張 軍,高毓山,何運華,韓延清

(1.鞍鋼集團本鋼礦業(yè)公司,遼寧 本溪 117014;2.遼寧科技學院 教務處,遼寧 本溪117004)

1 背景

按照設計要求,南芬露天鐵礦382巖石運輸站及配套系統(tǒng)應于2014年拆除,由310巖石站接替后續(xù)巖石運輸任務。由于2014年、2015年鋼鐵行業(yè)整體形勢低迷,使得310巖石站未能按期運行。如果拆除382巖石站,使用310巖石站進行運輸,將會導致以下幾個問題:一是短期內剝巖量增大,運距大幅增加,擴幫巖石流向將發(fā)生根本性變化,巖石重車下坡極不安全,將影響礦山的生產安全,易造成設備的財產損失和危及作業(yè)人員生命安全;二是擴幫剝巖的持續(xù)滯后導致采礦量下降,供應本鋼集團的礦石量減少,直接影響本鋼集團后續(xù)鋼鐵生產和正常生產經(jīng)營秩序;三是短期內要購買大量運輸設備,鋪設運輸線路,需要投入大量資金;四是382巖石站附近布置了許多臨時運輸線路,如果拆除,短期內整個礦山的正常生產秩序將受到影響,生產管理可能失控。為此,公司決定在充分評估382巖石站的健康狀態(tài)下,采用系列控制爆破技術,在保證382巖石站安全的前提下進行采礦爆破。

2 礦山開采困境

382巖石站每年承擔著1 800萬噸的運輸業(yè)務,占總運輸量的15%以上。作為南芬露天礦的主要運輸通道,382巖石站包括地上部分和地下兩個部分。地上建筑部分主要包括集控室、辦公樓、卸料站、水泵房等;地下部分主要包括豎井、平硐、斜井、破碎機及膠帶運輸機等,如圖1所示。

(a)地上建筑 (b)地下部分

礦山組織巖土、結構、機械方面的專家現(xiàn)場踏勘,查看了382巖石站的構建筑物及設備設施,結合歷史爆破振動檢測數(shù)據(jù),確定出382巖石站的排巖硐室的振動速度安全限值為15 cm/s,地表構建筑物及設備的振動速度安全限值為2 cm/s,最終邊坡的振動速度安全限值為5 cm/s,依據(jù)《爆破安全規(guī)程 GB6722-2014》規(guī)定的安全閾值,以上檢測指標均在規(guī)程中的低限值以內[1],符合規(guī)程要求。

為減少礦巖壓占,盡可能地開挖382巖石站附近的巖體,實施爆破作業(yè)將遇到以下困難:(1)382巖石站與開挖巖體之間的距離太近。有的爆區(qū)與382巖石站的建筑物間距只有幾米,由于距離過近,使得對于爆破振動及飛石的控制存在困難;(2)實施爆破的規(guī)模和數(shù)量較大。實施大規(guī)模爆破,確保了生產的連續(xù)性,單次爆破方量至少應達到2萬m3;(3)鉆孔直徑的選擇受限。因計劃使用現(xiàn)有的礦山設備,不額外購置設備,這也意味著鉆孔直徑只能在310 mm、250 mm、200 mm中選擇。

通過文獻搜索和國內調研,尚未發(fā)現(xiàn)國內外礦山采礦過程中出現(xiàn)此類難題,國外尤其是發(fā)達國家的礦山,安全審查嚴格,不會出現(xiàn)因為經(jīng)濟原因導致運輸巷道超期服役問題,更不會出現(xiàn)為了生產連續(xù)性,以減少安全距離為代價的爆破作業(yè)情況。在城鎮(zhèn)居民生活情況復雜環(huán)境下,涉及爆破的基坑開挖、地鐵隧道或管廊掘進中,為有效地控制爆破振動和飛石的產生,一般采用孔徑為直徑42 mm～45 mm,孔深在3 m以內的小孔徑淺孔技術。但對于部分振動要求非常嚴格的部位,為了有效減少爆破振動的疊加,需要采用電子雷管網(wǎng)絡,但它造價昂貴,不適用于礦山的大規(guī)模的生產爆破作業(yè)[2-3]。為此礦山爆破必須另辟蹊徑,同時解決安全與效率問題[4-5]。

3 降震分析與對策

根據(jù)利文斯頓(Livingston C.W.)爆破漏斗理論,在礦巖爆破破碎過程中,炸藥起爆后傳遞給炮孔圍巖的能量主要消耗于巖石的破碎、拋擲及地震波傳播等,大體可由式(1)表示為[6-7]:

Ee=Eb+Ev+Es+E0

(1)

式中,Ee為炸藥總的化學能;Eb為礦巖斷裂破碎的能量;Ev為拋擲礦巖的能量;Es為礦巖中的地震波能量;E0為逸散損失的能量,如熱能、噪聲等。

在礦山生產中,礦巖斷裂破碎能量Eb的利用情況可以有效反映爆破效果,拋擲礦巖能量Ev的合理控制也有助于爆堆的堆積,兩者屬于有效能量;地震波能量Es和逸散損失能量E0會導致環(huán)境的有害效應,屬于無用能量。當炸藥釋放的總能量一定時,由于不同形式能量之間的相互轉化,若采取措施適當增加礦巖斷裂破碎能量Eb和拋擲礦巖能量Ev的占比,提高炸藥能量利用率,即可降低礦巖中的地震波能量Es,從而實現(xiàn)控制振動的目的。

參閱以往的相關研究[8-10],合理減小抵抗線,有利于降低礦巖的夾制作用,增強抵抗線方向處礦巖的破碎和拋擲效果,同時炸藥能量也能夠迅速釋放,使得爆區(qū)后方振動效應減弱;合理增大裝藥不耦合系數(shù),有利于緩沖炮孔孔壁上的沖擊波壓力,削弱圍巖的振動強度,雖然爆炸生成氣體的靜壓作用時間有所延長,但地震波能量并不受氣體靜壓的影響,反而圍巖的破碎效果得以提升。除此之外,對于群孔爆破,起爆延時和順序的合理設計也可以有效調整地震波能量在不同頻率和不同方向上的分布情況[11]。

結合南芬露天礦山實際情況,在382巖石站附近進行爆破作業(yè)時,具體振動控制對策主要包括:

(1)遵循由遠及近,從上到下的爆破順序,實時進行382巖石站的振動監(jiān)測,摸清爆破振動傳播規(guī)律,在爆破設計階段根據(jù)預設關注點的振動速度進行設計。

(2)采用逐孔起爆網(wǎng)路,通過減少單段的裝藥量,將382巖石站附近的臺階高度從18 m和12 m,降低至臺階高度為6 m。

(3)改變巖石的運動方向,為有效減小382巖石站周圍的振動能量的波動范圍,需要調整爆破網(wǎng)路。

(4)調整裝藥結構,為減小底部平硐的振動,需要在炮孔的底部放置空氣間隔器。

4 大孔徑低擾動控制爆破集成技術

4.1 低臺階爆破參數(shù)

在382巖石站周邊及爆破條件較差的爆區(qū),如臺階高度為6 m的382-376、376-370臺階,一般采用小臺階深孔爆破。經(jīng)過了反復多次的現(xiàn)場爆破試驗,確定出最佳的炮孔炸藥配比,采用多孔粒狀炸藥及乳化炸藥混合裝藥方式,可使爆破效果達到最佳[12]。爆破巖體性質及爆破參數(shù),如表1所示。

表1 爆破巖體性質及爆破參數(shù)

4.2 爆破網(wǎng)路

爆破網(wǎng)絡采用逐孔起爆網(wǎng)路,全部采用高精度非電導爆管雷管。為避免爆破振動的疊加,在23 ms時間內,控制起爆的孔數(shù)在兩個孔以內[12]。爆破網(wǎng)絡參數(shù),如表2所示,起爆網(wǎng)絡如圖2。

表2 爆破網(wǎng)絡

圖2 巖石位移等時線

4.3 裝藥結構

當爆區(qū)處于運輸巷道上方時,為避免爆破振動能量向下部巷道傳遞,在研究借鑒國內外的相關研究的基礎上,在炮孔底部采用空氣間隔器作為緩沖材料。在不影響爆破效果的前提下,采用底部緩沖的裝藥結構,可有效削弱爆破振動10%～20%,未出現(xiàn)方案實施前所擔心的根底及大塊問題,且直接成本還得到了降低。

4.4 飛石及滾石的預防措施

為了有效地降低382水平垂直空間上及第一爆區(qū)所產生的飛石、爆破堆的邊角掩埋巖石站地表構筑物和設施等風險,可采取的有效措施如下:

(1)控制巖石的運動方向。

(2)降低飛石的移動速度,使其運動位移得到控制[12]。具體預防措施,如表3所示。

表3 預防措施

另外,在394-382平臺進行壓渣爆破時,加強前排炮孔抵抗線的測量,對382巖石站的建筑物門窗等薄弱部位,應采取覆蓋防護措施,以防萬一。

采取就地取材的機械筑壩方式,在爆破時防止?jié)L石破壞,并朝向爆區(qū)一側(如圖3)。

圖3 382水平以上爆區(qū)前部處理措施

4.5 振動監(jiān)測及數(shù)值模擬

振動監(jiān)測伴隨著382巖石站附近的所有爆破,在建筑或構筑物所在的場地上布置傳感器,并建立數(shù)值模型,有效解決了地下硐室的圍巖不便于監(jiān)測的問題。在爆破前,可以通過數(shù)值模型來對硐室圍巖的安全性進行檢驗[13-14]。

通過數(shù)值計算對邊坡安全和硐室井壁安全進行了分析,硐室上方的位移變化平緩。當井壁拐點或尖點處應力集中,圍巖承載力變弱,對礦區(qū)邊坡和硐室安全影響較大時,應加強防護。計算結果顯示,硐室井壁監(jiān)測點的振動速度小于規(guī)定數(shù)值,符合安全要求。數(shù)值模擬參數(shù),如表4所示。

表4 數(shù)值模擬

5 結語

6年來,通過實際現(xiàn)場應用爆破實施過程中,周邊的重要建筑物、構筑物及設施均安全,所有設備運轉正常,爆破振動及飛石等危害得到了有效控制。在保留巖石站附件平盤的同時,使得下方保證了最大限度地開采,確保了礦山的正常生產。排土運輸采用皮帶運輸比汽車運輸方式縮短了運距的同時,還大大減低了運輸成本,經(jīng)濟效益可達1.31億元,經(jīng)濟效益顯著。

文中列舉的成套的低擾動控制爆破技術對于國內外露天礦山和其他爆破工程具有一定的參考價值。