西藏驅(qū)龍銅多金屬礦項(xiàng)目凍土層爆破及剝離技術(shù)研究

翟 翔 超， 陶 體 盛， 李 洪 豪， 龔 山 琳

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

驅(qū)龍礦區(qū)位于西藏自治區(qū)墨竹工卡縣西南約20 km處，礦區(qū)屬墨竹工卡縣甲瑪鄉(xiāng)和達(dá)孜縣章多鄉(xiāng)管轄。礦區(qū)位于青藏高原岡底斯山脈東段與念青唐古拉山脈結(jié)合部位，地勢險(xiǎn)峻，切割強(qiáng)烈，礦區(qū)海拔5 050～5 512.2 m。礦區(qū)東西長2 590 m，南北寬1 810 m，沿礦區(qū)公路北行約28 km至318國道，向西行61 km至拉薩市，向東行6.5 km至墨竹工卡縣，礦區(qū)屬于溫帶高原半干旱季風(fēng)氣候，晝夜溫差懸殊，空氣稀薄，日照充足，干濕季節(jié)明顯，夏季溫和濕潤，冬季寒冷干燥，晝夜溫差較大，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，礦區(qū)晝夜溫差統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 驅(qū)龍銅多金屬礦晝夜溫差統(tǒng)計(jì)表

礦區(qū)表面多數(shù)為高山草甸覆蓋，表面風(fēng)化層或碎石堆積層厚度為0.5～10 m不等。由于在每年9月至次年2月晝夜溫差較大，使其基巖以上的松散巖層形成厚度不等的凍土層，3至5月凍土層逐漸融化，6至8月凍土層逐漸消融。

2 原狀凍土層具有的特點(diǎn)及難點(diǎn)

2.1 凍土層的特點(diǎn)

凍土層的形成有兩種方式：其一，高山草甸對(duì)土壤的保水性在低溫的影響下形成了土壤凍土層，為原狀凍土層；其二，松散碎石覆蓋一定厚度的冰雪，白天氣溫高，冰雪融化滲入碎石縫隙，夜間溫度下降后凝結(jié)成冰，將碎石凝結(jié)成整體，形成碎石凍土層，一般為巖石爆破后沒有及時(shí)進(jìn)行剝離，在冰雪融水和氣溫的影響下形成的。

凍土由固體礦物顆粒、黏塑性包裹體、未凍水以及氣體包裹體組成的復(fù)雜四相體,在常態(tài)下具有一定的硬度、韌性、孔隙度。其對(duì)鉆削與沖擊能量的吸收與巖土不同，隨著含冰量與凍結(jié)程度的不同，其鉆鑿性質(zhì)也在變化[1]。驅(qū)龍銅多金屬礦凍土層厚度為0.6～2 m，海拔越高，其厚度越厚。凍土層的強(qiáng)度與溫度有關(guān)，隨著溫度降低，強(qiáng)度增大，最后趨于穩(wěn)定；其還與含水量有關(guān)，初始隨著含水量的增大強(qiáng)度增大，增大到一定數(shù)值后，隨著含水量的增大，強(qiáng)度減小并趨于純冰的強(qiáng)度[2]。

2.2 凍土層的施工難點(diǎn)

(1)凍土層凍結(jié)后強(qiáng)度較大，難以采用挖掘設(shè)備直接剝離，必須采用爆破或其他技術(shù)進(jìn)行處理才能達(dá)到良好的剝離效果；

(2)凍土層往往也是草甸及腐殖層，鑒于西藏環(huán)境脆弱，為保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，需要采取專門措施保護(hù)原生植被；

(3)在凍土層進(jìn)行穿孔作業(yè)時(shí)，大量的機(jī)械能通過摩擦轉(zhuǎn)化為熱能，造成凍土融化，形成泥漿團(tuán)，惡化鉆屑的形成及排出條件，降低鉆孔效率甚至無法成孔[3]；

(4)凍土層的爆破需面對(duì)鉆孔含水、溫度低的問題，對(duì)爆破器材性能要求高；

(5)當(dāng)凍土層下存在未凍結(jié)松散土層時(shí)，會(huì)削弱沖擊波對(duì)凍土層的松動(dòng)作用[4]，影響爆破效果，易形成“鍋蓋”，嚴(yán)重影響剝采進(jìn)度；

(6)由于晝夜溫差較大，爆破后的凍土受外熱融化，夜間重新凍結(jié)，造成清理困難。

3 凍土層處理方案研究

針對(duì)以上面臨的施工難點(diǎn)，結(jié)合有關(guān)研究資料，在現(xiàn)有的設(shè)備條件下，優(yōu)化控制穿孔、爆破、剝離的生產(chǎn)工藝過程，以取得較好的生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 穿孔設(shè)計(jì)

驅(qū)龍銅多金屬礦處理原狀凍土層前進(jìn)行了穿孔試驗(yàn)，采用潛孔鉆機(jī)，孔徑為115 mm，設(shè)計(jì)基本孔網(wǎng)參數(shù)為2 m×4 m，菱形布置，垂直鉆孔，孔深為凍土層厚度。試驗(yàn)過程中由于鉆頭摩擦轉(zhuǎn)化為熱能，孔口返出的鉆渣較為濕潤，鉆速為0.3 m/min，成孔率與鉆孔時(shí)的氣溫有關(guān)，氣溫在5 ℃～-10 ℃時(shí)成孔率在72%～90.5%之間。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)描述，采用麻花鉆的穿孔效果優(yōu)于潛孔鉆，而筆者僅僅根據(jù)現(xiàn)有的鉆孔設(shè)備進(jìn)行穿孔設(shè)計(jì)。鉆頭穿過凍土層出現(xiàn)了兩種情況：其一，鉆頭鉆穿凍土層后鉆孔速率變慢，說明達(dá)到原狀巖石表面，凍土層以下巖層比較完整，進(jìn)行裝藥爆破時(shí)下部氣密性良好；其二，鉆穿凍土層后鉆速突然加快，隨即孔口出現(xiàn)不返渣、卡鉆等現(xiàn)象，說明凍土層以下存在未受凍的松散土層，層下的松散土層將影響凍土層的爆破效果。進(jìn)行穿孔爆破設(shè)計(jì)時(shí)臨空面的設(shè)計(jì)對(duì)其爆破效果影響較大，利用爆破區(qū)域地勢較低的一側(cè)采用鏟裝設(shè)備處理后形成臨空面以保證良好的爆破效果。由于凍土層厚度不同、凍土層下的地質(zhì)條件不確定，鉆孔時(shí)鉆頭穿過凍土層后立即停止向下鉆進(jìn)，并根據(jù)該孔孔底的地質(zhì)狀況進(jìn)行標(biāo)記，為穿爆施工后續(xù)工序做好準(zhǔn)備。

3.2 爆破設(shè)計(jì)

3.2.1 爆破器材

驅(qū)龍銅多金屬礦所采用的炸藥為2#巖石乳化炸藥和氨油炸藥兩種，由于受水的影響，凍土層爆破采用2#巖石乳化炸藥進(jìn)行爆破，該炸藥在溫度低于0 ℃時(shí)敏感度低，通過爆破試驗(yàn)，最終決定采用高爆起爆彈和高爆非電雷管起爆能取得良好的效果，使用導(dǎo)爆索、分段延時(shí)管等器材將爆破連接成網(wǎng)狀進(jìn)行爆破。

3.2.2 爆破參數(shù)

凍土層采用松動(dòng)爆破，炸藥單耗約為0.3～0.4 kg/m3，爆破后的塊石長邊直徑小于1.2 m即滿足鏟裝要求，根據(jù)裝藥位置不同，分為凍土層下爆破和層中爆破[5]，根據(jù)凍土層的實(shí)際賦存情況，靈活選取合適的爆破方式。

層下爆破是指將炸藥裝填于凍土層以下孔柱范圍，使其產(chǎn)生向上的沖擊波以達(dá)到松動(dòng)的目的。試驗(yàn)證明：當(dāng)凍土層厚度大于1 m或凍土層下存在未凍結(jié)的土層或松散土層，爆破同時(shí)產(chǎn)生向下的沖擊波，削弱了爆破對(duì)凍土層產(chǎn)生的沖擊力，爆破效果很差，故層下爆破適用于厚度為0.6～1 m之間且層下為堅(jiān)硬巖石的原狀凍土層的情況。根據(jù)爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其層下爆破參數(shù)見表2。

表2 凍土層下爆破參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

當(dāng)凍土層厚度大于1 m或凍土層厚度小于1 m，但層下存在松散土層時(shí)采用層中爆破，即將炸藥裝填于凍土層厚度范圍內(nèi)的孔柱進(jìn)行爆破。層中爆破裝藥前應(yīng)對(duì)爆破孔進(jìn)行處理，爆破孔貫穿了整個(gè)凍土層厚度，需要采用細(xì)土料對(duì)其超深部分進(jìn)行回填處理，以保證炸藥裝填于凍土層中間部位的孔柱內(nèi)；其次，對(duì)于厚度小于1 m且層下存在松散土層爆破區(qū)域的孔網(wǎng)參數(shù)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以達(dá)到爆破的預(yù)期效果，其爆破參數(shù)見表3。

表3 凍土層中爆破參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.3 剝離工藝流程優(yōu)化

3.3.1 草甸及腐殖層的剝離

為保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，礦區(qū)閉坑后要求對(duì)排土場、礦坑局部區(qū)域作復(fù)墾處理，要求對(duì)高山草甸及腐殖層土必須單獨(dú)剝離并將其運(yùn)至特定區(qū)域堆放待用。由于受晝夜溫差的影響，白天氣溫較高時(shí)草甸及腐殖層土中所含的冰狀物逐漸融化，是進(jìn)行剝離的最佳時(shí)段，對(duì)凍土層平緩地段采用推土機(jī)集堆草甸和腐殖層土，對(duì)凹凸不平區(qū)域采用小型液壓挖掘機(jī)進(jìn)行剝離。鑒于腐殖層土的厚度不同以及受冰狀物消融速率的限制，采用分層剝離的方式進(jìn)行。

3.3.2 原狀凍土層的剝離

原狀凍土層爆破后，由于礦區(qū)晝夜溫差大，爆破處理后的凍土含水率較高，在低溫的影響下很快形成新的凍土，或者爆破后形成一定的空隙導(dǎo)致原凍土層下的松散土層形成凍土，故對(duì)爆破后的凍土層必須及時(shí)進(jìn)行剝離。驅(qū)龍銅多金屬礦項(xiàng)目的爆破施工一般在下午3點(diǎn)進(jìn)行，而礦區(qū)氣溫較高的時(shí)段為中午12點(diǎn)至18點(diǎn)，為了及時(shí)對(duì)凍土層進(jìn)行剝離，將凍土層爆破調(diào)整至中午12點(diǎn)左右進(jìn)行。對(duì)于層下為堅(jiān)硬基巖的凍土層須將其剝離至基巖表面；對(duì)于層下為松散土層的凍土層，應(yīng)根據(jù)采剝標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階高度、松散土層厚度、設(shè)備生產(chǎn)效率等客觀條件，對(duì)凍土層與松散土層同時(shí)進(jìn)行剝離處理。

3.3.3 碎石凍土層處理方案研究

碎石凍土層是由于爆破施工后采剝不及時(shí)，在晝夜溫差和冰雪融水影響下形成的凍土，該凍土層孔隙率大，采用松動(dòng)爆破處理方法氣密性欠佳且難以成孔，爆破效果甚微，固體顆粒之間的粘結(jié)力較小，厚度一般小于1 m，采用破碎錘處理后及時(shí)采剝處理或利用白天氣溫較高時(shí)段直接采用鏟裝設(shè)備進(jìn)行剝離處理。

碎石凍土層的預(yù)防和處理需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)采剝生產(chǎn)計(jì)劃的合理性。為保證露天礦連續(xù)性生產(chǎn)，穿爆作業(yè)必須提前進(jìn)行，并保證一定的爆破余量；

(2)必須對(duì)礦區(qū)所在地氣候變化規(guī)律有所了解，如不同時(shí)期晝夜溫差的變化，根據(jù)氣象預(yù)報(bào)和當(dāng)?shù)貧夂蛸Y料預(yù)測雨雪天氣的到來時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，采取小規(guī)模爆破、多次爆破的方式，減少爆渣的存儲(chǔ)時(shí)間，保證生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行；

(3)采剝前，對(duì)爆渣表面的積雪進(jìn)行及時(shí)清理或噴灑融雪劑，防止冰雪融水與碎石結(jié)合形成碎石凍土層。

4 結(jié) 語

高寒地帶凍土層的爆破與采剝技術(shù)作為一項(xiàng)新的課題具有一定的研究價(jià)值，筆者僅從現(xiàn)有的設(shè)備配置、礦區(qū)的實(shí)際氣候條件，結(jié)合大型露天礦山經(jīng)驗(yàn)爆破參數(shù)進(jìn)行了爆破試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)不斷調(diào)整與爆破相關(guān)的參數(shù)、爆破器材和采剝工藝，從多方面不斷總結(jié)和優(yōu)化凍土層的爆破與采剝技術(shù)方案，達(dá)到了解決實(shí)際問題的目的。

在試驗(yàn)研究過程中，筆者針對(duì)原狀凍土層，總結(jié)了一套“小規(guī)模爆破、及時(shí)剝離”的處理原則，根據(jù)凍土性質(zhì)及產(chǎn)能適量爆破，及時(shí)剝離；針對(duì)碎石凍土層，采取合理安排采剝計(jì)劃、噴灑融雪劑等措施，降低了凍土重新凍結(jié)造成的影響。實(shí)踐表明：以上措施能夠達(dá)到提高鏟裝效率、節(jié)約成本的目的，進(jìn)而保證了項(xiàng)目生產(chǎn)的順利進(jìn)行。