露天礦破碎站基坑控界爆破技術*

閆永富，王文才，劉占全，孫 盛，崔占軍

(1.內蒙古科技大學 礦業與煤炭學院，包頭 014010；2.包鋼鋼聯股份有限公司 巴潤礦業分公司，包頭 014010；3.包鋼集團公司 白云鐵礦，包頭 014010)

露天礦破碎站基坑開挖工程是一項對爆破技術要求較高的工作，需要制定切實可行的方案和選取科學合理的參數。國內外學者為了實現良好的基坑爆破效果，進行了多角度的研究和試驗。為了開挖施工的方便，將基坑劃分為了若干個縱向或者橫向的施工區域[1-4]；為了嚴格控制爆破振動采用了電子雷管起爆系統進行逐孔起爆，并通過爆破振動情況調節選取了合適的爆破參數[5,6]；采用了三維影像建模的方式對開挖過程進行了形象的研究[7]。由于爆破工作是一項不可逆且不允許容錯的工作[8]，因此每一次的爆破都應當是精益求精的，應當在總結前人的成果的基礎上選用最佳的設計方案和最合理的參數。在充分研究了破碎站基坑開挖區域的巖性特征及空間尺寸技術參數要求后，提出了一次預裂成型，分層開挖的施工方案，采用三維立體建模的方式模擬開采過程和驗證參數設計的準確性。為了保持基坑壁原巖巖體的完整性，設計采用預裂控制爆破技術進行基坑邊界的控界爆破。為了降低爆破振動，采用延時精度較為準確的數碼電子雷管，嚴格控制單響爆破藥量，達到降震、減震的目的。為了更為真實的檢驗設計的準確性和參數選取的合理性，采用1∶1的真實比例進行現場模擬爆破，通過模擬爆破結果反饋調節設計方案和參數設計，保障最終破碎站基坑的成功控界爆破。

白云鄂博西礦是一座大型的深凹露天礦山，目前開采深度已經超過200 m，隨著開采的延深，單一的汽車公路運輸成本已經不符合經濟合理運輸距離的要求，因此正在籌建汽車-破碎站-膠帶半連續運輸系統。所建設的破碎站為半固定式破碎站系統，當第1站服務完畢以后，大部分運輸膠帶設施保持不動，破碎站主體設備向下延深至第2站位置。目前需要對破碎站第1站的空間位置進行爆破開挖，該區域巖性主要以白云巖為主，現場情況如圖1。

圖 1 現場情況Fig. 1 Scene picture

1 爆破設計

1.1 爆破方案

本次破碎站基坑的頂部開口處長26.4 m，寬20.6 m，基坑壁角度為80°，基坑深度為23 m。借鑒本礦山預裂控制爆破以及導向孔爆破等技術取得的經驗成果，設計采用預裂控制爆破技術對破碎站基坑進行分層爆破開挖。通過借鑒國內類似礦山的基坑爆破設計方案以及考慮采掘設備的作業能力以及爆破夾制作用的影響，基坑坡面采用1次預裂控制爆破成型，內部巖體設計分為2層進行穿爆和開挖，第1層設計高度為15 m，第2層為8 m，空間尺寸及開挖方案如圖2。

圖 2 空間尺寸及開挖方案(單位：m)Fig. 2 Space size and excavation scheme(unit:m)

目前國內可以進行爆破設計的軟件種類很多，并且各有特點。利用三維軟件進行爆破設計可以形象直觀的展現待爆體情況，可以查看炮孔空間布置是否合理，避免理論分析計算時由于空間想象能力不足而導致的爆破設計失誤[9]。基坑由于安裝設備的特殊需要，所以空間尺寸并不是規則的幾何形狀，為了更好的進行爆破設計和便于采裝，在進行爆破設計前對待爆破體按照分層開采的設計原則進行立體模型建模，模擬開挖過程，立體模型及開挖分層如圖3，開挖方案信息匯總如表1。

表 1 開采方案信息匯總

圖 3 立體模型及開挖分層Fig. 3 Three dimensional model and layered excavation

1.2 控界爆破關鍵技術

破碎站基坑的預裂控制爆破與采場臺階預裂控制爆破最大的區別在于，預裂爆破的爆破振動波是由三個初始方向進行疊加，最終形成的爆破振動干擾關系復雜，應力波在狹窄空間內多次疊加，可能會減弱預裂破碎帶阻擋、攔截應力波的難效果。另外由于基坑是一個半包圍結構，側壁坡面交匯處是一個復雜的斜交空間形態，該部分需要進行精細化爆破設計。交匯處的預裂孔不僅需要調整孔深，還需要對裝藥結構進行調整，為了保證最終的相鄰基坑壁坡面準確交匯到設計的位置，在基坑壁空間交匯線處穿鑿一個具有導向功能的角孔，角孔的作用是誘導兩側的預裂孔準確的在設計位置爆破致裂形成平整規則的空間交匯形態。

關于預裂控制爆破的參數選取有許多經驗公式，但是進一步深入研究，戴俊等人關于爆破時粉碎圈和裂縫圈的研究和計算公式能更加全面的體現了巖石對爆破方式的反饋[9]。

理論上是通過炮孔直徑和不耦合系數來確定藥柱直徑，但是由于炸藥的使用習慣以及出于安全考慮對火工品的管制規定，一般礦山的炸藥類型都比較單一，因此可以通過改變炮孔直徑來調整裝藥不耦合系數。

借鑒現場經驗綜合考慮，初步認為在基坑預裂控制爆破采取不耦合系數為2.5左右比較合適，炮孔間距按照文獻[10]中關于預裂爆破孔距與孔徑的選比關系為d=8～12D進行選取。考慮到基坑壁的空間交匯線的應力集中情況，起導向作用的角孔孔徑選取165 mm，立體設計情況如圖4，轉角處預裂孔參數如表2。

圖 4 立體設計圖Fig. 4 Three dimensional design drawing

表 2 轉角處預裂孔參數列表

1.3 主爆區設計

主爆區的設計主要包括緩沖孔設計、主爆孔設計和掏槽孔設計三個部分，由于傾斜炮孔的最小抵抗線更加合理，所以本次設計的緩沖孔、主爆孔、掏槽孔均為傾斜炮孔，其中兩側的緩沖孔和主爆孔在傾向基坑中軸方向的同時向基坑開口方向傾斜，背側緩沖孔和中部掏槽孔向基坑開口方向傾斜。

為了實現加強松動爆破的效果，中部掏槽的炮孔采用較大孔徑的165 mm孔徑，其他炮孔采用120 mm孔徑炮孔。炮孔深度根據立體空間相互關系，在保證開孔位置合理的基礎上，充分考慮炮孔底部的空間距離關系，盡可能的將爆破能量均勻地分布在待爆體中，第1層爆破設計如圖5，第2層爆破設計如圖6。

圖 5 第1層爆破設計(單位：m)Fig. 5 Blasting design of the first layer(unit:m)

圖 6 第2層爆破設計(單位：m)Fig. 6 Blasting design of the second layer(unit:m)

1.4 裝藥設計

由于采用的爆破技術為預裂控制爆破技術和加強松動爆破技術，所以預裂孔采用間隔不耦合裝藥；主爆區采用間隔耦合裝藥，緩沖孔和主爆孔按照加強松動爆破設計進行裝藥設計，中部掏槽孔采用加強裝藥，第1層裝藥結構如圖7。第2層裝藥結構與第1層裝藥結構類似，受篇幅限制不再列出。

圖 7 第1層裝藥結構(單位：m)Fig. 7 Charge structure of the first layer(unit:m)

1.5 起爆網路說明

為了最大限度的降低爆破振動，采用延時精度控制更為精確的數碼電子雷管來實現精確的毫秒延期起爆網路[11]。對于預裂爆破的起爆網路設計的關鍵是必須保證起爆可靠性，因此設計預裂網路時采用雙回路閉環起爆網路，即綁扎預裂藥柱的支線導爆索與主線導爆索采用“T型結”，整個網路首尾閉環，即使中途某一點出現拒爆，起爆能也會沿著反方向再次經過該點將支路導爆索引爆。

2 工程應用實例

由于影響爆破工程質量的因素復雜多變，純理論分析很難準確、全面的把控所有的因素，因此進行影響因素分析時，一般采用實驗室小模型模擬實驗的方法較多，但是由于“尺寸效應”的影響[12]，很難完全反映真實工程情況。本次工程在進行模擬分析時盡可能的克服“尺寸效應”，在南偏東50°方向，距離183 m的1470 m臺階處，選取了一處巖性與最終爆破區域巖性相似度較高，段高為15 m的位置進行了1∶1尺寸的第1層爆破開挖模擬實驗。

2.1 模擬爆破

檢驗預裂爆效果好壞的一個重要準則就是半壁孔率，控制半壁孔率的最好技術措施就是選取合適的不耦合系數進行裝藥爆破[13]。由于理論計算和分析所得的不耦合系數為2.5左右，但是由于礦山現在只有45 mm直徑的震源藥柱可供使用，所以不耦合系數只能通過調整炮孔直徑來實現。雖然原設計是采用孔徑為120 mm的預裂孔和緩沖孔進行預裂爆破，但是考慮到模擬爆破的實驗探索性和對比目的，設計將模擬爆區的一側預裂控制爆破的孔徑改為100 mm。以期望通過實驗結果，觀測判斷何種孔徑更有利于提高該種工況條件下的預裂控制爆破的半壁孔率，更有助于爆破控界效果，模擬爆破設計如圖8，模擬爆破裝藥量如圖9，模擬爆破起爆網路如圖10。

圖 8 模擬爆破設計Fig. 8 Design drawing of simulated blasting

圖 9 模擬爆破裝藥量圖(單位：kg)Fig. 9 Charge diagram of simulated blasting(unit:kg)

圖 10 模擬爆破起爆網路圖(單位：ms)Fig. 10 Network diagram of simulated blasting initiation(unit:ms)

2.2 爆破結果反饋參數調整

實現模擬爆破之后，發現爆破后有1/2爆堆被拋擲到了基坑開口前方，兩側塌落明顯，但是后側出現嚴重掛幫，且預裂孔的角孔區域塌落較差。經過采掘清理以后，發現基坑整體內部坡面巖體破壞嚴重，角孔控制區域空間形態較差，120 mm孔徑預裂孔模擬實驗區域的邊坡半壁孔率高于100 mm孔徑區域，模擬爆破情況如圖11。

圖 11 模擬爆破情況Fig. 11 Simulation of blasting

模擬爆破的結果具有非常重要的意義，分析爆破現象可以提煉總結出改善爆破效果的技術。本次模擬爆破形成的基坑整體外形達到了設計的空間尺寸需要，沒有超爆區域，通過綜合評價，首先可以肯定該設計方案整體上是可行的。但是有以下4個相關問題點需要進行分析改善：施工問題、爆堆貨源質量問題、控界效果問題、預裂坡面問題。利用樹狀思維導圖的分析方法，將模擬實驗爆破暴露出的問題進行全面分析總結，確定導致問題的主要原因，并制定了相應的改善措施，最終形成了1套完善的破碎站基坑控界立體綜合爆破技術，模擬爆破優化措施思維導圖如圖12。

2.3 最終爆破實施

根據模擬實驗結果分析優化爆破設計后，經過精細組織穿爆和采掘，最終形成的基坑在空間尺寸外形方面達到了預期效果，且坡面巖體完整度較高，半壁孔率在85%以上，最終基坑現場情況如圖13。

圖 12 模擬爆破優化措施思維導圖Fig. 12 Optimization measures of simulated blasting based on mind map

圖 13 最終基坑現場情況Fig. 13 Site condition of final foundation pit

3 總結

本次露天礦破碎站基坑控界爆破技術在包鋼巴潤分公司西端幫巖石膠帶破碎站基坑開挖中取得了良好的效果，這得益于合理的方案設計和真實比例的模擬爆破。本次露天礦破碎站基坑控界爆破可以總結為：一次預裂成型，分層采裝是比較合理的巖石基坑開挖處置方案；利用全區雙傾斜方向的不等深炮孔可以更加合理的分配炸藥能量，均衡抵抗線；利用三維模型的可視化，可以改進常規二維設計時的思維缺陷；利用數碼電子雷管可以實現更為精準和靈活的起爆延期時間設計，便于控制爆破振動對預留巖壁的損傷；通過1∶1的現場模擬實驗可以獲得最為真實的預期爆破效果，是進行參數優化的重要途徑。通過本次成功案例可以為其他類似的露天礦巖石基坑開挖施工提供爆破設計思路，和成功案例借鑒的作用。