大孔径深孔控制爆破技术在露天矿边坡工程中的应用

苟 强

（广元海螺水泥有限责任公司，四川 广元 628000）

随着我国经济社会的不断发展，越来越多的基础设施投入建设，各类建筑材料的需求也随之增加，因而各水泥矿山企业纷纷提高产量以满足日益增大的水泥需求量[1-2]。而随着矿山产量的增大，爆破作业强度和爆破次数均随之增加，爆炸作业环境也越来越复杂，爆破有害效应所引起的民事诉讼及纠纷也日益增多，对矿山的正常生产秩序造成了严重的影响[3-5]；其中，尤以边坡爆破滚石事故最为突出，由于此类事故会对边坡下方的建筑和山林农作物产生极大破坏作用，造成巨大的经济损失，因此，必须采取有效的安全技术措施，满足矿山的安全生产需要。

在露天矿山边坡开采过程中，传统的小孔径浅孔爆破技术由于施工进度慢往往满足不了生产要求，容易造成压矿现象，导致矿山三量失衡，进而影响生产经营状况及矿山的可持续发展。因此，为了减少爆破次数，加快施工进度并提高爆破效率，大孔径深孔爆破控制技术在边坡开采中的应用日益广泛。然而，工程实践表明，该技术在生产过程中难以有效控制爆破滚石事故。

1 工程概况

1）工程地质概况。四川广元五栗子石灰岩矿山位处龙门山褶断束北东部雁门凹褶束北东之明月峡背斜东段赖家垭背斜，该背斜贯穿全矿区，矿区地势呈北东高南西低特征，为中山深切割构造侵蚀山地。矿区内部无断层，岩溶不发育，矿层内部有炭质页岩等软弱夹层，地质构造及工程、水文地质条件简单～中等复杂。

2）矿山边坡概况。矿山整个边坡沿东西走向布置，采准工作面长度达3.1 km，其中南侧边坡长度1.8 km，边坡高度15 m，平均坡度75°，局部坡度大于80°，北侧边坡长1.3 km，边坡高度15 m，平均坡度55°，局部坡度大于70°。整个矿山除东北方向爆破条件较好，其余方向均复杂，边坡地段原始地貌突出，岩石陡峭不规整，存在较多孤石、土包石，爆破极易产生滚石下山。

3）爆区环境概况。边坡地段除地质地形复杂外，周边的环境也极其复杂，其中南侧边坡距开采平面-30 m 位置为征地界，距征地界-300 m 位置为B村山林农作物。北侧边坡距开采平面-135 m 位置为征地界，距征地界-650 m 位置为C 村山林农作物，-650 m 位置为108 国道。整个矿山边坡长达3.1 km，并随着开采深度的延伸，边坡长度不断增大，矿山边坡爆破安全环境复杂，爆区环境示意图如图1。

图1 爆破环境示意图

2 基于大孔径深孔爆破的边坡爆破滚石控制技术

2.1 技术简介

边坡爆破滚石控制主要包括2 个方面：一是主动防护；二是被动防护。主动防护指采取措施阻止滚石潜在的失稳，从滚石的起源上控制滚石危害的发生，如加固法和消除法。被动防护则指允许滚石的发生，但采取相应控制措施避免滚石造成危害，如拦截法和警示与监测法[6]等，由于矿山特有高陡地质结构，工程机械设备无法开挖防护沟，因此不对该被动防护措施描述。基于此，提出基于大孔径深孔爆破的边坡爆破滚石控制技术，即根据炸药临界埋深和最小抵抗线控制炸药爆炸能量，使其既能充分破碎岩石又不会让滚石产生起源动能。该技术通过研究应用，可有效消除边坡爆破滚石的潜在失稳，同时通过设置外围警戒被动防护措施避免爆破滚石可能造成的危害，进而有效控制边坡爆破滚石事故发生。

其主要具有如下特点[7-9]：①炮孔深度较大：爆区地质、地形、岩石构造及节理裂隙、岩溶发育情况不易查明，爆破方案设计有一定困难；②岩石强度变化较大:炸药单耗的取值也要随着变化。若炸药单耗取值过低，强度较高的基岩会达不到预期爆破效果，若炸药单耗取值过高，爆破扰动区则会出现大量滚石或飞石；③最小抵抗线变化较大，较难掌握：由于炮孔处在边坡位置，炮孔四周的岩石强度因风化、薄弱带、爆破扰动等原因发生变化，炮孔的最小抵抗线则会改变原来设计的位置，指向岩石强度最小的方向，而产生滚石。

2.2 爆破参数设计

边坡爆破炮孔布置示意图如图2。

图2 边坡爆破炮孔布置示意图

矿山边坡穿孔设备采用液压潜孔钻机，型号为DM50，钻孔孔径φ140 mm，钻孔类型为垂直孔。

根据爆破设计相关资料[10]，炮孔深度按如式（1）计算：

式中：H 为台阶高度，m；h 为钻孔超深，m。

可由经验公式进行选取，即h=（0.10～0.14）H。

根据设计资料，台阶高度H=4～15 m，代入计算得h=0.5～2.0 m，钻孔深度较大时取大值，钻孔深度较小时取小值。软岩取小值，硬岩取大值。

前排炮孔最小抵抗线W1=2.5～4.0,第1～第2 排间炮孔最小抵抗线W1～2=2.5～4.0,第2～第3 排间炮孔最小抵抗线W2～3=3.0～5.0 m。抵抗线公式如下：

式中：W1为前排最小抵抗线，m；W1～2为第1～第2 排间炮孔最小抵抗线，m；W2～3为第2～第3 排间炮孔最小抵抗线，m；L 为钻孔深度，m。

最后1 排正向村庄的炮孔的最小抵抗线是控制边坡滚石的关键，为此，炮孔的最小抵抗线根据利文斯顿爆破漏斗理论实验数据进行选取，即当岩性和药量一定的条件下，随着药包埋深的变化，爆破能量的作用效果相应地变化，在此，岩石弹性、冲击变形和破坏阶段有关参数获得对工程有很重要意义[11-12]。爆破漏斗试验采用本矿爆破所使用的2#岩石乳化炸药，药卷直径为90 mm，单卷长度为33 cm，药卷重量为3.0 kg/卷，爆破采用普通毫秒雷管逐孔起爆。根据利文斯顿爆破试验测得的数据见表1。

表1 单孔爆破漏斗试验数据测定表

式中：W0为末排炮孔最小抵抗线，即临界埋深，m；Eb为应变能系数；Q 为单孔药量，kg。

将表1 中的的试验数据代入式（5）可得本次试验条件下的主要技术参数，即W0=2.0 m，（这里W0即为临界埋深）应变能系数Eb=1.386722。

根据试验求Eb，即可求得边坡爆破实际用药量所能达到的爆破效果，及可指导判断每孔爆破最小抵抗线，确保岩爆发生松动，不产生爆破滚石。根据爆破设计参数，矿山边坡爆破最后1 排孔单孔装药量Q=11～132 kg，将其的反代入式（5）即可得到末排炮孔最小低抗线W0=3.1～7.1 m。具体每孔最小抵抗线确认根据装药量和现场地质实际情况稍作调整。

根据经验数据，炮孔孔距a=3～6 m。炮孔孔距按式（6）进行计算：

边坡爆破炮孔的排距取值采取比最小抵抗线小原则，增强自由面抛掷效果，减小后冲、侧冲，避免后方抛掷。因此，炮孔排距b 按式（7）进行计算：

式中：W 为最小抵抗线，m。

由于这类炮孔地质条件复杂，爆破可控度大大降低，因此，炸药单耗的合理选取是控制滚石的关键，炸药单耗q=0.34～0.45 kg/m3。一般边坡台阶爆破的单耗q 按式（8）进行计算。

式中：Q 为单孔药量，kg。

大量实践表明该炸药单耗既可以使岩石充分破碎达到理想爆破效果，又不会让滚石产生足够起源动能，避免了爆破滚石产生。因此，在确定了岩石炸药单耗情况下，爆破设计时就可以根据边坡台阶高度计算出每孔最佳填装炸药量，每孔最佳填装炸药量具体需根据现场地质条件进行设计。

每孔最佳填装炸药量QH采式（9）进行计算：

爆破警戒是整个爆破安全管理特别重要环节，因此必须高度重视严格把关，本矿山边坡爆破重点做好B 村及C 村方向外围警戒工作，外围警戒组由3 人组成，携带扩音器及通信设备，沿山间小道步行下山，对500 m 范围安全距离内人员、牲畜进行清理并将两头路口封堵，禁止任何人员、设备进入警戒区内。待起爆后确认安全无误后方可解除警戒。

3 现场应用

本次共在3 个地点进行现场应用，分别是1035平台S4 边坡、1035 平台S5 边坡、1020 平台S2 边坡，各平台边坡爆破情况如下：

1）1035 平台S4 边坡。采用深孔爆破，爆破参数为：①钻孔孔径φ140 mm；②炮孔孔距a=4.0 m；③最小抵抗线W=5.6～7.1 m；④钻孔深度L=12～17 m；⑤炸药单耗q=0.41 kg/m3。钻孔碎屑炮孔堵塞，采用非电逐孔起爆，爆破效果为抛掷明显，沉降3～4 m，后排松动，眉线清晰，无滚石，明显可见大块，改进方案为后排孔堵塞位置加设小药包，降低大块率，改进效果为爆破效果好，无滚石飞石，大块率明显降低。

2）1035 平台S5 边坡。采用深孔爆破，爆破参数为：①钻孔孔径φ140 mm；②炮孔孔距a=3.0 m；③最小抵抗线W=3.1～3.9 m；④钻孔深度L=4～6 m；⑤炸药单耗q=0.34 kg/m3，钻孔碎屑炮孔堵塞，采用非电逐孔起爆，改进后爆破效果为爆堆松动，隆起0.3～0.5 m，无滚石产生。

3）1020 平台S2 边坡。采用深孔爆破，爆破参数为：①钻孔孔径φ140 mm；②炮孔孔距a=4.0 m；最小抵抗线W=5.6～6.6 m；④钻孔深度L=10～15 m；⑤炸药单耗q=0.39 kg/m3，钻孔碎屑炮孔堵塞，采用非电逐孔起爆，爆破效果为抛掷明显，沉降2～3 m，后排松动，眉线清晰，无滚石，改进方案为后排边坡外侧最小抵抗线位置增加穿孔，a=2～3 m，L=3～4 m，改进后爆破效果为爆破效果好，无滚石，无飞石，爆破次数减少，边坡处理进度加快。

可以看出，采用基于大孔径深孔爆破的边坡爆破滚石控制技术后，爆破作业次数有所下降，岩石大块率明显降低，且爆破过程中基本无滚石和飞石等爆破有害效应，表明该技术能够有效改善爆破效果、提高爆后边坡处理进度、并能有效控制边坡爆破滚石事故。

4 结语

介绍了大孔径深孔控制爆破技术在边坡开采中的应用，正确处理了复杂环境爆破作业过程中炸药量与最小抵抗线的关系，使得岩爆发生松动，没有足够能量产生滚石。同时通过不断总结施工经验，摸索出的“爆破规模控制+小孔网参数+临近边坡倒数2排孔装药量控制+逐孔起爆技术+外围警戒”控制措施满足了爆破滚石控制的安全技术要求，有效防范了边坡爆破滚石的产生，矿山边坡爆破工作可以高效有序开展，保证了矿山的可持续发展。