大型露天矿山边坡控制爆破与降振技术

黄克磊

(江西国泰集团江西铜业民爆矿服有限公司，江西 德兴 334200)

0 引言

随着我国对于绿色环保的日益重视，绿色矿山标准化基本全面推广，对于矿山安全与环保的要求越来越高。露天矿山开采过程中，边坡稳定性与安全是矿山安全生产关注的最重要问题之一。

对于边坡稳定性影响最大的因素之一就是日常矿山爆破。如何保证矿山正常生产的同时，又能保证矿山边坡的稳定，是学者们长期研究的课题。例如：吴礼军[1]等，通过爆破振动测试仪对矿山边坡建筑物的主振频率及质点振动速度进行采集，并对采集数据进行回归分析，得到该边坡爆破振动衰减规律，研究了回采时的爆破振动规律及边坡稳定性；杨琳[2]等，重点对岩墙深孔控制爆破技术进行研究，通过优化起爆网路解决了爆破进度与安全之间的矛盾，并对高边坡爆破振动随高程变化的规律提出了线性修正公式；刘连生[3]等，结合露天边坡爆破振动试验分析，利用正交经验模态分解方法对不同高程的边坡爆破振动信号频谱特征进行了研究，结果显示随着高程的增加，爆破振动信号的峰值瞬时能量表现为先增大后减小，在边坡出现高程放大效应处达到最大；吴新霞[4]等，通过对爆破作用下边坡沿控制性滑动面的稳定性进行极限平衡分析，提出了基于边坡稳定性的爆破振动控制标准确定方法。然而，大孔径现场混装爆破对于边坡稳定性的影响及安全措施等实践应用方面较少。

针对露天大型矿山，单次爆破规模大、炮孔孔径大、单孔药量较大等特殊条件，结合相关研究成果，对某大型露天矿山爆破，通过优化爆破参数和装药结构，降低单孔药量；采用计算机模拟优化起爆网路，调整起爆方向，设置科学合理的逐孔起爆网路延期时间；采用预裂爆破进行降振爆破边坡。并对爆破振动进行检测和分析，总结该矿山的爆破振动规律，为今后该矿山开采爆破提供参考。

1 工程概况及爆破要求

1.1 工程概况

爆区位于该矿一处边坡治理区域正下方，离边坡最近距离13.7 m。滑坡区域采用削坡减载，预应力锚索框架梁加固方法进行综合治理，治理范围约12 000m2。该区域边坡刚治理完成，治理单位给定的治理区域边坡允许振速为10 cm/s。边坡完整性较好区域爆破振动安全允许质点振动速度不大于15 cm/s。如图1所示，爆破设计区域位于采区320 m水平，岩石普氏系数8～10。区域构造复杂，节理裂隙和断层发育，夹杂顺坡向的光面，在不同区段表现出不同的分布特征。爆区属山坡露天高陡狭长地形，下方为采场生产作业区，有电动轮、辅助车辆等设备出入，同时下方290 m水平有一条应急通往北山巷道的道路。

图1 爆破区域图

1.2 爆破要求

1)保证边坡治理区域和其他出露的固定边坡不被破坏。

2)新出露的固定边坡稳定半孔率60%以上。

3)保证下方运输道路畅通。

4)保证良好的爆堆块度和松散度，确保不产生根底。

5)防止爆破飞石对人员、设备的危害。

2 爆破区域划分

为了防止爆破振动对最终边坡的损害，必须采用预裂爆破先行主动降振，并严格控制最大单响药量。现根据确定好的爆破安全允许振速值，假定采用250 mm的牙轮钻，反算安全距离，计算结果见表1。

表1 安全距离计算表

为了控制爆破振动对边坡的损害，同时考虑到边坡软弱面发育，应实施“谨慎爆破”，宜采用“多打孔、少装药”的方式。根据爆破振动允许振速反算，最大单响药量为350 kg的安全距离是26 m，该区域无特殊要求的话一般装药量是700 kg，控制350 kg的最大单响药量需要分两段进行间隔装药，如果进一步减小单响药量，需要继续分三段间隔，施工难度大，安全可靠性也将大幅降低，因此考虑缩小炮孔直径，用140 mm潜孔钻加密打孔进一步减小26 m范围内的最大单响药量。最终设计临近最终边坡15 m宽的区域采用140 mm潜孔钻作业。其余爆破区域采用250 mm牙轮钻作业。治理坡面的正下方根据中钢集团马鞍山矿院工程勘察设计有限公司的建议，降低台阶分层高度。该区域设计10 m的台阶高度[5]，靠近西北角50 m以外边坡完整性较好，设计15 m的台阶高度，见图1。本文以10 m短台阶区域作为案例说明。

3 10 m台阶爆破区域爆破设计方案

3.1 爆破参数确定及爆破振动安全验算

该区域东南侧有一三角形区域狭小，只能采用潜孔钻进行作业，该区域先行爆破完毕后，采取垂直于境界方向，一次性境界到位的爆破推进方式。为了探究主爆孔爆破振动对最终边坡的影响，现从垂直方向对爆破振动进行研究，垂直方向区域划分见图2。

图2 炮孔分布区域图

从图2可知，250 mm主爆孔均处于26 m之外，在安全区域内，理论上单孔装药量为350 kg，可满足最终边坡对振动的要求，但考虑到该区域的特殊性，宜采取保守设计方案，故设计250 mm主孔1、2间隔装药，140 mm缓冲孔采用间隔装药[6]，爆破区域的两列炮孔采用间隔装药，以减小爆破振动对边坡的影响。同时为了控制南侧的抛掷量，保证下方道路畅通，适当放大外侧炮孔的抵抗线，加大了炮孔超深。具体的爆破孔网参数、装药量计算[7]不再赘述，具体装药量和充填高度见表2。

表2 装药量、充填高度、计算振速表

经过计算，所有的单响药量引起的边坡振动值都满足设计要求，从理论计算上看，只要实现了逐孔起爆，是能够保证边坡安全的，此次设计是可行的。

3.2 爆破网络

根据该地段岩性和边坡的稳定性情况，严格控制爆破规模，一次起爆总药量不超过15 t，并采用电子雷管起爆系统，为了控制南侧的抛掷量，每面炮均采用“V”型起爆方式，并采用澳瑞凯爆破设计软件模拟，保证相邻孔间延期时间≥8 ms，严格实行逐孔起爆，起爆顺序见图3。因为有三列炮孔采用了间隔装药，即使控制了爆破规模，每次起爆的总分段数仍在60个左右，要满足点燃阵面、逐孔起爆、合理的延期时间这些要求，网络设计难度非常大。

图3 地表网络模拟图

4 爆堆及固定边坡情况

爆破之后破碎度良好，经电铲铲挖后无根底，边坡半孔率达到目标，具体见爆破效果图4，固定边坡图见图5。

图4 爆破效果图

图5 固定边坡图

5 爆破振动检测及数据分析

此次爆破施工也进行了相应的爆破振动监测方案，在安全条件允许的情况下，选择关键位置，按照爆破振动监测的要求摆放仪器[8]。实测数据见表3和图6，从时间结果中也可证明设计方案是可行的。

图6 振动回归图

表3 爆破振动速度表

表4 边坡雷达监测概况

同时对测得的振动速度进行了分析研究，摸索该区域的爆破振动规律。为下一台阶或附近区域的控制爆破提供经验数据和参考依据。

6 边坡监测

自爆破作业实施以来，对该区域290～470 m的边坡进行雷电扫描监测，各个台阶的边坡累计移动都在1 mm左右，边坡未发生移动，是安全的，有效保证该区域附近人员设备作业安全，同时进一步佐证爆破设计方案的可行性。

7 结语

通过以上措施，完成了前期的爆破目标。本案例通过分层爆破、间隔装药降低最大单响药量，通过孔网参数、炮孔抵抗线、起爆方式的调整，控制了特定方向的抛掷量，通过电子雷管的应用、合理的延期时间设置、精细的爆破设计和施工，保证了边坡的安全和爆破质量。