露天礦臨近最終邊幫控制爆破技術(shù)

盧子冬，南 俊，宋曉鳴

(山西同德爆破工程有限責(zé)任公司，忻州 034000)

露天礦開采過(guò)程中，礦田邊界處永久邊幫大范圍滑坡、垮塌造成車輛跌落、落實(shí)造成人員傷亡等事故層出不窮。究其原因，在運(yùn)用爆破手段形成永久邊幫的過(guò)程中，爆破方法選擇不當(dāng)，擾動(dòng)原巖應(yīng)力，使得邊幫節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)育是重要影響因素。另一方面，邊幫治理因所使用方法不當(dāng)，工藝復(fù)雜，掌握難度較大，常常會(huì)滯后于整座礦山循環(huán)作業(yè)，甚至影響露天開采進(jìn)度。針對(duì)露天礦邊幫治理出現(xiàn)的兩項(xiàng)問(wèn)題，學(xué)者和工程師們做了很多嘗試：張士磊、王勁翔、朱必勇等人在露天礦生產(chǎn)過(guò)程中[1-3]，根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)和數(shù)值模擬；李順波、謝烽、段軍、張曉平、梁瑞等人研究了空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)在爆后巖石塊度、炸藥節(jié)省率等方面的優(yōu)勢(shì)[4-8]；張耿城、高啟棟等人則對(duì)露天爆破振動(dòng)波監(jiān)測(cè)方法和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征等方面進(jìn)行了深入探討[9,10]；更有部分露天礦作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)采用密集緩沖孔來(lái)達(dá)到減震、平整壁面的爆破效果?？偨Y(jié)前輩學(xué)者以往的工程經(jīng)驗(yàn)，永久邊幫特殊爆破方法可總結(jié)為三類：密集緩沖孔降震爆破方法、傳統(tǒng)預(yù)裂爆破方法和空氣間隔預(yù)裂爆破方法。針對(duì)山煤集團(tuán)河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司首采區(qū)大規(guī)模邊幫治理工程的邊幫處理要求和進(jìn)度要求，采用混裝車可直接裝藥、空氣間隔柱間隔的新型空氣間隔預(yù)裂爆破法同常規(guī)爆破法、密集緩沖孔降震爆破法和傳統(tǒng)預(yù)裂爆破法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)的手段，通過(guò)監(jiān)測(cè)和對(duì)比爆后邊幫成形效果和爆破振動(dòng)對(duì)被保留巖體的擾動(dòng)，以及作業(yè)循環(huán)時(shí)間，探討空氣間隔預(yù)裂爆破法在山煤露天對(duì)邊幫治理效果、減小被保留巖體擾動(dòng)和加快循環(huán)進(jìn)度方面的適用性，獲得高效、快速處理大規(guī)模邊幫的工程經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

山煤集團(tuán)河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司首采區(qū)賦存有不同厚度的8#-14#煤，年產(chǎn)8 Mt，儲(chǔ)煤豐富[11]。礦田首采區(qū)呈長(zhǎng)條帶狀推進(jìn)，兩側(cè)邊幫延伸長(zhǎng)，成幫工程較大，對(duì)臺(tái)階推進(jìn)進(jìn)度形成考驗(yàn)。永久邊幫之上多修建有環(huán)狀礦區(qū)汽車永久運(yùn)輸大道，對(duì)邊幫成幫質(zhì)量要求很高。

露天礦永久邊幫分布如圖1所示。

圖 1 露天礦永久邊幫線分布圖Fig. 1 Permanent slope line of the open-pit mine

首采區(qū)兩永久邊幫長(zhǎng)度約8 km，巖層自上覆砂結(jié)巖至下部13#頂板巖均需采用控制爆破手段成形邊幫，工程量巨大，因此總結(jié)一套成熟、高效的邊幫成幫控制爆破方法很有必要。

2 爆破方案分析

1)密集緩沖孔降震爆破方法在主爆區(qū)后需形成永久邊幫處布置一排密集不裝藥炮孔，孔徑與主爆區(qū)炮孔相同，但孔距僅為7～10倍孔徑，主爆區(qū)后排炮孔距離緩沖孔為1/2主爆區(qū)排距。密集緩沖孔在主爆區(qū)與邊幫之間形成一道屏障，既可以降低爆破引起的邊幫振動(dòng)，又有利于邊幫形成，減少爆破作用對(duì)邊幫巖石的破壞。該方案具有施工工藝和機(jī)械簡(jiǎn)單，操作方便，但邊幫成形效果欠佳，適用于結(jié)構(gòu)疏松，巖性較軟的巖層邊幫形成。

2)傳統(tǒng)預(yù)裂爆破方法即在主爆區(qū)后布置密集預(yù)裂孔進(jìn)行不耦合裝藥。在主爆區(qū)起爆前先起爆預(yù)裂孔，使預(yù)裂縫提前形成，有效地阻斷爆破振動(dòng)波向炮區(qū)后永久邊幫傳遞，避免對(duì)原有巖石擾動(dòng)。該方案邊幫成形效果好，但工序和火工品種類繁瑣，適用于結(jié)構(gòu)完整，巖性堅(jiān)硬的巖層邊幫爆破。

3)空氣間隔預(yù)裂爆破方法為避免多起爆彈繁瑣操作，使用導(dǎo)爆索一次起爆所有藥柱，同時(shí)為避免傳統(tǒng)空氣間隔柱因?qū)П鞔┍瑫r(shí)炸裂，采用用PVC空氣間隔柱將傳統(tǒng)預(yù)裂爆破徑向不耦合改為軸向非連續(xù)裝藥[12]，相鄰預(yù)裂孔裝藥段間隔，在降低炸藥單耗，提前形成預(yù)裂縫，減小主爆區(qū)對(duì)邊幫巖石擾動(dòng)的同時(shí)，解決了傳統(tǒng)預(yù)裂爆破方法施工工藝復(fù)雜，徑向不耦合裝藥操作困難，難以形成連續(xù)快速作業(yè)的問(wèn)題。該方法可裝填多孔粒狀銨油炸藥降低成本，但需嚴(yán)格炮孔控制裝藥段和空氣間隔段的交錯(cuò)位置，否則易使壁面坑洼，難以取得理想爆破效果，適用于巖層高度較大的邊幫控制爆破。

常規(guī)爆破孔與三種特殊炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 四種爆破方法裝藥結(jié)構(gòu)示意圖[13]Fig. 2 Charge schematic diagram of four methods

3 爆破方案設(shè)計(jì)

臺(tái)階高度為8 m，因巖層具有明顯煤巖分界面，炮孔底部可不設(shè)超深，深度設(shè)計(jì)為8 m，炮孔采用φ140 mm孔徑。傳統(tǒng)無(wú)邊幫防護(hù)手段的爆破方法將單位炸藥消耗量控制在0.28 kg/m3，孔排距采用6 m×5 m；密集緩沖孔邊幫防護(hù)手段在距離后排炮孔2.5 m處，即1/2排距處設(shè)置一排孔距1 m的不裝藥緩沖空孔；傳統(tǒng)預(yù)裂爆破邊幫防護(hù)手段和PVC空氣間隔預(yù)裂爆破邊坡防護(hù)手段在距離后排炮孔3.5 m處設(shè)置一排孔距為1.4 m的預(yù)裂孔，線裝藥密度設(shè)計(jì)為1350 g/m，預(yù)裂孔先于主爆孔齊響。

密集緩沖孔與傳統(tǒng)預(yù)裂爆破炮孔布置如圖3所示。

圖 3 兩種爆破方法炮孔布置示意圖(單位：m)Fig. 3 The hole layout diagram of two blasting methods(unit:m)

4 爆破效果對(duì)比分析

在同一臺(tái)階高度、相同巖性條件下，保證主爆區(qū)孔網(wǎng)參數(shù)、單孔藥量和起爆網(wǎng)路不變，爆后使用相同反鏟剝離技術(shù)對(duì)四種不同邊幫控制爆破手段進(jìn)行處理，觀察其邊幫壁面的平整度和保留巖體的完整性。爆后不同效果如圖4所示。

圖 4 四種爆破方法爆后效果圖Fig. 4 Blasting effect of four methods

采用傳統(tǒng)無(wú)邊幫防護(hù)手段的爆破方法，爆后其邊幫根據(jù)邊緣炮孔所在位置呈現(xiàn)鋸齒狀，表面凹凸不平，且保留巖體多為粉碎塊狀，邊幫成形效果極差；采用密集緩沖孔邊幫防護(hù)手段，爆后邊幫少部分呈現(xiàn)凸出和凹洼，邊幫平整度極大程度倚仗反鏟采剝技術(shù)，保留巖體粉碎塊狀較多，邊幫成形效果一般；采用傳統(tǒng)預(yù)裂爆破邊幫防護(hù)手段，爆后壁面平整度較高，且保有部分炮孔痕，爆后保留巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，完整度較高；PVC空氣間隔預(yù)裂爆破邊坡防護(hù)手段，爆后邊幫壁面呈現(xiàn)小部分呈現(xiàn)淺凹痕，整體壁面平整，保留巖體無(wú)粉碎塊體，完整度較高。

可以得到結(jié)論：PVC空氣間隔預(yù)裂爆破邊坡防護(hù)手段較傳統(tǒng)爆破方法對(duì)爆后壁面平整度和完整性起到了很好的保障作用，邊幫成形效果不亞于傳統(tǒng)預(yù)裂爆破。

5 爆破振動(dòng)對(duì)比分析

在臺(tái)階高度同為8.0 m的條件下，運(yùn)用混裝車操作系統(tǒng)嚴(yán)格控制主爆區(qū)單孔裝藥量為70 kg，利用數(shù)碼電子雷管實(shí)現(xiàn)逐孔起爆，預(yù)裂孔滯后100 ms齊響，保證四組爆破試驗(yàn)最大單段起爆藥量和單爆區(qū)總藥量相同。在距離擬成形邊幫正后方100 m處設(shè)置TC-4850型測(cè)振儀，采集爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)。

采集到的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)如圖5所示。

采用密集緩沖孔邊幫治理手段，爆后其三通道矢量合成測(cè)振數(shù)據(jù)峰值振速為0.429 cm/s，略小于傳統(tǒng)無(wú)邊幫防護(hù)措施爆破方法，說(shuō)明其對(duì)邊幫降振起到的作用微乎其微。

采用傳統(tǒng)預(yù)裂爆破邊幫防護(hù)手段，爆后其三通道矢量合成測(cè)振數(shù)據(jù)峰值振速為0.177 cm/s，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)無(wú)邊幫防護(hù)措施爆破方法，說(shuō)明傳統(tǒng)預(yù)裂爆破方法在爆前形成的預(yù)裂縫可有效阻隔爆破振動(dòng)波的傳播，對(duì)振動(dòng)波起到很大的衰減作用[14]。

采用PVC空氣間隔預(yù)裂爆破邊幫防護(hù)手段，爆后其三通道矢量合成測(cè)振數(shù)據(jù)峰值振速為0.204 cm/s，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)無(wú)邊幫防護(hù)措施爆破方法，略大于傳統(tǒng)預(yù)裂爆破峰值振動(dòng)速度，說(shuō)明其能有效阻隔爆破振動(dòng)波的傳播，起到近似于傳統(tǒng)預(yù)裂爆破的振動(dòng)波衰減效果。

6 循環(huán)作業(yè)時(shí)間對(duì)比分析

傳統(tǒng)預(yù)裂爆破操作流程如圖6所示。

PVC空氣間隔預(yù)裂爆破操作流程如圖7所示。

圖 6 傳統(tǒng)預(yù)裂爆破操作流程圖Fig. 6 Flow chart of traditional pre-split blasting operation

圖 7 PVC空氣間隔預(yù)裂爆破操作流程圖Fig. 7 Flow chart of pre-split blasting operation by PVC air separation column

相較于傳統(tǒng)預(yù)裂爆破繁瑣的操作工序，PVC空氣間隔預(yù)裂爆破采用現(xiàn)場(chǎng)混裝車機(jī)械化裝藥，可精確控制裝藥段藥量，避免了人工切割乳化炸藥造成的質(zhì)量偏差；PVC空氣間隔預(yù)裂爆破裝藥段耦合，避免固定藥卷竹片居中而影響成縫效果[15]；PVC空氣間隔預(yù)裂爆破實(shí)現(xiàn)混裝車裝藥—下起爆彈—下PVC空氣間隔柱—混裝車裝藥的循環(huán)作業(yè)，易于操作人員熟練掌握，可將處理時(shí)間由93 min/孔·人縮減至49 min/孔·人，縮減率為47.3%，有利于實(shí)現(xiàn)邊幫成形大規(guī)?？焖僮鳂I(yè)。

7 結(jié)語(yǔ)

PVC空氣間隔預(yù)裂爆破技術(shù)可在加快循環(huán)進(jìn)度的同時(shí)，取得遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)爆破方法和密集緩沖孔方法且不亞于傳統(tǒng)預(yù)裂爆破方法的爆破效果：

1)PVC空氣間隔預(yù)裂爆破技術(shù)對(duì)取得極佳的最終邊幫保護(hù)效果，壁面平整度和保留巖體完整性較高。

2)PVC空氣間隔預(yù)裂爆破技術(shù)對(duì)爆破振動(dòng)的衰減達(dá)到57%，與傳統(tǒng)預(yù)裂爆破接近。

3)PVC空氣間隔預(yù)裂爆破技術(shù)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，可縮減約47.3%作業(yè)時(shí)間，有利于加快循環(huán)作業(yè)速度。