大峰露天采場保護(hù)周邊建筑物、構(gòu)筑物的思考

李宇光，楊志明，王永杰

（神寧集團(tuán)汝箕溝無煙煤分公司，寧夏 石嘴山 753004）

大峰露天采場保護(hù)周邊建筑物、構(gòu)筑物的思考

李宇光，楊志明，王永杰

（神寧集團(tuán)汝箕溝無煙煤分公司，寧夏 石嘴山 753004）

針對大峰露天采場周邊建筑物、構(gòu)筑物所處位置、自身結(jié)構(gòu)、抗震強(qiáng)度等不同，以安全上可靠、技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理為原則，從宏觀到具體，分別采取相應(yīng)的針對性措施，必要時(shí)采用組合措施，從而對其進(jìn)行有效地保護(hù)。

邊坡穩(wěn)定;爆破震動(dòng);逐孔起爆;爆破飛石;礦山防排水

0 引 言

2013年11月1日，神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司下屬的3家煤礦——大峰露天煤礦、白芨溝煤礦、汝箕溝煤礦，合并成立汝箕溝無煙煤分公司。原大峰露天煤礦被稱為大峰采區(qū)或大峰露天采場（下文簡稱采場），采場二層煤已經(jīng)開采殆盡，由于生產(chǎn)接續(xù)的迫切需要，2010年9月開始動(dòng)工開采下組煤。至此，開采了近40 a的山坡露天礦逐步變?yōu)榘枷萋短斓V。采場周圍分布的一系列重要建、構(gòu)筑物進(jìn)而受露天采礦活動(dòng)影響日漸增大，分別是采場西翼南側(cè)的工業(yè)廣場、西翼北側(cè)的礦區(qū)變電所和民房、東翼的跨208縣道通往黑頭寨舍場立交橋。能夠有效地對其進(jìn)行保護(hù)，是打造安全、高效、和諧礦區(qū)的前提條件。

1 采場概況

大峰露天采場位于賀蘭山北部腹地，汝箕溝礦區(qū)中部，行政區(qū)劃隸屬于石嘴山市大武口區(qū)，采場內(nèi)地表境界走向長1.6 km，傾向?qū)?.2 km，面積1.92 km2。下組煤可采煤層4層。汝箕溝礦區(qū)最大的地質(zhì)構(gòu)造——汝箕溝向斜盆地，南高北低，兩翼近對稱，西翼略陡于東翼，傾角較大，靠近煤層頂、底板處均有弱層存在。

2 保護(hù)建筑物、構(gòu)筑物的一般原則

由于該礦區(qū)煤、巖硬度較大，所以在采剝施工時(shí)均需提前爆破松動(dòng)。長期的爆破震動(dòng)對建、構(gòu)筑物原始結(jié)構(gòu)造成了一定的破壞，導(dǎo)致其穩(wěn)定性、可靠性變差。在露天開采當(dāng)中，應(yīng)盡量減少爆破對其危害。

為了切實(shí)、有效地保護(hù)建、構(gòu)筑物，降低爆破震動(dòng)對保護(hù)對象的擾動(dòng)，在整體露天采礦設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循以下一般原則：

2.1 出入溝、開段溝位置的選擇

選擇時(shí)考慮爆破產(chǎn)生爆轟波傳播方向與采場周圍建、構(gòu)筑物的方向相反。

2.2 穿孔爆破參數(shù)的選擇

針對不同的建、構(gòu)筑物選取不同的爆破參數(shù)，在敏感區(qū)域爆破時(shí)，通過調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)使爆破地震安全距離為最小值。隨著安全距離增大，參數(shù)開始相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整，滿足技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、安全上可靠的爆破要求。爆破地震安全距離按下式計(jì)算：

式中：R為爆破地震安全距離，m；Q為藥量（齊發(fā)爆破取總量，延期爆破取最大一段藥量），kg；v為安全質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；m為藥量指數(shù)；k、a為與爆破地點(diǎn)地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù)。

2.3 爆破時(shí)自由面的創(chuàng)造

1）小的爆破規(guī)模創(chuàng)造自由面。

2）爆破時(shí)創(chuàng)造多個(gè)自由面。

2.4 一次性起爆藥量的設(shè)計(jì)

通過前期控制穿孔排數(shù)和后期設(shè)置爆破網(wǎng)路（起爆點(diǎn)、起爆方式、雷管段別），達(dá)到降震的效果。

2.5 裝藥結(jié)構(gòu)的選擇

采用降震效果明顯的裝藥結(jié)構(gòu)分段和不耦合。

2.6 爆破類型的選擇

在建、構(gòu)筑物處，露天采場設(shè)計(jì)邊坡境界線爆破區(qū)域采用預(yù)裂爆破、穿減震孔、挖防震溝。

3 工業(yè)廣場的保護(hù)

工業(yè)廣場位于井田西翼南側(cè)，建于五、七煤露頭之上。從經(jīng)濟(jì)開采角度講，露天礦邊坡的角度越大（越陡）開采效益越好，可以多采出巖體下部壓煤，提高資源利用率。然而，過大的邊坡角度必然導(dǎo)致滑坡等風(fēng)險(xiǎn)。由于露天礦邊坡高陡而造成滑坡等破壞，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重威脅了邊坡上部建、構(gòu)筑物及下部采礦作業(yè)的安全，甚至可能發(fā)生人員傷亡。此區(qū)域一旦滑坡，后果不堪設(shè)想。

隨著露天礦不斷向下延伸，形成固定的最終邊坡越來越高，邊坡的穩(wěn)定性問題也日益突出。此區(qū)域?qū)儆谧畛Ｒ姟⒆钇毡榘l(fā)生的一種破壞類型——平面破壞，其特點(diǎn)是邊坡巖體中發(fā)育著一組走向與邊坡平行、傾向與邊坡傾向一致，傾角與邊坡相近的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面當(dāng)巖體沿上述不連續(xù)面滑動(dòng)時(shí)即構(gòu)成平面破壞。因此，加強(qiáng)邊坡管理、防止邊坡大量變形與破壞是露天礦山開采和生產(chǎn)管理的重要內(nèi)容。為了在開采過程中始終保持安全生產(chǎn)，不增加不必要的開支，不耽誤連續(xù)開采，應(yīng)采取各種措施對邊坡事故進(jìn)行防治。

3.1 壓腳

為實(shí)現(xiàn)壓腳，可采取以下措施：

1）分區(qū)開采。首采區(qū)選在對工業(yè)廣場影響較小的西翼北側(cè)區(qū)域，進(jìn)行內(nèi)排壓腳后再開采影響較大的西翼南側(cè)區(qū)域。首采區(qū)沿七2#煤層（露頭）走向拉溝，垂直走向沿煤層頂板傾向推進(jìn)。分區(qū)開采的兩塊，大致形狀分為兩梯形。首采區(qū)域?yàn)檎菪?，隨后開采區(qū)域?yàn)榈固菪危瑸閮?nèi)排壓腳創(chuàng)造更好的支撐條件。

2）及時(shí)進(jìn)行內(nèi)排穩(wěn)定邊坡。實(shí)現(xiàn)分層排棄，減小排土臺(tái)階高度、排土幫坡角和增大排土平盤寬度。這樣的排土臺(tái)階組合實(shí)現(xiàn)了小邊坡角，不但自身更加穩(wěn)定而且能及時(shí)為上部巖體提供支撐。

3）逐漸變換工作線布置形式。由首采區(qū)向隨后開采區(qū)域推進(jìn)時(shí)，由縱采逐漸過渡為橫采。進(jìn)一步提高內(nèi)排土場穩(wěn)定性，且增大內(nèi)排對工廣巖體的支撐范圍。

3.2 削坡

加大預(yù)留永久性支撐巖體寬度，不僅能達(dá)到增大摩擦力的效果，同時(shí)也是削減了坡度。分層留有安全距離，即3#煤層底板開采邊界距工業(yè)廣場構(gòu)筑物留有200 m安全距離，5#煤層底板工作平盤預(yù)留80 m。

3.3 減載

重力在下滑方向分力大于摩擦力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)滑坡。減小巖體重力沿滑面方向的分量Wsin，就要求嚴(yán)禁在邊坡上堆積廢渣，以免增加邊坡上的荷載。

3.4 降震

雖然影響邊坡穩(wěn)定性的因素很多，但爆破震動(dòng)對邊坡直接的破壞性影響不容忽視。為了保護(hù)邊坡穩(wěn)定，除了采取其它有效措施以外，對臨近邊坡的爆破也要嚴(yán)加控制。減小由爆破震動(dòng)作用引起平行于滑面的分力Wsin，采用邊坡控制爆破技術(shù)，減少對巖體震動(dòng)。臨近邊坡控制爆破的主要方法有預(yù)裂爆破、光面爆破和緩沖爆破。

3.5 礦山防排水系統(tǒng)的設(shè)置

巖石裂隙水造成煤、巖層間摩擦系數(shù)減小，進(jìn)而加大滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。很好地解決防排水問題，顯得至關(guān)重要。

礦區(qū)無井、泉、地表水系存在，氣候干旱少雨，蒸發(fā)量大于降水量，且大氣降水均形成地表徑流順自然溝谷流出區(qū)外。但大峰露天采場位于汝箕溝向斜盆地中央，對含水層具有良好的保存作用，大氣降水一旦滲入難以排出，很容易造成工作面涌水量增大。目前為凹陷露天開拓方式開采，大峰采場北部形成較大礦坑。采場少量潛水滲透及山洪引起的短時(shí)地表徑流，涌入露天礦坑，成為礦坑充水的主要因素。防排水工作應(yīng)遵循防排結(jié)合的思路。

3.5.1 以防先行

1）在生產(chǎn)中需在采場外部設(shè)置防洪堤，以減少匯水面積，防止地表水流入邊坡表面裂隙中。

2）在邊坡巖體外面修筑排水溝排出地表水，防止其流入邊坡表面張裂隙中。對已有張裂隙應(yīng)以適當(dāng)材料及時(shí)充填。

3.5.2 排水應(yīng)遵循標(biāo)本兼治的原則

治“本”的辦法為采用疏干措施降低潛在破壞面附近的水壓。

1）在向斜軸最低點(diǎn)、邊坡巖體外圍打疏干排水井，裝配深井泵或潛水泵進(jìn)行排水，降低地下水位。疏干高邊坡可設(shè)置2個(gè)或2個(gè)以上排水水平。

2）地下巷道疏干?？捎糜谶吰聨r體的疏干，在巷道內(nèi)可打扇形排水孔，以提高疏干效果。

3）鉆水平排水孔，降低張裂隙或破壞面附近的水壓。

4）沿北部端幫向七2#煤底板水坑拉溝，將各工作面積水匯聚至實(shí)時(shí)最低點(diǎn)。

5）根據(jù)煤層傾角緩，礦坑延伸降段慢的特點(diǎn)，可選用采場底部集中排水方式。礦坑可設(shè)排水管，然后采用移動(dòng)式排水系統(tǒng)，排出采場積水。正常工作時(shí)將水排出供滅火工程、灑水降塵和綠化用，暴雨時(shí)將水排至采場外泄洪溝。排水設(shè)備的選擇主要考慮正常時(shí)期采坑排水量和設(shè)計(jì)暴雨頻率下的暴雨徑流現(xiàn)實(shí)排出量，根據(jù)計(jì)算的水量，在坑底浮船上配備2臺(tái)MD360—40×4水泵在雨季時(shí)排水，排水泵流量300～440 m3/h，揚(yáng)程106～126 m，單臺(tái)功率200 kW（暴雨期可臨時(shí)加大設(shè)備）。排水泵排水時(shí)同時(shí)工作，不設(shè)備用。另在坑底配置2臺(tái)MD85—45×5水泵在正常工作時(shí)排水，排水泵流量55～100 m3/h，揚(yáng)程195～255 m，功率90 kW。排水泵1臺(tái)使用抽水，1臺(tái)備用。排水泵設(shè)于浮船上，浮船上的水泵可根據(jù)礦坑水位自動(dòng)調(diào)節(jié)上下位置。

3.6 強(qiáng)化邊坡安全管理

1）邊坡人工加固對現(xiàn)有滑坡和潛在不穩(wěn)定邊坡是有效的治理措施，而且它已發(fā)展成為提高設(shè)計(jì)邊坡角、減少剝巖量的一種重要途徑。目前國內(nèi)外在礦山邊坡加固中，比較廣泛地采用抗滑樁和金屬錨索和錨桿，并輔以混凝土護(hù)坡和噴漿防滲等措施。

2）建立遠(yuǎn)距離邊坡安全監(jiān)察系統(tǒng)，做到實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)和智能報(bào)警，有效防止滑坡。根據(jù)實(shí)際需求建立GPS監(jiān)測點(diǎn)，定期對監(jiān)測數(shù)據(jù)（包括邊坡的位移、構(gòu)筑物的位移、結(jié)構(gòu)的變化）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采取相應(yīng)的措施，保證建、構(gòu)筑物的安全。

3）減少人和環(huán)境對邊坡穩(wěn)定性的破壞作用，嚴(yán)格按照開采設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行采礦作業(yè)，礦山安全員負(fù)責(zé)采場日常全面安全檢查，并對暴露巖體風(fēng)化、巖層位移等行為進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)消除事故隱患等。

4 礦區(qū)變電所的保護(hù)措施

汝箕溝礦區(qū)變電所擔(dān)負(fù)著整個(gè)礦區(qū)生產(chǎn)、生活的安全供電重任。爆破震動(dòng)一旦造成變電所內(nèi)設(shè)施損壞，就會(huì)造成供電保護(hù)設(shè)施不靈敏、不可靠。變電所距離邊坡境界線的距離不足70 m，這就給爆破提出了極高的要求。

此區(qū)域邊幫境界線處，采用預(yù)裂爆破和主爆區(qū)逐孔起爆（依靠高強(qiáng)度、高精度導(dǎo)爆管雷管實(shí)現(xiàn)），在邊幫境界線以內(nèi)的區(qū)域繼續(xù)使用高強(qiáng)度、高精度導(dǎo)爆管雷管，造價(jià)昂貴。為了節(jié)約成本，通過將普通導(dǎo)爆管雷管的巧妙搭配實(shí)現(xiàn)優(yōu)化斜差爆破網(wǎng)路，亦能實(shí)現(xiàn)逐孔起爆。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)斜線微差網(wǎng)路優(yōu)化方案

通常采用孔外接力式毫秒延時(shí)順序爆破網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)斜線微差起爆。列間采用延期時(shí)間為3段或4段系列導(dǎo)爆管雷管（GB—6378）串聯(lián)，前排孔間1趟干線聯(lián)接，如圖1所示，以3段為例，其它段別同理。

由表1可知GB—6378系列導(dǎo)爆管雷延期時(shí)間的特點(diǎn)，排與列采用不同段別雷管（為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)路安全，孔間低段別、排間高段別），第2排延期時(shí)間與第1排將不再重復(fù)，如圖2（以3段和4段為例），從而使網(wǎng)路得到優(yōu)化。從而實(shí)現(xiàn)單響炮孔減少，減小震動(dòng)。再加以控制排數(shù)，完全可以實(shí)現(xiàn)逐孔起爆。在震動(dòng)要求高的變電所下部區(qū)域，得到很好的應(yīng)用。

表1 GB—6378系列導(dǎo)爆管雷管段別與對應(yīng)延期時(shí)間

圖1 孔外接力式毫秒延時(shí)順序爆破網(wǎng)路示意圖

圖2 優(yōu)化后的孔外接力式毫秒延時(shí)順序爆破網(wǎng)路示意圖

4.2 類排差斜線微差網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案

還有一種斜差網(wǎng)路特別像排差，如圖3所示。同樣如上述第1種方法得到網(wǎng)路優(yōu)化，如圖4所示。

圖3 類排差孔外接力式毫秒延時(shí)順序爆破網(wǎng)路示意圖

圖4 優(yōu)化后的類排差孔外接力式毫秒延時(shí)順序爆破網(wǎng)路示意圖

采用優(yōu)化斜差網(wǎng)路和減少一次爆破排數(shù)，實(shí)現(xiàn)逐孔起爆，并且同時(shí)孔內(nèi)采用分段裝藥、不耦合裝藥（將乳化藥卷踩扁，用繩索慢慢吊下），從而大大降低爆破震動(dòng)。直至此區(qū)域爆破任務(wù)全部完成，變電所毫發(fā)無損，并從未出現(xiàn)過非正常停電。

5 孤立民房的保護(hù)措施

采場北部礦界邊緣，向斜軸附近，有一處孤立民房。礦方與業(yè)主多次協(xié)商拆遷，均無果。一旦受爆破震動(dòng)造成坍塌或爆破飛石破壞，勢必將引起重大糾紛，破壞來之不易的礦區(qū)和諧穩(wěn)定局面。

此區(qū)域邊幫境界線處的巖層（深孔爆破），采用預(yù)裂爆破和主爆區(qū)逐孔起爆有效降低爆破震動(dòng)。然而爆破松動(dòng)此處下組煤及其夾矸，爆破飛石卻很難控制。因?yàn)槊簩雍蛫A矸薄（0.8～6 m），單孔用藥量?。?.2～6 kg）。經(jīng)過不斷探討、摸索，采用普通乳化炸藥的方法能夠有效地控制淺孔爆破飛石，如下所述。

正常情況下，干孔裝粉狀乳化炸藥比裝普通乳化炸藥效率高很多。當(dāng)粉狀乳化炸藥用量精確到0.1 kg級別時(shí)，很難做到準(zhǔn)確定量。打破常規(guī)思維，具體情況具體分析。在淺孔用藥規(guī)模不是太大的情況下，普通乳化炸藥易于準(zhǔn)確定量的優(yōu)勢就凸顯出來了?，F(xiàn)場操作要領(lǐng)是：①用竹竿探測孔深確定藥量；②用竹竿檢查確認(rèn)藥塊兒塞至了孔底。淺孔裝普通乳化炸藥的方法能夠有效地控制爆破飛石。此法同樣在傾斜深孔裝藥能做到安全、高效。

6 立交橋的保護(hù)措施

東翼的跨208縣道通往黑頭寨舍場立交橋，長期的爆破震動(dòng)使其整體承載能力受到影響，必將縮短立交橋的使用年限，甚至?xí)斐绍囕v運(yùn)輸事故。

此區(qū)域邊幫境界線處，采用預(yù)裂爆破和主爆區(qū)逐孔起爆有效降低爆破震動(dòng)。隨著安全距離的增大，通過調(diào)整布孔形式、布孔參數(shù)的斜線微差網(wǎng)路也能有效地降低爆破震動(dòng)。具體做法是：采用方形布孔形式，縮小炮孔密集系數(shù)，通過斜線微差放大實(shí)際炮孔密集系數(shù)。在寬度一定的爆區(qū)，小的炮孔密集系數(shù)，必然帶來排數(shù)的減少，最終單次起爆炮孔數(shù)量減少。從而有效地降低爆破震動(dòng)。

以理想化模型為例，爆區(qū)寬37.5 m，邊眼距2.5 m。三角形布孔參數(shù)10 m×5 m，7排，方形布孔形式參數(shù)7 m×7 m，5排。炮孔密集系數(shù)分別是2、1，實(shí)際炮孔密集系數(shù)分別是1、2，單響孔數(shù)分別是7個(gè)、5個(gè)，方形布孔形式要比三角形降低爆破震動(dòng)28.6%.

7 結(jié)語

在露天開采當(dāng)中，對周邊建、構(gòu)筑物的保護(hù)，應(yīng)因地制宜采取不同的措施，必要時(shí)采用組合措施，才能達(dá)到有效保護(hù)的目的。

［1］郭學(xué)彬,張繼春.爆破工程［M］.北京:人民交通出版社,2007.

［2］張正宇.塑料導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)理論與實(shí)踐［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［3］高永濤，吳順川.露天采礦學(xué)［M］.長沙：中南大學(xué)出版社，2010.

［4］汪旭光.爆破手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

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［6］劉寶龍，譚軍，黃占宙.汝箕溝礦區(qū)露天復(fù)采技術(shù)有關(guān)問題的探討［J］.露天采礦技術(shù)，2013（4）：6-11.

［7］韋學(xué)忠.預(yù)裂爆破技術(shù)在大峰露天煤礦邊坡保護(hù)工程中的應(yīng)用［J］.露天采礦技術(shù)，2013（12）：11-12.

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［9］楊世明.露天礦床采剝方法［J］.露天采礦技術(shù)，2015（1）：7-11.

Thought on protecting the surrounding buildings and structures in Dafeng Open-pit stope

LI Yuguang,YANG Zhiming,WANG Yongjie

(Rujigou Anthracite Branch,Shenning Group Co.,Ltd.,Shizuishan 753004,China)

slope stability;blasting vibration;hole-by-hole blasting;blasting slungshot;mine drainage

TD824.7

B

1671－9816（2017）11－0082－05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.11.023

李宇光，楊志明，王永杰.大峰露天采場保護(hù)周邊建筑物、構(gòu)筑物的思考［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（11）：82-85.

2017-07-02

李宇光（1977—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，1996年畢業(yè)于海拉爾煤炭工業(yè)學(xué)校露采專業(yè)，現(xiàn)任神寧集團(tuán)汝箕溝無煙煤公司副經(jīng)理，長期在露天生產(chǎn)一線工作。

Absract:For the location,structure,the seismic intensity of the surrounding buildings and structures in Dafeng Open-pit stope,taking reliable in safe,feasible in technology and reasonable in economy for the principle,from the macro to the concrete,the corresponding measures should be taken respectively,and the combined measures should be adopted if necessary,so as to carry on the effective protection.

【責(zé)任編輯：張 夙】