董志富 翟會(huì)超 劉銀 黃耀春 李紹斌 孫長(zhǎng)坤

摘要：針對(duì)某露天礦山局部區(qū)域因特殊條件不能開展常規(guī)炸藥爆破方式進(jìn)行采剝作業(yè)的問(wèn)題，為保證露天采場(chǎng)采剝作業(yè)的持續(xù)性，參考、分析、比較國(guó)內(nèi)外各類型礦山的非常規(guī)爆破方式，選取機(jī)械類、物化類破巖方式中的液壓劈裂機(jī)+液壓破碎錘、露天采礦機(jī)、鷹嘴型挖掘機(jī)和靜態(tài)膨脹劑、液態(tài)惰性氣體相變致裂技術(shù)等進(jìn)行調(diào)研分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。詳細(xì)介紹了各類破巖方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并就其實(shí)際經(jīng)濟(jì)性與炸藥爆破方式進(jìn)行了對(duì)比。綜合前期經(jīng)濟(jì)篩選、后期試驗(yàn)效果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際巖性情況，可將液壓劈裂機(jī)+液壓破碎錘、鷹嘴型挖掘機(jī)、靜態(tài)膨脹劑3種破巖方式進(jìn)行有效組合。該類方法可在特殊條件下保證采剝作業(yè)的安全性，確保露天采場(chǎng)作業(yè)的持續(xù)性。

關(guān)鍵詞：露天開采;非常規(guī)爆破;機(jī)械破巖;物化破巖;安全生產(chǎn)

中圖分類號(hào)：TD854文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2021）08-0048-05doi：10.11792/hj20210810

引 言

爆破工程是露天采礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最重要的工序之一，通過(guò)爆破作業(yè)將整體的礦巖進(jìn)行破碎及松動(dòng)，形成一定形狀的爆堆，為后續(xù)的鏟裝作業(yè)提供作業(yè)條件。

非常規(guī)爆破在國(guó)內(nèi)外市政工程、道路開挖、石材礦山及復(fù)雜環(huán)境的破巖工程中應(yīng)用廣泛，技術(shù)也較為成熟[1-3]?，F(xiàn)階段，露天采礦中，規(guī)模大、效率高、成本低的常規(guī)炸藥爆破仍是主要的破巖方式。但是，常規(guī)炸藥爆破破巖存在震動(dòng)大、拋擲飛石、產(chǎn)生有毒氣體、儲(chǔ)存和運(yùn)輸危險(xiǎn)系數(shù)較大等缺點(diǎn)。在實(shí)際施工過(guò)程中遇到特殊作業(yè)條件時(shí)研究如何將非常規(guī)爆破與常規(guī)爆破技術(shù)有效結(jié)合是開辟露天采礦及相關(guān)領(lǐng)域破巖方式的新思路[4-6]。國(guó)內(nèi)外非常規(guī)爆破技術(shù)研究與應(yīng)用取得了一定的進(jìn)展，在一些特殊條件下發(fā)揮了它們的優(yōu)越性，也在一定程度上取得了良好的社會(huì)效益[7-10]。

某露天礦山采場(chǎng)邊幫方向布置有道路、工業(yè)場(chǎng)地，而且附近還有村落。因此，在這些特殊條件下，為保證該露天礦山的持續(xù)性生產(chǎn)，同時(shí)兼顧保護(hù)各類設(shè)施，需要尋求非常規(guī)爆破技術(shù)解決局部區(qū)域的破巖施工。本文對(duì)幾種非常規(guī)爆破技術(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用總結(jié)出適合的破巖方式，取得了較好的效果。

1 工程概況

該露天礦山非常規(guī)爆破區(qū)域巖性為灰、灰白色厚層狀灰質(zhì)角礫巖，角礫成分主要為白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r。礫石呈棱角狀，鈣質(zhì)膠結(jié)，雖已固結(jié)成巖，但膠結(jié)程度較差，孔隙極發(fā)育。由于角礫間膠結(jié)較差，加之后期溶蝕改造，溶蝕裂隙、溶孔、孔隙極發(fā)育，局部發(fā)育小溶洞，特別是在與下伏第四系更新統(tǒng)蛇山組接觸帶中水平溶蝕裂隙極明顯，整體呈碎裂似塊狀結(jié)構(gòu)，擾動(dòng)容易破碎。礦巖普氏硬度系數(shù)f=4～7，軟化系數(shù)0.66～0.95，平均0.83，屬于不易軟化的半堅(jiān)硬巖石，爆破難度屬于難爆巖石?；屹|(zhì)角礫巖（見(jiàn)圖1）下伏一薄層更新統(tǒng)蛇山組含砂礫黏土巖（見(jiàn)圖2），巖性主要為雜色砂礫層、砂礫質(zhì)黏土層、含砂礫質(zhì)黏土層、黏土層， f=0.3～0.4，軟化系數(shù)0.19～0.28，平均0.21，屬于極易軟化的極軟弱巖石，不需要爆破。

2 非常規(guī)爆破技術(shù)

該露天礦山經(jīng)過(guò)對(duì)該區(qū)域巖石性質(zhì)情況的分析及國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)備、材料等的調(diào)研考察，初步擬對(duì)機(jī)械類的液壓劈裂機(jī)+液壓破碎錘、露天采礦機(jī)、鷹嘴型挖掘機(jī)，物化類的靜態(tài)膨脹劑、液態(tài)惰性氣體相變致裂技術(shù)進(jìn)行適應(yīng)性分析。先期根據(jù)致裂特點(diǎn)及對(duì)巖石的要求對(duì)操作性強(qiáng)的各類方法分別進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)最為合適的技術(shù)措施進(jìn)行施工。

2.1 機(jī)械類破巖方式

2.1.1 液壓劈裂機(jī)+液壓破碎錘

經(jīng)調(diào)研，液壓劈裂機(jī)在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用于石材開采，其具有操作簡(jiǎn)單、安全性高、環(huán)保經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。液壓劈裂機(jī)破巖過(guò)程：根據(jù)巖石硬度、自由面、破巖塊度及破巖方向等條件，用鉆機(jī)施工劈裂孔;后將楔形壓頭侵入巖石，加壓破碎巖石。液壓劈裂機(jī)主要是利用巖石的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)制造[3]（見(jiàn)圖3）。

由于液壓劈裂機(jī)孔排距、裂隙發(fā)育方向等一系列原因極易產(chǎn)生大塊巖石無(wú)法直接進(jìn)行下一工序——鏟裝運(yùn)輸工作，此時(shí)需要輔助液壓破碎錘進(jìn)行二次破碎，形成符合要求的巖塊大小。液壓劈裂機(jī)+

液壓破碎錘工藝流程見(jiàn)圖4。

在國(guó)內(nèi)液壓劈裂機(jī)生產(chǎn)廠商較多，應(yīng)用也較成熟，設(shè)備采購(gòu)價(jià)格較為合理;液壓破碎錘為礦山已有設(shè)備無(wú)需二次采購(gòu)，該組合破巖方式需再次投資的費(fèi)用較少，較為符合礦山生產(chǎn)實(shí)際。

2.1.2 露天采礦機(jī)

露天采礦機(jī)在設(shè)備前端或后端裝備高強(qiáng)度的切削輪齒，無(wú)需鉆孔和爆破（適用于各種需要避免爆破的作業(yè)區(qū)域），切削深度達(dá)500 mm，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷作業(yè)，切割后的巖石可通過(guò)其他裝載設(shè)備轉(zhuǎn)入卡車運(yùn)走。國(guó)內(nèi)部分露天煤礦引進(jìn)該設(shè)備，取得了較好的應(yīng)用效果。露天采礦機(jī)破巖方式見(jiàn)圖5。

露天采礦機(jī)的優(yōu)點(diǎn)[9-13]：

1）無(wú)需布孔、鉆孔、爆破等工序，可適應(yīng)較多不允許爆破的外部條件。

2）露天采礦機(jī)各工序持續(xù)施工，中間無(wú)等待環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)間斷施工。

3）露天采礦機(jī)破碎巖石塊度較小，可減少選礦廠破碎礦石成本，降低巖石運(yùn)輸過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)和二次破碎巖石的幾率。

4）基于露天采礦機(jī)對(duì)巖石的切削原理，可以提高露天邊坡巖石的穩(wěn)定性，最終可促使邊坡角提高。

露天采礦機(jī)的缺點(diǎn)：

1）露天采礦機(jī)一次性采購(gòu)成本較高，T16SM型露天采礦機(jī)銷售價(jià)格2 900萬(wàn)元，極大地增加了前期投資成本及投資風(fēng)險(xiǎn)。

2）相較于大規(guī)模爆破，露天采礦機(jī)效率較低。

考慮到此次進(jìn)行非常規(guī)爆破方式的破巖區(qū)域較小，破巖量控制在200萬(wàn)m3以內(nèi)，不適宜較大投資，故在分析階段淘汰露天采礦機(jī)。

2.1.3 鷹嘴型挖掘機(jī)

鷹嘴型挖掘機(jī)是一種在原有挖掘機(jī)上進(jìn)行鷹嘴臂與鏟斗更換的破巖設(shè)備，更換后可直接進(jìn)行巖石破碎工作，鷹嘴臂投資成本較小，風(fēng)險(xiǎn)較低。鷹嘴型挖掘機(jī)的破巖能力足夠強(qiáng)勁，除個(gè)別堅(jiān)硬孤石外均可破碎;可連續(xù)作業(yè)，作業(yè)效率可達(dá)2 000～4 000 m3/d;適應(yīng)各類地形，可減少施工前準(zhǔn)備工作，增加單班有效工作時(shí)間;破碎巖塊塊度較為均勻，可直接進(jìn)行鏟裝運(yùn)輸作業(yè)，各工序連續(xù)性較強(qiáng)。鷹嘴型挖掘機(jī)破巖方式見(jiàn)圖6。

鷹嘴型挖掘機(jī)的作業(yè)范圍較小，要實(shí)現(xiàn)足夠的工作量需要多臺(tái)鷹嘴型挖掘機(jī)同時(shí)施工;單臺(tái)鷹嘴型挖掘機(jī)施工時(shí)，不能滿足后續(xù)鏟裝運(yùn)輸作業(yè)的飽和度;個(gè)別較為堅(jiān)硬孤石需借助液壓破碎錘，影響作業(yè)的連續(xù)性。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，鷹嘴型挖掘機(jī)較為符合此次非爆方式破巖的選擇，投資較小，工作效率也符合要求，可配合其他方式同步進(jìn)行。

2.2 物化類破巖方式

2.2.1 靜態(tài)膨脹劑破碎法

靜態(tài)膨脹劑一般以生石灰為主要成分，利用水合反應(yīng)放熱，生成物為氫氧化鈣，體積發(fā)生膨脹，依靠孔內(nèi)產(chǎn)生膨脹壓力破碎巖石或混凝土。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果：靜態(tài)膨脹劑膨脹產(chǎn)生的壓力為30～40 MPa，對(duì)于一般軟巖及混凝土破裂所需的10～20 MPa完全可以達(dá)到要求。該破巖方式效果見(jiàn)圖7。

靜態(tài)膨脹劑破碎法優(yōu)點(diǎn)：

1）靜態(tài)膨脹劑是一種非爆炸性的無(wú)公害破碎劑，反應(yīng)過(guò)程是一個(gè)物理過(guò)程，不屬于易燃易爆危險(xiǎn)品，安全性相對(duì)較高。

2）破碎過(guò)程無(wú)飛石、無(wú)震動(dòng)、無(wú)噪聲、無(wú)粉塵和有毒氣體，并且工序操作簡(jiǎn)單，膨脹劑攜帶運(yùn)輸安全。

3）膨脹劑原料來(lái)源較廣，可自行制備，價(jià)格較便宜。

4）操作簡(jiǎn)便，無(wú)需特種作業(yè)人員，作業(yè)連續(xù)性較好。

靜態(tài)膨脹劑破碎法缺點(diǎn)：

1）由于靜態(tài)膨脹劑的破碎效率低，開裂發(fā)生時(shí)間較長(zhǎng)（一般10 h以上），工作效率低，因此應(yīng)用范圍有限。

2）施工過(guò)程受氣候影響較大，破巖效率較低。

3）由于要發(fā)揮靜態(tài)膨脹劑的最大性能，需要保持炮孔直徑為80～90 mm、孔深較淺，減小孔網(wǎng)參數(shù)，極大地增加鉆孔工作量，大大降低鉆機(jī)鉆孔效率，穿孔成本成倍增加。

4）靜態(tài)膨脹劑劈裂巖石部分塊度太大需要二次破碎，增加工作量。

靜態(tài)膨脹劑的使用可以大面積同時(shí)進(jìn)行破巖，且原料成本較低，可作為機(jī)械破巖的前序作業(yè)，提高機(jī)械破巖的效率。

2.2.2 液態(tài)惰性氣體相變致裂技術(shù)

液態(tài)惰性氣體相變致裂技術(shù)屬于物理致裂技術(shù)，具有致裂過(guò)程無(wú)火花外露、致裂威力大、無(wú)需驗(yàn)炮、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，且不屬于民爆產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于采煤、清堵、建筑物拆除。

液態(tài)惰性氣體相變致裂屬于物理致裂過(guò)程，通過(guò)化學(xué)加熱液態(tài)惰性氣體，使其壓力劇增至400～480 MPa，高壓液態(tài)惰性氣體迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，體積膨脹600多倍，瞬間沖破剪切片對(duì)巖壁作功，對(duì)巖石進(jìn)行致裂，致裂后即可進(jìn)人，實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。液態(tài)惰性氣體相變致裂裝備結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。

國(guó)內(nèi)外該技術(shù)應(yīng)用較為成熟，國(guó)內(nèi)相應(yīng)致裂器的生產(chǎn)廠商較多。液態(tài)惰性氣體相變致裂器雖然操作簡(jiǎn)單，但存在安全隱患，需要專業(yè)人員操作;其次對(duì)不同性質(zhì)巖石的施工標(biāo)準(zhǔn)缺乏經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，施工步驟較為繁瑣，致裂器成本較高，部分配件不可重復(fù)使用。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)（二氧化碳）成本較高，致裂效果不如液壓劈裂機(jī)等其他工藝，所以此次未采用該項(xiàng)技術(shù)措施。

3 試驗(yàn)應(yīng)用

該露天礦山根據(jù)自身實(shí)際情況及投資成本等方面測(cè)算，先期排除露天采礦機(jī)等投資成本較大的破巖設(shè)備，同時(shí)也對(duì)其他非常規(guī)爆破技術(shù)各方面的成本及優(yōu)缺點(diǎn)做了詳細(xì)調(diào)查。

1）邀請(qǐng)高校研究團(tuán)隊(duì)對(duì)液態(tài)惰性氣體相變致裂技術(shù)進(jìn)行了可行性試驗(yàn)，但由于其作業(yè)條件苛刻，配件耗損較大，成本較高，達(dá)到普通破巖成本的6～8倍且效率較低。因此，液態(tài)惰性氣體相變致裂技術(shù)適合施工精度要求較高，規(guī)模較小的破巖工程，不適合此次露天開采的破巖工程。

2）液壓破碎錘屬于礦山二次破碎常用機(jī)械，機(jī)械使用較為熟悉、靈活性好且無(wú)需增加投資，可作為此次破巖的選擇之一。

3）鷹嘴型挖掘機(jī)通過(guò)現(xiàn)有挖掘機(jī)的前端機(jī)械更改即可，礦山各類挖掘機(jī)數(shù)量充足，投資成本較低且參照類似露天礦山使用效果較好，該方法也可作為破巖方式之一。

4）經(jīng)調(diào)研，液壓劈裂機(jī)及靜態(tài)膨脹劑在巖石完整性較好時(shí)效果較好，此次也作為備選措施進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)備選的施工措施按照標(biāo)高、平面進(jìn)行巖性區(qū)分施工，由于區(qū)域巖性變化較大，現(xiàn)場(chǎng)施工參照實(shí)際巖性決定具體的破巖方式。各類巖性破巖方式流程見(jiàn)圖9。

礦山對(duì)以上幾類不同的非常規(guī)爆破方式進(jìn)行各區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，各類方法的試驗(yàn)效果各不相同，施工成本較原有的爆破方式成倍提高。幾類非常規(guī)爆破方式對(duì)比見(jiàn)表1。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)的情況：礦山此次的非常規(guī)爆破區(qū)域擬采用的技術(shù)措施為液壓劈裂機(jī)+液壓破碎錘、鷹嘴型挖掘機(jī)、靜態(tài)膨脹劑破碎法3種。采用非常規(guī)爆破方式進(jìn)行露天剝離因規(guī)模小、設(shè)備不匹配等因素現(xiàn)階段不同程度降低經(jīng)濟(jì)效益和效率。但在特殊條件下非常規(guī)爆破技術(shù)可發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)越性，解決較多的問(wèn)題。例如：當(dāng)施工區(qū)域離建（構(gòu)）筑物較近時(shí)，為確保其安全及減少因爆破引起的糾紛，該類方法就起到了較好的作用。在爆破震動(dòng)、爆破飛石、有毒有害氣體的控制方面非常規(guī)爆破也有著較為突出的優(yōu)點(diǎn)，解決了露天開采周圍環(huán)境問(wèn)題，改善了人員、設(shè)備作業(yè)環(huán)境。非常規(guī)爆破方式相對(duì)常規(guī)炸藥爆破方式來(lái)說(shuō)，對(duì)露天整體邊幫巖石破壞較小，邊坡巖石完整性較好，有利于邊坡穩(wěn)定并可適當(dāng)提高最終邊幫角，長(zhǎng)期遠(yuǎn)景理想可以減小剝采比，實(shí)現(xiàn)較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果及工藝流程的優(yōu)化分析，可以將3種技術(shù)措施根據(jù)巖性的不同進(jìn)行合理結(jié)合，不僅節(jié)約了成本，也提高了破巖效率。

4 結(jié) 論

1）非常規(guī)爆破破巖方式比常規(guī)炸藥爆破破巖更安全、更環(huán)保，但根據(jù)現(xiàn)階段設(shè)備及工藝發(fā)展情況，其未得到較為廣泛的推廣，成本比炸藥爆破高出數(shù)倍也是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。

2）在處理特殊情況施工破巖時(shí)，幾類非常規(guī)爆破施工方式有各自優(yōu)點(diǎn)，從成本比較來(lái)說(shuō)，機(jī)械類成本普遍低于物化類，且操作較為簡(jiǎn)單，效率也相對(duì)較高，在沒(méi)有其他外界影響因素時(shí)，機(jī)械類更為適合。

3）處理局部非常規(guī)爆破區(qū)域時(shí)，根據(jù)巖性不同將幾類技術(shù)措施合理的結(jié)合，可有效節(jié)約成本，提高效率，是值得推廣的技術(shù)方案。

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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