大皇山建筑石料礦爆破開采根底分析與處理技術

杜磊，石磊，牛松峰

(北京中科力爆炸技術工程有限公司， 北京 101318)

0 引言

舟山大皇山凝灰?guī)r建筑石料礦位于舟山市定海區(qū)岑港街道桃夭門社區(qū)，礦區(qū)處于海島丘陵區(qū)，近東西向展布，最高海拔+249.72 m，最低海拔+6 m。礦區(qū)面積為 1.0481 km2，年生產規(guī)模為1227萬t，約合473.7萬m3，設計服務年限為15 a，于2018年開始基建，2020年4月通過基建驗收。礦石主要為晶屑玻屑凝灰?guī)r、流紋斑巖和沉凝灰?guī)r，結構致密，屬堅硬巖類。礦區(qū)內斷層、節(jié)理不發(fā)育，巖體總體完整。開采標高為+249.72～+6 m，設計開采臺階高度15 m，現(xiàn)開采標高為+141 m，因礦山北側、東側各有一條生產線，且位于礦山老宕面坡底，距離老宕面坡底的距離分別為30 m和10 m。根據(jù)剝離區(qū)現(xiàn)狀及開挖區(qū)的地形條件、選用的鉆爆設備、巖石的塊度要求及巖石的穩(wěn)定性，設計采用水平臺階開挖，鉆孔孔徑為 115 mm，孔網參數(shù)為7.0 m×3.3 m，梅花孔布置，采用Φ90 mm乳化炸藥，底部耦合裝藥，中上部為不耦合連續(xù)裝藥結構，填塞高度不小于 3.5 m。采區(qū)內巖層主要為凝灰?guī)r類巖石，巖石節(jié)理、裂隙不發(fā)育，比較堅硬，屬于堅硬巖石類，但+126 m平臺以上節(jié)理裂隙較多，根底現(xiàn)象較多。

1 爆破根底現(xiàn)象及不利影響

1.1 根底成因

爆破根底是由于沖擊力過弱，沒能使爆破礦石完全破壞而產生的。現(xiàn)實生產過程中，炮孔底部抵抗線過大，往往造成前排布孔位置出現(xiàn)根底。前排爆破孔距、鉆孔情況、裝藥與超深也是造成根底的重要因素。常見的根底成因包括地質條件因素、炸藥及爆破器材因素、鉆孔情況、施工工藝等，主要可以概括為以下4個方面。

（1）巖石性質。巖石性質是對爆破效果至關重要的影響因素。巖石橫向裂隙多[1]，垂直巖體傾角少會降低炸藥能量利用率，制約爆破效果。在爆破作業(yè)過程中，首先應考慮爆破巖石的層理、斷層、性質等對爆破效果的影響。

（2）后排孔藥柱位置。當藥柱頂部與底部相對爆破臺階底盤水平的標高位置長度一定時，藥柱中心位置距離孔口越近，其后沖破壞范圍就越大，后沖角度也越大，新形成的爆破臺階邊坡角度變緩，新臺階在進行下次爆破時，前排孔底部抵抗線增大，難以克服下次爆破的底部阻力，使根底現(xiàn)象增加[2]。

（3）前排孔距與超深。孔距過小，會使生產成本增大，經濟性降低[3]；孔距過大，又會使爆破效果變差，難以達到理想的開采率，厚巖層、難爆破部位殘留根底。針對不同的工程項目，應該因地制宜，探討合適的前排孔距達到最佳的爆破效果；同一礦區(qū)，也要因不同礦石爆破性能的差異確定不同的孔距與超深值。

（4）穿孔狀況。穿孔質量影響著爆破效果，塌孔、堵孔一旦發(fā)生，將不利于炮孔裝藥作業(yè)，從而導致炮孔裝藥不足、炮孔拒爆等問題，最后產生爆破根底。現(xiàn)實前排穿孔作業(yè)中，也常見由于水平穿孔過大或上次爆破作業(yè)力度過大，產生根底。

1.2 根底不利影響

根底是爆破石方挖走后底板上留下的超出設計平臺0.5 m以上的凸出巖坎，根底的存在，不但影響臺階的平整度，造成平臺積水、運輸車輛通行困難，而且為了不影響下次臺階爆破，需要提前處理根底，增加破碎或爆破處理成本。根底對爆破施工產生不利影響主要為以下3個方面：

（1）降低挖運效率。根底附近,爆后巖石一般都很密實,而且常伴有大塊，需要進行大塊挑揀或破碎后才能挖裝，不利于采掘作業(yè)，影響挖裝效率。大面積根底將使挖裝效率降低，設備故障增多，增加了運輸車輛損壞的風險。開采平臺高低不平、平臺積水、運輸車輛通行困難，影響運輸車輛通行，容易產生爆胎、翻車等安全隱患。

（2）降低臺階爆破質量。開采平臺不平整，雨水天氣容易造成大面積積水,如不及時處理積水，容易產生水孔，影響平臺鉆孔及裝藥堵塞質量。如果根底出現(xiàn)在臺階底部，若不處理，將改變臺階爆破的前排抵抗線，容易造成更多根底和大塊，甚至臺階爆破沒有松動。

（3）增加爆破綜合成本。為了處理根底，需要對根底進行破碎或爆破，增加了破碎錘的機械臺班或者鉆孔爆破成本，最終增加爆破綜合成本。當根底凸出平臺高0.5～1.0 m、體積較小時，一般采用破碎錘進行機械破碎；當出現(xiàn)大面積根底，用機械破碎效率較低，一般采用潛孔鉆打孔爆破。根據(jù)根底的大小鉆3～5 m深的淺孔，堵塞不少于2.5 m，再進行裝藥、聯(lián)網、爆破。大面積根底可以單獨爆破，少量可以與臺階爆破一起爆破。

2 根底統(tǒng)計及根底產生原因分析

2.1 原臺階爆破方案

根據(jù)招標文件要求、礦山初步設計說明、礦產資源開發(fā)利用及安全設施設計方案、礦體賦存特征以及礦區(qū)范圍的地形地貌特征和已形成的開采現(xiàn)狀，礦山選擇露天開采，開拓方式為公路開拓汽車運輸。采礦工序為穿孔→爆破→二次破碎→鏟裝→運輸→排巖，即采用潛孔鉆機穿孔、中深孔爆破、機械二次破碎、裝載機裝載、汽車運輸，排至指定地點，最低開采標高為+6 m。

采場邊坡參數(shù)：臺階高度為 15 m；工作臺階坡面角為75°，設計終了臺階坡面角為53°（第四系及強風化層終了臺階坡面角不大于 45°），最終幫坡角為 44°；安全平臺寬為 5 m、清掃平臺寬為 8 m；3個安全平臺間隔設置1個清掃平臺。安全平臺設在+111 m、+96 m、+81 m、+51 m、+36 m、+21 m，清掃平臺設在+66 m開采水平；采場最終邊坡角為44°，最小裝運平臺寬度為60 m，裝運平臺最小工作線長度為120～150 m。

根據(jù)礦區(qū)地形可知，礦區(qū)最高標高+249.72 m位于礦區(qū)的中部，礦區(qū)內的資源量也主要集中在中部區(qū)域。根據(jù)“自上而下”的開采順序及盡快達產的要求，礦山開拓系統(tǒng)及首采工作面主要布置在礦區(qū)中部。

根據(jù)剝離區(qū)現(xiàn)狀及開挖區(qū)的地形條件、選用的鉆爆設備、巖石的塊度要求及巖石的穩(wěn)定性，設計采用水平臺階開挖。臺階基本參數(shù)如圖1所示。采區(qū)內巖層主要為凝灰?guī)r類巖石，巖石節(jié)理、裂隙不發(fā)育，比較堅硬。屬于堅硬巖石類，為了達到預期的爆破效果，選用爆速較高的乳化炸藥，藥卷直徑d=90 mm。

圖1 臺階基本參數(shù)

爆破參數(shù)匯總見表1。

表1 深孔爆破參數(shù)

2.2 根底統(tǒng)計

進入 2021年以來，在施工過程中，發(fā)現(xiàn)平臺底板高低不平，且根底過多。礦山爆破費用約占礦石總成本的 15%～20%[4]，為處理根底而進行的二次爆破不僅影響生產效率，還造成了單耗升高、成本浪費。為找到根底產生的原因，對2021年1月到5月的根底處理所鉆炮孔長度[5]和根底所在位置分別進行了統(tǒng)計，結果分別見表2和表3。

表2 2021年1-5月處理根底鉆孔與總鉆孔的數(shù)量

表3 2021年1-5月各工作面處理根底鉆孔長度

表2、表3顯示，2021年1月到5月處理根底鉆孔15 461 m，鉆孔個數(shù)共計6034個，處理根底鉆孔平均孔長2.56 m。而爆破總鉆孔合計總長142 911 m，鉆孔14 541個，平均孔長9.83 m。需要處理的根底鉆孔占到爆破總鉆孔的10.74%。其中3月處理根底鉆孔占比最多，達13.32%，占比最少的1月也達到了9.67%。從+156 m至+111 m的三處平臺與新生產線道路中，根底占比最多的是+156～+141 m工作面平臺，高達11.71%；根底占比最少的+126～+111 m工作面平臺根底總孔長也達到了5.86%。根底數(shù)量多、鉆孔長、占比大，不僅給施工造成困難，拖慢爆破掘進進度，也浪費了人力物力與財力。

2.3 大量根底產生的原因分析

從表2、表3可以看出，截至5月底，礦山共鉆孔142 911 m，處理根底鉆孔為15 461 m，平均占比為10.74%，其中5月份根底鉆孔米數(shù)最多，達4950 m，3月份根底占比最大，為13.32%；3月份+141～+126 m平臺根底占當月平臺總鉆孔米數(shù)的15.27%。根據(jù)施工實際情況和各平臺的地質情況，可以得出大量根底出現(xiàn)的原因有以下5點：

（1）爆破工作面推進方向的選取不合理。礦區(qū)因為受宕渣船運力不足的影響，使+141 m平臺東西兩側堆積大量宕渣，影響了工作面的開拓，致使爆破推進方向只能由南向北。此時受礦巖走向、結構面以及節(jié)理、裂隙發(fā)育的影響，爆破時爆炸能量遇節(jié)理、裂隙產生泄露，造成根底[6]。在生產過程中也曾試過改變起爆順序等措施來克服不利的地質條件，但效果并不明顯。

（2）礦巖涌水。正常裝藥時，底部采用耦合裝藥，中上部采用不耦合裝藥。由于炮孔內的水無法排出，在水的浮力作用下，炮孔底部裝藥密實度不夠，裝藥質量達不到要求[5]，形成根底。

（3）孔網參數(shù)不合理。原孔網參數(shù)為7.0 m×3.3 m。孔距布置過大，炮孔間距遠大于最小抵抗線，相鄰炮孔裂隙大，產生的爆炸裂隙難以貫通臺階底部，兩孔間距超出爆破漏斗作用范圍，也極易產生根底。

（4）超深不合理[7]。原施工方案超深取值為1.0 m，由于超深淺，底部裝藥量少，底部炸藥能量不足以克服底盤的夾制作用，造成根底。超深過長，會使藥柱中心高度下降，但增加填塞長度，孔口極易產生大塊。

（5）底盤抵抗線過大[8]。原底盤抵抗線為4.02 m，爆破時炸藥能量難以到達臺階根部，前排孔孔底產生根底，進而直接影響到后排孔甚至整個爆區(qū)產生大面積根底。

3 解決辦法及其實施效果

3.1 解決辦法

為提高爆破作業(yè)效果、提高生產效率、降低礦山開采總成本，根據(jù)根底產生的原因提出了如下針對性的解決辦法：

（1）改變爆破工作面的推進方向。在+141 m平臺西側宕渣出運完畢后，各個工作面的推進方向從自南向北，改為由西向東。由與巖石節(jié)理走向斜交，改為平行或近乎垂直[9]，如圖2所示。爆破現(xiàn)場根據(jù)巖石走向，調整起爆方向，進而調整爆破自由面方向，以減少根底的產生。

圖2 爆破方向與節(jié)理走向關系

（2）加強底部裝藥。針對炮孔內部存水的問題，前期也采取了吹水、抽水等措施，但因存在交叉作業(yè)且?guī)r石裂隙過多，炮孔內的水并無明顯減少。故在底部裝藥時，采取劃破成品炸藥包裝袋的方式，進行吊裝，盡量加大底部裝藥量，降低裝藥重心。

（3）選擇合理的孔網參數(shù)。根據(jù)礦山爆破的孔徑和裝藥直徑，確定礦山爆破的合適孔網，90 mm藥卷的最大推動距離約為直徑的35倍[7]，將孔距調整為6.2 m，并根據(jù)巖石性質和爆后效果進行調整，排距不變。

（4）增大超深。在原有超深1 m的情況下，將超深增加0.5 m，即把超深提高到1.5 m。同時，含水巖層中的液體滲入炮孔，炮孔含水也會導致實際可用超深低于設計值，在解決炮孔內部水問題后，進一步增大超深，以充分保證超深實際值。

（5）嚴格控制底盤抵抗線。當?shù)妆P抵抗線過大時，應在臺階爆破前處理完畢或與臺階爆破一同處理（應先于臺階爆破起爆）。

3.2 實施效果

2021年6 月以后，根據(jù)根底改進措施實施爆破，并對根底情況進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結果見表4和表5。

表4 2021年6-7月處理根底鉆孔與總鉆孔的數(shù)量

表5 2021年6-7月各工作面處理根底鉆孔長度

從表4和表5可以看出，6月總鉆孔為42 896 m，其中處理根底鉆孔為 2725 m，7月總鉆孔為35 718 m，其中處理根底鉆孔為2308 m，較4、5月降低約2000 m。除6月+141～+126 m平臺因處理前期存在的根底鉆孔占比較大外，各平臺根底占比均大幅下降，而且7月+141～+126 m平臺根底也由原來占每月根底總數(shù)的65%降至47%。

從措施實施前后爆破效果對比分析可知，6-7月較1-5月平均根底占比降低約40%，平均孔長增加了13%，炸藥單耗降低10%，在改善爆破效果的同時，也降低了爆破成本，取得了良好的經濟效益。

4 結論

通過統(tǒng)計處理根底所需的鉆孔，結合現(xiàn)場實施過程和各平臺地質狀況，分析得出了根底產生的原因，并提出了改正措施。后續(xù)實施中取得了顯著的效果，項目總結可得到以下結論。

（1）爆破現(xiàn)場根據(jù)巖石走向，調整起爆方向，進而調整爆破自由面方向，減少了根底的產生。

（2）在底部裝藥時，采取劃破成品炸藥包裝袋的方式進行吊裝，加大了底部裝藥量，降低了裝藥重心。

（3）根據(jù)礦山爆破的孔徑和裝藥直徑，合理優(yōu)化了孔網參數(shù)。

（4）重視超深參數(shù)對工程的影響，適當加大了超深；同時嚴格控制底盤抵抗線，當?shù)妆P抵抗線過大時，在臺階爆破前處理完畢或先于臺階爆破起爆與臺階爆破一同處理。這些措施取得了較好的效果，平均根底占比降低約40%。