復雜環境下露天礦山爆破及安全控制

汪 飛

(1.江西長順爆破工程技術有限公司，江西 贛州 341000；2.贛州市爆破行業協會，江西 贛州 341000)

臺階爆破作為一種安全高效的開采技術，經常被廣泛應用于露天礦山，然而爆破沖擊波、爆破振動、爆破飛石、粉塵等爆破危害也隨之而來。為了保護周邊重要的建(構)筑物和適用于復雜的采場環境，有必要對不同的施工工序進行精細化爆破作業設計，在孔網參數、裝藥結構、起爆順序等方面進行改進研究，從而提高露天礦山的綜合生產效率[1]。可為其他類似復雜環境下的爆破工程提供一定的參考和借鑒[2-4]。

1 工程概況

1.1 工程環境

永豐縣鵝仔嶺石灰石礦區位于永豐縣陶塘鄉境內，距永豐縣城132°方位直距約39 km。鵝仔嶺石灰石礦位于丘陵邊緣地帶，南區東南角山體下方150 m處有一個養豬場；南面距江西國豐化工實業有限公司生產廠房的最近距離約為220 m；西面為山體，且西北面為鷹鵬水泥廠生產車間，最近距離300 m。礦區的300 m范圍內無民房、工農業設施、無地下通訊電纜及其他需要保護的構建筑物，500 m范圍內無高壓電力電纜線路，1 000 m范圍內無鐵路、高等級公路及歷史文化古跡，具體的周圍環境如圖1所示。

礦區主要為較堅固的石灰巖，致密堅硬，工程力學強度較高，巖石平均抗壓強度88.2 MPa以上，均屬堅硬或半堅硬穩固型巖石。構造裂隙稀疏分布，屬于整體塊狀結構，穩定性較好。近地表礦體風化強烈，風化裂隙較發育，受風化裂隙的影響，有時礦體被切割成大小不一的方塊狀，屬于碎裂塊狀結構，力學強度低，穩定性中等至較差。

1.2 工程難點

1)爆區周圍環境復雜，爆破設計需要對周圍居民房屋的安全保護評估。嚴格限制爆破藥量，控制臺階爆破作業產生的爆破振動和飛石距離，確保人員、設備及周邊保護對象的安全。

2)爆破地點分布面積大，保證爆破振動對邊坡穩定性，需要在確保施工安全的前提下，合理安排工作面，保證邊坡整治效果。

3)生產與環境保護相結合，在充分考慮環保、安全的同時，最大限度開采允許開采范圍內的礦產資源。

2 爆破施工設計方案

2.1 現場爆破方案

永豐縣鵝仔嶺石灰石礦區周邊復雜的環境增加了爆破工作及警戒難度，因此必須對本工程的爆破技術方案進行科學合理的安排。礦區的表土剝離層不厚，根據礦山基本情況和安全生產要求，采用自上而下分層分臺階深孔爆破作業開采，設計的臺階高度為12 m，每個臺階設一個安全平臺，安全平臺寬6 m。靠山體一側的道路邊坡處布孔稍密，采用松動爆破，爆后用大挖機刷坡。根據礦石機械物理性能及礦山生產能力，穿孔設備采用開山KT5C履帶式潛孔鉆機，鉆孔直徑90 mm。本工程對爆破有害效應防護要求較高，要嚴格限制單響最大起爆藥量，且爆破網路采用數碼電子雷管逐孔起爆方法。根據本工程特點、作業地區的氣象條件特點及當地民爆物品供貨單位的現有條件等，爆破作業使用直徑為70 mm，藥卷長500 mm，重量2 000 g的二號巖石乳化炸藥。爆破后產生的大塊巖石用機械(液壓破碎錘)進行二次破碎，嚴禁裸露藥包爆破。

2.2 深孔爆破設計

2.2.1 爆破參數

由于現場的地形、地質等相關情況不斷變化，生產過程中應逐步總結出一套適合于本礦實際情況的爆破技術參數，以不斷提高爆破作業效果[5-6]。

永豐縣鵝仔嶺石灰石礦設計的臺階高度為H=12 m，鉆孔直徑D=90 mm；最小抵抗線W=37D=3.3 m；炮孔超深h=1.0 m，炮孔傾角α=75°，根據L=H/sinα+h，計算得到炮孔長度L=13.4 m。為保證爆破后巖石粒徑均勻，臺階炮孔采用三角式布孔，孔距a=(1～1.2)W=3.3～4.0 m，排距b=0.86a，炮孔布置如圖2所示。

為保證爆破后巖石粒徑均勻，采用松動爆破，按經驗選取炸藥單耗q=0.25～0.45 kg/m3，軟巖取小值，硬巖取大值，施工中根據實際爆破效果調整。現計算藥量暫按0.34 kg/m3考慮，其中單孔裝藥量Q=qaHW；如爆破炮孔排數較多時，為了克服巖石的夾制作用，后排炮孔每孔增加1.1～1.2的裝藥系數，即Q=kqabH，k為裝藥增加系數；炮孔的填充長度L2=(30～40)D，經過多次現場作業試爆確定最終爆破參數如表1所示。

表1 爆破參數

2.2.2 裝藥結構和起爆網路

炮孔采取連續裝藥結構，每孔內裝入2個起爆體，起爆體分別裝在藥柱的上部及下部。當炮孔底部留存積水時應先將孔內的水處理后，再裝填乳化炸藥，并將上部填塞好。裝藥結構如圖3所示。炮孔填塞時要求必須認真嚴格，保證填塞長度及填塞質量，避免夾偏、擠壓和拉扯雷管腳線。采用巖粉填塞，填塞密實即可，但不可摻入碎石。

起爆網路采用數碼電子雷管起爆網路，網路連接按照規定的接法進行，在施工時保護好線路，線頭搭接正確。網路連接由技術熟練的爆破工操作，操作過程中特別要注意防止損傷連接線，當遇到潮濕地段和雨天時，卡扣要進行防水處理，以免出現電路短路等事故的發生。根據本工程特點，排-排、孔-孔之間采用延時起爆技術，分別逐孔起爆。這種方法綜合了排間順序和斜線起爆的優點，大塊率低，可以有效地控制爆破地震波對相鄰邊坡和附近建筑物的破壞，并減少爆破飛石的產生。暫設計孔間延時為25 ms，排間延時為110 ms，具體的現場延時看爆破效果進行微調，最后的爆破網路如圖4所示。

3 爆破安全控制與討論

3.1 爆破飛石安全距離

爆破飛石是指爆破時脫離主爆堆飛散的碎石，因為個別碎石飛行距離和方向難以準確預測，給爆區內人員、設備及周邊保護對象造成較大的威脅。本次爆破設計采用瑞典德湯尼克研究基金會提出經驗公式進行估算：

RFmax=kD/2.54

(1)

式中：RFmax為飛石的飛散距離，m；k為安全系數，取40。

經過計算得到飛石的飛散距離RFmax=142 m，按照《爆破安全規程》(GB 6722-2014)[10]規定，深孔爆破飛石最小安全允許距離為200 m，但由于此次爆破沿山坡爆破，對此爆破作業的安全狀態評估將安全允許距離放大50%，故最終確定爆破飛石的安全警戒距離不小于300 m(見圖5)。爆破時應做好安全警戒工作，將爆破時間、爆破信號、警戒范圍形成制度進行通知。爆破時，在爆破危險區范圍300 m外有行人來往的公路兩端和小路派出崗哨執勤，阻止行人和車輛進入危險區。另外在礦區開采周圍布置安全警示圍欄，防止無關人員進入。

3.2 爆破振動安全校核

爆破地震波對建筑物的影響在實質上可以看成能量傳遞與轉化的過程，爆破地震波的振動速度與能量存在一定的關系效應[7-9]，爆破振動對建筑物的影響也常用質點振動速度衡量。根據薩道夫斯基公式中爆破所允許的最大段裝藥量的計算公式：

(2)

式中：v為地表質點振動速度，cm/s；R為爆破中心到最近保護物距離，m；Q為單段起爆的最大藥量，48 kg；K為地震波傳播的介質的系數，由于爆區四周的巖性和地形并不相同，巖體多屬于中硬以上，根據工程實際并類比相關工程，暫取K=150，α=1.5，不同巖性的K、α的取值如表2所示。

表2 不同巖性的K、α的取值

由被保護設施與爆區之間的距離，通過計算可推測出礦區爆破振動對周圍建(構)筑物的影響，并根據《爆破安全規程》(GB 6722-2014)[10]規定最大振動速度安全判據，以設定控制的質點振動速度大小得到爆破最大允許單響藥量，從而實現對周邊設施的爆破振動安全校核，校核結果如表3所示。

表3 爆破振動安全校核

根據表3可以看出，本工程爆破作業產生的振動對周圍建筑物沒有較大影響，但是在爆破作業時，要加強現場以及爆破保護對象處的爆破振動監測，依據監測結果，視情況對爆破參數進行調整及優化。

3.3 爆破振動監測

為了驗證爆區周圍的建筑物不受到爆破振動的破壞，在離爆源最近的建筑物附近各布置3組測點，其中A1和A2為豬場附近測點，B1和B2為化工廠房附近測點，C1和C2為水泥廠生產車間附近測點。爆破振動監測采用加拿大Instantel公司生產的Blastmate III型振動檢測儀對本次爆破作業進行實時監測。各測點的監測結果如表4所示。

表4 爆破振動監測結果

由于《爆破安全規程》(GB 6722-2014)[10]規定對于一般民用建筑物，主振頻率在10～50 Hz內的安全允許振速為2.0～2.5 cm/s，由表4可知此次爆破作業，爆破振動都在安全控制范圍內，不會對周圍建筑物造成較大影響。

3.4 沖擊波安全設計及粉塵預防措施

本工程爆破采用松動爆破，露天爆破時由于炸藥能量消耗于破碎和拋投巖塊，因而只有一部分轉化為空氣沖擊波，爆破作業首先考慮的是個別飛散物和地震波安全允許距離，爆破區域上方較為空曠，進一步減小了沖擊波的產生，因此判斷爆破產生的沖擊波對人以及建筑物沒有較大的影響。

爆破粉塵也是作為爆破不可避免的重要危害之一，爆破現場的鉆孔作業、爆破破碎和沖擊波引起的地表粉塵都是產生粉塵危害的主要途徑。在針對粉塵的預防措施中，爆破過程中可以適當加密孔網參數，且所有鉆孔均采取填塞爆破，在條件允許的情況下宜爆前灑水；作業人員在鑿巖工鉆孔時應堅持戴口罩，鉆機應配備收塵設備，避免作業工人吸入粉塵引起肺病。

4 結語

針對處于復雜環境下的深孔臺階爆破作業，采用三角式布孔松動爆破、連續裝藥結構、排孔分別延時起爆等關鍵技術，能夠保證在有效開采的同時，爆破后巖石粒徑均勻，有利于機械二次破碎。優化后的爆破參數現場可行性較高，能夠有效降低爆破振動對周邊重要建筑物的影響，減小個別爆破飛石的飛散距離。本次爆破施工方案在臺階爆破作業完成的同時，也做好了安全警戒工作和粉塵防護工作，此次爆破的圓滿成功能夠成為其他類似復雜環境下的爆破工程提供一定的參考和借鑒。