南芬露天矿382岩石站附近控制爆破技术

张 军,高毓山,何运华,韩延清

(1.鞍钢集团本钢矿业公司,辽宁 本溪 117014;2.辽宁科技学院 教务处,辽宁 本溪117004)

1 背景

按照设计要求,南芬露天铁矿382岩石运输站及配套系统应于2014年拆除,由310岩石站接替后续岩石运输任务。由于2014年、2015年钢铁行业整体形势低迷,使得310岩石站未能按期运行。如果拆除382岩石站,使用310岩石站进行运输,将会导致以下几个问题:一是短期内剥岩量增大,运距大幅增加,扩帮岩石流向将发生根本性变化,岩石重车下坡极不安全,将影响矿山的生产安全,易造成设备的财产损失和危及作业人员生命安全;二是扩帮剥岩的持续滞后导致采矿量下降,供应本钢集团的矿石量减少,直接影响本钢集团后续钢铁生产和正常生产经营秩序;三是短期内要购买大量运输设备,铺设运输线路,需要投入大量资金;四是382岩石站附近布置了许多临时运输线路,如果拆除,短期内整个矿山的正常生产秩序将受到影响,生产管理可能失控。为此,公司决定在充分评估382岩石站的健康状态下,采用系列控制爆破技术,在保证382岩石站安全的前提下进行采矿爆破。

2 矿山开采困境

382岩石站每年承担着1 800万吨的运输业务,占总运输量的15%以上。作为南芬露天矿的主要运输通道,382岩石站包括地上部分和地下两个部分。地上建筑部分主要包括集控室、办公楼、卸料站、水泵房等;地下部分主要包括竖井、平硐、斜井、破碎机及胶带运输机等,如图1所示。

(a)地上建筑 (b)地下部分

矿山组织岩土、结构、机械方面的专家现场踏勘,查看了382岩石站的构建筑物及设备设施,结合历史爆破振动检测数据,确定出382岩石站的排岩硐室的振动速度安全限值为15 cm/s,地表构建筑物及设备的振动速度安全限值为2 cm/s,最终边坡的振动速度安全限值为5 cm/s,依据《爆破安全规程 GB6722-2014》规定的安全阈值,以上检测指标均在规程中的低限值以内[1],符合规程要求。

为减少矿岩压占,尽可能地开挖382岩石站附近的岩体,实施爆破作业将遇到以下困难:(1)382岩石站与开挖岩体之间的距离太近。有的爆区与382岩石站的建筑物间距只有几米,由于距离过近,使得对于爆破振动及飞石的控制存在困难;(2)实施爆破的规模和数量较大。实施大规模爆破,确保了生产的连续性,单次爆破方量至少应达到2万m3;(3)钻孔直径的选择受限。因计划使用现有的矿山设备,不额外购置设备,这也意味着钻孔直径只能在310 mm、250 mm、200 mm中选择。

通过文献搜索和国内调研,尚未发现国内外矿山采矿过程中出现此类难题,国外尤其是发达国家的矿山,安全审查严格,不会出现因为经济原因导致运输巷道超期服役问题,更不会出现为了生产连续性,以减少安全距离为代价的爆破作业情况。在城镇居民生活情况复杂环境下,涉及爆破的基坑开挖、地铁隧道或管廊掘进中,为有效地控制爆破振动和飞石的产生,一般采用孔径为直径42 mm～45 mm,孔深在3 m以内的小孔径浅孔技术。但对于部分振动要求非常严格的部位,为了有效减少爆破振动的叠加,需要采用电子雷管网络,但它造价昂贵,不适用于矿山的大规模的生产爆破作业[2-3]。为此矿山爆破必须另辟蹊径,同时解决安全与效率问题[4-5]。

3 降震分析与对策

根据利文斯顿(Livingston C.W.)爆破漏斗理论,在矿岩爆破破碎过程中,炸药起爆后传递给炮孔围岩的能量主要消耗于岩石的破碎、抛掷及地震波传播等,大体可由式(1)表示为[6-7]:

Ee=Eb+Ev+Es+E0

(1)

式中,Ee为炸药总的化学能;Eb为矿岩断裂破碎的能量;Ev为抛掷矿岩的能量;Es为矿岩中的地震波能量;E0为逸散损失的能量,如热能、噪声等。

在矿山生产中,矿岩断裂破碎能量Eb的利用情况可以有效反映爆破效果,抛掷矿岩能量Ev的合理控制也有助于爆堆的堆积,两者属于有效能量;地震波能量Es和逸散损失能量E0会导致环境的有害效应,属于无用能量。当炸药释放的总能量一定时,由于不同形式能量之间的相互转化,若采取措施适当增加矿岩断裂破碎能量Eb和抛掷矿岩能量Ev的占比,提高炸药能量利用率,即可降低矿岩中的地震波能量Es,从而实现控制振动的目的。

参阅以往的相关研究[8-10],合理减小抵抗线,有利于降低矿岩的夹制作用,增强抵抗线方向处矿岩的破碎和抛掷效果,同时炸药能量也能够迅速释放,使得爆区后方振动效应减弱;合理增大装药不耦合系数,有利于缓冲炮孔孔壁上的冲击波压力,削弱围岩的振动强度,虽然爆炸生成气体的静压作用时间有所延长,但地震波能量并不受气体静压的影响,反而围岩的破碎效果得以提升。除此之外,对于群孔爆破,起爆延时和顺序的合理设计也可以有效调整地震波能量在不同频率和不同方向上的分布情况[11]。

结合南芬露天矿山实际情况,在382岩石站附近进行爆破作业时,具体振动控制对策主要包括:

(1)遵循由远及近,从上到下的爆破顺序,实时进行382岩石站的振动监测,摸清爆破振动传播规律,在爆破设计阶段根据预设关注点的振动速度进行设计。

(2)采用逐孔起爆网路,通过减少单段的装药量,将382岩石站附近的台阶高度从18 m和12 m,降低至台阶高度为6 m。

(3)改变岩石的运动方向,为有效减小382岩石站周围的振动能量的波动范围,需要调整爆破网路。

(4)调整装药结构,为减小底部平硐的振动,需要在炮孔的底部放置空气间隔器。

4 大孔径低扰动控制爆破集成技术

4.1 低台阶爆破参数

在382岩石站周边及爆破条件较差的爆区,如台阶高度为6 m的382-376、376-370台阶,一般采用小台阶深孔爆破。经过了反复多次的现场爆破试验,确定出最佳的炮孔炸药配比,采用多孔粒状炸药及乳化炸药混合装药方式,可使爆破效果达到最佳[12]。爆破岩体性质及爆破参数,如表1所示。

表1 爆破岩体性质及爆破参数

4.2 爆破网路

爆破网络采用逐孔起爆网路,全部采用高精度非电导爆管雷管。为避免爆破振动的叠加,在23 ms时间内,控制起爆的孔数在两个孔以内[12]。爆破网络参数,如表2所示,起爆网络如图2。

表2 爆破网络

图2 岩石位移等时线

4.3 装药结构

当爆区处于运输巷道上方时,为避免爆破振动能量向下部巷道传递,在研究借鉴国内外的相关研究的基础上,在炮孔底部采用空气间隔器作为缓冲材料。在不影响爆破效果的前提下,采用底部缓冲的装药结构,可有效削弱爆破振动10%～20%,未出现方案实施前所担心的根底及大块问题,且直接成本还得到了降低。

4.4 飞石及滚石的预防措施

为了有效地降低382水平垂直空间上及第一爆区所产生的飞石、爆破堆的边角掩埋岩石站地表构筑物和设施等风险,可采取的有效措施如下:

(1)控制岩石的运动方向。

(2)降低飞石的移动速度,使其运动位移得到控制[12]。具体预防措施,如表3所示。

表3 预防措施

另外,在394-382平台进行压渣爆破时,加强前排炮孔抵抗线的测量,对382岩石站的建筑物门窗等薄弱部位,应采取覆盖防护措施,以防万一。

采取就地取材的机械筑坝方式,在爆破时防止滚石破坏,并朝向爆区一侧(如图3)。

图3 382水平以上爆区前部处理措施

4.5 振动监测及数值模拟

振动监测伴随着382岩石站附近的所有爆破,在建筑或构筑物所在的场地上布置传感器,并建立数值模型,有效解决了地下硐室的围岩不便于监测的问题。在爆破前,可以通过数值模型来对硐室围岩的安全性进行检验[13-14]。

通过数值计算对边坡安全和硐室井壁安全进行了分析,硐室上方的位移变化平缓。当井壁拐点或尖点处应力集中,围岩承载力变弱,对矿区边坡和硐室安全影响较大时,应加强防护。计算结果显示,硐室井壁监测点的振动速度小于规定数值,符合安全要求。数值模拟参数,如表4所示。

表4 数值模拟

5 结语

6年来,通过实际现场应用爆破实施过程中,周边的重要建筑物、构筑物及设施均安全,所有设备运转正常,爆破振动及飞石等危害得到了有效控制。在保留岩石站附件平盘的同时,使得下方保证了最大限度地开采,确保了矿山的正常生产。排土运输采用皮带运输比汽车运输方式缩短了运距的同时,还大大减低了运输成本,经济效益可达1.31亿元,经济效益显著。

文中列举的成套的低扰动控制爆破技术对于国内外露天矿山和其他爆破工程具有一定的参考价值。