安家?guī)X露天礦東幫靠界區(qū)爆破施工方案優(yōu)化

呂德仙

（中煤平朔集團(tuán)有限公司 安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036800）

爆破必然要帶來(lái)爆破振動(dòng)，但振動(dòng)大小是可以通過(guò)技術(shù)措施加以控制的。露天開采技術(shù)的突飛猛進(jìn)得益于爆破工程技術(shù)的蓬勃發(fā)展，尤其是基于高精度毫秒延期雷管的控制爆破以及預(yù)裂爆破技術(shù)在降震方面的應(yīng)用，更是將很多不可能的工程問(wèn)題變成了現(xiàn)實(shí)。安家?guī)X露天礦東部靠界區(qū)爆破施工得以安全順利地開展，就得益于露天控制爆破降震技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展。

1 工程概況

安家?guī)X露天礦是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、自主建設(shè)的特大型露天礦山，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15.0 Mt/a，核定生產(chǎn)能力20.0 Mt/a，主要經(jīng)濟(jì)可采煤層3 層，煤層上部附著物除了局部表層為黃土外，其余大部為砂巖，采裝前需對(duì)剝離巖層進(jìn)行松動(dòng)爆破，年松動(dòng)爆破方量超1 億m3，對(duì)穿爆效率要求極高。。

按照計(jì)劃，2020 年安家?guī)X露天礦東部局部區(qū)域?qū)⒚媾R靠界，依據(jù)初步設(shè)計(jì)中劃定的安家?guī)X露天礦東部境界作為地表境界，并結(jié)合安家?guī)X露天礦東部開采深度大于200 m 的實(shí)際情況，同時(shí)遵照相關(guān)規(guī)定，安家?guī)X露天礦將損失東部靠界區(qū)礦權(quán)界范圍內(nèi)煤量近2 800 萬(wàn)t，為了盡最大可能降低對(duì)煤炭資源的浪費(fèi)，有效提升了安家?guī)X露天礦的經(jīng)濟(jì)效益?；诩夹g(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的對(duì)比分析，經(jīng)多方論證，安家?guī)X露天礦決定將東部境界靠界距地面建筑物的安全距離由200 m 縮短至50 m，項(xiàng)目成功實(shí)施后，這一舉措將帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益高達(dá)20 億元左右[1－2]。

2 問(wèn)題的提出及研究目的

2.1 問(wèn)題的提出

東部境界靠界距地面建筑物的安全距離由200 m 縮短至50 m，隨著安家?guī)X露天礦采掘作業(yè)的持續(xù)深入，從2020 年開始，安家?guī)X露天礦爆破作業(yè)面逐步逼近后安礦矸石倉(cāng)、后安礦變電室、臨時(shí)建筑等重要建（構(gòu)）筑物，爆破作業(yè)面到最近建筑物為礦坑?xùn)|北角的后安礦矸石倉(cāng)，距離僅為50 m。東邊界附近建（構(gòu)）筑物距地表境界距離見表1。

表1 東邊界附近建（構(gòu)）筑物情況表

大規(guī)模的爆破作業(yè)距離建（構(gòu)）筑物及設(shè)施越來(lái)越近，因此爆破作業(yè)對(duì)附近產(chǎn)生的安全威脅不容忽視，尤其是對(duì)爆破振動(dòng)控制不合理的情況下，將會(huì)對(duì)東邊界建（構(gòu)）筑物以及生產(chǎn)活動(dòng)的人員造成毀滅性的打擊。鑒于爆破的危害效應(yīng)，不僅容易引起安全問(wèn)題、經(jīng)濟(jì)問(wèn)題、民事糾紛還容易損害安家?guī)X特大型露天礦的生產(chǎn)效益，甚至造成露天礦不能正常生產(chǎn)[1－2]，因此，研究安家?guī)X特大型露天礦安全高效生產(chǎn)的爆破施工方案已經(jīng)迫在眉睫。

2.2 原有爆破方案的局限性

安家?guī)X露天礦現(xiàn)有250 mm 孔徑鉆機(jī)11 臺(tái)、165 mm 孔徑鉆機(jī)6 臺(tái)，原有的爆破方案無(wú)論是250 mm 還是165 mm 鉆孔，都采用5 排方形布孔，孔內(nèi)采用600 ms 非電管，地表網(wǎng)絡(luò)采用42 ms 配合65 ms 的地表管進(jìn)行起爆。這種爆破方案的單段起爆藥量大，顯然不能滿足東邊界對(duì)爆破震動(dòng)的要求，需要對(duì)東邊界爆破方案進(jìn)行優(yōu)化，從而降低爆破振動(dòng)[3－5]。

2.3 優(yōu)化爆破方案的目的

東邊靠界區(qū)周邊有各種不同建筑物分布，對(duì)保護(hù)的要求也不盡相同，本工程的研究目的就是制定出一套專項(xiàng)爆破施工方案，方案的優(yōu)化需要考慮2種孔徑鉆機(jī)在生產(chǎn)效率和控制爆破振動(dòng)方面的相互制約[6－9]。為了兼顧采運(yùn)接續(xù)、穿爆效率以及東邊界復(fù)雜環(huán)境的爆破安全，需要根據(jù)東邊界建筑物距離炮區(qū)的遠(yuǎn)近不同提出不同的爆破方案，將被保護(hù)區(qū)域的爆破有害效應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)端幫推進(jìn)至距離礦界50 m 的位置。

3 爆破方案優(yōu)化

安家?guī)X露天礦常用的炸藥品種主要為銨油炸藥和乳化炸藥，鑒于乳化炸藥的延米裝藥量高以及靠界區(qū)巖層基本不含水的相關(guān)地質(zhì)情況，靠界區(qū)大部采用銨油炸藥進(jìn)行爆破，局部無(wú)法克服的鉆孔水采用乳化炸藥，同時(shí)為了兼顧采運(yùn)接續(xù)、穿爆效率以及東邊界復(fù)雜環(huán)境的爆破安全，需要根據(jù)東邊界建筑物距離炮區(qū)的遠(yuǎn)近不同提出不同的爆破方案。

3.1 正常臺(tái)階大孔徑5 排爆破

1）方案1。參數(shù)為：①鉆孔直徑?=250 mm；②臺(tái)階高度H=15 m；③超深h=1.5 m；④鉆孔深度L=H＋h=16.5 m；⑤布孔方式：方形；⑥孔距a=8 m；⑦排距b=8 m；⑧排數(shù)：5 排；⑨裝藥方式600 ms 非電管裝配450 g 起爆具多點(diǎn)反向起爆，孔底間隔連續(xù)耦合裝藥；前排孔裝藥量：?250 mm 孔銨油炸藥168 kg、?250 mm 孔乳化炸藥217 kg；正?？籽b藥量：?250 mm 孔銨油炸藥420 kg、?250 mm 孔乳化炸藥558 kg；充填高度：前排孔12～13 m，正?？?～7.5 m。

3.2 正常臺(tái)階大孔徑3 排爆破

2）方案2。參數(shù)為：①鉆孔直徑?=250 mm；②臺(tái)階高度H=15 m；③超深h=1.5 m；④鉆孔深度L=H＋h=16.5 m；⑤布孔方式：方形；⑥孔距a=8 m；⑦排距b=8 m；⑧排數(shù)：3 排；⑨裝藥方式600 ms 非電管裝配450 g 起爆具多點(diǎn)反向起爆，孔底間隔連續(xù)耦合裝藥；⑩前排孔裝藥量：?250 mm 孔銨油炸藥168 kg、?250 mm 孔乳化217 kg；正?？籽b藥量：?250 mm 孔銨油炸藥420 kg、?250 mm 孔乳化558 kg充填高度：前排孔12～13 m，正?？?～7.5 m。

3.3 正常臺(tái)階小孔徑5 排爆破

3）方案3。參數(shù)為①鉆孔直徑?=165 mm；②臺(tái)階高度H=15 m；③超深h=1 m；④鉆孔深度L=H＋h=16 m；⑤布孔方式：方形；⑥孔距a=6 m；⑦排距b=6 m；⑧排數(shù)：5 排；⑨裝藥方式600 ms 非電管裝配450 g起爆具多點(diǎn)反向起爆，孔底間隔連續(xù)耦合裝藥；⑩前排孔裝藥量：?165 mm 孔銨油炸藥72 kg、?165 mm 孔乳化炸藥94.5 kg；正常孔裝藥量：?165 mm 孔銨油炸藥198 kg、?165 mm 孔乳化炸藥270 kg；充填高度：前排孔12～13 m，正?？?～6.5 m。

3.4 半臺(tái)階小孔徑5 排爆破

4）方案4。參數(shù)為：①鉆孔直徑?=165 mm；②臺(tái)階高度H=7.5 m；③超深h=0.5 m；④鉆孔深度L=H＋h=8 m；⑤布孔方式：方形；⑥孔距a=6 m；⑦排距b=6 m；⑧排數(shù)：5 排；⑨裝藥方式600 ms 非電管裝配450 g 起爆具多點(diǎn)反向起爆，孔底間隔連續(xù)耦合裝藥；⑩前排孔裝藥量：?165 mm 孔銨油炸藥45 kg、?165 mm 孔乳化炸藥67.5 kg；正常孔裝藥量：?165 mm 孔銨油炸藥72 kg、?165 mm 孔乳化炸藥94.5 kg；充填高度：前排孔5 m，正?？?.5～4.5 m。

4 可行性驗(yàn)算

4.1 最大單段起爆藥量

4 個(gè)爆破方案中，起爆網(wǎng)絡(luò)全部采用澳瑞凱高精度導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行地表網(wǎng)絡(luò)連接，為了盡最大可能實(shí)現(xiàn)逐孔起爆，根據(jù)爆破設(shè)計(jì)軟件SHOTplus5模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得知，地表網(wǎng)絡(luò)連接中，東邊靠界區(qū)域控制排采用25 ms 延期，其余炮孔采用65 ms延期的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候8 ms 范圍內(nèi)起爆的炮孔數(shù)最少，僅為2 孔，即前排第6 孔和第3 排第1 孔、第2排第7 孔和第4 排第2 孔等2 孔起爆時(shí)間間隔相差僅5 ms，根據(jù)雷管延期誤差以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，炮孔延期差值在8 ms 之內(nèi)起爆的算作同一段。因此上述4種方案的最大單段起爆藥量Qmaxi分別為Q1max=1 116 kg、Q2max=775 kg、Q3max=540 kg、Q4max=189 kg。

4.2 可行性驗(yàn)算及方案適用范圍

根據(jù)東邊界附近建（構(gòu)）筑物等保護(hù)對(duì)象類別，將爆破振動(dòng)控制在其安全允許標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)信息可以在GB 6722—2014爆破安全規(guī)程上查詢，經(jīng)查詢得知相應(yīng)建（構(gòu)）筑物的安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度分別為：Ⅰ類，王高登村土窯，0.15～0.45 cm/s；Ⅱ類，王高登村民房屋、后安礦家屬房（磚混＋預(yù)制板）和煙囪以及中部2 處臨時(shí)建筑物屬于一般民用建筑物，1.5～2.0 cm/s；Ⅲ類，礦坑?xùn)|北角的臨時(shí)停車場(chǎng)、后安礦矸石倉(cāng)以及后安礦工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)的彩鋼房，屬于工業(yè)和商業(yè)建筑物，2.5～3.5；Ⅳ類，后安礦、白蘆礦等周邊礦井的井筒及井下巷道，屬于礦山巷道，15～18 cm/s。

爆破振動(dòng)安全允許距離按式（1）計(jì)算

式中：R 為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；Q 為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，kg；V 為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，cm/s；K、α 為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)[6－9]，根據(jù)遼寧工程技術(shù)大學(xué)爆破工程有限責(zé)任公司編制的《東幫靠界爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)及爆破優(yōu)化方案》的研究成果得知，安家?guī)X露天礦東邊界區(qū)域與地形、地質(zhì)條件有關(guān)的爆破振動(dòng)關(guān)鍵參數(shù)為K=146.09、α=1.91。

根據(jù)方案1～方案4 最大單段起爆藥量，以及4類建（構(gòu)）筑物的安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，分別求出各自的最小安全距離Rmin，爆破方案1～方案4 的安全距離見表1。

表1 爆破方案1～方案4 的安全距離

由表1 可知，東邊靠界爆破區(qū)域距離被保護(hù)對(duì)象最近位置即靠界區(qū)最后1 幅開展爆破時(shí)，只有爆破方案4 是可靠的，符合爆破安全要求；考慮爆破方案4 炮區(qū)1 幅寬度為30 m 左右，那么靠界區(qū)倒數(shù)第2 幅爆破時(shí)，爆區(qū)就離開被保護(hù)建筑的距離相應(yīng)增加了30 m，再通過(guò)表1 相關(guān)數(shù)據(jù)可知，爆破方案1～3 都滿足靠界區(qū)倒數(shù)第2 幅爆破安全要求；同理，靠界區(qū)倒數(shù)第3 幅爆破時(shí)，爆破方案1～方案4 全部滿足爆破安全要求。

4.3 爆破方案評(píng)價(jià)

1）4 種爆破方案中，方案4 對(duì)于控制爆破振動(dòng)最理想，但是穿爆效率最低，考慮到安家?guī)X露天礦生產(chǎn)效率極高，顯然方案4 不可能滿足爆破效率和生產(chǎn)接續(xù)的需求。為此考慮到4 種爆破方案爆破參數(shù)、施工效率以及控制爆破振動(dòng)方面的問(wèn)題，安家?guī)X露天礦在靠界區(qū)距礦界50～80 m 范圍內(nèi)選用爆破方案4 進(jìn)行爆破。

2）4 種爆破方案中，方案2 和方案3，生產(chǎn)臺(tái)階從半臺(tái)階過(guò)渡到正常臺(tái)階，穿爆效率較方案4 有了重大的進(jìn)步。但是具體來(lái)講，方案3 的爆破振動(dòng)要小于方案2，方案2 在穿爆效率方面優(yōu)于方案3。因此，為了得到更高的爆破安全系數(shù)，在靠界區(qū)距礦界80～110 m 范圍內(nèi)要優(yōu)先選用爆破振動(dòng)相對(duì)較小的爆破方案3，當(dāng)方案3 的穿爆效率滿足不了80～110 m 范圍內(nèi)生產(chǎn)需要的時(shí)候，要及時(shí)采用穿爆效率較高的方案2 進(jìn)行高效穿爆。

3）4 種爆破方案中，方案1 穿爆效率最高，但爆破振動(dòng)最大。根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，在靠界區(qū)倒數(shù)第1、第2幅炮區(qū)內(nèi)無(wú)法將爆破振動(dòng)控制在安全范圍內(nèi)，因此，只能在靠界區(qū)距礦界110～200 m 范圍內(nèi)優(yōu)先選用方案1 進(jìn)行爆破，只有在穿爆效率有富裕的情況下，考慮其余幾種對(duì)降震比較明顯的爆破方案。

4）4 種爆破方案都采用孔底間隔裝藥，從作用機(jī)理上降低爆破震動(dòng)峰值[10]，從而到達(dá)降低爆破震動(dòng)的目的。

同時(shí)，每個(gè)平盤靠界時(shí)都要采用預(yù)裂爆破對(duì)邊幫和附近建筑進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)，預(yù)裂段齊發(fā)藥量不超過(guò)對(duì)應(yīng)爆破方案1～方案4 的最大裝藥量，預(yù)裂齊發(fā)段藥量超過(guò)主炮區(qū)單段最大藥量時(shí)，預(yù)裂爆破也應(yīng)進(jìn)行分段來(lái)控制單段藥量。

5 結(jié)語(yǔ)

制定了安家?guī)X露天礦東幫靠區(qū)爆破施工優(yōu)化方案。截止2021 年3 月底，靠界區(qū)爆破方案的優(yōu)化實(shí)施，讓東部靠界區(qū)北部從上到下有7 個(gè)臺(tái)階已經(jīng)靠界，爆破施工開展過(guò)程中，在滿足生產(chǎn)正常接續(xù)的同時(shí)，沒(méi)有對(duì)周邊大量的土坯房、停車場(chǎng)、井工礦地下巷道等建筑物造成任何的安全問(wèn)題，可以說(shuō)靠界區(qū)復(fù)雜條件下的爆破施工作業(yè)已經(jīng)基本上安全、順利地進(jìn)行到了尾聲，為安家?guī)X礦實(shí)現(xiàn)東部靠界區(qū)煤炭資源的安全高效開采提供了有力的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。