丁銀貴

(宏大爆破有限公司，廣東 廣州 510623)

玄武巖、凝灰?guī)r、火山角礫巖、安山巖等火山噴出巖露天礦山，其原生的節(jié)理裂隙發(fā)育，易發(fā)生滑坡；含黏土質頁巖、泥巖、石膏、泥灰?guī)r、煤層等夾層的沉積巖露天礦山，邊坡巖體易發(fā)生順層滑動，或因下部蠕滑造成上部巖體崩塌；千枚巖、板巖及片巖露天礦山，巖層較軟弱且易風化，在邊坡位置易出現(xiàn)蠕動變形、順層滑坡。露天礦山開采過程中，在雨水侵蝕、地下水作用、爆破振動及其他施工干擾情況下，工作臺階易發(fā)生失穩(wěn)坍塌，給施工作業(yè)人員生命、財產(chǎn)安全帶來重大威脅。

目前，在露天礦山靠幫邊坡穩(wěn)定性分析與維護方面研究較多，但在工作臺階坍塌影響因素及預防措施方面研究較少。本文以舟山綠色石化基地凝灰?guī)r露天礦山為例，重點分析引起工作臺階坍塌的主要影響因素，研究高強度開采條件下預防工作臺階坍塌的措施。

1 工程概況

舟山綠色石化基地是國家石油化工“十三五”規(guī)劃重點項目，是中國(浙江舟山)自由貿易試驗區(qū)建設的引擎，是舟山江海聯(lián)運服務中心發(fā)展的核心，位于浙江省舟山市岱山縣大小魚山島圍墾區(qū)。舟山綠色石化基地凝灰?guī)r露天礦山是石化基地建設的重要組成部分，為大小魚山島圍墾區(qū)建設提供建設石料和施工用地，在整個石化基地建設中處于龍頭地位；礦山總工程量約8 500萬m3，總工期39個月，開采規(guī)模大、強度高、工期緊。

1.1 水文地質

礦區(qū)地勢總體中間高、西周低，大氣降水可順地形沿溝谷及邊坡面自然向東、西兩側海洋排泄。礦區(qū)開采底盤標高+4.0 m，高于最高潮水位(歷年最高潮水位+2.59 m)，自然排水條件通暢。

地下水主要有松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水兩種類型。區(qū)內松散巖類鉛厚0.30～2.30 m，巖性為含碎石粉質黏土，透水性、富水性差，水量貧乏。節(jié)理雖較發(fā)育，但節(jié)理面平直、閉合，水的連通性差。巖石最大風化厚度約6.50 m，地下水向下滲透的路徑不長，徑流量較小，邊坡部位未見泉水露頭，僅見少量滲水，基巖裂隙水也貧乏。地下水主要由大氣降雨補給，沿基巖裂隙向低處徑流，向東、西、南三側海洋排泄。礦區(qū)水文地質條件簡單。

1.2 工程地質

礦區(qū)巖石為火山噴出巖，中等風化程度，呈碎粒狀。巖性為流紋質含角礫玻屑熔結凝灰?guī)r，呈青灰色，屬較硬巖石類。以堿性長石和石英為主，角礫與巖屑一般大小，少數(shù)巖石中角礫、巖屑可達40%，呈剛性形態(tài)；膠結物為玻屑、火山灰，含量一般在60%以上，玻屑常呈弧面棱角狀，部分脫?；?，巖石呈厚層塊狀，結構均一、疏松。

礦區(qū)地質構造相對簡單，斷層少，節(jié)理裂隙較發(fā)育且穩(wěn)定性不高，節(jié)理間距一般為20～30 cm，并充填次生泥與巖屑，有的節(jié)理已貫通，工作臺階邊坡可見楔形體，易發(fā)生巖塊崩落等不良工程地質現(xiàn)象。

1.3 氣候條件

礦區(qū)位于北亞熱帶南緣季風海洋型氣候區(qū)，常年溫和濕潤，冬暖夏涼，光照充足。年平均氣溫16.1 ℃；年平均降雨量1 200 mm，集中在梅季和臺風季節(jié)。日最大降水量246.3 mm。

1.4 工作臺階穩(wěn)定情況

工作臺階穩(wěn)定性較差，爆破施工時會引起臺階上部區(qū)域巖石的拉裂破壞，殘留塊狀破碎帶會發(fā)生局部巖體坍塌或巖塊掉落。采區(qū)地質情況變化大，節(jié)理裂隙發(fā)育且形態(tài)多為柱狀，巖體之間黏聚力較差，施工前期階段發(fā)生過多起工作臺階坍塌事故。

2 工作臺階坍塌的主要影響因素

影響工作臺階坍塌的因素，包括內部因素和外部因素。內部因素主要包括巖石性質、巖體結構與地質構造等，它們常常起著決定性的作用；外部因素主要包括地表水和地下水的作用、施工擾動、風化作用及開采技術條件等，它們常常起著促進作用。

2.1 內部因素

1) 巖石性質。巖石性質是組成露天礦山工作臺階巖石的基本屬性，包括巖石的空隙性、吸水性、軟化性、巖石變形、巖石強度等[1]。巖石孔隙度越大，巖石的吸水率就越大，水對巖石顆粒間結合物的浸潤、軟化作用就越強，巖石的彈性模量和強度也就越低。巖石性質對工作臺階穩(wěn)定性影響很大，軟硬相間，并有軟化、泥化或易風化的夾層時，最容易造成工作臺階坍塌。

2) 巖體結構。巖體變形破壞主要受巖體結構的制約，巖體結構不同，其礦物顆粒間聯(lián)結關系不同，力學性質也不同[2]。巖體結構包括結構體和結構面兩個基本單元，結構面是指巖體內在地質發(fā)展歷史中形成的有一定方向、一定規(guī)模和形態(tài)特征的面、縫、層、帶狀的地質界面，具有一定張開度的裂縫，或被一定物質充填，把巖體切割成既連續(xù)又不連續(xù)的結構體。

露天礦山工作臺階坍塌大都是剪切破壞，巖體結構中結構面的存在，降低了巖體的抗剪強度和整體強度，巖石抗剪強度越低，越容易發(fā)生坍塌。巖體結構中結構面也增大了巖體的變形性能，加強了巖體的流變力學特性和其他時間效應，并且加深了巖體的不均勻性、各向異性和非連續(xù)性等性質，不穩(wěn)定巖體沿著一個結構面或多個結構面的組合邊界產(chǎn)生剪切滑移、張性破裂和錯動變形等而造成工作臺階巖體的失穩(wěn)。

3) 地質構造。地質構造因素包括褶皺、斷裂、區(qū)域新構造運動及地應力等，這些也是影響工作臺階穩(wěn)定的主要因素，褶皺、斷裂發(fā)育區(qū)域，通常巖層傾角大甚至陡立，斷層、節(jié)理縱橫切割，構成巖體中的切割面和滑動面，形成滑坡、坍塌的條件，并直接控制著工作臺階坍塌的形成和規(guī)模。

2.2 外部因素

1) 地表水和地下水的作用。地表水和地下水的作用是影響露天礦山工作臺階坍塌最重要、最活躍的外部因素，大多數(shù)露天礦山工作臺階坍塌都發(fā)生在地下水活動區(qū)域或降雨之后[3]。雨水或地面水滲入巖體，使巖體中的含水量提高，自重增加，工作臺階下滑力增大；地下水產(chǎn)生一定的靜水壓力和動水壓力，促使工作臺階坍塌；地下水會軟化或溶蝕巖體，使工作臺階巖體強度降低，自身承載力降低；地下水會產(chǎn)生浮托力，使巖體有效重量減輕，臺階穩(wěn)定性下降；地下水還會對巖體結構面產(chǎn)生潤滑作用，結構面整體強度降低，從而導致工作臺階坍塌。

2) 施工擾動。露天礦山施工擾動主要包括爆破損傷、爆破振動、開挖擾動以及工程荷載等。爆破是露天礦山開采的主要手段，爆破損傷和爆破振動是影響工作臺階穩(wěn)定的主要因素，爆破時產(chǎn)生的能量直接作用于臺階坡面，使工作臺階坡面及后方巖體產(chǎn)生壓碎、拉裂、損傷破壞，產(chǎn)生新的結構面或使原生結構面擴大，從而導致失穩(wěn)坍塌，且周邊頻繁的爆破振動慣性力和爆破振動產(chǎn)生的超孔隙水壓力共同作用，也會促使工作臺階的失穩(wěn)坍塌；開挖施工前工作臺階處于三向受壓應力環(huán)境并處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，開挖施工后工作臺階原有天然應力狀態(tài)被破壞，工作臺階坡面將不再受壓力約束，工作臺階易發(fā)生變形坍塌；工作臺階上方的鉆孔作業(yè)、挖裝運輸?shù)裙こ毯奢d，加重了工作臺階上部荷載，并對工作臺階形成一定擾動，促使工作臺階進一步失穩(wěn)坍塌。

3) 風化作用。露天礦山工作臺階暴露在自然環(huán)境中，風化作用使原生結構面或構造面擴大加劇，并可產(chǎn)生新的次生結構面，對巖石強度有降低作用。

4) 開采技術條件。臺階高度、臺階坡面角、推進方向、穿爆工藝及單段起爆藥量等開采技術條件，也是影響工作臺階穩(wěn)定性的主要因素。通常情況下，臺階高度越小，臺階越穩(wěn)定；臺階坡面角越小，臺階越穩(wěn)定；推進方向與節(jié)理裂隙、斷層走向之間的夾角越大，臺階越穩(wěn)定；單段起爆藥量越小，受爆破影響越小，臺階越穩(wěn)定。

3 工作臺階坍塌的預防措施

3.1 組織管理措施

采區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育，斷層等結構弱面雜亂，邊坡及臺階滑塌風險大；施工機械設備多，人員雜，施工強度高，施工擾動大。因此，要堅持“安全第一、預防為主、綜合治理”的安全方針，建立完善的安全管理體系，制定預防工作臺階坍塌、爆破作業(yè)安全管理、鉆爆施工安全管理等制度，逐級簽訂工作臺階安全責任狀，制定預防工作臺階邊坡坍塌等安全專項方案，堅持每日小檢查、每周大檢查、事故應急演練等。

1) 控制臺階推進速度。高強度露天礦山工作臺階推進速度快，施工擾動頻繁，開挖施工后工作臺階原有應力狀態(tài)被破壞，在尚未形成新的應力平衡下工作臺階又繼續(xù)往前推進，使得工作臺階始終處于應力不平衡狀態(tài)，導致工作臺階失穩(wěn)坍塌?？刂乒ぷ髋_階推進速度，是一種有效預防其坍塌的手段，施工中多開拓工作面，使每個工作面的平均推進速度在7 d形成一個作業(yè)循環(huán)(穿孔、爆破、挖運)。

2) 設置坍塌警示區(qū)、禁止交叉作業(yè)。在極不穩(wěn)定的臺階區(qū)域設置臺階坍塌警示區(qū)，防止施工設備進入后加重臺階上部荷載，同時防止臺階坍塌造成下方人員傷亡和設備損壞。禁止交叉作業(yè)，上臺階進行前排孔鉆孔、裝藥作業(yè)時，爆區(qū)下方臺階禁止一切作業(yè)；前排孔距臨空面不得少于2 m，前排炮孔鉆鑿前必須對坡面進行排險，排險完成后拉好警戒繩，做好安全標示。鉆機鉆孔時，操作人員應遠離鉆機鉆臂，機身應垂直于臨空面，特別是在前排孔作業(yè)時，禁止鉆機平行于臨空面鉆孔；合理安排各爆區(qū)的鉆孔、挖裝作業(yè)，盡量避免白天停工、晚上加班搶鉆，避免多臺鉆機搶鉆同一爆區(qū)，嚴禁多臺鉆機同時搶鉆前排孔。

3.2 技術措施

3.2.1 GPS變形監(jiān)測

不同于靠幫邊坡，露天礦山工作臺階推進速度快，始終處于動態(tài)變化中，變形監(jiān)測較為困難。根據(jù)舟山綠色石化基地凝灰?guī)r露天礦山經(jīng)驗，采用GPS技術對露天礦山工作臺階進行變形監(jiān)測較為適用[4]。GPS系統(tǒng)由空間段(GPS衛(wèi)星星座)、控制段(地面段)和用戶段(GPS接收機)三部分組成，可以實時觀測工作臺階的平面位置及高程，計算工作臺階橫向變形與豎向變位。GPS監(jiān)測基準點應穩(wěn)定可靠，且盡可能不受各種不利因素的影響，在選定變形觀測點時，要考慮當前露天礦山工作臺階推進情況，盡量選擇在工作臺階坡頂線2 m范圍內。

3.2.2 分區(qū)開采

為減小地表和地下水對工作臺階穩(wěn)定性的影響，舟山綠色石化基地凝灰?guī)r露天礦山采用分區(qū)開采技術，既可達到降壓疏干排水的目的，同時又可以提高開采強度，解決高強度開采和工作臺階快速推進的不穩(wěn)定問題。分區(qū)開采是將一個大的開采區(qū)分成若干個中小開采區(qū)，每個小開采區(qū)保證2個以上工作臺階同時開采，在滿足最小開采平臺寬度的情況下，盡可能加快各采區(qū)的垂直降深速度，利用下層工作臺階開槽進行降水和排水，降低水力坡度曲線和地下水位。分區(qū)開采如圖1所示。

3.2.3 調整推進方向

推進方向與巖層走向之間的關系是影響工作臺階穩(wěn)定的重要因素。當工作臺階推進方向與巖層走向平行時，工作臺階最穩(wěn)定；當工作臺階不具備與巖層走向平行推進時，工作臺階推進方向與巖層走向之間交角越小，工作臺階越穩(wěn)定；當工作臺階推進方向與巖層走向垂直，工作臺階推進方向與巖層傾向一致時(即工作臺階坡面方向與巖層傾向相反)，工作臺階穩(wěn)定；當工作臺階推進方向與巖層走向垂直，工作臺階推進方向與巖層傾向相反時(即工作臺階坡面方向與巖層傾向一致)，工作臺階易發(fā)生坍塌；最不利的情況是，工作臺階推進方向與巖層走向平行，工作臺階坡面方向與巖層傾向一致，工作臺階坡面角大于巖層的傾角，工作臺階最容易發(fā)生坍塌。

調整工作臺階推進方向，使其朝著最有利于工作臺階穩(wěn)定的方向推進。工作臺階推進方向與巖層走向關系如圖2所示。

圖1 分區(qū)開采示意圖

圖2 工作臺階推進方向與巖層走向關系

3.2.4 降低臺階高度

臺階高度是露天礦開采重要技術經(jīng)濟指標，直接影響穿孔、鏟裝等露天開采生產(chǎn)工藝的效率和礦山經(jīng)濟效益。臺階高度大，臺階數(shù)目減少，有利于降低成本，但工作臺階邊坡穩(wěn)定性降低，因此，必須綜合考慮經(jīng)濟、技術和安全因素，確定合理的臺階高度。

舟山綠色石化基地凝灰?guī)r露天礦山為發(fā)育單一的火山碎屑巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育且穩(wěn)定性不高。當臺階頂部存在節(jié)理裂隙或破碎帶時，在質量一定的情況下，臺階高度越高，節(jié)理間的巖塊重力勢能就越大，當巖體之間的黏聚力不能抵抗重力勢能時，就會導致巖塊塌落。

挖掘機工作參數(shù)也是影響臺階高度的因素之一，要求臺階高度既要保證作業(yè)安全，又要提高挖掘機工作效率。根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》相關規(guī)定：露天臺階開采過程中，堅硬穩(wěn)固礦巖機械挖裝時，臺階高度應不大于機械最大挖掘高度的1.5倍。舟山綠色石化基地凝灰?guī)r露天礦山開采臺階高度為15 m，大部分采區(qū)機械的最大挖掘高度在10 m左右，僅滿足施工的最基本要求，沒有為挖裝作業(yè)預留足夠安全空間，本身安全冗余度不高。另外，臺階過高也對現(xiàn)場鉆孔、裝藥等的施工作業(yè)人員和設備帶來一定安全隱患，高度越高人員及設備的重力勢能越大。若采取臺階降高措施，即使發(fā)生坍塌事故，也會因為臺階高度的下降而降低人員和設備的傷亡程度。

為有效降低工作臺階坍塌的風險，提高挖裝安全系數(shù)及效率，保證人員和設備作業(yè)安全，將臺階高度從15 m降為12 m，從而保證了工作臺階穩(wěn)定。

3.2.5 調整鉆孔傾角

舟山綠色石化基地凝灰?guī)r露天礦山主要采用垂直深孔爆破，爆破后梯段頂部經(jīng)常因爆破拉裂形成裂縫，一部分裂縫地表可以顯現(xiàn)，經(jīng)過后續(xù)排險可以消除安全隱患，而對于表面不明顯的內部損傷，在雨水沖刷或爆破振動等影響下，可能會引起局部坍塌事故。其次，垂直深孔爆破后形成的臺階坡面角過大，梯段坡面幾乎呈垂直狀態(tài)，穩(wěn)固性比較差，會進一步增加巖體塌落的機率。為保證安全生產(chǎn)，降低坍塌發(fā)生概率，最后排鉆孔采用傾斜鉆孔，調整炮孔角度由90°到75°，大大提高了工作臺階穩(wěn)定性。垂直深孔及傾斜深孔布置示意圖見圖3所示。

3.2.6 采用逐孔起爆技術

爆破施工是影響工作臺階穩(wěn)定的主要因素，炸藥爆炸后形成的應力波會損傷巖體，使巖體力學性質下降，從而影響臺階邊坡的穩(wěn)固性，主要表現(xiàn)在兩個方面[5-7]：一方面，爆破震動產(chǎn)生慣性力，導致工作臺階邊坡整體下滑力增大，可能出現(xiàn)動力失穩(wěn)；另一方面，爆破震動荷載的循環(huán)作用導致邊坡巖體的剪應力增加，原有弱面裂紋、裂隙延伸擴展，甚至出現(xiàn)新的裂紋，巖體物理力學性質如抗剪強度、黏聚力等降低，再次爆破時，可能會導致破碎巖塊塌落。另外，爆破振動會對工作臺階邊坡產(chǎn)生累計損傷，當累計達到一定程度時，也會造成工作臺階邊坡的位移，甚至是坍塌等危害。

在實施臺階爆破作業(yè)時，還可以根據(jù)實際地質情況選擇合理的起爆順序、在地質條件較差區(qū)域盡量控制爆區(qū)規(guī)模、選擇合理裝藥結構、根據(jù)臺階位置改變最小抵抗線方向等方法降低爆破振動對臺階坡面的影響，降低坍塌風險。同時，在爆堆挖裝后，派遣專用設備及時進行邊坡排險作業(yè)，也能進一步降低坡面巖塊塌落的風險。

舟山綠色石化基地凝灰?guī)r露天礦山采用逐孔起爆技術降低爆破對工作臺階穩(wěn)定的影響?？變仁褂?發(fā)10段380 ms非電導爆雷管，排間采用5段110 ms非電導爆管雷管錯段，孔間采用3段50 ms非電導爆管雷管錯段，同排采用2段25 ms非電導爆管雷管錯段，爆區(qū)內相鄰炮孔起爆時間錯開[8]。逐孔起爆網(wǎng)路如圖4所示。

圖3 傾斜深孔與垂直深孔對比

圖4 逐孔起爆網(wǎng)路

3.3 經(jīng)濟措施

1) 安全風險抵押金制度。為保證現(xiàn)場安全生產(chǎn)，提高全員安全意識，使全體員工自覺遵守安全法律法規(guī)、規(guī)章、制度，做到“自保、互保、聯(lián)?！?，從而創(chuàng)造一個安全高效、和諧的工作環(huán)境，按照全員參與、風險共擔的基本原則，在全項目部范圍內開展安全風險抵押活動，即所有人員根據(jù)安全監(jiān)管范圍及責任大小繳納數(shù)額不等的安全風險抵押金。

項目各級人員安全風險抵押金按年度繳納，身兼數(shù)職的人員以最高職位繳納抵押金。項目部實行“安全一票否決”制，發(fā)生輕傷及以上生產(chǎn)安全事故，全員當季安全獎取消，并根據(jù)實際情況進行風險抵押金扣罰?？己藭r間間隔以月為單位，安全獎按月發(fā)放，從而激勵員工安全高效地投入到工作中。

2) 預防工作臺階坍塌專項資金。為了進一步加強施工現(xiàn)場安全管理，確保工作臺階坍塌預防措施有效落實，項目部設立預防工作臺階坍塌專項資金。設立預防工作臺階坍塌專項資金專用賬戶，由預防工作臺階坍塌領導小組管理，專用于完善和改進工作臺階坍塌預防措施，確保工作臺階的安全推進。專項資金實行?？顚Ｓ?，不得挪作他用。

4 技術效果、經(jīng)濟效益及社會效益分析

4.1 技術效果分析

預防工作臺階坍塌措施符合有關設計規(guī)范及技術標準的要求，采用了GPS變形監(jiān)測、傾斜鉆孔、逐孔起爆等較為先進、成熟的施工工藝，使用了RTK、高精度非電導爆管雷等較為先進的裝備、材料，整體技術先進性好、可靠性高。

預防工作臺階坍塌措施適用于大部分采用露天開采的礦山工程或一般土石方工程項目，特別是臺階高度高、推進速度快、地質條件差、臺階坍塌風險大的項目，適用范圍廣。

預防工作臺階坍塌措施極大地降低了臺階在正常推進過程中發(fā)生坍塌事故的風險，根據(jù)舟山綠色石化基地凝灰?guī)r露天礦山施工統(tǒng)計，采用預防措施前發(fā)生工作臺階坍塌的頻次平均為28次/a，采用預防措施后發(fā)生工作臺階坍塌的頻次平均為11次/a，采取預防措施后工作臺階坍塌的頻率降低了60.7%，安全風險大幅度降低。

4.2 經(jīng)濟效益分析

采用預防工作臺階坍塌措施的經(jīng)濟效益主要表現(xiàn)在以下三個方面。一是提高礦山生產(chǎn)能力和設備利用率。采用預防措施后提高了工作臺階穩(wěn)定性，縮短了前后工作面交替時間和發(fā)生坍塌事故的處理時間。以本工程為例，在同樣的道路開拓、工作面準備和人員設備投入條件下，采用預防措施前礦山實際生產(chǎn)能力平均為2 550萬m3/a，采用預防措施后礦山實際生產(chǎn)能力平均為2 830萬m3/a，礦山實際生產(chǎn)能力和設備利用率明顯提高。二是降低鉆孔及爆破施工成本。采用預防措施特別是調整推進方向和使用逐孔起爆技術后，爆破效果改善明顯，爆破塊度更加均勻，大塊和根底大大減小。以本工程為例，在同樣的爆破效果情況下，采用預防措施前平均延米爆破量為20.5 m3/m，炸藥單耗為0.36 kg/m3；采用預防措施后平均延米爆破量為22.0 m3/m，炸藥單耗為0.34 kg/m3，延米爆破量增大，炸藥單耗降低。三是減少了事故財產(chǎn)損失和事故處理費用。采用預防措施后極大地降低了工作臺階坍塌事故發(fā)生的頻率，且在發(fā)生坍塌事故時，GPS變形監(jiān)測可提前進行臺階坍塌預警，以便及時將人員、設備撤離危險區(qū)域。

4.3 社會效益分析

預防工作臺階坍塌措施技術先進性、適用性和安全性均較好，對防止工作臺階坍塌有著重要的作用，有效保障了施工作業(yè)生命安全，使國家﹑企業(yè)財產(chǎn)不遭受或少遭受損失，在降低施工成本的同時，還可提高礦山施工的管理水平，社會效益顯著。

5 結 語

高強度露天礦山工作臺階推進速度快、穩(wěn)定性差，通過對舟山綠色石化基地凝灰?guī)r露天礦山的研究，得出影響工作臺階穩(wěn)定性的主要因素和預防工作臺階坍塌的主要措施。實踐證明，預防工作臺階坍塌的措施技術先進、經(jīng)濟合理、效益顯著。采取預防措施后提高了施工效率，降低了施工成本，提高了臺階的穩(wěn)定性、降低了工作臺階坍塌的頻率，同時減少了臺階滑塌引起的傷害事故，有效保障了作業(yè)人員生命安全和國家、企業(yè)財產(chǎn)安全，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，對類似工程具有指導意義。