一定程度時，轉為滾動運動狀態，如圖3所示。

圖 3 平直段滾石運動軌跡計算圖示Fig. 3 Schematic diagram of rockfalls′ motion on straight segment

根據圖3，假設滾石在B點發生平直段的第1次碰撞，碰撞前有

vBT1=vBX=vBcosθ1

vBN1=vBY=vBsinθ1

(2)

式中，vBN1、vBT1分別表示滾石在平直段發生第1次碰撞前的法向、切向分速度。滾石在邊坡段運動時，其自轉對于最終運動距離的影響不能忽略，因此在邊坡段需要考慮滾石的自轉，則第1次碰撞后滾石的法向、切向速度分別為[3]

vBN2=RNvBN1

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：CF1=6.096 m/s;CF2=76.200 m/s為經驗常數。

之后由于滾石的速度和角速度較小，自轉對于彈跳距離的影響較小，可以忽略不計，可以只考慮動能損失。第i次碰撞后，滾石的法向、切向分速度分別為

vBNi+1=RNvBNi

vBTi+1=RNvBTi

(7)

則滾石在平直段坡面發生第i段彈跳的水平運動距離Si為

(8)

需要提出的是，根據文獻[3]，當法向分速度衰減為初始法向速度的0.1以下時，可忽略不計認為不再發生彈跳。根據碰撞恢復系數，本工程中滾石在平直段僅發生三次碰撞：前兩次碰撞后發生彈跳運動，第三次碰撞后不再發生彈跳僅滑動，即法向分速度為0。之后，滾石沿平直段發生滾動直至停止，運動距離為

(9)

式中，tanφ2為本段的摩擦系數，巖石坡面和土質坡面φB分別取25°和30°。

綜上可知，滾石在平直段最終運動距離為

S=S1+S2+S3

(10)

現根據長九神山礦工程實際，對邊坡爆破開挖滾石運動路徑及范圍進行計算分析及評價。參考相關文獻[12]和鐵道部運輸局推薦的系數，法向恢復系數RN和切向恢復系數RT按表1取值。

表 1 不同坡面的法向、切向恢復系數

實踐經驗表明，滾石的法向恢復系數在0.2～0.5之間，切向恢復系數在0.4～0.9之間[13]。在本工程中，對于基巖坡面和有少量植被覆蓋的軟土邊坡，不同坡面下的恢復系數RN、RT取值如表2所示。

表 2 長九神山灰巖礦不同坡面的法向、切向恢復系數

同時，考慮到該工程軟土邊坡下部常有喬木覆蓋，根據黃潤秋等的試驗研究[14]，樹木與滾石碰撞一次的速度恢復系數為0.55，本例中假設滾石僅在邊坡段與樹木發生一次碰撞。

根據公式(1)～(10)，計算得到不同高差下滾石落點距邊坡坡腳的距離，計算結果如表3所示。

表 3 不同坡高下滾石停止點距坡腳距離計算表(單位：m)

通過表3的計算結果可以看出，當初速度較小時，其對爆破滾石運動距離的影響較小，可以忽略。其中高程對爆破滾石運動距離的影響占主導作用，當邊坡高差達到300 m，邊坡基巖出露時，滾石停止點距坡腳的距離可達160 m；邊坡表面有少量植被(灌木)覆蓋時，考慮到對滾石運動的阻礙作用，滾石停止點距坡腳距離不大于80 m；當邊坡有喬木覆蓋時，由于其對滾石的停滯作用，滾石最大運動停止點小于40 m，但是在此情況下，需要特別注意邊坡上停滯的塊石在雨水沖刷、地震作用或者爆破作用下發生二次滾動危害。

由上述分析，在邊坡高差的影響下，滾石的運動距離較遠，需要采取一定的措施加以防范和控制。需要說明的，上述模型假設滾石在運動過程中沒有任何阻擋，且能夠運動到坡底。事實上，在長九神山礦工程中，爆破后的巖塊較小，由于邊坡起伏或植被等的影響，會對滾石起到一定的攔截作用，且沒有植被覆蓋的巖石邊坡較少，滾石的實際運動范圍會略小于表3中的計算值，結果偏安全。

3 滾石控制措施

滾石的防護措施可分為主動防護和被動防護[15]。主動防護是指從源頭上控制潛在的滾石發生，即在爆破開采過程中通過調整爆破方案以控制滾石的產生；被動防護指在滾石產生后，采取一定措施避免發生滾石災害，主要包括攔截法、疏導法、監測與警示等。

在長九神山礦爆破開采過程中，主要通過優化爆破方案、設置攔截措施和明確警戒范圍進行滾石運動控制和滾石災害防治。

3.1 優化爆破方案

針對長九神山礦開挖方量大、滾石影響范圍廣的特點，本工程主要采取預留巖墻的松動微差爆破方案。自上而下分層爆破開采時，在靠近坡面一側預留具有一定厚度和高度的巖墻，作為屏障阻擋爆破后石塊順坡向下運動產生滾石災害。

內層爆區可以采取常用的深孔臺階爆破開挖方案，臺階高度為15 m；巖墻爆區臺階高度略低于內層爆區，為8～15 m，同時為保證巖墻發揮其阻擋作用，外側巖墻爆區應該滯后內部爆區1～2個循環。對巖墻進行開挖時采取微差松動爆破方案，并控制爆破方向與山體輪廓線平行，以盡量使外側巖石僅松動而不產生拋擲和滾落。根據相關工程經驗和資料[16]，對于巖墻爆區，巖墻頂部寬度不小于3 m，底部寬度不小于10 m ，在本工程中為保證鉆孔的質量和安全，頂部寬度取8～15 m，布置2～3排炮孔，采用相對較小的炮孔直徑、小單耗的松動爆破方案，并采用逐孔起爆網路，其中為盡可能保證爆破后巖石“破而不飛”，最外側炮孔采用相對更小的單耗。以3排炮孔布置為例，爆破參數如表4所示，爆破開挖示意圖及炮孔布置圖如圖4所示。其中，預留巖墻臺階內側傾角為70～85°，整體采用微傾斜炮孔布置，基本與內側坡面平行，最外側炮孔位于臺階面邊緣。

表 4 松動爆破參數表

圖 4 預留巖墻爆破開挖及炮孔布置圖Fig. 4 Preserved dike blasting excavation and blast hole pattern

爆破作業完成之后，采用挖掘機對剩余巖墻進行開挖，同時加強現場指揮和控制警戒，防止在此過程中產生滾石危害。

此外，進行孔網參數優化，如采用梅花形炮孔布置可以有效防止爆破過程產生大尺寸塊石、減小滾石塊度，從而降低滾石危害。保證堵塞質量、確保堵塞長度適中、使炸藥盡量沿全長均勻分布、提前清除爆破臺階上和原邊坡巖體上松石和浮石，也有利于防止滾石災害發生。

3.2 攔截滾石

攔截法是針對落石范圍大、數量多、坡型條件復雜等情況提出的一種在滾石運動途中對其進行攔截的有效防護措施[15]。工程中常用的措施包括擋石墻、攔石網、截石溝、防護棚等，為防止高速運動的滾石進入截石溝后彈跳至防護區域造成安全威脅，一般可在截石溝內設置如碎石、砂、土類的緩沖材料；也可以在截石溝外側設置擋石墻、攔石網等以增加其對滾石的攔截能力。在進行方案選擇與設計時，一般需要對滾石的塊度尺寸和運動特性(包括運動速度、運動路徑、彈跳高度、運動距離等)有明確的認識。

根據本工程滾石運動特性、地形特點和防護要求，在礦山外圍邊坡坡腳設置截石溝，實現爆破滾石的有效攔截；在靠近民房、農田、公路等重點防護區域，采用擋石墻和截石溝相結合的滾石攔截措施，更大程度地減少爆破開采落石對周邊環境的影響，示意圖如圖5所示。其中，截石溝設置在近坡腳的位置，并在溝底鋪設厚度為30～50 cm的碎石和砂墊層用以緩沖，降低滾石的反彈速度和彈跳高度；截石溝采用梯形斷面，寬度和深度不應小于4.0 m，內外側邊坡坡比相同，取1∶1.5。在重點防護區域，可根據需求可在截石溝外側設置3.0～5.0 m高的擋石墻以增強攔截效果，減小對周邊環境的影響與威脅。考慮到本工程中滾石的體量較大，擋石墻采用鋼筋混凝土結構。

圖 5 滾石攔截控制示意圖Fig. 5 Rockfall intercept control

3.3 合理警戒

本工程在前期試生產過程中，爆破后大塊石滾落至坡底，運動停止點距坡腳達150 m之遠，對當地民眾正常的生產生活帶來了極大威脅。根據2.2節的計算預測，理論上滾石停止點距坡腳的最大距離可達160 m。因此，在爆破作業進行時，應設置300 m的警戒范圍，如圖6所示。對礦權線300m警戒范圍內民房、農田、公路等應采取遷移政策，以更大程度地保證礦區周邊居民的生命財產安全。

圖 6 礦區爆破警戒范圍Fig. 6 Blasting warning range in mining area

4 結論

(1)長九神山灰巖礦區由于邊坡高差大，開采規模大，爆破過程中滾石運動距離較遠，影響范圍較廣，若不加以控制，很可能對周邊設備設施、民房民田及農村公路帶來較大的危害。因此，需采取一定措施從源頭和運動過程兩個方面對可能發生的滾石災害進行控制。

(2)在源頭上采取預留擋墻的微差松動爆破方案，減少石塊拋擲；同時優化炮孔布置和孔網參數，加強炮孔堵塞質量，以控制爆破后巖石的塊度，避免出現體積較大的塊石、增加危害。

(3)在滾石運動過程中采用截石溝和防護墻結合的雙重措施進行攔截。在靠近坡腳處設置截石溝并鋪設砂墊層進行控制，在重點防護區域根據需求在外側增設擋石墻加強防護。

(4)礦區外圍300 m范圍內設置警戒區，該區域內民房全部搬遷，且在爆破作業進行過程中要對該區域進行嚴格警戒防范。