特殊條件下露天礦山非常規(guī)爆破技術(shù)及其應(yīng)用

董志富 翟會超 劉銀 黃耀春 李紹斌 孫長坤

摘要：針對某露天礦山局部區(qū)域因特殊條件不能開展常規(guī)炸藥爆破方式進行采剝作業(yè)的問題，為保證露天采場采剝作業(yè)的持續(xù)性，參考、分析、比較國內(nèi)外各類型礦山的非常規(guī)爆破方式，選取機械類、物化類破巖方式中的液壓劈裂機+液壓破碎錘、露天采礦機、鷹嘴型挖掘機和靜態(tài)膨脹劑、液態(tài)惰性氣體相變致裂技術(shù)等進行調(diào)研分析和現(xiàn)場試驗。詳細介紹了各類破巖方式的優(yōu)缺點，并就其實際經(jīng)濟性與炸藥爆破方式進行了對比。綜合前期經(jīng)濟篩選、后期試驗效果，結(jié)合現(xiàn)場實際巖性情況，可將液壓劈裂機+液壓破碎錘、鷹嘴型挖掘機、靜態(tài)膨脹劑3種破巖方式進行有效組合。該類方法可在特殊條件下保證采剝作業(yè)的安全性，確保露天采場作業(yè)的持續(xù)性。

關(guān)鍵詞：露天開采;非常規(guī)爆破;機械破巖;物化破巖;安全生產(chǎn)

中圖分類號：TD854文獻標志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）08-0048-05doi：10.11792/hj20210810

引 言

爆破工程是露天采礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最重要的工序之一，通過爆破作業(yè)將整體的礦巖進行破碎及松動，形成一定形狀的爆堆，為后續(xù)的鏟裝作業(yè)提供作業(yè)條件。

非常規(guī)爆破在國內(nèi)外市政工程、道路開挖、石材礦山及復(fù)雜環(huán)境的破巖工程中應(yīng)用廣泛，技術(shù)也較為成熟[1-3]?，F(xiàn)階段，露天采礦中，規(guī)模大、效率高、成本低的常規(guī)炸藥爆破仍是主要的破巖方式。但是，常規(guī)炸藥爆破破巖存在震動大、拋擲飛石、產(chǎn)生有毒氣體、儲存和運輸危險系數(shù)較大等缺點。在實際施工過程中遇到特殊作業(yè)條件時研究如何將非常規(guī)爆破與常規(guī)爆破技術(shù)有效結(jié)合是開辟露天采礦及相關(guān)領(lǐng)域破巖方式的新思路[4-6]。國內(nèi)外非常規(guī)爆破技術(shù)研究與應(yīng)用取得了一定的進展，在一些特殊條件下發(fā)揮了它們的優(yōu)越性，也在一定程度上取得了良好的社會效益[7-10]。

某露天礦山采場邊幫方向布置有道路、工業(yè)場地，而且附近還有村落。因此，在這些特殊條件下，為保證該露天礦山的持續(xù)性生產(chǎn)，同時兼顧保護各類設(shè)施，需要尋求非常規(guī)爆破技術(shù)解決局部區(qū)域的破巖施工。本文對幾種非常規(guī)爆破技術(shù)進行分析，結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用總結(jié)出適合的破巖方式，取得了較好的效果。

1 工程概況

該露天礦山非常規(guī)爆破區(qū)域巖性為灰、灰白色厚層狀灰質(zhì)角礫巖，角礫成分主要為白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r。礫石呈棱角狀，鈣質(zhì)膠結(jié)，雖已固結(jié)成巖，但膠結(jié)程度較差，孔隙極發(fā)育。由于角礫間膠結(jié)較差，加之后期溶蝕改造，溶蝕裂隙、溶孔、孔隙極發(fā)育，局部發(fā)育小溶洞，特別是在與下伏第四系更新統(tǒng)蛇山組接觸帶中水平溶蝕裂隙極明顯，整體呈碎裂似塊狀結(jié)構(gòu)，擾動容易破碎。礦巖普氏硬度系數(shù)f=4～7，軟化系數(shù)0.66～0.95，平均0.83，屬于不易軟化的半堅硬巖石，爆破難度屬于難爆巖石?；屹|(zhì)角礫巖（見圖1）下伏一薄層更新統(tǒng)蛇山組含砂礫黏土巖（見圖2），巖性主要為雜色砂礫層、砂礫質(zhì)黏土層、含砂礫質(zhì)黏土層、黏土層， f=0.3～0.4，軟化系數(shù)0.19～0.28，平均0.21，屬于極易軟化的極軟弱巖石，不需要爆破。

2 非常規(guī)爆破技術(shù)

該露天礦山經(jīng)過對該區(qū)域巖石性質(zhì)情況的分析及國內(nèi)相關(guān)設(shè)備、材料等的調(diào)研考察，初步擬對機械類的液壓劈裂機+液壓破碎錘、露天采礦機、鷹嘴型挖掘機，物化類的靜態(tài)膨脹劑、液態(tài)惰性氣體相變致裂技術(shù)進行適應(yīng)性分析。先期根據(jù)致裂特點及對巖石的要求對操作性強的各類方法分別進行試驗，通過試驗總結(jié)最為合適的技術(shù)措施進行施工。

2.1 機械類破巖方式

2.1.1 液壓劈裂機+液壓破碎錘

經(jīng)調(diào)研，液壓劈裂機在國內(nèi)廣泛應(yīng)用于石材開采，其具有操作簡單、安全性高、環(huán)保經(jīng)濟等優(yōu)點。液壓劈裂機破巖過程：根據(jù)巖石硬度、自由面、破巖塊度及破巖方向等條件，用鉆機施工劈裂孔;后將楔形壓頭侵入巖石，加壓破碎巖石。液壓劈裂機主要是利用巖石的抗拉強度比抗壓強度小的原理進行設(shè)計制造[3]（見圖3）。

由于液壓劈裂機孔排距、裂隙發(fā)育方向等一系列原因極易產(chǎn)生大塊巖石無法直接進行下一工序——鏟裝運輸工作，此時需要輔助液壓破碎錘進行二次破碎，形成符合要求的巖塊大小。液壓劈裂機+

液壓破碎錘工藝流程見圖4。

在國內(nèi)液壓劈裂機生產(chǎn)廠商較多，應(yīng)用也較成熟，設(shè)備采購價格較為合理;液壓破碎錘為礦山已有設(shè)備無需二次采購，該組合破巖方式需再次投資的費用較少，較為符合礦山生產(chǎn)實際。

2.1.2 露天采礦機

露天采礦機在設(shè)備前端或后端裝備高強度的切削輪齒，無需鉆孔和爆破（適用于各種需要避免爆破的作業(yè)區(qū)域），切削深度達500 mm，可實現(xiàn)連續(xù)不間斷作業(yè)，切割后的巖石可通過其他裝載設(shè)備轉(zhuǎn)入卡車運走。國內(nèi)部分露天煤礦引進該設(shè)備，取得了較好的應(yīng)用效果。露天采礦機破巖方式見圖5。

露天采礦機的優(yōu)點[9-13]：

1）無需布孔、鉆孔、爆破等工序，可適應(yīng)較多不允許爆破的外部條件。

2）露天采礦機各工序持續(xù)施工，中間無等待環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)無間斷施工。

3）露天采礦機破碎巖石塊度較小，可減少選礦廠破碎礦石成本，降低巖石運輸過程中的風(fēng)險和二次破碎巖石的幾率。

4）基于露天采礦機對巖石的切削原理，可以提高露天邊坡巖石的穩(wěn)定性，最終可促使邊坡角提高。

露天采礦機的缺點：

1）露天采礦機一次性采購成本較高，T16SM型露天采礦機銷售價格2 900萬元，極大地增加了前期投資成本及投資風(fēng)險。

2）相較于大規(guī)模爆破，露天采礦機效率較低。

考慮到此次進行非常規(guī)爆破方式的破巖區(qū)域較小，破巖量控制在200萬m3以內(nèi)，不適宜較大投資，故在分析階段淘汰露天采礦機。

2.1.3 鷹嘴型挖掘機

鷹嘴型挖掘機是一種在原有挖掘機上進行鷹嘴臂與鏟斗更換的破巖設(shè)備，更換后可直接進行巖石破碎工作，鷹嘴臂投資成本較小，風(fēng)險較低。鷹嘴型挖掘機的破巖能力足夠強勁，除個別堅硬孤石外均可破碎;可連續(xù)作業(yè)，作業(yè)效率可達2 000～4 000 m3/d;適應(yīng)各類地形，可減少施工前準備工作，增加單班有效工作時間;破碎巖塊塊度較為均勻，可直接進行鏟裝運輸作業(yè)，各工序連續(xù)性較強。鷹嘴型挖掘機破巖方式見圖6。

鷹嘴型挖掘機的作業(yè)范圍較小，要實現(xiàn)足夠的工作量需要多臺鷹嘴型挖掘機同時施工;單臺鷹嘴型挖掘機施工時，不能滿足后續(xù)鏟裝運輸作業(yè)的飽和度;個別較為堅硬孤石需借助液壓破碎錘，影響作業(yè)的連續(xù)性。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗分析，鷹嘴型挖掘機較為符合此次非爆方式破巖的選擇，投資較小，工作效率也符合要求，可配合其他方式同步進行。

2.2 物化類破巖方式

2.2.1 靜態(tài)膨脹劑破碎法

靜態(tài)膨脹劑一般以生石灰為主要成分，利用水合反應(yīng)放熱，生成物為氫氧化鈣，體積發(fā)生膨脹，依靠孔內(nèi)產(chǎn)生膨脹壓力破碎巖石或混凝土。根據(jù)試驗結(jié)果：靜態(tài)膨脹劑膨脹產(chǎn)生的壓力為30～40 MPa，對于一般軟巖及混凝土破裂所需的10～20 MPa完全可以達到要求。該破巖方式效果見圖7。

靜態(tài)膨脹劑破碎法優(yōu)點：

1）靜態(tài)膨脹劑是一種非爆炸性的無公害破碎劑，反應(yīng)過程是一個物理過程，不屬于易燃易爆危險品，安全性相對較高。

2）破碎過程無飛石、無震動、無噪聲、無粉塵和有毒氣體，并且工序操作簡單，膨脹劑攜帶運輸安全。

3）膨脹劑原料來源較廣，可自行制備，價格較便宜。

4）操作簡便，無需特種作業(yè)人員，作業(yè)連續(xù)性較好。

靜態(tài)膨脹劑破碎法缺點：

1）由于靜態(tài)膨脹劑的破碎效率低，開裂發(fā)生時間較長（一般10 h以上），工作效率低，因此應(yīng)用范圍有限。

2）施工過程受氣候影響較大，破巖效率較低。

3）由于要發(fā)揮靜態(tài)膨脹劑的最大性能，需要保持炮孔直徑為80～90 mm、孔深較淺，減小孔網(wǎng)參數(shù)，極大地增加鉆孔工作量，大大降低鉆機鉆孔效率，穿孔成本成倍增加。

4）靜態(tài)膨脹劑劈裂巖石部分塊度太大需要二次破碎，增加工作量。

靜態(tài)膨脹劑的使用可以大面積同時進行破巖，且原料成本較低，可作為機械破巖的前序作業(yè)，提高機械破巖的效率。

2.2.2 液態(tài)惰性氣體相變致裂技術(shù)

液態(tài)惰性氣體相變致裂技術(shù)屬于物理致裂技術(shù)，具有致裂過程無火花外露、致裂威力大、無需驗炮、操作簡便等優(yōu)點，且不屬于民爆產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于采煤、清堵、建筑物拆除。

液態(tài)惰性氣體相變致裂屬于物理致裂過程，通過化學(xué)加熱液態(tài)惰性氣體，使其壓力劇增至400～480 MPa，高壓液態(tài)惰性氣體迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，體積膨脹600多倍，瞬間沖破剪切片對巖壁作功，對巖石進行致裂，致裂后即可進人，實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。液態(tài)惰性氣體相變致裂裝備結(jié)構(gòu)見圖8。

國內(nèi)外該技術(shù)應(yīng)用較為成熟，國內(nèi)相應(yīng)致裂器的生產(chǎn)廠商較多。液態(tài)惰性氣體相變致裂器雖然操作簡單，但存在安全隱患，需要專業(yè)人員操作;其次對不同性質(zhì)巖石的施工標準缺乏經(jīng)驗總結(jié)，施工步驟較為繁瑣，致裂器成本較高，部分配件不可重復(fù)使用。

經(jīng)過試驗（二氧化碳）成本較高，致裂效果不如液壓劈裂機等其他工藝，所以此次未采用該項技術(shù)措施。

3 試驗應(yīng)用

該露天礦山根據(jù)自身實際情況及投資成本等方面測算，先期排除露天采礦機等投資成本較大的破巖設(shè)備，同時也對其他非常規(guī)爆破技術(shù)各方面的成本及優(yōu)缺點做了詳細調(diào)查。

1）邀請高校研究團隊對液態(tài)惰性氣體相變致裂技術(shù)進行了可行性試驗，但由于其作業(yè)條件苛刻，配件耗損較大，成本較高，達到普通破巖成本的6～8倍且效率較低。因此，液態(tài)惰性氣體相變致裂技術(shù)適合施工精度要求較高，規(guī)模較小的破巖工程，不適合此次露天開采的破巖工程。

2）液壓破碎錘屬于礦山二次破碎常用機械，機械使用較為熟悉、靈活性好且無需增加投資，可作為此次破巖的選擇之一。

3）鷹嘴型挖掘機通過現(xiàn)有挖掘機的前端機械更改即可，礦山各類挖掘機數(shù)量充足，投資成本較低且參照類似露天礦山使用效果較好，該方法也可作為破巖方式之一。

4）經(jīng)調(diào)研，液壓劈裂機及靜態(tài)膨脹劑在巖石完整性較好時效果較好，此次也作為備選措施進行現(xiàn)場應(yīng)用。

現(xiàn)場各項備選的施工措施按照標高、平面進行巖性區(qū)分施工，由于區(qū)域巖性變化較大，現(xiàn)場施工參照實際巖性決定具體的破巖方式。各類巖性破巖方式流程見圖9。

礦山對以上幾類不同的非常規(guī)爆破方式進行各區(qū)域的現(xiàn)場應(yīng)用，各類方法的試驗效果各不相同，施工成本較原有的爆破方式成倍提高。幾類非常規(guī)爆破方式對比見表1。

根據(jù)現(xiàn)場工程試驗的情況：礦山此次的非常規(guī)爆破區(qū)域擬采用的技術(shù)措施為液壓劈裂機+液壓破碎錘、鷹嘴型挖掘機、靜態(tài)膨脹劑破碎法3種。采用非常規(guī)爆破方式進行露天剝離因規(guī)模小、設(shè)備不匹配等因素現(xiàn)階段不同程度降低經(jīng)濟效益和效率。但在特殊條件下非常規(guī)爆破技術(shù)可發(fā)揮其獨特的優(yōu)越性，解決較多的問題。例如：當施工區(qū)域離建（構(gòu)）筑物較近時，為確保其安全及減少因爆破引起的糾紛，該類方法就起到了較好的作用。在爆破震動、爆破飛石、有毒有害氣體的控制方面非常規(guī)爆破也有著較為突出的優(yōu)點，解決了露天開采周圍環(huán)境問題，改善了人員、設(shè)備作業(yè)環(huán)境。非常規(guī)爆破方式相對常規(guī)炸藥爆破方式來說，對露天整體邊幫巖石破壞較小，邊坡巖石完整性較好，有利于邊坡穩(wěn)定并可適當提高最終邊幫角，長期遠景理想可以減小剝采比，實現(xiàn)較為可觀的經(jīng)濟效益。

通過對試驗結(jié)果及工藝流程的優(yōu)化分析，可以將3種技術(shù)措施根據(jù)巖性的不同進行合理結(jié)合，不僅節(jié)約了成本，也提高了破巖效率。

4 結(jié) 論

1）非常規(guī)爆破破巖方式比常規(guī)炸藥爆破破巖更安全、更環(huán)保，但根據(jù)現(xiàn)階段設(shè)備及工藝發(fā)展情況，其未得到較為廣泛的推廣，成本比炸藥爆破高出數(shù)倍也是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。

2）在處理特殊情況施工破巖時，幾類非常規(guī)爆破施工方式有各自優(yōu)點，從成本比較來說，機械類成本普遍低于物化類，且操作較為簡單，效率也相對較高，在沒有其他外界影響因素時，機械類更為適合。

3）處理局部非常規(guī)爆破區(qū)域時，根據(jù)巖性不同將幾類技術(shù)措施合理的結(jié)合，可有效節(jié)約成本，提高效率，是值得推廣的技術(shù)方案。

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Unconventional blasting technology in open-pit mines

under special conditions and its application

Dong Zhifu1，Zhai Huichao1，Liu Yin2，Huang Yaochun2，Li Shaobin2，Sun Changkun1

（1.Yunnan Gold Mining Group Co.，Ltd.; 2.Heqing Beiya Mining Co.，Ltd.）

Abstract：Due to special conditions in the local region of an open-pit stope，mining and stripping operation can not be carried out with conventional blasting methods.In order to ensure the continuity of the mining and stripping operation in the open stope，the mechanical and physical-chemical rock breaking methods，such as hydraulic splitter+hydraulic hammer，open-pit stopper，eagle beak shaped excavator and static swelling agent，liquid state inert gas phase change cracking technology，are selected through the reference，analysis and comparison of the unconventional blasting methods of various mines at home and abroad.The advantages and disadvantages of all kinds of rock breaking methods are introduced in detail，and the actual economy and explosive blasting methods are compared.Based on the economic screening in the early stage and the experimental results in the later stage，as well as the actual site lithology，3 rock breaking methods including hydraulic splitter+hydraulic hammer，eagle beak shaped excavator and static swelling agent can be combined in an effective way.This kind of method can guarantee the safety of mining and stripping operation under special conditions and ensure the continuity of open-pit stope operation.

Keywords：open-pit mining;unconventional blasting;mechanical rock breaking;physical-chemical rock breaking;safe production