特殊条件下露天矿山非常规爆破技术及其应用

董志富 翟会超 刘银 黄耀春 李绍斌 孙长坤

摘要：针对某露天矿山局部区域因特殊条件不能开展常规炸药爆破方式进行采剥作业的问题，为保证露天采场采剥作业的持续性，参考、分析、比较国内外各类型矿山的非常规爆破方式，选取机械类、物化类破岩方式中的液压劈裂机+液压破碎锤、露天采矿机、鹰嘴型挖掘机和静态膨胀剂、液态惰性气体相变致裂技术等进行调研分析和现场试验。详细介绍了各类破岩方式的优缺点，并就其实际经济性与炸药爆破方式进行了对比。综合前期经济筛选、后期试验效果，结合现场实际岩性情况，可将液压劈裂机+液压破碎锤、鹰嘴型挖掘机、静态膨胀剂3种破岩方式进行有效组合。该类方法可在特殊条件下保证采剥作业的安全性，确保露天采场作业的持续性。

关键词：露天开采;非常规爆破;机械破岩;物化破岩;安全生产

中图分类号：TD854文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）08-0048-05doi：10.11792/hj20210810

引 言

爆破工程是露天采矿生产环节中最重要的工序之一，通过爆破作业将整体的矿岩进行破碎及松动，形成一定形状的爆堆，为后续的铲装作业提供作业条件。

非常规爆破在国内外市政工程、道路开挖、石材矿山及复杂环境的破岩工程中应用广泛，技术也较为成熟[1-3]。现阶段，露天采矿中，规模大、效率高、成本低的常规炸药爆破仍是主要的破岩方式。但是，常规炸药爆破破岩存在震动大、抛掷飞石、产生有毒气体、储存和运输危险系数较大等缺点。在实际施工过程中遇到特殊作业条件时研究如何将非常规爆破与常规爆破技术有效结合是开辟露天采矿及相关领域破岩方式的新思路[4-6]。国内外非常规爆破技术研究与应用取得了一定的进展，在一些特殊条件下发挥了它们的优越性，也在一定程度上取得了良好的社会效益[7-10]。

某露天矿山采场边帮方向布置有道路、工业场地，而且附近还有村落。因此，在这些特殊条件下，为保证该露天矿山的持续性生产，同时兼顾保护各类设施，需要寻求非常规爆破技术解决局部区域的破岩施工。本文对几种非常规爆破技术进行分析，结合现场应用总结出适合的破岩方式，取得了较好的效果。

1 工程概况

该露天矿山非常规爆破区域岩性为灰、灰白色厚层状灰质角砾岩，角砾成分主要为白云岩和白云质灰岩。砾石呈棱角状，钙质胶结，虽已固结成岩，但胶结程度较差，孔隙极发育。由于角砾间胶结较差，加之后期溶蚀改造，溶蚀裂隙、溶孔、孔隙极发育，局部发育小溶洞，特别是在与下伏第四系更新统蛇山组接触带中水平溶蚀裂隙极明显，整体呈碎裂似块状结构，扰动容易破碎。矿岩普氏硬度系数f=4～7，软化系数0.66～0.95，平均0.83，属于不易软化的半坚硬岩石，爆破难度属于难爆岩石。灰质角砾岩（见图1）下伏一薄层更新统蛇山组含砂砾黏土岩（见图2），岩性主要为杂色砂砾层、砂砾质黏土层、含砂砾质黏土层、黏土层， f=0.3～0.4，软化系数0.19～0.28，平均0.21，属于极易软化的极软弱岩石，不需要爆破。

2 非常规爆破技术

该露天矿山经过对该区域岩石性质情况的分析及国内相关设备、材料等的调研考察，初步拟对机械类的液压劈裂机+液压破碎锤、露天采矿机、鹰嘴型挖掘机，物化类的静态膨胀剂、液态惰性气体相变致裂技术进行适应性分析。先期根据致裂特点及对岩石的要求对操作性强的各类方法分别进行试验，通过试验总结最为合适的技术措施进行施工。

2.1 机械类破岩方式

2.1.1 液压劈裂机+液压破碎锤

经调研，液压劈裂机在国内广泛应用于石材开采，其具有操作简单、安全性高、环保经济等优点。液压劈裂机破岩过程：根据岩石硬度、自由面、破岩块度及破岩方向等条件，用钻机施工劈裂孔;后将楔形压头侵入岩石，加压破碎岩石。液压劈裂机主要是利用岩石的抗拉强度比抗压强度小的原理进行设计制造[3]（见图3）。

由于液压劈裂机孔排距、裂隙发育方向等一系列原因极易产生大块岩石无法直接进行下一工序——铲装运输工作，此时需要辅助液压破碎锤进行二次破碎，形成符合要求的岩块大小。液压劈裂机+

液压破碎锤工艺流程见图4。

在国内液压劈裂机生产厂商较多，应用也较成熟，设备采购价格较为合理;液压破碎锤为矿山已有设备无需二次采购，该组合破岩方式需再次投资的费用较少，较为符合矿山生产实际。

2.1.2 露天采矿机

露天采矿机在设备前端或后端装备高强度的切削轮齿，无需钻孔和爆破（适用于各种需要避免爆破的作业区域），切削深度达500 mm，可实现连续不間断作业，切割后的岩石可通过其他装载设备转入卡车运走。国内部分露天煤矿引进该设备，取得了较好的应用效果。露天采矿机破岩方式见图5。

露天采矿机的优点[9-13]：

1）无需布孔、钻孔、爆破等工序，可适应较多不允许爆破的外部条件。

2）露天采矿机各工序持续施工，中间无等待环节，可实现无间断施工。

3）露天采矿机破碎岩石块度较小，可减少选矿厂破碎矿石成本，降低岩石运输过程中的风险和二次破碎岩石的几率。

4）基于露天采矿机对岩石的切削原理，可以提高露天边坡岩石的稳定性，最终可促使边坡角提高。

露天采矿机的缺点：

1）露天采矿机一次性采购成本较高，T16SM型露天采矿机销售价格2 900万元，极大地增加了前期投资成本及投资风险。

2）相较于大规模爆破，露天采矿机效率较低。

考虑到此次进行非常规爆破方式的破岩区域较小，破岩量控制在200万m3以内，不适宜较大投资，故在分析阶段淘汰露天采矿机。

2.1.3 鹰嘴型挖掘机

鹰嘴型挖掘机是一种在原有挖掘机上进行鹰嘴臂与铲斗更换的破岩设备，更换后可直接进行岩石破碎工作，鹰嘴臂投资成本较小，风险较低。鹰嘴型挖掘机的破岩能力足够强劲，除个别坚硬孤石外均可破碎;可连续作业，作业效率可达2 000～4 000 m3/d;适应各类地形，可减少施工前准备工作，增加单班有效工作时间;破碎岩块块度较为均匀，可直接进行铲装运输作业，各工序连续性较强。鹰嘴型挖掘机破岩方式见图6。

鹰嘴型挖掘机的作业范围较小，要实现足够的工作量需要多台鹰嘴型挖掘机同时施工;单台鹰嘴型挖掘机施工时，不能满足后续铲装运输作业的饱和度;个别较为坚硬孤石需借助液压破碎锤，影响作业的连续性。

经过现场试验分析，鹰嘴型挖掘机较为符合此次非爆方式破岩的选择，投资较小，工作效率也符合要求，可配合其他方式同步进行。

2.2 物化类破岩方式

2.2.1 静态膨胀剂破碎法

静态膨胀剂一般以生石灰为主要成分，利用水合反应放热，生成物为氢氧化钙，体积发生膨胀，依靠孔内产生膨胀压力破碎岩石或混凝土。根据试验结果：静态膨胀剂膨胀产生的压力为30～40 MPa，对于一般软岩及混凝土破裂所需的10～20 MPa完全可以达到要求。该破岩方式效果见图7。

静态膨胀剂破碎法优点：

1）静态膨胀剂是一种非爆炸性的无公害破碎剂，反应过程是一个物理过程，不属于易燃易爆危险品，安全性相对较高。

2）破碎过程无飞石、无震动、无噪声、无粉尘和有毒气体，并且工序操作简单，膨胀剂携带运输安全。

3）膨胀剂原料来源较广，可自行制备，价格较便宜。

4）操作简便，无需特种作业人员，作业连续性较好。

静态膨胀剂破碎法缺点：

1）由于静态膨胀剂的破碎效率低，开裂发生时间较长（一般10 h以上），工作效率低，因此应用范围有限。

2）施工过程受气候影响较大，破岩效率较低。

3）由于要发挥静态膨胀剂的最大性能，需要保持炮孔直径为80～90 mm、孔深较浅，减小孔网参数，极大地增加钻孔工作量，大大降低钻机钻孔效率，穿孔成本成倍增加。

4）静态膨胀剂劈裂岩石部分块度太大需要二次破碎，增加工作量。

静态膨胀剂的使用可以大面积同时进行破岩，且原料成本较低，可作为机械破岩的前序作业，提高机械破岩的效率。

2.2.2 液态惰性气体相变致裂技术

液态惰性气体相变致裂技术属于物理致裂技术，具有致裂过程无火花外露、致裂威力大、无需验炮、操作简便等优点，且不属于民爆产品，被广泛应用于采煤、清堵、建筑物拆除。

液態惰性气体相变致裂属于物理致裂过程，通过化学加热液态惰性气体，使其压力剧增至400～480 MPa，高压液态惰性气体迅速转化为气态，体积膨胀600多倍，瞬间冲破剪切片对岩壁作功，对岩石进行致裂，致裂后即可进人，实现连续作业。液态惰性气体相变致裂装备结构见图8。

国内外该技术应用较为成熟，国内相应致裂器的生产厂商较多。液态惰性气体相变致裂器虽然操作简单，但存在安全隐患，需要专业人员操作;其次对不同性质岩石的施工标准缺乏经验总结，施工步骤较为繁琐，致裂器成本较高，部分配件不可重复使用。

经过试验（二氧化碳）成本较高，致裂效果不如液压劈裂机等其他工艺，所以此次未采用该项技术措施。

3 试验应用

该露天矿山根据自身实际情况及投资成本等方面测算，先期排除露天采矿机等投资成本较大的破岩设备，同时也对其他非常规爆破技术各方面的成本及优缺点做了详细调查。

1）邀请高校研究团队对液态惰性气体相变致裂技术进行了可行性试验，但由于其作业条件苛刻，配件耗损较大，成本较高，达到普通破岩成本的6～8倍且效率较低。因此，液态惰性气体相变致裂技术适合施工精度要求较高，规模较小的破岩工程，不适合此次露天开采的破岩工程。

2）液压破碎锤属于矿山二次破碎常用机械，机械使用较为熟悉、灵活性好且无需增加投资，可作为此次破岩的选择之一。

3）鹰嘴型挖掘机通过现有挖掘机的前端机械更改即可，矿山各类挖掘机数量充足，投资成本较低且参照类似露天矿山使用效果较好，该方法也可作为破岩方式之一。

4）经调研，液压劈裂机及静态膨胀剂在岩石完整性较好时效果较好，此次也作为备选措施进行现场应用。

现场各项备选的施工措施按照标高、平面进行岩性区分施工，由于区域岩性变化较大，现场施工参照实际岩性决定具体的破岩方式。各类岩性破岩方式流程见图9。

矿山对以上几类不同的非常规爆破方式进行各区域的现场应用，各类方法的试验效果各不相同，施工成本较原有的爆破方式成倍提高。几类非常规爆破方式对比见表1。

根据现场工程试验的情况：矿山此次的非常规爆破区域拟采用的技术措施为液压劈裂机+液压破碎锤、鹰嘴型挖掘机、静态膨胀剂破碎法3种。采用非常规爆破方式进行露天剥离因规模小、设备不匹配等因素现阶段不同程度降低经济效益和效率。但在特殊条件下非常规爆破技术可发挥其独特的优越性，解决较多的问题。例如：当施工区域离建（构）筑物较近时，为确保其安全及减少因爆破引起的纠纷，该类方法就起到了较好的作用。在爆破震动、爆破飞石、有毒有害气体的控制方面非常规爆破也有着较为突出的优点，解决了露天开采周围环境问题，改善了人员、设备作业环境。非常规爆破方式相对常规炸药爆破方式来说，对露天整体边帮岩石破坏较小，边坡岩石完整性较好，有利于边坡稳定并可适当提高最终边帮角，长期远景理想可以减小剥采比，实现较为可观的经济效益。

通过对试验结果及工艺流程的优化分析，可以将3种技术措施根据岩性的不同进行合理结合，不仅节约了成本，也提高了破岩效率。

4 结 论

1）非常规爆破破岩方式比常规炸药爆破破岩更安全、更环保，但根据现阶段设备及工艺发展情况，其未得到较为广泛的推广，成本比炸药爆破高出数倍也是制约其发展的关键因素。

2）在处理特殊情况施工破岩时，几类非常规爆破施工方式有各自优点，从成本比较来说，机械类成本普遍低于物化类，且操作较为简单，效率也相对较高，在没有其他外界影响因素时，机械类更为适合。

3）處理局部非常规爆破区域时，根据岩性不同将几类技术措施合理的结合，可有效节约成本，提高效率，是值得推广的技术方案。

[参 考 文 献]

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Unconventional blasting technology in open-pit mines

under special conditions and its application

Dong Zhifu1，Zhai Huichao1，Liu Yin2，Huang Yaochun2，Li Shaobin2，Sun Changkun1

（1.Yunnan Gold Mining Group Co.，Ltd.; 2.Heqing Beiya Mining Co.，Ltd.）

Abstract：Due to special conditions in the local region of an open-pit stope，mining and stripping operation can not be carried out with conventional blasting methods.In order to ensure the continuity of the mining and stripping operation in the open stope，the mechanical and physical-chemical rock breaking methods，such as hydraulic splitter+hydraulic hammer，open-pit stopper，eagle beak shaped excavator and static swelling agent，liquid state inert gas phase change cracking technology，are selected through the reference，analysis and comparison of the unconventional blasting methods of various mines at home and abroad.The advantages and disadvantages of all kinds of rock breaking methods are introduced in detail，and the actual economy and explosive blasting methods are compared.Based on the economic screening in the early stage and the experimental results in the later stage，as well as the actual site lithology，3 rock breaking methods including hydraulic splitter+hydraulic hammer，eagle beak shaped excavator and static swelling agent can be combined in an effective way.This kind of method can guarantee the safety of mining and stripping operation under special conditions and ensure the continuity of open-pit stope operation.

Keywords：open-pit mining;unconventional blasting;mechanical rock breaking;physical-chemical rock breaking;safe production