復(fù)雜環(huán)境下露天礦山爆破及安全控制

汪 飛

(1.江西長順爆破工程技術(shù)有限公司，江西 贛州 341000；2.贛州市爆破行業(yè)協(xié)會，江西 贛州 341000)

臺階爆破作為一種安全高效的開采技術(shù)，經(jīng)常被廣泛應(yīng)用于露天礦山，然而爆破沖擊波、爆破振動、爆破飛石、粉塵等爆破危害也隨之而來。為了保護周邊重要的建(構(gòu))筑物和適用于復(fù)雜的采場環(huán)境，有必要對不同的施工工序進行精細化爆破作業(yè)設(shè)計，在孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆順序等方面進行改進研究，從而提高露天礦山的綜合生產(chǎn)效率[1]?？蔀槠渌愃茝?fù)雜環(huán)境下的爆破工程提供一定的參考和借鑒[2-4]。

1 工程概況

1.1 工程環(huán)境

永豐縣鵝仔嶺石灰石礦區(qū)位于永豐縣陶塘鄉(xiāng)境內(nèi)，距永豐縣城132°方位直距約39 km。鵝仔嶺石灰石礦位于丘陵邊緣地帶，南區(qū)東南角山體下方150 m處有一個養(yǎng)豬場；南面距江西國豐化工實業(yè)有限公司生產(chǎn)廠房的最近距離約為220 m；西面為山體，且西北面為鷹鵬水泥廠生產(chǎn)車間，最近距離300 m。礦區(qū)的300 m范圍內(nèi)無民房、工農(nóng)業(yè)設(shè)施、無地下通訊電纜及其他需要保護的構(gòu)建筑物，500 m范圍內(nèi)無高壓電力電纜線路，1 000 m范圍內(nèi)無鐵路、高等級公路及歷史文化古跡，具體的周圍環(huán)境如圖1所示。

礦區(qū)主要為較堅固的石灰?guī)r，致密堅硬，工程力學(xué)強度較高，巖石平均抗壓強度88.2 MPa以上，均屬堅硬或半堅硬穩(wěn)固型巖石。構(gòu)造裂隙稀疏分布，屬于整體塊狀結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較好。近地表礦體風(fēng)化強烈，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，受風(fēng)化裂隙的影響，有時礦體被切割成大小不一的方塊狀，屬于碎裂塊狀結(jié)構(gòu)，力學(xué)強度低，穩(wěn)定性中等至較差。

1.2 工程難點

1)爆區(qū)周圍環(huán)境復(fù)雜，爆破設(shè)計需要對周圍居民房屋的安全保護評估。嚴格限制爆破藥量，控制臺階爆破作業(yè)產(chǎn)生的爆破振動和飛石距離，確保人員、設(shè)備及周邊保護對象的安全。

2)爆破地點分布面積大，保證爆破振動對邊坡穩(wěn)定性，需要在確保施工安全的前提下，合理安排工作面，保證邊坡整治效果。

3)生產(chǎn)與環(huán)境保護相結(jié)合，在充分考慮環(huán)保、安全的同時，最大限度開采允許開采范圍內(nèi)的礦產(chǎn)資源。

2 爆破施工設(shè)計方案

2.1 現(xiàn)場爆破方案

永豐縣鵝仔嶺石灰石礦區(qū)周邊復(fù)雜的環(huán)境增加了爆破工作及警戒難度，因此必須對本工程的爆破技術(shù)方案進行科學(xué)合理的安排。礦區(qū)的表土剝離層不厚，根據(jù)礦山基本情況和安全生產(chǎn)要求，采用自上而下分層分臺階深孔爆破作業(yè)開采，設(shè)計的臺階高度為12 m，每個臺階設(shè)一個安全平臺，安全平臺寬6 m。靠山體一側(cè)的道路邊坡處布孔稍密，采用松動爆破，爆后用大挖機刷坡。根據(jù)礦石機械物理性能及礦山生產(chǎn)能力，穿孔設(shè)備采用開山KT5C履帶式潛孔鉆機，鉆孔直徑90 mm。本工程對爆破有害效應(yīng)防護要求較高，要嚴格限制單響最大起爆藥量，且爆破網(wǎng)路采用數(shù)碼電子雷管逐孔起爆方法。根據(jù)本工程特點、作業(yè)地區(qū)的氣象條件特點及當(dāng)?shù)孛癖锲饭┴泦挝坏默F(xiàn)有條件等，爆破作業(yè)使用直徑為70 mm，藥卷長500 mm，重量2 000 g的二號巖石乳化炸藥。爆破后產(chǎn)生的大塊巖石用機械(液壓破碎錘)進行二次破碎，嚴禁裸露藥包爆破。

2.2 深孔爆破設(shè)計

2.2.1 爆破參數(shù)

由于現(xiàn)場的地形、地質(zhì)等相關(guān)情況不斷變化，生產(chǎn)過程中應(yīng)逐步總結(jié)出一套適合于本礦實際情況的爆破技術(shù)參數(shù)，以不斷提高爆破作業(yè)效果[5-6]。

永豐縣鵝仔嶺石灰石礦設(shè)計的臺階高度為H=12 m，鉆孔直徑D=90 mm；最小抵抗線W=37D=3.3 m；炮孔超深h=1.0 m，炮孔傾角α=75°，根據(jù)L=H/sinα+h，計算得到炮孔長度L=13.4 m。為保證爆破后巖石粒徑均勻，臺階炮孔采用三角式布孔，孔距a=(1～1.2)W=3.3～4.0 m，排距b=0.86a，炮孔布置如圖2所示。

為保證爆破后巖石粒徑均勻，采用松動爆破，按經(jīng)驗選取炸藥單耗q=0.25～0.45 kg/m3，軟巖取小值，硬巖取大值，施工中根據(jù)實際爆破效果調(diào)整。現(xiàn)計算藥量暫按0.34 kg/m3考慮，其中單孔裝藥量Q=qaHW；如爆破炮孔排數(shù)較多時，為了克服巖石的夾制作用，后排炮孔每孔增加1.1～1.2的裝藥系數(shù)，即Q=kqabH，k為裝藥增加系數(shù)；炮孔的填充長度L2=(30～40)D，經(jīng)過多次現(xiàn)場作業(yè)試爆確定最終爆破參數(shù)如表1所示。

表1 爆破參數(shù)

2.2.2 裝藥結(jié)構(gòu)和起爆網(wǎng)路

炮孔采取連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，每孔內(nèi)裝入2個起爆體，起爆體分別裝在藥柱的上部及下部。當(dāng)炮孔底部留存積水時應(yīng)先將孔內(nèi)的水處理后，再裝填乳化炸藥，并將上部填塞好。裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。炮孔填塞時要求必須認真嚴格，保證填塞長度及填塞質(zhì)量，避免夾偏、擠壓和拉扯雷管腳線。采用巖粉填塞，填塞密實即可，但不可摻入碎石。

起爆網(wǎng)路采用數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路，網(wǎng)路連接按照規(guī)定的接法進行，在施工時保護好線路，線頭搭接正確。網(wǎng)路連接由技術(shù)熟練的爆破工操作，操作過程中特別要注意防止損傷連接線，當(dāng)遇到潮濕地段和雨天時，卡扣要進行防水處理，以免出現(xiàn)電路短路等事故的發(fā)生。根據(jù)本工程特點，排-排、孔-孔之間采用延時起爆技術(shù)，分別逐孔起爆。這種方法綜合了排間順序和斜線起爆的優(yōu)點，大塊率低，可以有效地控制爆破地震波對相鄰邊坡和附近建筑物的破壞，并減少爆破飛石的產(chǎn)生。暫設(shè)計孔間延時為25 ms，排間延時為110 ms，具體的現(xiàn)場延時看爆破效果進行微調(diào)，最后的爆破網(wǎng)路如圖4所示。

3 爆破安全控制與討論

3.1 爆破飛石安全距離

爆破飛石是指爆破時脫離主爆堆飛散的碎石，因為個別碎石飛行距離和方向難以準確預(yù)測，給爆區(qū)內(nèi)人員、設(shè)備及周邊保護對象造成較大的威脅。本次爆破設(shè)計采用瑞典德湯尼克研究基金會提出經(jīng)驗公式進行估算：

RFmax=kD/2.54

(1)

式中：RFmax為飛石的飛散距離，m；k為安全系數(shù)，取40。

經(jīng)過計算得到飛石的飛散距離RFmax=142 m，按照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[10]規(guī)定，深孔爆破飛石最小安全允許距離為200 m，但由于此次爆破沿山坡爆破，對此爆破作業(yè)的安全狀態(tài)評估將安全允許距離放大50%，故最終確定爆破飛石的安全警戒距離不小于300 m(見圖5)。爆破時應(yīng)做好安全警戒工作，將爆破時間、爆破信號、警戒范圍形成制度進行通知。爆破時，在爆破危險區(qū)范圍300 m外有行人來往的公路兩端和小路派出崗哨執(zhí)勤，阻止行人和車輛進入危險區(qū)。另外在礦區(qū)開采周圍布置安全警示圍欄，防止無關(guān)人員進入。

3.2 爆破振動安全校核

爆破地震波對建筑物的影響在實質(zhì)上可以看成能量傳遞與轉(zhuǎn)化的過程，爆破地震波的振動速度與能量存在一定的關(guān)系效應(yīng)[7-9]，爆破振動對建筑物的影響也常用質(zhì)點振動速度衡量。根據(jù)薩道夫斯基公式中爆破所允許的最大段裝藥量的計算公式：

(2)

式中：v為地表質(zhì)點振動速度，cm/s；R為爆破中心到最近保護物距離，m；Q為單段起爆的最大藥量，48 kg；K為地震波傳播的介質(zhì)的系數(shù)，由于爆區(qū)四周的巖性和地形并不相同，巖體多屬于中硬以上，根據(jù)工程實際并類比相關(guān)工程，暫取K=150，α=1.5，不同巖性的K、α的取值如表2所示。

表2 不同巖性的K、α的取值

由被保護設(shè)施與爆區(qū)之間的距離，通過計算可推測出礦區(qū)爆破振動對周圍建(構(gòu))筑物的影響，并根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[10]規(guī)定最大振動速度安全判據(jù)，以設(shè)定控制的質(zhì)點振動速度大小得到爆破最大允許單響藥量，從而實現(xiàn)對周邊設(shè)施的爆破振動安全校核，校核結(jié)果如表3所示。

表3 爆破振動安全校核

根據(jù)表3可以看出，本工程爆破作業(yè)產(chǎn)生的振動對周圍建筑物沒有較大影響，但是在爆破作業(yè)時，要加強現(xiàn)場以及爆破保護對象處的爆破振動監(jiān)測，依據(jù)監(jiān)測結(jié)果，視情況對爆破參數(shù)進行調(diào)整及優(yōu)化。

3.3 爆破振動監(jiān)測

為了驗證爆區(qū)周圍的建筑物不受到爆破振動的破壞，在離爆源最近的建筑物附近各布置3組測點，其中A1和A2為豬場附近測點，B1和B2為化工廠房附近測點，C1和C2為水泥廠生產(chǎn)車間附近測點。爆破振動監(jiān)測采用加拿大Instantel公司生產(chǎn)的Blastmate III型振動檢測儀對本次爆破作業(yè)進行實時監(jiān)測。各測點的監(jiān)測結(jié)果如表4所示。

表4 爆破振動監(jiān)測結(jié)果

由于《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[10]規(guī)定對于一般民用建筑物，主振頻率在10～50 Hz內(nèi)的安全允許振速為2.0～2.5 cm/s，由表4可知此次爆破作業(yè)，爆破振動都在安全控制范圍內(nèi)，不會對周圍建筑物造成較大影響。

3.4 沖擊波安全設(shè)計及粉塵預(yù)防措施

本工程爆破采用松動爆破，露天爆破時由于炸藥能量消耗于破碎和拋投巖塊，因而只有一部分轉(zhuǎn)化為空氣沖擊波，爆破作業(yè)首先考慮的是個別飛散物和地震波安全允許距離，爆破區(qū)域上方較為空曠，進一步減小了沖擊波的產(chǎn)生，因此判斷爆破產(chǎn)生的沖擊波對人以及建筑物沒有較大的影響。

爆破粉塵也是作為爆破不可避免的重要危害之一，爆破現(xiàn)場的鉆孔作業(yè)、爆破破碎和沖擊波引起的地表粉塵都是產(chǎn)生粉塵危害的主要途徑。在針對粉塵的預(yù)防措施中，爆破過程中可以適當(dāng)加密孔網(wǎng)參數(shù)，且所有鉆孔均采取填塞爆破，在條件允許的情況下宜爆前灑水；作業(yè)人員在鑿巖工鉆孔時應(yīng)堅持戴口罩，鉆機應(yīng)配備收塵設(shè)備，避免作業(yè)工人吸入粉塵引起肺病。

4 結(jié)語

針對處于復(fù)雜環(huán)境下的深孔臺階爆破作業(yè)，采用三角式布孔松動爆破、連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)、排孔分別延時起爆等關(guān)鍵技術(shù)，能夠保證在有效開采的同時，爆破后巖石粒徑均勻，有利于機械二次破碎。優(yōu)化后的爆破參數(shù)現(xiàn)場可行性較高，能夠有效降低爆破振動對周邊重要建筑物的影響，減小個別爆破飛石的飛散距離。本次爆破施工方案在臺階爆破作業(yè)完成的同時，也做好了安全警戒工作和粉塵防護工作，此次爆破的圓滿成功能夠成為其他類似復(fù)雜環(huán)境下的爆破工程提供一定的參考和借鑒。