大皇山建筑石料礦爆破開采根底分析與處理技術(shù)

杜磊，石磊，牛松峰

(北京中科力爆炸技術(shù)工程有限公司， 北京 101318)

0 引言

舟山大皇山凝灰?guī)r建筑石料礦位于舟山市定海區(qū)岑港街道桃夭門社區(qū)，礦區(qū)處于海島丘陵區(qū)，近東西向展布，最高海拔+249.72 m，最低海拔+6 m。礦區(qū)面積為 1.0481 km2，年生產(chǎn)規(guī)模為1227萬t，約合473.7萬m3，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為15 a，于2018年開始基建，2020年4月通過基建驗(yàn)收。礦石主要為晶屑玻屑凝灰?guī)r、流紋斑巖和沉凝灰?guī)r，結(jié)構(gòu)致密，屬堅(jiān)硬巖類。礦區(qū)內(nèi)斷層、節(jié)理不發(fā)育，巖體總體完整。開采標(biāo)高為+249.72～+6 m，設(shè)計(jì)開采臺(tái)階高度15 m，現(xiàn)開采標(biāo)高為+141 m，因礦山北側(cè)、東側(cè)各有一條生產(chǎn)線，且位于礦山老宕面坡底，距離老宕面坡底的距離分別為30 m和10 m。根據(jù)剝離區(qū)現(xiàn)狀及開挖區(qū)的地形條件、選用的鉆爆設(shè)備、巖石的塊度要求及巖石的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)采用水平臺(tái)階開挖，鉆孔孔徑為 115 mm，孔網(wǎng)參數(shù)為7.0 m×3.3 m，梅花孔布置，采用Φ90 mm乳化炸藥，底部耦合裝藥，中上部為不耦合連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，填塞高度不小于 3.5 m。采區(qū)內(nèi)巖層主要為凝灰?guī)r類巖石，巖石節(jié)理、裂隙不發(fā)育，比較堅(jiān)硬，屬于堅(jiān)硬巖石類，但+126 m平臺(tái)以上節(jié)理裂隙較多，根底現(xiàn)象較多。

1 爆破根底現(xiàn)象及不利影響

1.1 根底成因

爆破根底是由于沖擊力過弱，沒能使爆破礦石完全破壞而產(chǎn)生的。現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程中，炮孔底部抵抗線過大，往往造成前排布孔位置出現(xiàn)根底。前排爆破孔距、鉆孔情況、裝藥與超深也是造成根底的重要因素。常見的根底成因包括地質(zhì)條件因素、炸藥及爆破器材因素、鉆孔情況、施工工藝等，主要可以概括為以下4個(gè)方面。

（1）巖石性質(zhì)。巖石性質(zhì)是對(duì)爆破效果至關(guān)重要的影響因素。巖石橫向裂隙多[1]，垂直巖體傾角少會(huì)降低炸藥能量利用率，制約爆破效果。在爆破作業(yè)過程中，首先應(yīng)考慮爆破巖石的層理、斷層、性質(zhì)等對(duì)爆破效果的影響。

（2）后排孔藥柱位置。當(dāng)藥柱頂部與底部相對(duì)爆破臺(tái)階底盤水平的標(biāo)高位置長(zhǎng)度一定時(shí)，藥柱中心位置距離孔口越近，其后沖破壞范圍就越大，后沖角度也越大，新形成的爆破臺(tái)階邊坡角度變緩，新臺(tái)階在進(jìn)行下次爆破時(shí)，前排孔底部抵抗線增大，難以克服下次爆破的底部阻力，使根底現(xiàn)象增加[2]。

（3）前排孔距與超深。孔距過小，會(huì)使生產(chǎn)成本增大，經(jīng)濟(jì)性降低[3]；孔距過大，又會(huì)使爆破效果變差，難以達(dá)到理想的開采率，厚巖層、難爆破部位殘留根底。針對(duì)不同的工程項(xiàng)目，應(yīng)該因地制宜，探討合適的前排孔距達(dá)到最佳的爆破效果；同一礦區(qū)，也要因不同礦石爆破性能的差異確定不同的孔距與超深值。

（4）穿孔狀況。穿孔質(zhì)量影響著爆破效果，塌孔、堵孔一旦發(fā)生，將不利于炮孔裝藥作業(yè)，從而導(dǎo)致炮孔裝藥不足、炮孔拒爆等問題，最后產(chǎn)生爆破根底?，F(xiàn)實(shí)前排穿孔作業(yè)中，也常見由于水平穿孔過大或上次爆破作業(yè)力度過大，產(chǎn)生根底。

1.2 根底不利影響

根底是爆破石方挖走后底板上留下的超出設(shè)計(jì)平臺(tái)0.5 m以上的凸出巖坎，根底的存在，不但影響臺(tái)階的平整度，造成平臺(tái)積水、運(yùn)輸車輛通行困難，而且為了不影響下次臺(tái)階爆破，需要提前處理根底，增加破碎或爆破處理成本。根底對(duì)爆破施工產(chǎn)生不利影響主要為以下3個(gè)方面：

（1）降低挖運(yùn)效率。根底附近,爆后巖石一般都很密實(shí),而且常伴有大塊，需要進(jìn)行大塊挑揀或破碎后才能挖裝，不利于采掘作業(yè)，影響挖裝效率。大面積根底將使挖裝效率降低，設(shè)備故障增多，增加了運(yùn)輸車輛損壞的風(fēng)險(xiǎn)。開采平臺(tái)高低不平、平臺(tái)積水、運(yùn)輸車輛通行困難，影響運(yùn)輸車輛通行，容易產(chǎn)生爆胎、翻車等安全隱患。

（2）降低臺(tái)階爆破質(zhì)量。開采平臺(tái)不平整，雨水天氣容易造成大面積積水,如不及時(shí)處理積水，容易產(chǎn)生水孔，影響平臺(tái)鉆孔及裝藥堵塞質(zhì)量。如果根底出現(xiàn)在臺(tái)階底部，若不處理，將改變臺(tái)階爆破的前排抵抗線，容易造成更多根底和大塊，甚至臺(tái)階爆破沒有松動(dòng)。

（3）增加爆破綜合成本。為了處理根底，需要對(duì)根底進(jìn)行破碎或爆破，增加了破碎錘的機(jī)械臺(tái)班或者鉆孔爆破成本，最終增加爆破綜合成本。當(dāng)根底凸出平臺(tái)高0.5～1.0 m、體積較小時(shí)，一般采用破碎錘進(jìn)行機(jī)械破碎；當(dāng)出現(xiàn)大面積根底，用機(jī)械破碎效率較低，一般采用潛孔鉆打孔爆破。根據(jù)根底的大小鉆3～5 m深的淺孔，堵塞不少于2.5 m，再進(jìn)行裝藥、聯(lián)網(wǎng)、爆破。大面積根底可以單獨(dú)爆破，少量可以與臺(tái)階爆破一起爆破。

2 根底統(tǒng)計(jì)及根底產(chǎn)生原因分析

2.1 原臺(tái)階爆破方案

根據(jù)招標(biāo)文件要求、礦山初步設(shè)計(jì)說明、礦產(chǎn)資源開發(fā)利用及安全設(shè)施設(shè)計(jì)方案、礦體賦存特征以及礦區(qū)范圍的地形地貌特征和已形成的開采現(xiàn)狀，礦山選擇露天開采，開拓方式為公路開拓汽車運(yùn)輸。采礦工序?yàn)榇┛住啤纹扑椤P裝→運(yùn)輸→排巖，即采用潛孔鉆機(jī)穿孔、中深孔爆破、機(jī)械二次破碎、裝載機(jī)裝載、汽車運(yùn)輸，排至指定地點(diǎn)，最低開采標(biāo)高為+6 m。

采場(chǎng)邊坡參數(shù)：臺(tái)階高度為 15 m；工作臺(tái)階坡面角為75°，設(shè)計(jì)終了臺(tái)階坡面角為53°（第四系及強(qiáng)風(fēng)化層終了臺(tái)階坡面角不大于 45°），最終幫坡角為 44°；安全平臺(tái)寬為 5 m、清掃平臺(tái)寬為 8 m；3個(gè)安全平臺(tái)間隔設(shè)置1個(gè)清掃平臺(tái)。安全平臺(tái)設(shè)在+111 m、+96 m、+81 m、+51 m、+36 m、+21 m，清掃平臺(tái)設(shè)在+66 m開采水平；采場(chǎng)最終邊坡角為44°，最小裝運(yùn)平臺(tái)寬度為60 m，裝運(yùn)平臺(tái)最小工作線長(zhǎng)度為120～150 m。

根據(jù)礦區(qū)地形可知，礦區(qū)最高標(biāo)高+249.72 m位于礦區(qū)的中部，礦區(qū)內(nèi)的資源量也主要集中在中部區(qū)域。根據(jù)“自上而下”的開采順序及盡快達(dá)產(chǎn)的要求，礦山開拓系統(tǒng)及首采工作面主要布置在礦區(qū)中部。

根據(jù)剝離區(qū)現(xiàn)狀及開挖區(qū)的地形條件、選用的鉆爆設(shè)備、巖石的塊度要求及巖石的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)采用水平臺(tái)階開挖。臺(tái)階基本參數(shù)如圖1所示。采區(qū)內(nèi)巖層主要為凝灰?guī)r類巖石，巖石節(jié)理、裂隙不發(fā)育，比較堅(jiān)硬。屬于堅(jiān)硬巖石類，為了達(dá)到預(yù)期的爆破效果，選用爆速較高的乳化炸藥，藥卷直徑d=90 mm。

圖1 臺(tái)階基本參數(shù)

爆破參數(shù)匯總見表1。

表1 深孔爆破參數(shù)

2.2 根底統(tǒng)計(jì)

進(jìn)入 2021年以來，在施工過程中，發(fā)現(xiàn)平臺(tái)底板高低不平，且根底過多。礦山爆破費(fèi)用約占礦石總成本的 15%～20%[4]，為處理根底而進(jìn)行的二次爆破不僅影響生產(chǎn)效率，還造成了單耗升高、成本浪費(fèi)。為找到根底產(chǎn)生的原因，對(duì)2021年1月到5月的根底處理所鉆炮孔長(zhǎng)度[5]和根底所在位置分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果分別見表2和表3。

表2 2021年1-5月處理根底鉆孔與總鉆孔的數(shù)量

表3 2021年1-5月各工作面處理根底鉆孔長(zhǎng)度

表2、表3顯示，2021年1月到5月處理根底鉆孔15 461 m，鉆孔個(gè)數(shù)共計(jì)6034個(gè)，處理根底鉆孔平均孔長(zhǎng)2.56 m。而爆破總鉆孔合計(jì)總長(zhǎng)142 911 m，鉆孔14 541個(gè)，平均孔長(zhǎng)9.83 m。需要處理的根底鉆孔占到爆破總鉆孔的10.74%。其中3月處理根底鉆孔占比最多，達(dá)13.32%，占比最少的1月也達(dá)到了9.67%。從+156 m至+111 m的三處平臺(tái)與新生產(chǎn)線道路中，根底占比最多的是+156～+141 m工作面平臺(tái)，高達(dá)11.71%；根底占比最少的+126～+111 m工作面平臺(tái)根底總孔長(zhǎng)也達(dá)到了5.86%。根底數(shù)量多、鉆孔長(zhǎng)、占比大，不僅給施工造成困難，拖慢爆破掘進(jìn)進(jìn)度，也浪費(fèi)了人力物力與財(cái)力。

2.3 大量根底產(chǎn)生的原因分析

從表2、表3可以看出，截至5月底，礦山共鉆孔142 911 m，處理根底鉆孔為15 461 m，平均占比為10.74%，其中5月份根底鉆孔米數(shù)最多，達(dá)4950 m，3月份根底占比最大，為13.32%；3月份+141～+126 m平臺(tái)根底占當(dāng)月平臺(tái)總鉆孔米數(shù)的15.27%。根據(jù)施工實(shí)際情況和各平臺(tái)的地質(zhì)情況，可以得出大量根底出現(xiàn)的原因有以下5點(diǎn)：

（1）爆破工作面推進(jìn)方向的選取不合理。礦區(qū)因?yàn)槭苠丛\(yùn)力不足的影響，使+141 m平臺(tái)東西兩側(cè)堆積大量宕渣，影響了工作面的開拓，致使爆破推進(jìn)方向只能由南向北。此時(shí)受礦巖走向、結(jié)構(gòu)面以及節(jié)理、裂隙發(fā)育的影響，爆破時(shí)爆炸能量遇節(jié)理、裂隙產(chǎn)生泄露，造成根底[6]。在生產(chǎn)過程中也曾試過改變起爆順序等措施來克服不利的地質(zhì)條件，但效果并不明顯。

（2）礦巖涌水。正常裝藥時(shí)，底部采用耦合裝藥，中上部采用不耦合裝藥。由于炮孔內(nèi)的水無法排出，在水的浮力作用下，炮孔底部裝藥密實(shí)度不夠，裝藥質(zhì)量達(dá)不到要求[5]，形成根底。

（3）孔網(wǎng)參數(shù)不合理。原孔網(wǎng)參數(shù)為7.0 m×3.3 m。孔距布置過大，炮孔間距遠(yuǎn)大于最小抵抗線，相鄰炮孔裂隙大，產(chǎn)生的爆炸裂隙難以貫通臺(tái)階底部，兩孔間距超出爆破漏斗作用范圍，也極易產(chǎn)生根底。

（4）超深不合理[7]。原施工方案超深取值為1.0 m，由于超深淺，底部裝藥量少，底部炸藥能量不足以克服底盤的夾制作用，造成根底。超深過長(zhǎng)，會(huì)使藥柱中心高度下降，但增加填塞長(zhǎng)度，孔口極易產(chǎn)生大塊。

（5）底盤抵抗線過大[8]。原底盤抵抗線為4.02 m，爆破時(shí)炸藥能量難以到達(dá)臺(tái)階根部，前排孔孔底產(chǎn)生根底，進(jìn)而直接影響到后排孔甚至整個(gè)爆區(qū)產(chǎn)生大面積根底。

3 解決辦法及其實(shí)施效果

3.1 解決辦法

為提高爆破作業(yè)效果、提高生產(chǎn)效率、降低礦山開采總成本，根據(jù)根底產(chǎn)生的原因提出了如下針對(duì)性的解決辦法：

（1）改變爆破工作面的推進(jìn)方向。在+141 m平臺(tái)西側(cè)宕渣出運(yùn)完畢后，各個(gè)工作面的推進(jìn)方向從自南向北，改為由西向東。由與巖石節(jié)理走向斜交，改為平行或近乎垂直[9]，如圖2所示。爆破現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)巖石走向，調(diào)整起爆方向，進(jìn)而調(diào)整爆破自由面方向，以減少根底的產(chǎn)生。

圖2 爆破方向與節(jié)理走向關(guān)系

（2）加強(qiáng)底部裝藥。針對(duì)炮孔內(nèi)部存水的問題，前期也采取了吹水、抽水等措施，但因存在交叉作業(yè)且?guī)r石裂隙過多，炮孔內(nèi)的水并無明顯減少。故在底部裝藥時(shí)，采取劃破成品炸藥包裝袋的方式，進(jìn)行吊裝，盡量加大底部裝藥量，降低裝藥重心。

（3）選擇合理的孔網(wǎng)參數(shù)。根據(jù)礦山爆破的孔徑和裝藥直徑，確定礦山爆破的合適孔網(wǎng)，90 mm藥卷的最大推動(dòng)距離約為直徑的35倍[7]，將孔距調(diào)整為6.2 m，并根據(jù)巖石性質(zhì)和爆后效果進(jìn)行調(diào)整，排距不變。

（4）增大超深。在原有超深1 m的情況下，將超深增加0.5 m，即把超深提高到1.5 m。同時(shí)，含水巖層中的液體滲入炮孔，炮孔含水也會(huì)導(dǎo)致實(shí)際可用超深低于設(shè)計(jì)值，在解決炮孔內(nèi)部水問題后，進(jìn)一步增大超深，以充分保證超深實(shí)際值。

（5）嚴(yán)格控制底盤抵抗線。當(dāng)?shù)妆P抵抗線過大時(shí)，應(yīng)在臺(tái)階爆破前處理完畢或與臺(tái)階爆破一同處理（應(yīng)先于臺(tái)階爆破起爆）。

3.2 實(shí)施效果

2021年6 月以后，根據(jù)根底改進(jìn)措施實(shí)施爆破，并對(duì)根底情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4和表5。

表4 2021年6-7月處理根底鉆孔與總鉆孔的數(shù)量

表5 2021年6-7月各工作面處理根底鉆孔長(zhǎng)度

從表4和表5可以看出，6月總鉆孔為42 896 m，其中處理根底鉆孔為 2725 m，7月總鉆孔為35 718 m，其中處理根底鉆孔為2308 m，較4、5月降低約2000 m。除6月+141～+126 m平臺(tái)因處理前期存在的根底鉆孔占比較大外，各平臺(tái)根底占比均大幅下降，而且7月+141～+126 m平臺(tái)根底也由原來占每月根底總數(shù)的65%降至47%。

從措施實(shí)施前后爆破效果對(duì)比分析可知，6-7月較1-5月平均根底占比降低約40%，平均孔長(zhǎng)增加了13%，炸藥單耗降低10%，在改善爆破效果的同時(shí)，也降低了爆破成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

通過統(tǒng)計(jì)處理根底所需的鉆孔，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程和各平臺(tái)地質(zhì)狀況，分析得出了根底產(chǎn)生的原因，并提出了改正措施。后續(xù)實(shí)施中取得了顯著的效果，項(xiàng)目總結(jié)可得到以下結(jié)論。

（1）爆破現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)巖石走向，調(diào)整起爆方向，進(jìn)而調(diào)整爆破自由面方向，減少了根底的產(chǎn)生。

（2）在底部裝藥時(shí)，采取劃破成品炸藥包裝袋的方式進(jìn)行吊裝，加大了底部裝藥量，降低了裝藥重心。

（3）根據(jù)礦山爆破的孔徑和裝藥直徑，合理優(yōu)化了孔網(wǎng)參數(shù)。

（4）重視超深參數(shù)對(duì)工程的影響，適當(dāng)加大了超深；同時(shí)嚴(yán)格控制底盤抵抗線，當(dāng)?shù)妆P抵抗線過大時(shí)，在臺(tái)階爆破前處理完畢或先于臺(tái)階爆破起爆與臺(tái)階爆破一同處理。這些措施取得了較好的效果，平均根底占比降低約40%。