复杂环境下露天矿山爆破及安全控制
时间：2023-01-20 09:05:13 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
汪 飞
(1.江西长顺爆破工程技术有限公司，江西 赣州 341000；
2.赣州市爆破行业协会，江西 赣州 341000)
台阶爆破作为一种安全高效的开采技术，经常被广泛应用于露天矿山，然而爆破冲击波、爆破振动、爆破飞石、粉尘等爆破危害也随之而来。为了保护周边重要的建(构)筑物和适用于复杂的采场环境，有必要对不同的施工工序进行精细化爆破作业设计，在孔网参数、装药结构、起爆顺序等方面进行改进研究，从而提高露天矿山的综合生产效率[1]。可为其他类似复杂环境下的爆破工程提供一定的参考和借鉴[2-4]。
1.1 工程环境
永丰县鹅仔岭石灰石矿区位于永丰县陶塘乡境内，距永丰县城132°方位直距约39 km。鹅仔岭石灰石矿位于丘陵边缘地带，南区东南角山体下方150 m处有一个养猪场；
南面距江西国丰化工实业有限公司生产厂房的最近距离约为220 m；
西面为山体，且西北面为鹰鹏水泥厂生产车间，最近距离300 m。矿区的300 m范围内无民房、工农业设施、无地下通讯电缆及其他需要保护的构建筑物，500 m范围内无高压电力电缆线路，1 000 m范围内无铁路、高等级公路及历史文化古迹，具体的周围环境如图1所示。
矿区主要为较坚固的石灰岩，致密坚硬，工程力学强度较高，岩石平均抗压强度88.2 MPa以上，均属坚硬或半坚硬稳固型岩石。构造裂隙稀疏分布，属于整体块状结构，稳定性较好。近地表矿体风化强烈，风化裂隙较发育，受风化裂隙的影响，有时矿体被切割成大小不一的方块状，属于碎裂块状结构，力学强度低，稳定性中等至较差。
1.2 工程难点
1)爆区周围环境复杂，爆破设计需要对周围居民房屋的安全保护评估。严格限制爆破药量，控制台阶爆破作业产生的爆破振动和飞石距离，确保人员、设备及周边保护对象的安全。
2)爆破地点分布面积大，保证爆破振动对边坡稳定性，需要在确保施工安全的前提下，合理安排工作面，保证边坡整治效果。
3)生产与环境保护相结合，在充分考虑环保、安全的同时，最大限度开采允许开采范围内的矿产资源。
2.1 现场爆破方案
永丰县鹅仔岭石灰石矿区周边复杂的环境增加了爆破工作及警戒难度，因此必须对本工程的爆破技术方案进行科学合理的安排。矿区的表土剥离层不厚，根据矿山基本情况和安全生产要求，采用自上而下分层分台阶深孔爆破作业开采，设计的台阶高度为12 m，每个台阶设一个安全平台，安全平台宽6 m。靠山体一侧的道路边坡处布孔稍密，采用松动爆破，爆后用大挖机刷坡。根据矿石机械物理性能及矿山生产能力，穿孔设备采用开山KT5C履带式潜孔钻机，钻孔直径90 mm。本工程对爆破有害效应防护要求较高，要严格限制单响最大起爆药量，且爆破网路采用数码电子雷管逐孔起爆方法。根据本工程特点、作业地区的气象条件特点及当地民爆物品供货单位的现有条件等，爆破作业使用直径为70 mm，药卷长500 mm，重量2 000 g的二号岩石乳化炸药。爆破后产生的大块岩石用机械(液压破碎锤)进行二次破碎，严禁裸露药包爆破。
2.2 深孔爆破设计
2.2.1 爆破参数
由于现场的地形、地质等相关情况不断变化，生产过程中应逐步总结出一套适合于本矿实际情况的爆破技术参数，以不断提高爆破作业效果[5-6]。
永丰县鹅仔岭石灰石矿设计的台阶高度为H=12 m，钻孔直径D=90 mm；
最小抵抗线W=37D=3.3 m；
炮孔超深h=1.0 m，炮孔倾角α=75°，根据L=H/sinα+h，计算得到炮孔长度L=13.4 m。为保证爆破后岩石粒径均匀，台阶炮孔采用三角式布孔，孔距a=(1～1.2)W=3.3～4.0 m，排距b=0.86a，炮孔布置如图2所示。
为保证爆破后岩石粒径均匀，采用松动爆破，按经验选取炸药单耗q=0.25～0.45 kg/m3，软岩取小值，硬岩取大值，施工中根据实际爆破效果调整。现计算药量暂按0.34 kg/m3考虑，其中单孔装药量Q=qaHW；
如爆破炮孔排数较多时，为了克服岩石的夹制作用，后排炮孔每孔增加1.1～1.2的装药系数，即Q=kqabH，k为装药增加系数；
炮孔的填充长度L2=(30～40)D，经过多次现场作业试爆确定最终爆破参数如表1所示。
表1 爆破参数
2.2.2 装药结构和起爆网路
炮孔采取连续装药结构，每孔内装入2个起爆体，起爆体分别装在药柱的上部及下部。当炮孔底部留存积水时应先将孔内的水处理后，再装填乳化炸药，并将上部填塞好。装药结构如图3所示。炮孔填塞时要求必须认真严格，保证填塞长度及填塞质量，避免夹偏、挤压和拉扯雷管脚线。采用岩粉填塞，填塞密实即可，但不可掺入碎石。
起爆网路采用数码电子雷管起爆网路，网路连接按照规定的接法进行，在施工时保护好线路，线头搭接正确。网路连接由技术熟练的爆破工操作，操作过程中特别要注意防止损伤连接线，当遇到潮湿地段和雨天时，卡扣要进行防水处理，以免出现电路短路等事故的发生。根据本工程特点，排-排、孔-孔之间采用延时起爆技术，分别逐孔起爆。这种方法综合了排间顺序和斜线起爆的优点，大块率低，可以有效地控制爆破地震波对相邻边坡和附近建筑物的破坏，并减少爆破飞石的产生。暂设计孔间延时为25 ms，排间延时为110 ms，具体的现场延时看爆破效果进行微调，最后的爆破网路如图4所示。
3.1 爆破飞石安全距离
爆破飞石是指爆破时脱离主爆堆飞散的碎石，因为个别碎石飞行距离和方向难以准确预测，给爆区内人员、设备及周边保护对象造成较大的威胁。本次爆破设计采用瑞典德汤尼克研究基金会提出经验公式进行估算：
RFmax=kD/2.54
(1)
式中：RFmax为飞石的飞散距离，m；
k为安全系数，取40。
经过计算得到飞石的飞散距离RFmax=142 m，按照《爆破安全规程》(GB 6722-2014)[10]规定，深孔爆破飞石最小安全允许距离为200 m，但由于此次爆破沿山坡爆破，对此爆破作业的安全状态评估将安全允许距离放大50%，故最终确定爆破飞石的安全警戒距离不小于300 m(见图5)。爆破时应做好安全警戒工作，将爆破时间、爆破信号、警戒范围形成制度进行通知。爆破时，在爆破危险区范围300 m外有行人来往的公路两端和小路派出岗哨执勤，阻止行人和车辆进入危险区。另外在矿区开采周围布置安全警示围栏，防止无关人员进入。
3.2 爆破振动安全校核
爆破地震波对建筑物的影响在实质上可以看成能量传递与转化的过程，爆破地震波的振动速度与能量存在一定的关系效应[7-9]，爆破振动对建筑物的影响也常用质点振动速度衡量。根据萨道夫斯基公式中爆破所允许的最大段装药量的计算公式：
(2)
式中：v为地表质点振动速度，cm/s；
R为爆破中心到最近保护物距离，m；
Q为单段起爆的最大药量，48 kg；
K为地震波传播的介质的系数，由于爆区四周的岩性和地形并不相同，岩体多属于中硬以上，根据工程实际并类比相关工程，暂取K=150，α=1.5，不同岩性的K、α的取值如表2所示。
表2 不同岩性的K、α的取值
由被保护设施与爆区之间的距离，通过计算可推测出矿区爆破振动对周围建(构)筑物的影响，并根据《爆破安全规程》(GB 6722-2014)[10]规定最大振动速度安全判据，以设定控制的质点振动速度大小得到爆破最大允许单响药量，从而实现对周边设施的爆破振动安全校核，校核结果如表3所示。
表3 爆破振动安全校核
根据表3可以看出，本工程爆破作业产生的振动对周围建筑物没有较大影响，但是在爆破作业时，要加强现场以及爆破保护对象处的爆破振动监测，依据监测结果，视情况对爆破参数进行调整及优化。
3.3 爆破振动监测
为了验证爆区周围的建筑物不受到爆破振动的破坏，在离爆源最近的建筑物附近各布置3组测点，其中A1和A2为猪场附近测点，B1和B2为化工厂房附近测点，C1和C2为水泥厂生产车间附近测点。爆破振动监测采用加拿大Instantel公司生产的Blastmate III型振动检测仪对本次爆破作业进行实时监测。各测点的监测结果如表4所示。
表4 爆破振动监测结果
由于《爆破安全规程》(GB 6722-2014)[10]规定对于一般民用建筑物，主振频率在10～50 Hz内的安全允许振速为2.0～2.5 cm/s，由表4可知此次爆破作业，爆破振动都在安全控制范围内，不会对周围建筑物造成较大影响。
3.4 冲击波安全设计及粉尘预防措施
本工程爆破采用松动爆破，露天爆破时由于炸药能量消耗于破碎和抛投岩块，因而只有一部分转化为空气冲击波，爆破作业首先考虑的是个别飞散物和地震波安全允许距离，爆破区域上方较为空旷，进一步减小了冲击波的产生，因此判断爆破产生的冲击波对人以及建筑物没有较大的影响。
爆破粉尘也是作为爆破不可避免的重要危害之一，爆破现场的钻孔作业、爆破破碎和冲击波引起的地表粉尘都是产生粉尘危害的主要途径。在针对粉尘的预防措施中，爆破过程中可以适当加密孔网参数，且所有钻孔均采取填塞爆破，在条件允许的情况下宜爆前洒水；
作业人员在凿岩工钻孔时应坚持戴口罩，钻机应配备收尘设备，避免作业工人吸入粉尘引起肺病。
针对处于复杂环境下的深孔台阶爆破作业，采用三角式布孔松动爆破、连续装药结构、排孔分别延时起爆等关键技术，能够保证在有效开采的同时，爆破后岩石粒径均匀，有利于机械二次破碎。优化后的爆破参数现场可行性较高，能够有效降低爆破振动对周边重要建筑物的影响，减小个别爆破飞石的飞散距离。本次爆破施工方案在台阶爆破作业完成的同时，也做好了安全警戒工作和粉尘防护工作，此次爆破的圆满成功能够成为其他类似复杂环境下的爆破工程提供一定的参考和借鉴。
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