高毓山，陶志剛，王喜剛，任樹林

（1.鞍鋼集團本鋼礦業(yè)公司，遼寧 本溪 117004；2.中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京 100083；3.遼寧科技學院 資源與土木工程學院，遼寧 本溪 117004）

隨著我國經濟的飛速發(fā)展，對資源需求量日益增加，露天采礦也呈現高速發(fā)展態(tài)勢。與其他工程類邊坡不同，露天礦邊坡具有鮮明的動態(tài)性特征，其安全性和穩(wěn)定性是保證工程安全的重要方面[1-2]。爆破是露天開采中最為廣泛使用的開采技術，對爆破工程精度的控制對保證鄰近建筑物的安全性具有十分重要的意義，一直以來都是專家學者們關注的熱點問題。廖麗珍等[3]以河源市江東新區(qū)的土石方爆破開挖工程為例，在復雜環(huán)境下采取深孔臺階控制爆破為主、機械液壓炮機破碎為輔的施工方案,并采用逐孔單響起爆技術進行施工，其爆破效果較理想；劉小偉等[4]通過理論計算爆破載荷作用下巖石破壞產生的壓碎圈與裂隙圈半徑,給出了露天階梯孔邊坡控制爆破工藝中藥包與邊坡距離的理論依據；楊琳等[5]針對高危邊坡的爆破,提出了分區(qū)深孔控制爆破技術,并進行了爆破參數設計，對高邊坡爆破振動隨高程變化的規(guī)律進行研究；曾德進等[6]通過控制第一批炮孔抵抗線和特殊的掏槽形式等措施，其爆破爆堆塊度均勻、底板平整，達到了預期要求；王正煜[7]對控制爆破參數進行了優(yōu)化，在鳳凰山石灰?guī)r礦區(qū)邊坡工程進行了應用，得到了良好的爆破效果；林哲[8]利用ANSYS/LS-DYNA 模擬了預裂爆破技術在二維空間的結果，比較了水和空氣對應力的衰減速度差異，得到了預裂爆破最佳的不耦合系數；汪為平等[9]對超近距離的減震爆破技術進行了研究，采用灰色理論的對爆破敏感性進行了分析，從關聯度較大的單因素或多因素入手優(yōu)化減震措施；劉占全等[10]通過取樣化驗確定爆破作業(yè)邊界，通過離散元數值模擬技術得到了深孔爆破參數，優(yōu)化了爆破設計方案；許守信等[11]針對具有節(jié)理裂隙的礦山邊坡預裂爆破技術進行了研究，以西溝石灰石礦西幫為例，采用ANSYS/LS-DYNA 分析了不同監(jiān)測點的應力變化特征，表明采用矩形聚能藥柱預裂爆破技術，調整了炮孔周邊巖體應力分布狀態(tài)；帥寶林[12]對多層框架結構在爆破作用下的減震技術進行了研究，利用ANSYS/LS-DYNA 分析在爆破作用下結構的靜態(tài)響應、模態(tài)響應和瞬態(tài)響應，提出了具體的減震措施。

但是，現有大量相關成果主要針對服役期內礦山爆破出現的問題開展研究，而針對超期服役的對象研究成果較少。為此，圍繞南芬露天鐵礦382 巖石站安全超期服役問題展開研究。

1 工程概況

南芬露天鐵礦是我國乃至亞洲最大的黑色冶金單體露天礦山，年爆破礦巖約1 億t，2003 年建成并投產使用的382 巖石站帶式輸送機運輸排巖系統(tǒng)，它承擔著礦山約15%的排巖任務，約1 300 萬t/a，相較于汽車運輸的排巖方式，其運輸成本降低約2.7～4.9 元/t，每年約3 500～6 300 萬元。研究表明，巖石站系統(tǒng)壽命除自身質量及后勤養(yǎng)護因素外，最主要受爆破振動的影響。對382 巖石站系統(tǒng)進行技術評價，依據礦山現有設備等條件，制定科學開采方案，并對爆破振動進行嚴格限制。通過現場踏勘，并參照GB 6722《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的下限值，最終確定安全速度限值為：排巖站設備爆破振動速度閾值為2 cm/s，礦山巷道15 cm/s，鄰近邊坡5 cm/s。

依據與382 巖石站的距離間隔以及以往振動和飛石監(jiān)測數據，將382 巖石站附近的爆區(qū)分為主要危險區(qū)和次要危險區(qū)。主要危險區(qū)范圍為：南北側距離巖石站5～50 m，東側距離巖石站20～50 m；距離巖石站50～100 m 的區(qū)域為次要危險區(qū)。

2 小微精爆破技術

2.1 小臺階板塊化爆破技術

南芬露天鐵礦區(qū)域內巖性以矽石為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，硬度系數在8～15 之間。礦區(qū)爆破臺階的設計高度一般為12 m 或18 m，爆破孔徑一般為250 mm 或310 mm。綜合考慮工程安全和盡可能提高產量和充分發(fā)揮設備利用率等因素，礦區(qū)加強對邊坡和382 號巖石站的保護，將遠離382 號巖石站的區(qū)域，臺階高度設計為12 m，鉆孔直徑取250 mm 和310 mm。當開采面推進至382 號巖石站附近時或在爆破條件較差的區(qū)域，通過對南芬露天鐵礦以往的爆破施工進行梳理、總結，經過試驗和理論分析，創(chuàng)造性地提出和應用了6 m 臺階板塊化爆破施工方案，具體針對382 巖石站的東面30 m、南面20 m 及北面25 m 處的最近爆破區(qū)域和376～370 m 水平平臺，臺階高度設計為6 m，孔徑取200 mm。其具體爆破設計參數見表1。

表1 爆破參數設計

為了達到最佳的爆破效果，多次現場試驗獲得炮孔炸藥配比，最終確定為多孔粒狀炸藥及乳化炸藥混合裝藥。多孔粒狀炸藥采用連續(xù)裝藥結構，乳化炸藥使用間隔裝藥結構。起爆網路設計采用澳瑞凱逐孔起爆技術進行起爆。雷管使用澳瑞凱雷管，其中9#、17#、25#、42#、65#、100#地表雷管，孔內延時時間平均400 ms。

2.2 微振控制爆破技術

微振爆破是指為了減小主爆區(qū)爆破振動對鄰近保護對象的影響，在爆破方案選擇、爆破器材選用、爆破參數確定、起爆網路設計、現場施工及管理等方面，充分考慮爆破振動的影響因素，最終將爆破振動控制在允許范圍內，并控制在最小程度所采取的綜合爆破技術。

2.3 精細化控制爆破技術

精細化控制爆破主要通過定量化爆破設計和施工，實現炸藥爆炸能量釋放與介質破碎、拋擲等過程的精密控制。從而達到爆破有害效應的有效控制，使爆破作業(yè)更加的安全可靠、經濟合理。

預裂爆破主要通過沿工程設計邊界布置炮孔，裝填低危力炸藥或者采用不耦合裝藥，在主爆區(qū)之前起爆，在主爆區(qū)和保留區(qū)之間形成具有一定寬度的裂縫，從而起到防止主爆區(qū)裂隙延伸到保留邊坡以及降低主爆區(qū)爆破振動對保留區(qū)的影響、形成規(guī)整坡面等作用。

精細預裂爆破效果影響因素眾多，主要關鍵參數包括：不耦合系數De、炮孔間距a、線裝藥密度QL、爆孔直徑db等。

南芬露天礦目前采用的預裂孔鉆孔設備是牙輪鉆機，直徑115、250 mm。由于鉆機可旋轉方向、角度有限，炮孔角度一般為90°。預裂孔炮孔間距可由式（1）計算：

式中:a 為炮孔間距，m；σt為巖石抗拉強度，Pa；p為炮孔壁面的壓力，MPa，為了避免造成炮孔壁周邊受壓破壞，應通過調整不耦合系數使其小于等于巖石抗壓強度；d為炮孔直徑，mm。

根據礦方提供的《南芬鐵礦地質報告》，矽石抗壓強度為130～150 MPa，平均140 MPa；抗拉強度為13.0～18.0 MPa，平均15.5 MPa。代入式（1）可計算出a ≤10 d。即預裂孔炮孔間距分別不能超過1.15 m（115 mm 鉆機）和2.5 m（250 mm 鉆機）。

根據礦山生產實際，選用巖石乳化炸藥。預裂孔均采用導爆索。

為了保證預裂爆破的效果，除了在徑向上采用不耦合裝藥外，在軸向上采用分段式裝藥，即底部為加強裝藥、其余為正常裝藥，并且在頂部根據實際情況預留2.5～3.0 m 左右的范圍填塞。加強裝藥段線裝藥密度應該是正常裝藥段線裝藥密度的3倍。臺階高度12 m，設計采用與水平面成90°的垂直炮孔，鉆孔設計深度為12 m。

3 爆破振動監(jiān)測與數值模擬

3.1 爆破振動監(jiān)測

為了準確掌握爆破振動的強度以及傳播規(guī)律，并為優(yōu)化爆破方案提供科學準確的振動數據，嚴格控制爆破振動危害對382 巖石站系列保護對象的影響，分別在382 巖石站、地下排巖硐室設置監(jiān)測點，監(jiān)測儀器采用成都中科測控研發(fā)生產的TC-4850型測振儀。

通過對382 巖石站臨近爆區(qū)進行爆破振動監(jiān)測，獲取了大量有價值的振動數據資料，經過對每一次振動數據的詳細分析，逐步優(yōu)化爆破方案，最終使各監(jiān)測點的振動控制在安全允許范圍內。部分監(jiān)測數據見表2。

表2 382 巖石站振動監(jiān)測部分數據

3.2 數值模擬分析

根據爆破工程現場實際尺寸按照1:1 比例建立數值計算模型，數值計算模型及監(jiān)測點示意圖如圖2。模型橫向寬度為150 m，豎向高度為50 m，縱向深度方向尺寸為80 m，洞室高度為10 m，上部為倒置漏斗形。臺階高度為12 m，有2 級臺階，坡度在45°左右。為具體研究爆破的影響，對容易受影響的控制點進行監(jiān)測，分別監(jiān)測了邊坡的頂點2 處，巷道控制點3 處。

圖2 數值計算模型及監(jiān)測點示意圖

爆破后水平應力情況模擬結果如圖3，爆破后豎向應力情況如圖4，爆破后水平位移情況如圖5，爆破后豎向位移情況如圖6；監(jiān)測點A、B 的水平速度結果如圖7 和圖8。

圖4 爆破后豎向應力情況

圖5 爆破后水平位移情況

圖6 爆破后豎向位移情況

圖7 監(jiān)測點A 的水平速度

圖8 監(jiān)測點B 的水平速度

由圖3 和圖4 可知：爆破點處顏色較深，說明爆破振動對爆破區(qū)域影響最大，隨著距離爆破點位置越遠，爆破振動影響越來越弱；在硐室右下角處顏色較深，表明此處受到較大影響，原因可能在于此處幾何形狀急劇變化，因此引起了爆破振動效果集中體現，導致此處受影響較大，其他區(qū)域受到影響較為微弱，表明該控制爆破方法效果較好，能夠保證礦區(qū)的地質安全。

由圖5 和圖6 可知：爆破活動后礦山區(qū)域的位移變化不大，礦山區(qū)域受到影響較為微弱，表明該控制爆破方法效果較好，能夠保證礦區(qū)的地質安全。

由圖7 和圖8 可以看出：速度最大的監(jiān)測點為監(jiān)測點A，最大速度為2.2 cm/s，監(jiān)測點B、監(jiān)測點C的最大速度都小于2.0 cm/s，符合相關要求。

4 結語

1）針對南芬露天礦382 巖石站的實際工程需求，提出了小臺階板塊化、綜合臺階微振控制爆破和邊坡精細預裂爆破的“小微精”控制爆破集成技術。

2）通過現場爆破監(jiān)測和數值模擬發(fā)現，該技術可以有效解決南芬露天礦382 巖石站等重點保護對象的振動安全問題。

3）“小微精”控制爆破集成技術，可以對鄰近爆破工程周邊的危舊建筑物起到良好的保護作用，并可通過現場監(jiān)測與爆破設計動態(tài)聯動，不斷優(yōu)化“小微精”控制爆破效果。