露天礦深孔臺階爆破安全技術(shù)分析與研究

聶新豹

(云南磷化集團海口磷業(yè)有限公司，云南 昆明 650113)

0 引 言

近年來，經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求急劇攀升，給予了社會各領(lǐng)域極大支持。在露天礦的開采環(huán)節(jié)，涉及復(fù)雜的爆破技術(shù)，以提升開采效率和促進經(jīng)濟效益，深孔臺階爆破便是其中的主要方式之一。受制于現(xiàn)階段對深孔臺階爆破技術(shù)局限，在實際操作過程中應(yīng)充分關(guān)注安全問題，特別是做好爆破方案的設(shè)計和論證，消除各類潛在的安全隱患，竭力將安全風(fēng)險控制在可接受范圍，全面提升露天礦開采效率。

1 露天礦深孔臺階爆破機理

在露天礦的開采環(huán)節(jié)，深孔臺階爆破技術(shù)被廣泛應(yīng)用。依據(jù)該爆破技術(shù)的機理來看，其在爆破時會產(chǎn)生2個自由面，見圖1。

圖1 露天礦深孔臺階爆破機理

如圖1所示，在深孔臺階爆破過程中，爆炸所產(chǎn)生的沖擊波會以圓柱狀向外擴散，周邊區(qū)域也會受到?jīng)_擊波的影響而產(chǎn)生塑性變形，由此產(chǎn)生粉碎區(qū)。隨著爆炸沖擊波的不斷傳播，其傳播的強度逐步減弱，并隨之轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力波，當(dāng)這種壓應(yīng)力波傳送至粉碎區(qū)外層后，將導(dǎo)致該傳播方面的壓縮變形，在壓應(yīng)力的作用下使徑向巖體產(chǎn)生裂隙[1]。一般而言，初始裂隙會以應(yīng)力波傳播速度的0.25倍向外擴張，當(dāng)其傳播到自由面時將轉(zhuǎn)化為反射拉應(yīng)力波，由此使徑向裂隙進一步擴大，再結(jié)合爆生氣體的鍥劈作用實現(xiàn)巖石破裂，以達(dá)到爆破的預(yù)期效果。

2 露天礦深孔臺階爆破參數(shù)設(shè)計

根據(jù)露天礦深孔臺階爆破的要求，其涉及諸多的參數(shù)設(shè)計，具體包括臺階高度(H，m)、孔深(L，m)、超深(h，m)、孔距(a，m)、排距(b，m)、裝藥長度(l1，m)填塞長度(l2，m)等，見圖2。

圖2 露天礦深孔臺階爆破參數(shù)

2.1 高度與超深

臺階高度通常情況下是由挖掘機鏟斗容積等條件所決定，大目前的各類金屬礦山、煤礦、巖石等爆破施工中，其臺階高度設(shè)置在8～20 m不等，國內(nèi)大部分礦山打孔中，其超深值通常在0.5～3.6 m，但后排孔通常比前排孔小0.5 m左右。

垂直深孔孔深公式為：L=H+h。

傾斜深孔孔深公式為：L=H/sina+h。

2.2 孔徑與孔深

在露天礦深孔臺階爆破中，孔徑的限制因素比較復(fù)雜，包括鉆機類型、臺階高度、巖石性質(zhì)等因素，均會給孔徑的設(shè)置帶來影響[2]。

在大型露天礦的開采中，一般選擇牙輪鉆機為主，該設(shè)備的孔徑通常為300 mm左右，在中小型露天礦開采中，則以潛孔鉆機應(yīng)用居多，孔徑通常在150 mm左右。可見，孔徑的大小多由設(shè)備的選型所決定，從露天礦深孔臺階爆破實踐看，孔徑規(guī)格多集中在80 mm、100 mm、150 mm、170 mm、200 mm、250 mm、310 mm范圍，因此深孔臺階爆破會受孔徑與孔深影響。

2.3 孔距與排距

所謂孔距即相鄰炮孔之間的最短距離，通常以a表示，其計算公式為：

a=mW1

式中，m為炮孔分布的密集系數(shù)，在參數(shù)的設(shè)置上通常為m>1.0。為滿足深孔臺階爆破的實際需要，當(dāng)在大孔距且排距小的爆破中，m的數(shù)值一般控制在3～4或者更大，為防止底盤抵抗線過大問題，一般會在第一排炮孔設(shè)置中，將密集系數(shù)控制在較小范圍。

排距則是指相信兩排鉆孔的最短距離，通常以b表示，多見于采取排孔爆破的方式，排距的大小影響因素主要源自于孔網(wǎng)參數(shù)，以及起爆時的先后順序等，具體計算公式如下：

當(dāng)補孔方式為等邊三角形時，孔距與排距的關(guān)系可表示為：

b=a·gsin 60°=0.866a

當(dāng)采取多排孔爆破時，孔距與排距的關(guān)系可表示為：

S=a·b

根據(jù)公式可知，在計算中獲S和m的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，可計算出排距b的數(shù)值。

3 露天礦深孔臺階爆破安全技術(shù)分析

3.1 裝藥方式及爆破器材的選擇

深孔臺階爆破會受到裝藥方式的影響，其爆破的實際效果也有所差異，因此在實施露天礦爆破過程中，應(yīng)當(dāng)按照實際的需求選擇裝藥量[3]。通常可以選擇連續(xù)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，以反向起爆的方式實施。在爆破器材的選擇上，雷管可根據(jù)孔間距的大小進行設(shè)置，當(dāng)巖石孔間距在常規(guī)范圍時，可以將孔間延期設(shè)置在3～8 ms/m，若是在硬巖爆破時，可以適當(dāng)縮短孔間延期，可將其設(shè)置為3 ms/m，但最大延期應(yīng)<15 ms/m。根據(jù)該規(guī)律可知，孔間延期將在21～56 ms之間，排間延期通常<1.5 ms。在裝藥的設(shè)計上，可以選擇密度為850 kg/m3的混裝胺油炸藥，起爆藥包選擇450 g/TNT炸藥。

3.2 爆破安全距離的設(shè)計

為減小深孔臺階爆炸所產(chǎn)生的爆破振動、爆破沖擊波、爆破飛石等方面的影響，需要根據(jù)不同的因素進行分析，具體計算方式如下。

3.2.1 爆破飛石安全距離的確定

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)第13.6.1條：一般工程爆破時，個別飛散物對人員的安全距離不應(yīng)小于表1的規(guī)定；對設(shè)備或建(構(gòu))物的安全允許距離，應(yīng)由設(shè)計確定。

表1 爆破個別飛散物對人員的安全允許距離

表2 不同巖性的K、α值

根據(jù)露天爆破孔爆破按照炸藥單耗、炮孔直徑和爆破統(tǒng)計規(guī)律給出的公式，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，深孔爆破飛石距離RFmax可由下式計算

RFmax=KrqD

(1)

式中：

Kr——與爆破方式、填塞長度、地質(zhì)和地形條件有關(guān)的系數(shù)，垂孔臺階爆破Kr=1.0～1.5，水平孔臺階爆破Kr=1.5～2.5，該次設(shè)計按垂直孔臺階爆破最大值1.5計算；

q——炸藥單耗，kg/m3，該次設(shè)計取大值，炸藥單耗為0.38 kg/m3；

D——藥孔直徑，孔徑為150 mm和115 mm。

經(jīng)計算，孔徑150 mm和115 mm下爆破飛石的安全距離Rf分別為85.5 m和70.38 m，根據(jù)爆破安全規(guī)程要求，露天深孔爆破飛石對人員的安全距離按設(shè)計計算，但≤200 m。

3.2.2 爆破振動允許的安全距離

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)13.2.4條的規(guī)定，可按下式進行爆破振動計算。

(2)

式中：

R——爆破振動安全允許距離，m；

Q——炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大單段藥量(結(jié)合礦山爆破情況，單段爆破炮孔為5個，炮孔孔徑為150 mm，單段裝藥量約為475.05 kg；炮孔孔徑為115 mm下單段裝藥量約為338.55 kg)；

V——保護對象所在地安全允許質(zhì)點振速，cm/s，該次設(shè)計結(jié)合保護對象類別選取允許質(zhì)點；

K，α——與爆破點至保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。根據(jù)礦山巖石硬度系數(shù)，設(shè)計取K值為250，α取值為1.5。

3.2.3 按爆破沖擊波確定的安全距離

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)第13.3.5條：露天爆破作業(yè)，對人員和其他保護對象的空氣沖擊波安全允許距離由設(shè)計確定。露天爆破沖擊波極限超壓確定的爆破安全安全距離可按下式計算：

(3)

式中：

△P——爆破沖擊波極限超壓，105Pa；

Q——單段最大起爆藥量，kg；

Ks、α——與爆破點至計算保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)礦山采用爆破方式，對深孔毫秒微差爆破選取Ks=1.48，α=1.55。

將公式(3)進行轉(zhuǎn)換可得出爆破沖擊波確定的安全距離，公式如下：

(4)

經(jīng)計算，炮孔孔徑為150 mm下爆破沖擊波確定的安全距離R為125.37 m；炮孔孔徑為115 mm下爆破沖擊波確定的安全距離R為112.04 m。

3.3 爆破現(xiàn)場安全管理

通常情況下，應(yīng)針對爆破現(xiàn)場建立安全管理制度，爆破作業(yè)由專業(yè)人員進行操作，明確相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程和實施流程，落實現(xiàn)場作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)管，包括裝藥出現(xiàn)阻塞或卡孔應(yīng)及時疏通，裝藥結(jié)束后要進行嚴(yán)格檢查驗收，合理設(shè)計孔網(wǎng)參數(shù)，依據(jù)巖石的具體性質(zhì)進行控制，降低爆破對周邊所產(chǎn)生的影響。

由于深孔臺階爆破具有較強的破壞性，因此現(xiàn)場安全管理應(yīng)當(dāng)作為重要環(huán)節(jié)，尤其是嚴(yán)格落實現(xiàn)場器材管理，明確警戒范圍及管理方式，科學(xué)挖掘爆破時產(chǎn)生的沖擊波、飛石、振動及有害氣體等，避免對周邊人員和環(huán)境產(chǎn)生危害[4]。另外，還應(yīng)重視爆破準(zhǔn)備工作，建立明確的工作責(zé)任制，在爆破器材的運輸、裝卸、搬運、使用等環(huán)節(jié)，均應(yīng)建立有效的管理制度，嚴(yán)格依據(jù)操作規(guī)程展開爆破，確保露天礦山爆破安全。

4 結(jié) 語

綜上所述，伴隨露天礦深孔臺階爆破需求的增加，更應(yīng)當(dāng)做好相關(guān)的安全分析與防范，切實依據(jù)科學(xué)的設(shè)計方案，有效地規(guī)避潛在的安全問題。在安全技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，必須要以各類安全規(guī)程為前提，及時做好安全風(fēng)險研判，嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)計算方式，合理設(shè)置鉆孔、裝藥、器材及相關(guān)影響參數(shù)，確保在爆破過程中高效安全，降低爆破對周邊帶來的影響，保證露天礦爆破工作的有效實施。