露天礦破碎站基坑控界爆破技術(shù)*

閆永富，王文才，劉占全，孫 盛，崔占軍

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，包頭 014010；2.包鋼鋼聯(lián)股份有限公司 巴潤礦業(yè)分公司，包頭 014010；3.包鋼集團公司 白云鐵礦，包頭 014010)

露天礦破碎站基坑開挖工程是一項對爆破技術(shù)要求較高的工作，需要制定切實可行的方案和選取科學(xué)合理的參數(shù)。國內(nèi)外學(xué)者為了實現(xiàn)良好的基坑爆破效果，進行了多角度的研究和試驗。為了開挖施工的方便，將基坑劃分為了若干個縱向或者橫向的施工區(qū)域[1-4]；為了嚴(yán)格控制爆破振動采用了電子雷管起爆系統(tǒng)進行逐孔起爆，并通過爆破振動情況調(diào)節(jié)選取了合適的爆破參數(shù)[5,6]；采用了三維影像建模的方式對開挖過程進行了形象的研究[7]。由于爆破工作是一項不可逆且不允許容錯的工作[8]，因此每一次的爆破都應(yīng)當(dāng)是精益求精的，應(yīng)當(dāng)在總結(jié)前人的成果的基礎(chǔ)上選用最佳的設(shè)計方案和最合理的參數(shù)。在充分研究了破碎站基坑開挖區(qū)域的巖性特征及空間尺寸技術(shù)參數(shù)要求后，提出了一次預(yù)裂成型，分層開挖的施工方案，采用三維立體建模的方式模擬開采過程和驗證參數(shù)設(shè)計的準(zhǔn)確性。為了保持基坑壁原巖巖體的完整性，設(shè)計采用預(yù)裂控制爆破技術(shù)進行基坑邊界的控界爆破。為了降低爆破振動，采用延時精度較為準(zhǔn)確的數(shù)碼電子雷管，嚴(yán)格控制單響爆破藥量，達到降震、減震的目的。為了更為真實的檢驗設(shè)計的準(zhǔn)確性和參數(shù)選取的合理性，采用1∶1的真實比例進行現(xiàn)場模擬爆破，通過模擬爆破結(jié)果反饋調(diào)節(jié)設(shè)計方案和參數(shù)設(shè)計，保障最終破碎站基坑的成功控界爆破。

白云鄂博西礦是一座大型的深凹露天礦山，目前開采深度已經(jīng)超過200 m，隨著開采的延深，單一的汽車公路運輸成本已經(jīng)不符合經(jīng)濟合理運輸距離的要求，因此正在籌建汽車-破碎站-膠帶半連續(xù)運輸系統(tǒng)。所建設(shè)的破碎站為半固定式破碎站系統(tǒng)，當(dāng)?shù)?站服務(wù)完畢以后，大部分運輸膠帶設(shè)施保持不動，破碎站主體設(shè)備向下延深至第2站位置。目前需要對破碎站第1站的空間位置進行爆破開挖，該區(qū)域巖性主要以白云巖為主，現(xiàn)場情況如圖1。

圖 1 現(xiàn)場情況Fig. 1 Scene picture

1 爆破設(shè)計

1.1 爆破方案

本次破碎站基坑的頂部開口處長26.4 m，寬20.6 m，基坑壁角度為80°，基坑深度為23 m。借鑒本礦山預(yù)裂控制爆破以及導(dǎo)向孔爆破等技術(shù)取得的經(jīng)驗成果，設(shè)計采用預(yù)裂控制爆破技術(shù)對破碎站基坑進行分層爆破開挖。通過借鑒國內(nèi)類似礦山的基坑爆破設(shè)計方案以及考慮采掘設(shè)備的作業(yè)能力以及爆破夾制作用的影響，基坑坡面采用1次預(yù)裂控制爆破成型，內(nèi)部巖體設(shè)計分為2層進行穿爆和開挖，第1層設(shè)計高度為15 m，第2層為8 m，空間尺寸及開挖方案如圖2。

圖 2 空間尺寸及開挖方案(單位：m)Fig. 2 Space size and excavation scheme(unit:m)

目前國內(nèi)可以進行爆破設(shè)計的軟件種類很多，并且各有特點。利用三維軟件進行爆破設(shè)計可以形象直觀的展現(xiàn)待爆體情況，可以查看炮孔空間布置是否合理，避免理論分析計算時由于空間想象能力不足而導(dǎo)致的爆破設(shè)計失誤[9]?；佑捎诎惭b設(shè)備的特殊需要，所以空間尺寸并不是規(guī)則的幾何形狀，為了更好的進行爆破設(shè)計和便于采裝，在進行爆破設(shè)計前對待爆破體按照分層開采的設(shè)計原則進行立體模型建模，模擬開挖過程，立體模型及開挖分層如圖3，開挖方案信息匯總?cè)绫?。

表 1 開采方案信息匯總

圖 3 立體模型及開挖分層Fig. 3 Three dimensional model and layered excavation

1.2 控界爆破關(guān)鍵技術(shù)

破碎站基坑的預(yù)裂控制爆破與采場臺階預(yù)裂控制爆破最大的區(qū)別在于，預(yù)裂爆破的爆破振動波是由三個初始方向進行疊加，最終形成的爆破振動干擾關(guān)系復(fù)雜，應(yīng)力波在狹窄空間內(nèi)多次疊加，可能會減弱預(yù)裂破碎帶阻擋、攔截應(yīng)力波的難效果。另外由于基坑是一個半包圍結(jié)構(gòu)，側(cè)壁坡面交匯處是一個復(fù)雜的斜交空間形態(tài)，該部分需要進行精細化爆破設(shè)計。交匯處的預(yù)裂孔不僅需要調(diào)整孔深，還需要對裝藥結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，為了保證最終的相鄰基坑壁坡面準(zhǔn)確交匯到設(shè)計的位置，在基坑壁空間交匯線處穿鑿一個具有導(dǎo)向功能的角孔，角孔的作用是誘導(dǎo)兩側(cè)的預(yù)裂孔準(zhǔn)確的在設(shè)計位置爆破致裂形成平整規(guī)則的空間交匯形態(tài)。

關(guān)于預(yù)裂控制爆破的參數(shù)選取有許多經(jīng)驗公式，但是進一步深入研究，戴俊等人關(guān)于爆破時粉碎圈和裂縫圈的研究和計算公式能更加全面的體現(xiàn)了巖石對爆破方式的反饋[9]。

理論上是通過炮孔直徑和不耦合系數(shù)來確定藥柱直徑，但是由于炸藥的使用習(xí)慣以及出于安全考慮對火工品的管制規(guī)定，一般礦山的炸藥類型都比較單一，因此可以通過改變炮孔直徑來調(diào)整裝藥不耦合系數(shù)。

借鑒現(xiàn)場經(jīng)驗綜合考慮，初步認(rèn)為在基坑預(yù)裂控制爆破采取不耦合系數(shù)為2.5左右比較合適，炮孔間距按照文獻[10]中關(guān)于預(yù)裂爆破孔距與孔徑的選比關(guān)系為d=8～12D進行選取?？紤]到基坑壁的空間交匯線的應(yīng)力集中情況，起導(dǎo)向作用的角孔孔徑選取165 mm，立體設(shè)計情況如圖4，轉(zhuǎn)角處預(yù)裂孔參數(shù)如表2。

圖 4 立體設(shè)計圖Fig. 4 Three dimensional design drawing

表 2 轉(zhuǎn)角處預(yù)裂孔參數(shù)列表

1.3 主爆區(qū)設(shè)計

主爆區(qū)的設(shè)計主要包括緩沖孔設(shè)計、主爆孔設(shè)計和掏槽孔設(shè)計三個部分，由于傾斜炮孔的最小抵抗線更加合理，所以本次設(shè)計的緩沖孔、主爆孔、掏槽孔均為傾斜炮孔，其中兩側(cè)的緩沖孔和主爆孔在傾向基坑中軸方向的同時向基坑開口方向傾斜，背側(cè)緩沖孔和中部掏槽孔向基坑開口方向傾斜。

為了實現(xiàn)加強松動爆破的效果，中部掏槽的炮孔采用較大孔徑的165 mm孔徑，其他炮孔采用120 mm孔徑炮孔。炮孔深度根據(jù)立體空間相互關(guān)系，在保證開孔位置合理的基礎(chǔ)上，充分考慮炮孔底部的空間距離關(guān)系，盡可能的將爆破能量均勻地分布在待爆體中，第1層爆破設(shè)計如圖5，第2層爆破設(shè)計如圖6。

圖 5 第1層爆破設(shè)計(單位：m)Fig. 5 Blasting design of the first layer(unit:m)

圖 6 第2層爆破設(shè)計(單位：m)Fig. 6 Blasting design of the second layer(unit:m)

1.4 裝藥設(shè)計

由于采用的爆破技術(shù)為預(yù)裂控制爆破技術(shù)和加強松動爆破技術(shù)，所以預(yù)裂孔采用間隔不耦合裝藥；主爆區(qū)采用間隔耦合裝藥，緩沖孔和主爆孔按照加強松動爆破設(shè)計進行裝藥設(shè)計，中部掏槽孔采用加強裝藥，第1層裝藥結(jié)構(gòu)如圖7。第2層裝藥結(jié)構(gòu)與第1層裝藥結(jié)構(gòu)類似，受篇幅限制不再列出。

圖 7 第1層裝藥結(jié)構(gòu)(單位：m)Fig. 7 Charge structure of the first layer(unit:m)

1.5 起爆網(wǎng)路說明

為了最大限度的降低爆破振動，采用延時精度控制更為精確的數(shù)碼電子雷管來實現(xiàn)精確的毫秒延期起爆網(wǎng)路[11]。對于預(yù)裂爆破的起爆網(wǎng)路設(shè)計的關(guān)鍵是必須保證起爆可靠性，因此設(shè)計預(yù)裂網(wǎng)路時采用雙回路閉環(huán)起爆網(wǎng)路，即綁扎預(yù)裂藥柱的支線導(dǎo)爆索與主線導(dǎo)爆索采用“T型結(jié)”，整個網(wǎng)路首尾閉環(huán)，即使中途某一點出現(xiàn)拒爆，起爆能也會沿著反方向再次經(jīng)過該點將支路導(dǎo)爆索引爆。

2 工程應(yīng)用實例

由于影響爆破工程質(zhì)量的因素復(fù)雜多變，純理論分析很難準(zhǔn)確、全面的把控所有的因素，因此進行影響因素分析時，一般采用實驗室小模型模擬實驗的方法較多，但是由于“尺寸效應(yīng)”的影響[12]，很難完全反映真實工程情況。本次工程在進行模擬分析時盡可能的克服“尺寸效應(yīng)”，在南偏東50°方向，距離183 m的1470 m臺階處，選取了一處巖性與最終爆破區(qū)域巖性相似度較高，段高為15 m的位置進行了1∶1尺寸的第1層爆破開挖模擬實驗。

2.1 模擬爆破

檢驗預(yù)裂爆效果好壞的一個重要準(zhǔn)則就是半壁孔率，控制半壁孔率的最好技術(shù)措施就是選取合適的不耦合系數(shù)進行裝藥爆破[13]。由于理論計算和分析所得的不耦合系數(shù)為2.5左右，但是由于礦山現(xiàn)在只有45 mm直徑的震源藥柱可供使用，所以不耦合系數(shù)只能通過調(diào)整炮孔直徑來實現(xiàn)。雖然原設(shè)計是采用孔徑為120 mm的預(yù)裂孔和緩沖孔進行預(yù)裂爆破，但是考慮到模擬爆破的實驗探索性和對比目的，設(shè)計將模擬爆區(qū)的一側(cè)預(yù)裂控制爆破的孔徑改為100 mm。以期望通過實驗結(jié)果，觀測判斷何種孔徑更有利于提高該種工況條件下的預(yù)裂控制爆破的半壁孔率，更有助于爆破控界效果，模擬爆破設(shè)計如圖8，模擬爆破裝藥量如圖9，模擬爆破起爆網(wǎng)路如圖10。

圖 8 模擬爆破設(shè)計Fig. 8 Design drawing of simulated blasting

圖 9 模擬爆破裝藥量圖(單位：kg)Fig. 9 Charge diagram of simulated blasting(unit:kg)

圖 10 模擬爆破起爆網(wǎng)路圖(單位：ms)Fig. 10 Network diagram of simulated blasting initiation(unit:ms)

2.2 爆破結(jié)果反饋參數(shù)調(diào)整

實現(xiàn)模擬爆破之后，發(fā)現(xiàn)爆破后有1/2爆堆被拋擲到了基坑開口前方，兩側(cè)塌落明顯，但是后側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重掛幫，且預(yù)裂孔的角孔區(qū)域塌落較差。經(jīng)過采掘清理以后，發(fā)現(xiàn)基坑整體內(nèi)部坡面巖體破壞嚴(yán)重，角孔控制區(qū)域空間形態(tài)較差，120 mm孔徑預(yù)裂孔模擬實驗區(qū)域的邊坡半壁孔率高于100 mm孔徑區(qū)域，模擬爆破情況如圖11。

圖 11 模擬爆破情況Fig. 11 Simulation of blasting

模擬爆破的結(jié)果具有非常重要的意義，分析爆破現(xiàn)象可以提煉總結(jié)出改善爆破效果的技術(shù)。本次模擬爆破形成的基坑整體外形達到了設(shè)計的空間尺寸需要，沒有超爆區(qū)域，通過綜合評價，首先可以肯定該設(shè)計方案整體上是可行的。但是有以下4個相關(guān)問題點需要進行分析改善：施工問題、爆堆貨源質(zhì)量問題、控界效果問題、預(yù)裂坡面問題。利用樹狀思維導(dǎo)圖的分析方法，將模擬實驗爆破暴露出的問題進行全面分析總結(jié)，確定導(dǎo)致問題的主要原因，并制定了相應(yīng)的改善措施，最終形成了1套完善的破碎站基坑控界立體綜合爆破技術(shù)，模擬爆破優(yōu)化措施思維導(dǎo)圖如圖12。

2.3 最終爆破實施

根據(jù)模擬實驗結(jié)果分析優(yōu)化爆破設(shè)計后，經(jīng)過精細組織穿爆和采掘，最終形成的基坑在空間尺寸外形方面達到了預(yù)期效果，且坡面巖體完整度較高，半壁孔率在85%以上，最終基坑現(xiàn)場情況如圖13。

圖 12 模擬爆破優(yōu)化措施思維導(dǎo)圖Fig. 12 Optimization measures of simulated blasting based on mind map

圖 13 最終基坑現(xiàn)場情況Fig. 13 Site condition of final foundation pit

3 總結(jié)

本次露天礦破碎站基坑控界爆破技術(shù)在包鋼巴潤分公司西端幫巖石膠帶破碎站基坑開挖中取得了良好的效果，這得益于合理的方案設(shè)計和真實比例的模擬爆破。本次露天礦破碎站基坑控界爆破可以總結(jié)為：一次預(yù)裂成型，分層采裝是比較合理的巖石基坑開挖處置方案；利用全區(qū)雙傾斜方向的不等深炮孔可以更加合理的分配炸藥能量，均衡抵抗線；利用三維模型的可視化，可以改進常規(guī)二維設(shè)計時的思維缺陷；利用數(shù)碼電子雷管可以實現(xiàn)更為精準(zhǔn)和靈活的起爆延期時間設(shè)計，便于控制爆破振動對預(yù)留巖壁的損傷；通過1∶1的現(xiàn)場模擬實驗可以獲得最為真實的預(yù)期爆破效果，是進行參數(shù)優(yōu)化的重要途徑。通過本次成功案例可以為其他類似的露天礦巖石基坑開挖施工提供爆破設(shè)計思路，和成功案例借鑒的作用。