不良地质条件下控制爆破技术在某露天矿山开采中的应用

万 佳

（安徽省地质矿产勘查局327地质队，安徽 合肥 230011）

1 工程概况

1.1 概述

随着矿山基础工程施工力度加大，石方开挖工程越来越多。当遇到坚硬矿石时，尤其是石方量大的工程，机械破除工期长成本高，而且噪声扰民时间长。采用控制爆破的方法进行作业，既经济又快速，满足城镇快速建设的需要。近十多年来，国内外露天深孔浅孔爆破和基础开挖工程中大量采用了逐孔起爆技术[1]。

安徽某露天矿山前期开拓爆破开挖石方约9.6万m3，爆破开采区域南北长约200m，东西宽约35m，主体爆破深度一般为12m～18m。由于爆破周边环境较复杂，故采用逐孔起爆等控制爆破方式进行施工。

1.2 周围环境

爆破周边环境较复杂：爆破开采区域南侧45m上方有一东西向10KV高压电线经过，西北向为村庄，200m范围内民房大量集中，最近的民房距离仅50m（后期需要拆迁，爆破时尚未完成搬迁），且位于爆破开采区域下方，具体见图：爆破周围环境平面示意图。

1.3 工程地质

爆破开采区域矿物特性主要为石灰岩，土夹石，软弱夹层较多，灰、肉红色，中～微风化，矿石较硬，块状、大块状，表层有溶蚀现象，部分有溶洞、裂隙。

图1 爆破周围环境平面示意图

2 爆破方案

工程难点：①该矿山开采工程爆破地质条件不良，隐含着节理、裂隙、断层、软弱夹层等结构面，在爆破前很难完全掌握矿体的每个细节。这些结构面与矿石相比属于薄弱部位，破碎时需要的炸药能量较小，而炸药在炮孔中布置很难顾及每个薄弱面的存在。因此，炸药在矿体中爆炸后，爆生气体会从这些薄弱部位首先冲出，夹带着个别碎块形成飞石；②工程量较大，爆破周边环境复杂，距离民房最近仅50m。所以如何控制爆破振动、爆破飞石和爆后边坡稳定是矿山开采要考虑的重要问题，其次要确保爆破后大块率控制在合理范围内以便于后续挖运作业。

由于采用传统的爆破方法，单段起爆药量大，爆破振动很难控制，势必会对周边民房造成一定危害。若减小爆破药量，就会增加爆破次数，这样不仅影响爆破开采进度，而且容易造成大块较多，爆破振动累加影响会对民房造成一定安全隐患。为控制爆破对高边坡稳定性的影响，临近设计边坡，采用缓冲爆破技术[2]，适当加密炮孔布置，减小炸药单耗，通过控制孔网参数和单孔装药量以及单段最大装药量，最大限度地减缓主炮孔爆破对边坡的影响。

故综合考虑采用露天深孔逐孔爆破的方式进行松动爆破，根据现场地质地形等条件确定从上而下，由北而南，分台阶进行开挖。

3 逐孔起爆的优点

（1）台阶爆破空间能量相互补偿原理[3]。在爆破时，第一个起爆炮孔为后爆的第二个炮孔最大限度地提供自由面，先爆炮孔将矿石迅速推出，为后爆炮孔提供足够多的自由面；使矿石在移动过程有足够的相互作用空间，后爆炮孔能量进一步推动先爆炮孔，增加矿物间相互碰撞作用，以后炮孔以此类推，从而改善了爆破破碎度及爆堆的松散度，大大地提高了铲装的工作效率。

（2）最小抵抗线原理[4]。逐孔起爆时第一排炮孔按设计好的最小抵抗线起爆，每个炮孔爆破前，前一炮孔与侧向的炮孔已经起爆并为该孔提供了最少三个自由面，减小后排炮孔的夹制作用，同时可以增加爆破后的应力波反射。

（3）有效减弱爆破振动。根据《爆破安全规程》[5]（GB6722-2014）中萨道夫斯基公式v=K（Q1/3/R）α可知，在一定的地质条件下，R、K、α都是一定的，所以要减小爆破振动，只能减小同时起爆药量，逐孔起爆正好利用了这个原理。

4 爆破参数设计

（1）孔径D：采用履带式潜孔钻机钻孔，孔径D为90mm。

（2）台阶高度H及超深h：由于开挖深度在12m～18m，采用分层爆破，台阶高度H为6m～9m，超深h为（0.1～0.15）H，取0.8m。

（3）最小抵抗线ω=（25～30）d，取2.5m。

（4）孔距a、排距b：孔距a=(1.0～1.5)ω、排距b=ω取孔距3m、排距2.5m，采用矩形布孔方式；对于邻近设计边坡的缓冲孔，其与主炮孔的间距取主炮孔间距的0.7倍。

（5）炸药单耗q及单孔装药量Q：根据本开采项目矿石结构特点及以往工程经验，炸药选用2#矿石乳化炸药，炸药单耗q取0.35kg/m3，单孔装药量Q=qabH。

计算得到不同深度的深孔爆破的单孔装药量等参数如表1：

表1 深孔爆破参数表

5 爆破网路设计

一般认为，孔间延时影响爆破区矿石的破碎块度，排间延时影响爆破区矿石的位移，在爆破区内矿石可分为孔间延时和排间延时，认为同排孔间最佳延时[6]在3ms/m～8ms/m、排间最佳延时在8ms/m～15ms/m内选择时，可达到较佳爆破效果。根据雷管种类和工程实际，本开采项目选用孔间间隔50ms（Ms3），排间间隔110ms（Ms5），孔内采用380ms（Ms10）。详见图2：起爆网路示意图。

图2 起爆网路示意图

6 爆破安全控制

6.1 爆破振动校核

根据萨道夫斯基公式计算质点的爆破振动速度：

式中：v为爆破安全允许质点振速，cm/s；Q为最大段别装药量，kg；R为爆源中心与保护目标的距离，m；k、α为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关系数和衰减指数。

本工程中Q=38kg，对中硬岩石取k=150、α=1.7、R=50m，经计算得v=1.57cm/s。露天深孔爆破f在10Hz～60Hz之间，对于一般民用建筑物，10Hz＜f≤50时，安全允许质点振动速度在2.0～2.5之间，所以本开采工程满足爆破振动安全要求。爆破前在爆破区域和保护房屋之间钻凿一定数量的减振炮孔（不装药），用于缓冲、释放爆破振动波的多余能量。同时为了避免不必要的纠纷，在每次爆破作业时进行了爆破振动监测。测得数据最大振速v=1.32cm/s。

6.2 爆破飞石控制

为防止爆破飞石对高压线和房屋的破坏，合理选择最小抵抗线方向，避开保护对象；钻孔时出现裂隙、溶洞时做好记录并标记，装药时改变装药结构，采用间隔装药等措施保证结构面对爆破的影响；保证良好的堵塞质量和合理的堵塞长度；离房屋较近时减小孔排距，加密炮孔多打孔少装药，适当增加堵塞长度，炮孔孔口采用土袋压实防护。

图3 爆破效果图

6.3 爆破滚石及边坡控制

在爆破时合理布置边界孔的抵抗线，采用逐孔起爆网路，可以减小爆堆宽度，有利于爆堆集中。对于边坡孔，预留0.3m左右的保护层，孔底采用空气间隔装药，最大限度地减少了主爆孔对边坡体的直接冲击和破坏，爆后形成的边坡面较平整，为边坡稳定创造了有利条件。

7 爆破效果

爆破采用分层开挖，上层进行5次爆破，下层进行6次爆破，每次炸药使用量约3000kg，完成石方爆破工程量约9.6万m3。采用逐孔起爆和缓冲爆破技术以及深浅孔结合并加以适当的施工技巧、防护措施，本次开采石方爆破取得了良好的爆破效果、按质按量完成了业主方的要求。爆破振动、飞石、滚石都得到了有效控制，对周边民房没有造成损害。爆破后，由于土夹石的存在，有部分大块，由于采用了深浅孔结合的布孔方式，最大化的利用破碎能量，并实现破碎能量的均衡分布，使爆破后的块度相对更均匀，改善了爆破效果，一定程度上减少了“软弱夹层”的地质构造顶部易产生大块的问题，少部分块度较大矿石辅助以机械破碎能将成本和进度控制在合理范围内，满足挖运要求。爆破后形成的边坡稳定，便于机械修整，爆破效果得到业主和周边群众一致好评。

8 结论

由于露天矿山开采作业时矿体爆破充分考虑了地形、地质条件的影响，通过合理的参数设计和防护措施，爆破振动、爆破飞石和滚石等有害效应都得到了有效控制，破碎矿体全部坍塌在安全允许范围以内；同时，临近设计边坡采用缓冲爆破技术，爆后形成了稳定的边坡。土夹石、裂隙、溶洞等软弱结构面的存在给爆破施工带来风险，从钻孔开始严格设计，精心施工，采取必要的防护措施可以安全高效地完成爆破作业。逐孔起爆技术在生产建设中发挥了日益重要的作用，呈现了良好的社会效益和经济效益。周围有重点建（构）筑物需要保护或对边坡稳定性要求较高的爆破开挖中可以考虑应用。采用综合措施可将爆破有害效应控制在安全允许范围内。