復(fù)雜環(huán)境下露天石灰石礦山高陡邊坡的安全開采

霍 偉 姜 嵩 李 斌3

（1.山東省濟(jì)寧市公安局治安警察支隊(duì)；2.兗州中材建設(shè)有限公司）

孫家峁水泥礦山溝谷發(fā)育、溝壑縱橫，礦體巖層的完整性及物理力學(xué)性能較好，節(jié)理略發(fā)育，巖層產(chǎn)狀平緩穩(wěn)定。礦區(qū)開采后，東、西部北端均形成直立陡坎，臨邊巖體破碎程度較高，巖體呈碎裂狀。自然邊坡下方設(shè)有礦石破碎系統(tǒng)設(shè)施、工業(yè)廠房、廠區(qū)主運(yùn)輸?shù)缆?。西采區(qū)頂部臨邊與廠區(qū)道路水平距離不足50 m，高差達(dá)120 m。

礦山東、西2個(gè)采區(qū)臨邊區(qū)域?qū)儆诟叨高吰麻_采，爆破環(huán)境復(fù)雜，滾石、飛石極易對(duì)周圍設(shè)施造成破壞，礦山總體工程布局見圖1。

1 高陡邊坡分區(qū)安全開采方案

礦區(qū)高危邊坡具體情況：巖層近水平層狀，結(jié)理弱發(fā)育，臨邊多為超過(guò)60°的陡坡，部分位置為近90°的直立陡坎，少部分為45°左右。由于開采時(shí)的爆破震動(dòng)和自然地形條件受限等因素，施工過(guò)程中原有的邊坡危石會(huì)被松動(dòng)，存在滾石的安全隱患，嚴(yán)重威脅采區(qū)和廠區(qū)的安全。

對(duì)于這些區(qū)域的開采，原則為合理利用機(jī)械設(shè)備（挖掘機(jī)、破碎錘等），適當(dāng)減少爆破，在達(dá)到所需爆破效果的前提下，嚴(yán)格控制爆破參數(shù)，控制飛石產(chǎn)生，并對(duì)滾石進(jìn)行防護(hù)［1-3］。對(duì)礦山環(huán)境復(fù)雜的高陡邊坡區(qū)域分為幾類典型工況，分別進(jìn)行施工。

1.1 超過(guò)60°高陡邊坡

東采區(qū)1 200～1 215 m邊坡，該區(qū)域周邊環(huán)境復(fù)雜，巖層為近水平的層狀，結(jié)理弱發(fā)育，原始臨邊多為超過(guò)60°的陡坡，爆破區(qū)域周邊50 m內(nèi)有卸料平臺(tái)和破碎機(jī)設(shè)備設(shè)施，見圖2。

1.1.1 施工方案

針對(duì)臨近邊坡爆破區(qū)域，采用機(jī)械揭頂和逐孔起爆的技術(shù)方案，裝藥結(jié)構(gòu)以及挖裝時(shí)的技術(shù)要求如下［4-7］。

（1）為了降低爆破振動(dòng)危害，采取單排爆破逐孔起爆的技術(shù)方案。

（2）為了防止爆破滾石以及創(chuàng)造新的鉆爆平臺(tái)，每次爆破后挖掘機(jī)對(duì)保留區(qū)域的頂部進(jìn)行揭頂處理，降低臺(tái)段高度，再進(jìn)行鉆孔和爆破工序。爆破后再次揭頂降低高度，如此循環(huán)進(jìn)行，直至開采面到達(dá)設(shè)計(jì)高度。

（3）裝藥結(jié)構(gòu)視具體情況而定，以不產(chǎn)生飛石、盡量減少或不產(chǎn)生邊坡滾石為原則，主要采用間隔裝藥結(jié)構(gòu)。

1.1.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)及開挖步驟

底盤抵抗線計(jì)算公式為

式中，d為孔徑，取140 mm；λ為裝藥系數(shù)，取0.7～0.8；m為炮孔密集系數(shù)，取1.2～1.3；Δ為裝藥密度，取1.0 t/m3；q為炸藥單位消耗量，礦石為中硬巖石，炸藥單耗取0.45 kg/m3。

計(jì)算得底盤抵抗線W=3.23 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，取底盤抵抗線W=3.5 m?？咨罡鶕?jù)邊坡實(shí)際情況而定。

根據(jù)施工方案進(jìn)行爆破參數(shù)設(shè)計(jì)和開挖步驟如下。

（1）第一次爆破，孔深為15 m，孔距為5.5 m，前排抵抗線為3.5 m，炮孔布置及裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。平臺(tái)爆破完成后針對(duì)原始邊坡面采用挖掘機(jī)進(jìn)行揭頂處理。

（2）揭頂后，第二次爆破孔深為12.2 m，孔距為5.5 m，抵抗線為3.3 m，炮孔布置及裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。同樣，在第二次平臺(tái)爆破完成后，針對(duì)原始邊坡面采用挖掘機(jī)進(jìn)行揭頂處理。

（3）再揭頂后，第三次爆破孔深為9 m，孔距為5 m，抵抗線為3.2 m，炮孔布置及裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示。在第三次平臺(tái)爆破完成后對(duì)原始邊坡面采用挖掘機(jī)進(jìn)行揭頂處理。

（4）揭頂后，第四次爆破平臺(tái)高度為5.2 m，孔深為6.1 m，孔距為4.5 m，抵抗線為3.2 m，裝藥結(jié)構(gòu)如圖6所示。

（5）經(jīng)過(guò)4次爆破開挖后，采用挖掘機(jī)配合破碎錘處理全部原始邊坡。

經(jīng)過(guò)對(duì)東采區(qū)1 200～1 215 m臺(tái)段的開采總結(jié)，東采區(qū)1 170～1 200 m降段時(shí)的所有臨邊開采采取類似參數(shù)，特殊條件下作適當(dāng)調(diào)整。

1.2 45°較緩邊坡

如圖7所示為西采區(qū)1 228 m上部剝離區(qū)域，該爆破區(qū)域的特點(diǎn)主要是原始邊坡較緩，邊坡50 m內(nèi)有重要的生產(chǎn)設(shè)施煤堆棚?？紤]到煤堆棚內(nèi)的設(shè)施和結(jié)構(gòu)（煤堆棚內(nèi)的布煤機(jī)為架空安裝，底部只有煤和混凝土支柱），以及此區(qū)域原始邊坡坡度較緩，對(duì)此部分的爆破和挖裝進(jìn)行一次處理。該區(qū)域?yàn)樵嫉孛?，炮孔裝藥結(jié)構(gòu)和爆破參數(shù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

（1）此區(qū)域采取2排布孔，合理控制前排抵抗線，取3.5 m。

（2）第二排是臨近邊坡的最終一排布孔，保證爆破時(shí)的自由面方向與堆煤棚方向相反。

（3）第二排炮孔的裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)與東采區(qū)1 200～1 215 m區(qū)域邊坡類似，逐步向最終邊坡推進(jìn)，降低臺(tái)段高度，最終全部開采到1 228 m平臺(tái)，完成本區(qū)域的開采。

1.3 直立邊坡區(qū)域

如圖8所示為直立邊坡區(qū)域，坡度近似直立，巖體破碎。為防止爆破飛石對(duì)臨近廠區(qū)的安全影響，此類區(qū)域的爆破施工方案采用逐步降低段高爆破，臨邊區(qū)域采用松動(dòng)爆破，后用挖掘機(jī)對(duì)松動(dòng)礦石進(jìn)行回收，防止安全隱患。

爆破孔網(wǎng)布置如圖9所示，1、2、3號(hào)孔為靠近臨邊的3個(gè)孔，孔深6.8 m。其余眼孔為正常深度眼孔，孔深6.5 m，所有炮孔孔徑均為140 mm，其余各項(xiàng)參數(shù)如圖中所示。A箭頭所示方向?yàn)橹鞅品较?，B箭頭所示為1、2、3號(hào)孔的爆破方向。

爆破后排險(xiǎn)，相關(guān)位置（主要是廠區(qū)的主運(yùn)輸?shù)缆飞希┌才啪淙藛T做好警戒，挖掘機(jī)沿礦堆行進(jìn)至合適位置，由專人輔助觀察并指揮作業(yè)，對(duì)臨邊3個(gè)孔所震松的礦石進(jìn)行回收，防止礦石滾落造成安全隱患。實(shí)施上述爆破方案后，臨邊位置形成一個(gè)高約9 m，寬約7 m的小臺(tái)段，如圖10所示。

鏟裝時(shí)在適當(dāng)位置保留適量礦石，修筑進(jìn)出該臺(tái)段頂部的鉆機(jī)道路，方便進(jìn)行鉆孔、爆破、排險(xiǎn)降段，循環(huán)進(jìn)行，直至將此臺(tái)段開采完畢。

在每一次降段時(shí)，因地形條件、巖石結(jié)構(gòu)等因素并不完全相同，所有方案均遵循同一個(gè)原則：在達(dá)到安全預(yù)期的前提下，盡量采取松動(dòng)爆破，然后利用挖機(jī)進(jìn)行排險(xiǎn)降段，直至降到下一平臺(tái)［8-9］。

2 爆破飛石安全校核

結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，爆破飛石距離可由式（2）計(jì)算［9］。

式中，R f為爆破產(chǎn)生個(gè)別飛石距離，m；Kτ為與爆破方式、填塞長(zhǎng)度、地質(zhì)和地形條件有關(guān)的系數(shù)，取1.0～1.5；q為炸藥單耗，kg/m3；D為炮孔直徑，mm。

計(jì)算得到爆破產(chǎn)生個(gè)別飛石的距離為94.5 m，以此為依據(jù)對(duì)破碎站、工業(yè)廠房和運(yùn)輸?shù)缆返冗M(jìn)行飛石的安全防護(hù)。

3 施工安全措施

3.1 爆破飛石控制

3.1.1 優(yōu)化爆破方案

根據(jù)爆破要求和自由面情況，結(jié)合被爆巖體力學(xué)性質(zhì)和巖層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理布置藥包，確定合理的裝藥結(jié)構(gòu)以及嚴(yán)格控制裝藥量，采用逐孔起爆技術(shù)。

在復(fù)雜環(huán)境的臨邊開采中，多次采用了分段間隔不耦合裝藥技術(shù)［10-11］，既保證了安全，也達(dá)到了相對(duì)較好的爆破效果。此方法在臨邊炮孔的爆破中得到了很好的效果，下面對(duì)此方法做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

圖11為臨近礦石加工區(qū)域的爆區(qū)，A點(diǎn)為其中一個(gè)眼孔位置，頂部離邊坡3.5 m，底盤離邊坡4.5 m，孔深6.0 m（A孔前排孔深6.8 m），孔徑140 mm，間排距5 m×3 m，排數(shù)為3排。采用的裝藥結(jié)構(gòu)為底部50 cm耦合裝藥，間隔2 m，頂部30 cm耦合裝藥。該方法爆破后巖石松動(dòng)效果良好，不僅有效地控制了爆破飛石，而且邊坡落石很少，提高了后續(xù)鏟裝效率。實(shí)踐證明，分段間隔不耦合裝藥在此類周邊環(huán)境復(fù)雜的高陡邊坡中合理使用，是一種有效的安全開采控制方法。

3.1.2 主動(dòng)防護(hù)

采用豎直孔爆破時(shí)，爆區(qū)表面采用炮被覆蓋措施，單塊炮被規(guī)格為1.6 m×1.6 m，質(zhì)量為75 kg（圖12），多塊炮被用鐵絲緊固在一起，形成一整張炮被［10］。

3.2 安全防控措施

在東采區(qū)運(yùn)輸?shù)缆吠鈧?cè)與卸料平臺(tái)和破碎設(shè)備之間安裝SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，鋼絲繩直徑10 mm，網(wǎng)孔參數(shù)為200 mm×200 mm，防護(hù)網(wǎng)高度為5 m。

在1 228 m水平上部爆破開采區(qū)域與煤堆棚之間設(shè)置防護(hù)溝，緩沖爆破滾石的沖擊，同時(shí)在防護(hù)溝和煤堆棚之間安裝SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，鋼絲繩直徑10 mm，網(wǎng)孔參數(shù)為200 mm×200 mm，防護(hù)網(wǎng)高度為5 m。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)各種復(fù)雜爆破環(huán)境和臨邊高危區(qū)域的安全開采問(wèn)題，分區(qū)分類制定詳細(xì)的爆破施工工藝和精細(xì)化施工方案。

（2）進(jìn)行了爆破飛石安全校核，結(jié)果表明破碎站、工業(yè)廠房和運(yùn)輸?shù)刃枰M(jìn)行飛石的安全防護(hù)。

（3）針對(duì)爆破飛石控制和安全防護(hù)，選擇了逐孔起爆爆破方案、分段間隔不耦合裝藥措施、鋼絲胎炮被主動(dòng)防護(hù)和安裝SNS被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。