西藏驱龙铜多金属矿项目冻土层爆破及剥离技术研究

翟 翔 超， 陶 体 盛， 李 洪 豪， 龚 山 琳

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

驱龙矿区位于西藏自治区墨竹工卡县西南约20 km处，矿区属墨竹工卡县甲玛乡和达孜县章多乡管辖。矿区位于青藏高原冈底斯山脉东段与念青唐古拉山脉结合部位，地势险峻，切割强烈，矿区海拔5 050～5 512.2 m。矿区东西长2 590 m，南北宽1 810 m，沿矿区公路北行约28 km至318国道，向西行61 km至拉萨市，向东行6.5 km至墨竹工卡县，矿区属于温带高原半干旱季风气候，昼夜温差悬殊，空气稀薄，日照充足，干湿季节明显，夏季温和湿润，冬季寒冷干燥，昼夜温差较大，根据实际数据统计，矿区昼夜温差统计情况见表1。

表1 驱龙铜多金属矿昼夜温差统计表

矿区表面多数为高山草甸覆盖，表面风化层或碎石堆积层厚度为0.5～10 m不等。由于在每年9月至次年2月昼夜温差较大，使其基岩以上的松散岩层形成厚度不等的冻土层，3至5月冻土层逐渐融化，6至8月冻土层逐渐消融。

2 原状冻土层具有的特点及难点

2.1 冻土层的特点

冻土层的形成有两种方式：其一，高山草甸对土壤的保水性在低温的影响下形成了土壤冻土层，为原状冻土层；其二，松散碎石覆盖一定厚度的冰雪，白天气温高，冰雪融化渗入碎石缝隙，夜间温度下降后凝结成冰，将碎石凝结成整体，形成碎石冻土层，一般为岩石爆破后没有及时进行剥离，在冰雪融水和气温的影响下形成的。

冻土由固体矿物颗粒、黏塑性包裹体、未冻水以及气体包裹体组成的复杂四相体,在常态下具有一定的硬度、韧性、孔隙度。其对钻削与冲击能量的吸收与岩土不同，随着含冰量与冻结程度的不同，其钻凿性质也在变化[1]。驱龙铜多金属矿冻土层厚度为0.6～2 m，海拔越高，其厚度越厚。冻土层的强度与温度有关，随着温度降低，强度增大，最后趋于稳定；其还与含水量有关，初始随着含水量的增大强度增大，增大到一定数值后，随着含水量的增大，强度减小并趋于纯冰的强度[2]。

2.2 冻土层的施工难点

(1)冻土层冻结后强度较大，难以采用挖掘设备直接剥离，必须采用爆破或其他技术进行处理才能达到良好的剥离效果；

(2)冻土层往往也是草甸及腐殖层，鉴于西藏环境脆弱，为保护矿区生态环境，需要采取专门措施保护原生植被；

(3)在冻土层进行穿孔作业时，大量的机械能通过摩擦转化为热能，造成冻土融化，形成泥浆团，恶化钻屑的形成及排出条件，降低钻孔效率甚至无法成孔[3]；

(4)冻土层的爆破需面对钻孔含水、温度低的问题，对爆破器材性能要求高；

(5)当冻土层下存在未冻结松散土层时，会削弱冲击波对冻土层的松动作用[4]，影响爆破效果，易形成“锅盖”，严重影响剥采进度；

(6)由于昼夜温差较大，爆破后的冻土受外热融化，夜间重新冻结，造成清理困难。

3 冻土层处理方案研究

针对以上面临的施工难点，结合有关研究资料，在现有的设备条件下，优化控制穿孔、爆破、剥离的生产工艺过程，以取得较好的生产效率及经济效益。

3.1 穿孔设计

驱龙铜多金属矿处理原状冻土层前进行了穿孔试验，采用潜孔钻机，孔径为115 mm，设计基本孔网参数为2 m×4 m，菱形布置，垂直钻孔，孔深为冻土层厚度。试验过程中由于钻头摩擦转化为热能，孔口返出的钻渣较为湿润，钻速为0.3 m/min，成孔率与钻孔时的气温有关，气温在5 ℃～-10 ℃时成孔率在72%～90.5%之间。根据有关文献描述，采用麻花钻的穿孔效果优于潜孔钻，而笔者仅仅根据现有的钻孔设备进行穿孔设计。钻头穿过冻土层出现了两种情况：其一，钻头钻穿冻土层后钻孔速率变慢，说明达到原状岩石表面，冻土层以下岩层比较完整，进行装药爆破时下部气密性良好；其二，钻穿冻土层后钻速突然加快，随即孔口出现不返渣、卡钻等现象，说明冻土层以下存在未受冻的松散土层，层下的松散土层将影响冻土层的爆破效果。进行穿孔爆破设计时临空面的设计对其爆破效果影响较大，利用爆破区域地势较低的一侧采用铲装设备处理后形成临空面以保证良好的爆破效果。由于冻土层厚度不同、冻土层下的地质条件不确定，钻孔时钻头穿过冻土层后立即停止向下钻进，并根据该孔孔底的地质状况进行标记，为穿爆施工后续工序做好准备。

3.2 爆破设计

3.2.1 爆破器材

驱龙铜多金属矿所采用的炸药为2#岩石乳化炸药和氨油炸药两种，由于受水的影响，冻土层爆破采用2#岩石乳化炸药进行爆破，该炸药在温度低于0 ℃时敏感度低，通过爆破试验，最终决定采用高爆起爆弹和高爆非电雷管起爆能取得良好的效果，使用导爆索、分段延时管等器材将爆破连接成网状进行爆破。

3.2.2 爆破参数

冻土层采用松动爆破，炸药单耗约为0.3～0.4 kg/m3，爆破后的块石长边直径小于1.2 m即满足铲装要求，根据装药位置不同，分为冻土层下爆破和层中爆破[5]，根据冻土层的实际赋存情况，灵活选取合适的爆破方式。

层下爆破是指将炸药装填于冻土层以下孔柱范围，使其产生向上的冲击波以达到松动的目的。试验证明：当冻土层厚度大于1 m或冻土层下存在未冻结的土层或松散土层，爆破同时产生向下的冲击波，削弱了爆破对冻土层产生的冲击力，爆破效果很差，故层下爆破适用于厚度为0.6～1 m之间且层下为坚硬岩石的原状冻土层的情况。根据爆破试验数据进行统计，其层下爆破参数见表2。

表2 冻土层下爆破参数统计表

当冻土层厚度大于1 m或冻土层厚度小于1 m，但层下存在松散土层时采用层中爆破，即将炸药装填于冻土层厚度范围内的孔柱进行爆破。层中爆破装药前应对爆破孔进行处理，爆破孔贯穿了整个冻土层厚度，需要采用细土料对其超深部分进行回填处理，以保证炸药装填于冻土层中间部位的孔柱内；其次，对于厚度小于1 m且层下存在松散土层爆破区域的孔网参数应进行适当的调整，以达到爆破的预期效果，其爆破参数见表3。

表3 冻土层中爆破参数统计表

3.3 剥离工艺流程优化

3.3.1 草甸及腐殖层的剥离

为保护矿区生态环境，矿区闭坑后要求对排土场、矿坑局部区域作复垦处理，要求对高山草甸及腐殖层土必须单独剥离并将其运至特定区域堆放待用。由于受昼夜温差的影响，白天气温较高时草甸及腐殖层土中所含的冰状物逐渐融化，是进行剥离的最佳时段，对冻土层平缓地段采用推土机集堆草甸和腐殖层土，对凹凸不平区域采用小型液压挖掘机进行剥离。鉴于腐殖层土的厚度不同以及受冰状物消融速率的限制，采用分层剥离的方式进行。

3.3.2 原状冻土层的剥离

原状冻土层爆破后，由于矿区昼夜温差大，爆破处理后的冻土含水率较高，在低温的影响下很快形成新的冻土，或者爆破后形成一定的空隙导致原冻土层下的松散土层形成冻土，故对爆破后的冻土层必须及时进行剥离。驱龙铜多金属矿项目的爆破施工一般在下午3点进行，而矿区气温较高的时段为中午12点至18点，为了及时对冻土层进行剥离，将冻土层爆破调整至中午12点左右进行。对于层下为坚硬基岩的冻土层须将其剥离至基岩表面；对于层下为松散土层的冻土层，应根据采剥标准台阶高度、松散土层厚度、设备生产效率等客观条件，对冻土层与松散土层同时进行剥离处理。

3.3.3 碎石冻土层处理方案研究

碎石冻土层是由于爆破施工后采剥不及时，在昼夜温差和冰雪融水影响下形成的冻土，该冻土层孔隙率大，采用松动爆破处理方法气密性欠佳且难以成孔，爆破效果甚微，固体颗粒之间的粘结力较小，厚度一般小于1 m，采用破碎锤处理后及时采剥处理或利用白天气温较高时段直接采用铲装设备进行剥离处理。

碎石冻土层的预防和处理需要注意以下几点：

(1)采剥生产计划的合理性。为保证露天矿连续性生产，穿爆作业必须提前进行，并保证一定的爆破余量；

(2)必须对矿区所在地气候变化规律有所了解，如不同时期昼夜温差的变化，根据气象预报和当地气候资料预测雨雪天气的到来时间和持续时间，采取小规模爆破、多次爆破的方式，减少爆渣的存储时间，保证生产的连续进行；

(3)采剥前，对爆渣表面的积雪进行及时清理或喷洒融雪剂，防止冰雪融水与碎石结合形成碎石冻土层。

4 结 语

高寒地带冻土层的爆破与采剥技术作为一项新的课题具有一定的研究价值，笔者仅从现有的设备配置、矿区的实际气候条件，结合大型露天矿山经验爆破参数进行了爆破试验，根据试验不断调整与爆破相关的参数、爆破器材和采剥工艺，从多方面不断总结和优化冻土层的爆破与采剥技术方案，达到了解决实际问题的目的。

在试验研究过程中，笔者针对原状冻土层，总结了一套“小规模爆破、及时剥离”的处理原则，根据冻土性质及产能适量爆破，及时剥离；针对碎石冻土层，采取合理安排采剥计划、喷洒融雪剂等措施，降低了冻土重新冻结造成的影响。实践表明：以上措施能够达到提高铲装效率、节约成本的目的，进而保证了项目生产的顺利进行。