安家?guī)X露天礦東部邊界爆破方式與參數(shù)研究

史靈杰，秦斌德，劉建兵

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西 朔州 036006;2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083；3.國家電力投資集團(tuán)有限公司內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 029200）

爆破是露天礦生產(chǎn)的主要作業(yè)之一，合理的爆破參數(shù)對(duì)露天礦生產(chǎn)具有重要意義。相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，張豪等[1]在露天礦采用逐孔微差爆破技術(shù)改善了爆破質(zhì)量；茍強(qiáng)[2]針對(duì)大孔徑深孔爆破的邊坡滾石控制技術(shù)進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用；徐榮興等[3]在深孔預(yù)裂爆破技術(shù)中使用數(shù)碼電子雷管加空氣間隔裝藥的組合方案，并結(jié)合礦山中深孔爆破實(shí)踐，優(yōu)化了鉆爆參數(shù)和工藝控制措施；秦貴成[4]對(duì)安家?guī)X露天礦深孔臺(tái)階爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，降低了爆破大塊率，改善了邊坡的成型效果。安家?guī)X露天礦東部優(yōu)化境界方案中，傳統(tǒng)爆破方式在距離地表重要構(gòu)建筑物距離50 m 存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，需在東部開采境界選擇新的爆破方案與爆破參數(shù)[5]，為此，通過對(duì)比微差控制爆破和二氧化碳靜力爆破2 種技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，在計(jì)算炸藥爆破時(shí)振動(dòng)距離和飛石安全距離基礎(chǔ)上，提出到界邊坡區(qū)域的爆破控制方案，確定2 種爆破方案的應(yīng)用范圍及爆破參數(shù)，確保安家?guī)X露天礦東幫到界過程中生產(chǎn)安全。

1 工程背景

安家?guī)X露天礦地處平朔礦區(qū)中南部，是我國自行研究、自主建設(shè)的平朔礦區(qū)第二座大型露天煤礦，采用單斗-卡車綜合開采工藝。上部黃土層外包，巖石剝離采用單斗-卡車開采工藝，采煤采用單斗-卡車-地表半固定破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)工藝，主采4＃煤、9＃煤、11＃煤3 個(gè)煤層。

安家?guī)X露天礦東幫礦權(quán)界東側(cè)存在馬關(guān)河、平陶公路、后安礦、白蘆煤礦、部分房屋及部分煤場等重要設(shè)施，東幫面臨到界安全問題。安家?guī)X露天礦東幫邊坡區(qū)域開采深度為170～210 m，東部境界至各重要設(shè)施的距離留設(shè)應(yīng)不小于170～200 m。按照礦權(quán)境界位置和安全距離要求確定露天礦開采境界，則安家?guī)X露天礦將在東幫礦權(quán)界范圍內(nèi)損失煤量超過20.0 Mt，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘資料，提出了搬遷平陶路以西的民房和儲(chǔ)煤場，并局部取直改移平陶路建議。以安家?guī)X礦東幫礦權(quán)界附近改移后的平陶路、工業(yè)大道、后安工業(yè)場地和白蘆工業(yè)廣場的西側(cè)邊界作為開采界，并向采掘場方向縮界50 m，形成了新的東部開采境界方案及最終東幫開采境界。

2 爆破方案選擇及安全距離

2.1 爆破方案

采礦方案中搬遷平陶路以西地面的民房和儲(chǔ)煤場，但到界邊坡區(qū)域存在馬關(guān)河及其他礦井地下設(shè)施，如何降低爆破對(duì)邊幫巖體的損傷及降低爆破安全距離對(duì)周邊設(shè)施的影響，是東幫到界邊坡面臨的主要問題。而按照安家?guī)X露天礦以往爆破經(jīng)驗(yàn)，由于露天礦一次性起爆藥量較大，爆破產(chǎn)生的震動(dòng)能量大，周邊其他設(shè)施存在安全距離不足問題，所以需采取特殊的爆破方式。

目前，巖石爆破減震技術(shù)主要有2 種方式：

1）常規(guī)微差控制爆破技術(shù)。微差控制爆破特點(diǎn)為[6-7]：①優(yōu)點(diǎn)：相比一次全孔爆破技術(shù)，能有效地降低爆破沖擊波、震動(dòng)、噪音和飛石，破碎程度好，可提高爆破效率和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，操作簡單、安全、迅速，可近距離爆破；②缺點(diǎn)：網(wǎng)路研究較為復(fù)雜，需特殊的毫秒延期雷管及導(dǎo)爆材料，一次爆破藥量較大時(shí)造成的振動(dòng)影響較大。

2）新爆破技術(shù)。二氧化碳靜力爆破[8-11]特點(diǎn)為：①優(yōu)點(diǎn)：比炸藥安全，審批方便，運(yùn)輸安全，可在復(fù)雜作業(yè)環(huán)境中使用，無破壞性震動(dòng)波，對(duì)周圍環(huán)境影響不大；②缺點(diǎn)：施工步驟繁瑣，效率較低，管理要求高，爆炸效果差，巖塊大塊率高，爆破成本高。

根據(jù)2 種爆破方案的優(yōu)缺點(diǎn)，炸藥微差控制爆破是露天礦爆破的主要爆破形式，具有成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)。二氧化碳靜力爆破成本遠(yuǎn)大于炸藥微差爆破，且效率較低；但是，二氧化碳靜力爆破振動(dòng)效應(yīng)遠(yuǎn)小于炸藥爆破，對(duì)于巖體損傷小。綜合考慮爆破安全及經(jīng)濟(jì)性，推薦二氧化碳靜力爆破與傳統(tǒng)的炸藥微差控制爆破相結(jié)合方案來解決安家?guī)X礦東幫靠近邊界區(qū)域的爆破安全問題。

二氧化碳靜力爆破和炸藥微差控制爆破的應(yīng)用范圍主要根據(jù)炸藥微差控制爆對(duì)安全距離需求確定。滿足炸藥微差控制爆破的范圍內(nèi)選用炸藥微差控制爆破，東幫開采邊界開采地表界較近的范圍使用二氧化碳靜力爆破，在安全距離能夠保證炸藥爆破的安全時(shí)采用炸藥微差控制爆破。

2.2 爆破振動(dòng)安全距離

炸藥微差控制爆破安全距離計(jì)算公式如下[12-13]:

式中：Rw為測點(diǎn)與爆心的直線距離，m；V 為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；Kw為相關(guān)系數(shù)，取值71.7；α 為衰減系數(shù)，取值1.31；Qmax為最大段起爆藥量，取值2 92 kg，安家?guī)X目前自營生產(chǎn)最大值為500 kg。

其中東幫爆破影響到的主要構(gòu)建筑物有2 類：①東幫界以東地表的平陶公路、后安工業(yè)廣場等地面建筑；②安家?guī)X礦東鄰的后安礦及白蘆礦井下巷道。按照爆破安全規(guī)程規(guī)定，東幫地表的構(gòu)建筑物限制振動(dòng)速度為2.3 cm/s，東鄰的后安礦及白蘆礦井下巷道的限制振動(dòng)速度為15 cm/s。

1）安家?guī)X目前自營炸藥微差爆破振動(dòng)安全距離。對(duì)東幫界地表構(gòu)建筑物安距離為109.64 m；對(duì)東鄰礦井的井下巷道安全距離為26.20 m。

2）安家?guī)X東幫外包炸藥微差控制爆破振動(dòng)安全距離，對(duì)東幫界地表構(gòu)建筑物的振動(dòng)安全距離為91.64 m；對(duì)東臨礦井的井下巷道安全距離為21.90 m。

2.3 爆破飛石安全距離

露天煤礦采用混制炸藥進(jìn)行松動(dòng)爆破時(shí)，除了爆破振動(dòng)對(duì)周邊構(gòu)建筑物的影響較大外，其爆破時(shí)產(chǎn)生的空氣沖擊波、飛石等影響的安全距離也應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算確定，以保證爆破作業(yè)安全。

根據(jù)爆破安全規(guī)程規(guī)定，其中露天礦大規(guī)模深孔松動(dòng)爆破空氣振動(dòng)波的安全距離計(jì)算公式為[13]：

式中：Rs為空氣沖擊波安全距離，m；Q1為一次性起爆藥量，kg；Ks為空氣沖擊波安全系數(shù)，按照現(xiàn)場實(shí)際情況，取值為9，當(dāng)爆破區(qū)域與被影響區(qū)域中間有地形障礙時(shí)，Ks值減半。

按照以上公式及安家?guī)X礦的實(shí)際情況，計(jì)算爆破空氣沖擊波的安全距離結(jié)果如下：①安家?guī)X礦自營剝離巖石爆破空氣沖擊波安全距離為201.25 m，當(dāng)有地形障礙時(shí)爆破空氣沖擊波安全距離為100.63 m；②安家?guī)X礦外包剝離巖石炸藥爆破空氣沖擊波安全距離為153.79 m，當(dāng)有地形障礙時(shí)爆破空氣沖擊波安全距離為76.90 m；③飛散物對(duì)人員的安全距離按照爆破安全規(guī)程的規(guī)定取值為200 m。而研究的東幫界地表構(gòu)建筑物距離東幫爆破作業(yè)區(qū)安全距離不足200 m，故在爆破作業(yè)過程中應(yīng)采取相應(yīng)措施如壓渣、設(shè)置阻擋和疏散隔離附近人員等以杜絕爆破飛散物的安全事故。

2.3 到界邊坡爆破方案

后安礦及白蘆礦井下巷道距離安家?guī)X東幫界的最小平面距離約為130 m。礦區(qū)自營爆破作業(yè)一次起爆藥量較大，經(jīng)過計(jì)算，該方式在安家?guī)X東幫受影響構(gòu)建筑物靠近采場的邊界以西109.64 m 范圍內(nèi)不適用，安家?guī)X礦的正常生產(chǎn)爆破對(duì)后安礦及白蘆礦的井下巷道不會(huì)產(chǎn)生安全影響。

安家?guī)X東幫受影響構(gòu)建筑物靠近采場的邊界以西91.64 m 范圍內(nèi)不宜采用炸藥微差爆破，推薦該范圍內(nèi)的巖石爆破采用二氧化碳靜力爆破。考慮到一定的富余系數(shù)和方便作業(yè)施工，確定自安家?guī)X東幫界往西的爆破方式依次為：①東幫開采地表界以西50 m 范圍內(nèi)采用二氧化碳靜力爆破；②東幫開采地表界以西50 m 至東幫開采地表界以西80 m 應(yīng)采用外包設(shè)備微差控制爆破；③東幫地表界以西80 m 往西的剝離，1 210 m 水平以上外包剝離部分采用外包設(shè)備微差控制爆破，剩余部分為自營剝離，自營部分采用微差爆破。

其中，東幫界以西50 m 至東幫界以西80 m 范圍內(nèi)外包微差控制爆破作業(yè)量約為426.5×104m3，二氧化碳靜力爆破作業(yè)量約為268.6×104m3。

3 爆破參數(shù)及爆破建議

2 種爆破參數(shù)表見表1。

表1 2 種爆破參數(shù)表

1）二氧化碳靜力爆破。二氧化碳爆破巖石研究確定采用多排、按排順序起爆的爆破方法。小型鉤機(jī)與工作人員合作裝管，小型液壓鏟充填炮孔。采用微電流起爆器起爆，起爆順序?yàn)槠鸨b置→導(dǎo)熱棒→致裂器打開→二氧化碳急速膨脹。二氧化碳爆破參數(shù)圖如圖1，二氧化碳爆破連線方式及起爆順序示意圖如圖2。

圖1 二氧化碳爆破參數(shù)圖

圖2 二氧化碳爆破連線方式及起爆順序示意圖

2）炸藥微差爆破參數(shù)。炸藥微差爆破巖石研究確定采用多排、深孔微差松動(dòng)的爆破方法。主炸藥選用銨油炸藥，起爆采用起爆彈，汽車運(yùn)藥，人工裝藥，小型液壓鏟充填炮孔。采用非電力毫秒微差起爆，起爆順序?yàn)槠鸨b置→導(dǎo)爆管→間隔器→瞬發(fā)雷管→起爆彈→主炸藥。微差控制爆破參數(shù)圖如圖3。

圖3 微差控制爆破參數(shù)圖

4 到界邊坡穩(wěn)定安全措施及爆破建議

安家?guī)X東幫距離周邊建筑較近，松動(dòng)爆破可能對(duì)臨近建筑產(chǎn)生振動(dòng)影響，根據(jù)爆破震動(dòng)影響公式，理論計(jì)算了爆破的安全距離；同時(shí)，結(jié)合二氧化碳爆破特點(diǎn)改進(jìn)原爆破方案，以達(dá)到有效降低爆破振動(dòng)的目的，有效避免露天采場中松動(dòng)爆破對(duì)臨近建筑產(chǎn)生的破壞。

1）爆破影響控制。露天礦炸藥爆破對(duì)邊坡巖體產(chǎn)生震動(dòng)損傷，進(jìn)而降低邊坡穩(wěn)定性。因此在邊坡附近應(yīng)合理降低震動(dòng)爆破，制定嚴(yán)格的爆破安全作業(yè)規(guī)程，采取局部預(yù)裂爆破或挖掘減振溝等方式，降低爆破對(duì)到界邊坡影響。

2）端幫壓煤防滅火措施。最終邊坡下部殘留的端幫壓煤量，在露天采掘擾動(dòng)過后易發(fā)生自燃，降低端幫邊坡的穩(wěn)定性，誘發(fā)滑坡災(zāi)害發(fā)生，同時(shí)，殘煤自燃污染大氣環(huán)境，故建議制定嚴(yán)格的端幫壓煤進(jìn)行防滅火措施，防止壓煤自燃。

3）邊坡監(jiān)測。邊坡監(jiān)測是防治滑坡和預(yù)報(bào)滑坡的重要手段。安家?guī)X露天礦在東幫到界區(qū)域，在東部幫坡上建立觀測線，布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，定期觀測監(jiān)測點(diǎn)，分析監(jiān)測點(diǎn)的位移對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；除常規(guī)的位移監(jiān)測外，還應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測工作的深度、廣度，進(jìn)行地下位移監(jiān)測。

4）根據(jù)爆破安全規(guī)程要求，對(duì)露天采場到界邊坡進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測，研究露天爆破振動(dòng)對(duì)東幫臨近建筑的振動(dòng)影響，控制爆破振動(dòng)效應(yīng)，確保采場臨近建筑的安全。

5）對(duì)爆破試驗(yàn)進(jìn)行分析，獲得不同爆破參數(shù)情況下的爆破振動(dòng)影響。通過對(duì)爆破振動(dòng)測試結(jié)果線性回歸后得出爆破振動(dòng)波的傳播與衰減規(guī)律，對(duì)爆破的振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行有效預(yù)測，對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行修正，降低爆破振動(dòng)效應(yīng)，滿足爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

1）東幫開采地表界以西50 m 范圍內(nèi)，應(yīng)采用二氧化碳靜力爆破；東幫開采地表界以西50～80 m，應(yīng)采用外包設(shè)備微差控制爆破；其余自營應(yīng)采取微差控制爆破。

2）研究了2 種爆破方案的爆破參數(shù)。二氧化碳爆破巖石確定采用多排、按排順序起爆的爆破方法；炸藥微差爆破巖石確定采用多排、深孔微差松動(dòng)的爆破方法。