爆破測(cè)振技術(shù)在凹山采場(chǎng)高陡邊幫開采中的應(yīng)用

鄧國(guó)平

(馬鋼集團(tuán)(控股)有限公司南山礦業(yè)公司)

臨近閉坑的凹山采場(chǎng)形成了1個(gè)長(zhǎng)約1 230 m、寬1 050 m、封閉圈標(biāo)高45 m、最低開采水平-210 m 的凹陷采坑。采場(chǎng)大規(guī)模爆破和開挖對(duì)邊坡巖體造成了較大的應(yīng)力擾動(dòng)，并在坑底坡腳處形成了應(yīng)力集中，對(duì)凹山地質(zhì)環(huán)境治理和掛幫礦開采時(shí)，會(huì)進(jìn)一步引起巖體發(fā)生變形和破壞。高陡邊坡穩(wěn)定性主要由礦山工程地質(zhì)條件決定，但在巖石物理力學(xué)性質(zhì)、邊坡結(jié)構(gòu)構(gòu)造、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和開采方式一定的條件下，采場(chǎng)爆破振動(dòng)是危害邊坡的主要因素，特別是節(jié)理裂隙比較發(fā)育的軟弱結(jié)構(gòu)面更可能受其影響。采場(chǎng)南幫受F2斷層影響，南幫治理區(qū)域地質(zhì)條件較差，節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面較多，爆破振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性有一定影響。2013年，隨著東南幫地質(zhì)環(huán)境治理工程穩(wěn)步推進(jìn)(主要治理南幫-15～-165 m 水平)，該部位受深孔爆破及生產(chǎn)作業(yè)影響，人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該部位有明顯下沉現(xiàn)象。南幫治理區(qū)域正上方分布有0～-15 m、-15～-30 m 水平鐵路運(yùn)輸線路，其中，0～-15 m水平鐵路線為0 m水平轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)電機(jī)車的必經(jīng)線路，-15～-30 m水平鐵路線為-15 m水平轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)電機(jī)車的必經(jīng)線路。為確保凹山采場(chǎng)安全高效開采，本研究對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，以合理優(yōu)化邊坡爆破設(shè)計(jì)方案。

1 臨近邊坡爆破對(duì)失穩(wěn)邊坡的影響

(1)爆破應(yīng)力波作用使得邊坡圍巖中的剪應(yīng)力增加，原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面、原有的裂紋裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展和延伸，甚至?xí)a(chǎn)生新的裂紋裂隙，大大降低了邊坡的承載能力，從而影響到邊坡穩(wěn)定性[1-2]。

(2)地表水滲入造成節(jié)理、裂隙和軟弱層的靜水壓力增大，軟化結(jié)構(gòu)面并降低潛在滑面強(qiáng)度，爆破振動(dòng)作用使得地下水狀態(tài)發(fā)生改變，直接或間接影響到滑塌面的摩擦力，振動(dòng)慣性力對(duì)邊坡形成了1個(gè)致滑力，使得邊坡產(chǎn)生誘滑。

(3)爆破振動(dòng)對(duì)邊幫圍巖進(jìn)行了長(zhǎng)期擾動(dòng)和沖擊，使得破壞效應(yīng)不斷加強(qiáng)和延續(xù)，導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生了近似材料蠕變或巖石內(nèi)部損傷積累，改變了圍巖內(nèi)部的抗剪切能力。

2 正常臺(tái)階的中深孔爆破參數(shù)

凹山采場(chǎng)臺(tái)階高度為15 m，采用φ250 mm牙輪鉆穿孔，孔深設(shè)計(jì)為17 m，采用逐孔微差順序起爆，非電導(dǎo)爆管起爆。炸藥采用銨油炸藥，其余為多孔粒狀銨油炸藥。爆破參數(shù)為底盤抵抗線8.5～10 m，孔距8～9 m，排距5.5～6.5 m，孔深17 m，超深2 m，炮孔傾角90°，炸藥單耗0.5 kg/m3。

3 爆破振動(dòng)規(guī)律

對(duì)于露天礦爆破，與爆破振動(dòng)關(guān)系最為密切的參數(shù)分別為爆心距、最大段藥量、一次爆破總藥量、爆轟波傳播方向、方位、高差等[3-4]。在治理高危邊坡時(shí)，由于邊坡容易受水文地質(zhì)條件的影響，治理期不宜過長(zhǎng)，而預(yù)裂爆破對(duì)于頻繁擴(kuò)幫到界的開采比較費(fèi)時(shí)，影響推進(jìn)進(jìn)度，故不建議采用，為此，只能通過減少最大段藥量來降低爆破振動(dòng)對(duì)邊幫的破壞。

最大段藥量控制方法主要通過對(duì)爆破最大段藥量的控制來有效降低爆破振動(dòng)的峰值質(zhì)點(diǎn)振速[5]。其主要原理是在保證礦巖能夠被充分破碎的條件下，減少爆破能量大小來降低爆破振動(dòng)強(qiáng)度。 根據(jù)采場(chǎng)鉆孔設(shè)備、爆破器材、爆破工藝等條件，本研究對(duì)半深孔(孔深8.5 m)爆破的單孔最大段藥量與高臺(tái)階深孔(孔深17 m)爆破進(jìn)行了爆破振動(dòng)效果對(duì)比監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)采用IDTS 3850型爆破振動(dòng)記錄儀，每次測(cè)量3個(gè)測(cè)點(diǎn)，3個(gè)測(cè)點(diǎn)均設(shè)置于南幫不穩(wěn)定邊坡的固定位置上，由于選取的全深孔爆破位置和半深孔爆破位置的爆心相距很近，故與邊幫固定測(cè)量點(diǎn)的距離近乎相等，通過數(shù)次爆破后，得出了爆破振動(dòng)典型波形圖(圖1)，相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。分析圖1、表1可知：爆破振動(dòng)引起的邊坡質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度隨爆心距的增加而遞減，當(dāng)爆心與測(cè)點(diǎn)距離相同時(shí)，最大段藥量小的爆破對(duì)邊幫產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度越小，振動(dòng)速度降幅為17.6%～72.4%。

圖1 爆破振動(dòng)速度波形

表1 凹山采場(chǎng)-90 m臺(tái)階半深孔(8.5 m)和全深孔(17 m)爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的大量數(shù)據(jù)，采用計(jì)算機(jī)讀取每臺(tái)儀器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(分別為垂直振動(dòng)速度、水平徑向振動(dòng)速度、水平切向振動(dòng)速度)，并記錄每個(gè)通道的最大振動(dòng)速度，對(duì)各方向的振動(dòng)速度平方相加再開根號(hào)，即可得出該測(cè)點(diǎn)的合速度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，分別對(duì)每條測(cè)線采用薩道夫斯基公式進(jìn)行了回歸計(jì)算分析，凹山采場(chǎng)爆破振動(dòng)在F2斷層方向的測(cè)振數(shù)據(jù)回歸分析結(jié)果見圖2。

圖2 F2斷層方向爆破振動(dòng)回歸直線

經(jīng)過薩道夫斯基公式回歸計(jì)算，得出該公式中K、α取值分別為165.9、1.418，相關(guān)性系數(shù)r=0.917，則F2斷層方向爆破振動(dòng)傳播規(guī)律公式可表示為

圖3 F2斷層方向爆破振動(dòng)衰減曲線

參照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)給出的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度安全允許值[6]，根據(jù)采場(chǎng)F2斷層方向上的爆破振動(dòng)速度衰減規(guī)律，可求得不同爆心距、不同最大段藥量所對(duì)應(yīng)的爆破振動(dòng)速度，結(jié)果見表2。

表2 F2斷層方向不同爆心距、不同最大段藥量對(duì)應(yīng)的振速

4 結(jié) 語

以凹山采場(chǎng)為例，分析了爆破振動(dòng)速度傳播規(guī)律，認(rèn)為合理分配藥量和布置藥包，從而使炸藥能量充分用于破碎介質(zhì)，并使作用于爆破飛石、振動(dòng)等有害效應(yīng)上的能量達(dá)到最小值，從而有效控制爆破振動(dòng)。具體措施為：合理布置炮孔和藥包，限制最大段藥量和總藥量；采用逐孔順序起爆網(wǎng)路，嚴(yán)格控制最大段裝藥量和一次起爆藥量；合理設(shè)置填塞高度，嚴(yán)格按照規(guī)程進(jìn)行施工作業(yè)。