撫順東露天礦采場爆破根底產(chǎn)生原因及治理措施

姜漢磊

（撫順礦業(yè)集團 東露天礦，遼寧 撫順 113003）

爆破根底的產(chǎn)生嚴重威脅電鏟的裝車安全，影響挖掘機的裝車效率。而且過大的根底需進行二次爆破作業(yè)處理，將增加穿孔設備作業(yè)量，爆破作業(yè)量和炸藥使用量，在時間上又限制了各項生產(chǎn)工序的正常銜接，對露天礦山經(jīng)濟和安全效果影響巨大。撫順東露天礦爆破作業(yè)產(chǎn)生根底有時長度可達100 m，高度接近3 m，對采區(qū)安全生產(chǎn)和生產(chǎn)接續(xù)影響顯著。因此，分析特殊區(qū)域爆破作業(yè)產(chǎn)生根底的具體原因，制定出切實可行的現(xiàn)場作業(yè)措施，消除爆破根底對生產(chǎn)安全的不利影響，是生產(chǎn)技術(shù)人員急需解決的技術(shù)難題。

1 礦山概況

撫順東露天礦北幫采用單斗-鐵道間斷開采工藝，根據(jù)使用采裝電鏟規(guī)格，為使電鏟作業(yè)效率充分得到發(fā)揮，東露天礦采用水平分層方法劃分臺階，臺階標準段高7 m[1]。根據(jù)煤層及底板工程地質(zhì)情況北幫采用移動坑線，電力機車鐵道運輸?shù)倪\輸方式。運輸設備為150 t 直流電機車牽引和60 t 自翻車裝車的編列[2]。東露天礦采場北幫巖石由上至下主要有綠色泥巖、油頁巖富礦、油頁巖貧礦，普氏系數(shù)為2.6～4.5 之間，屬于中硬巖石，電鏟采裝作業(yè)前均需要進行穿孔爆破對礦巖進行破碎。東露天礦使用穿孔設備為YQ-150A 型回轉(zhuǎn)鉆機和SWDD-165 鉆機2種。按照臺階布置方式及鉆機作業(yè)特點鉆機臺階作業(yè)穿孔作業(yè)采用垂直鉆孔方式，臺階爆破方式采用微差松動爆破。爆破作業(yè)使用非電導爆管雷管和乳化炸藥。

2 特殊條件臺階根底產(chǎn)生原因

2.1 地質(zhì)條件變化區(qū)域爆破后產(chǎn)生根底原因

撫順東露天礦北幫巖石臺階由上至下依次為綠色泥巖、油頁巖富礦和油頁巖貧礦，采裝作業(yè)前均需穿孔、爆破松碎礦巖。根據(jù)采剝段近1 年現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)，爆破根底多發(fā)生在E6200～E7600 區(qū)間綠色泥巖臺階。通過技術(shù)人員現(xiàn)場寫實觀測，此區(qū)域綠色泥巖巖質(zhì)特殊，含有不同巖質(zhì)巖石夾層，夾層分布上不連續(xù)及薄厚不均勻。鉆機作業(yè)記錄顯示，含有夾層區(qū)域鉆孔鉆進困難，鉆機作業(yè)時效率下降40%以上（據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，正常不含夾層綠色泥巖臺階鉆機穿孔效率為22 m/h，而含夾層臺階鉆機作業(yè)效率僅為13 m/h）。通過鉆機作業(yè)效率降低可推斷，含有夾層區(qū)域巖石硬度比不含夾層區(qū)域巖石硬度大。東露天礦地質(zhì)柱狀圖控制精度為200 m，由于此類含夾層巖石不連續(xù)分布，夾層厚度普遍小于2 m，因此在地質(zhì)柱狀圖中沒有對巖質(zhì)進行標注。經(jīng)查閱2016 年12月東露天礦委托煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室對此區(qū)域含有夾層巖體硬度進行普氏系數(shù)測定資料，出具的巖土點載荷試驗檢測報告顯示，該巖石夾層為泥灰?guī)r，試驗確定平均抗壓強度值為52.748 MPa，普氏系數(shù)f 為5.3。根據(jù)東露天礦初步設計鉆孔柱狀圖顯示，東露天礦綠色泥巖普氏系數(shù)值為3.5，因此可以確定含有泥灰?guī)r夾層綠色泥巖硬度比不含夾層綠色泥巖硬度普氏系數(shù)f 值大1.8。根據(jù)巖石爆破理論，巖石爆破單耗與巖石的普氏系數(shù)f 值成正比[3]。因此，在含有泥灰?guī)r夾層的綠色泥巖臺階爆破采用普通綠色泥巖臺階爆破使用的單耗值與巖石硬度不匹配，其值明顯偏小，是臺階爆破后易產(chǎn)生根底的主要原因之一。

2.2 段高小于5 m 臺階易產(chǎn)生根底原因

東露天礦臺階采用水平分層，運輸方式為北幫移動坑線，電氣化鐵道運輸?shù)纳a(chǎn)方式。各水平之間通過站場折倒方式建立聯(lián)系。由于電鐵運輸限制坡度存在，運輸系統(tǒng)中克服高差的調(diào)坡段將水平臺階切割為上下2 個三角臺階。根據(jù)機車爬坡能力即限制坡度15‰計算[4]，相鄰水平之間用以聯(lián)絡的調(diào)坡段運輸線路，將水平臺階（臺階高度7 m）切割為467 m 長的上下2 個三角形的分臺階（此處為理論計算，實際生產(chǎn)作業(yè)時，運輸系統(tǒng)不同區(qū)段還得預留控制坡度，其坡度值要小于15‰的坡度，因此現(xiàn)場實際三角臺階會更長）。按照采剝段現(xiàn)場統(tǒng)計記錄，三角臺階爆破產(chǎn)生根底的占比達到全部統(tǒng)計記錄的1/3，特別是段高小于5 m 的三角臺階，情況尤為突出。通過分析，小段高臺階易產(chǎn)生根底原因為：

1）爆破方案選擇不合理。由露天臺階爆破理論可知，臺階爆破按照孔徑、孔深不同，分為深孔臺階爆破和淺孔臺階爆破。通常將炮孔孔徑大于50 mm、孔深大于5 m 的臺階爆破稱為露天深孔臺階爆破；將孔深不超過5 m、孔徑在50 mm 以下的臺階爆破稱為露天潛孔臺階爆破[5]。受限于設備條件，小臺階爆破也可采用較大的炮孔直徑，但不宜超過75 mm。東露天礦受限于鉆孔設備條件，鉆機僅有YQ-150A型回轉(zhuǎn)鉆機和SWDD-165 鉆機2 種，造成低矮臺階鉆孔孔徑也將達到150 mm 甚至165 mm，爆破方案基本與深孔臺階爆破方案一致。因此造成低于5 m小段高臺階爆破效果不理想，易產(chǎn)生根底現(xiàn)象。

2）多排孔作業(yè)最小抵抗線方向與炮孔方向一致。小臺階采掘時，因臺階太小，無法直接裝車，一般采用撥巖裝車。為保證足夠的裝車量，往往在小臺階區(qū)域采用多排孔爆破，此時前排孔具有臨空自由面，而后排孔只有上部1 個自由面，因此最小抵抗線方向與炮孔方向一致。其后果是產(chǎn)生飛石或出現(xiàn)沖炮，能量順炮孔方向釋放，電鏟采掘時易出現(xiàn)根底。

3）現(xiàn)場目測臺階高度偏差影響。東露天礦坑下采場地表每月由地質(zhì)測量科實測驗收后繪制采掘平面圖更新，坑下采區(qū)特別是重點工程位置有時1 個月可能推進2～3 個采寬。因此，開采強度大的采區(qū)在驗收圖未更新時，爆破設計人員在確定需爆破臺階標高時只能通過眼睛估算。由于三角臺階區(qū)域本身就存在一定坡度，因此在確定臺階高度時會存在一定偏差。偏差一般不會超過0.5 m，在規(guī)程允許范圍內(nèi)，對于高臺階一般影響不大，但對高度小于5 m的三角臺階影響十分明顯[6]。臺階高度每變化1 m，孔網(wǎng)參數(shù)隨之發(fā)生變化。高度小于5 m 臺階布孔參數(shù)見表1。

鉆孔通知單一般按照整數(shù)布孔，特別是當臺階高度為非整數(shù)時，四舍五入后臺階高度值偏差有時可達到1 m，直接改變孔網(wǎng)參數(shù)選擇。臺階標高不準，孔網(wǎng)參數(shù)設計大時，造成爆破漏斗無法聯(lián)通，采區(qū)產(chǎn)生大面積根底。因此，目測臺階高度帶來的偏差也是小臺階易產(chǎn)生根底的原因之一。

表1 高度小于5 m 臺階布孔參數(shù)表

3 減少根底產(chǎn)生的技術(shù)措施

3.1 含泥灰?guī)r夾層的綠色泥巖臺階消除根底

3.1.1 建立匯報制度以明確巖性變化區(qū)域位置

由于鉆孔柱狀圖未對泥灰?guī)r進行標注，采剝段制定管理規(guī)定，要求穿孔隊要嚴格履行匯報職責。鉆機司機作業(yè)通過觀察鉆機作業(yè)效率和鉆孔排渣情況（泥灰?guī)r區(qū)域鉆孔時巖渣顆粒細小，有時成粉末狀，顏色灰白，類似水泥）可判定含泥灰?guī)r夾層綠色泥巖位置。遇有綠色泥巖夾泥灰?guī)r區(qū)域，鉆機司機要把位置區(qū)域做好標記，并詳細告知爆破設計相關(guān)人員，爆破設計人員在做爆破設計時要把含泥灰?guī)r夾層綠色泥巖與普通綠色泥巖巖石硬度差別考慮在內(nèi)。

3.1.2 根據(jù)巖石硬度優(yōu)化爆破方案

礦綠色泥巖爆破方案確定爆破單耗一般在170～180 g/m3。含有泥灰?guī)r夾層的綠色泥巖普氏系數(shù)f 值為5.3，根據(jù)經(jīng)驗公式估算，爆破單耗達到265 g/m3左右。因此，要想得到較好的爆破效果，在爆破設計時首先要確定與硬度匹配的單耗值。提升單耗的方法分為縮小孔網(wǎng)參數(shù)和打輔助炮孔2 個途徑。

1）縮小孔網(wǎng)參數(shù)?？拙嗫s小1 m，減小單孔爆破量，達到提高爆破單耗目的[7]。綠色泥巖臺階孔網(wǎng)參數(shù)：三角形布孔，臺階高度H 為7 m，孔距a 為6 m，排距b 為4 m，邊孔距C 為3.5 m，臺階坡面角α 為75°，排數(shù)p 為2 排；含泥灰?guī)r夾層綠色泥巖臺階孔網(wǎng)參數(shù)：三角形布孔，臺階高度H 為7 m，孔距a 為5 m，排距b 為4 m，邊孔距C 為3.5 m，臺階坡面角α 為75°，排數(shù)p 為2 排。將2 組參數(shù)分別代入式（1），得單孔爆破量分別為197 m3和164 m3。由此可見，孔距縮小1 m，單孔爆破量減少33 m3。單孔裝藥量同為35 kg（7 個藥包）時，爆破單耗分別為177 g/m3和213 g/m3，爆破單耗提高36 g/m3。

式中：Q 為單孔爆破量，m3；C 為前排炮孔中線至臺階坡頂線之間的安全距離（邊孔距），m；b 為排距，m；H 為臺階高度，m；α 為臺階坡面角，（°）；p 為排數(shù)；a 為孔距，m。

2）打輔助炮孔，增加爆破單耗。在三角形布孔中心打輔助炮孔，孔內(nèi)放置輔助藥包，單位爆破體積內(nèi)增加炸藥量，提高爆破單耗，克服主炮孔爆破漏斗間無法連通，易產(chǎn)生硬根問題。

3）優(yōu)化后爆破方案。露天臺階采用深孔微差松動煤破和三角形布孔方式，爆破參數(shù)（以標準臺階2排炮孔為例）如下：①段高7 m；②超深1 m；③孔深8 m；④孔距5 m；⑤排距4 m；⑥藥包質(zhì)量7 kg；⑦主炮孔單孔裝藥量35 kg；⑧輔助孔數(shù)量n=主炮孔數(shù)-2（主炮孔數(shù)≥3）；⑨輔助孔單孔裝藥量21 kg；⑩主炮孔單孔爆破量164 m3；11○單耗256 g/m3。

4）起爆網(wǎng)路設計。采用普通導爆管雷管組成接力捆綁網(wǎng)路，孔外采用2 段毫秒延期雷管，孔內(nèi)采用6 段毫秒延期雷管。

通過優(yōu)化爆破方案，含泥灰?guī)r夾層綠色泥巖的爆破單耗提升到256 g，基本與含泥灰?guī)r夾層硬度普氏系數(shù)f 值所需爆破單耗值相匹配。通過現(xiàn)場試驗，爆破后爆堆沉降度符合要求，電鏟采掘后無殘留根底，實現(xiàn)消除根底目標。

3.2 段高小于5 m 臺階

3.2.1 小孔徑鉆機和藥包

制定管理措施，規(guī)定低于5 m 臺階在制定爆破方案時采用小孔徑鉆機和小直徑藥包。東露天礦可以采用最小型鉆機只有租用爆破公司阿特拉斯PD-45 鉆機，鉆孔直徑115 mm，采用乳化炸藥規(guī)格為質(zhì)量4 kg，直徑90 mm。對照YQ-150 和SWDD-165鉆機，鉆孔直徑減小35 mm 和50 mm，藥包直徑減小20 mm。但對照爆破規(guī)程標準，爆破參數(shù)選用仍屬于深孔爆破范疇。調(diào)整鉆機和藥包規(guī)格后，按照1～5 m 不同臺階高度分別在現(xiàn)場進行爆破試驗，根據(jù)電鏟采掘后現(xiàn)場記錄顯示，對減小爆破根底取得一定效果。同時，東露天礦還按照淺孔臺階爆破方案進行了爆破試驗，在5 m 以下臺階采用40 mm 鉆桿直徑鑿巖機配合32 mm 直徑乳化炸藥藥卷進行爆破作業(yè)，記錄的爆破效果和電鏟采裝效果評價2 方面顯示，基本無根底現(xiàn)象產(chǎn)生，效果優(yōu)良。但采用汽退鑿巖設備需人工直接操控，大面積爆破作業(yè)效率偏低，目前在東露天礦還無法推廣使用。

3.2.2 逐孔起爆技術(shù)

為解決低矮臺階多排孔爆破最小抵抗線方向與炮孔方向一致問題，在段高小于5 m 剝離臺階推廣使用逐孔爆破方案[8]。

優(yōu)點：①先起爆炮孔為后爆相鄰炮孔多創(chuàng)造1個自由面，提高爆破炸藥效能，減少根底和大塊產(chǎn)生；②爆炸產(chǎn)生應力波沿多自由面反射，強化巖體松碎作用；③同段最大起爆藥量小，能有效地控制和減少震動、沖擊波和飛石等危害效應。

缺點：需采用高精度導爆管雷管，成本增加。

3.2.3 配備便攜式測量儀器

針對臺階高度偏差影響爆破設計參數(shù)選取問題，經(jīng)礦討論決定，為爆破設計人員配備便攜式臺階高度測量儀器（選用的徠卡測量儀）。通過現(xiàn)場使用，消除了目測偏差，爆破設計的準確性得以保證。

4 結(jié)語

針對特殊條件臺階爆破作業(yè)易產(chǎn)生根底這一技術(shù)難題，結(jié)合現(xiàn)場實際，通過明確巖性變化區(qū)域位置、增加輔助鉆孔、縮小鉆孔和藥包直徑、采用逐孔起爆技術(shù)、用儀器輔助測量臺階高度等工程、工藝措施的具體實施，徹底消除了特殊條件臺階爆破易產(chǎn)生根底的安全隱患，通過2020 年上半年現(xiàn)場具體實施情況檢驗，特殊條件臺階爆破根底發(fā)生情況比去年同期下降80 %以上，大幅減少處理根底二次作業(yè)頻次，電鏟采裝效率顯著提升，取得了良好的安全、技術(shù)、經(jīng)濟效果。