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(wù)處,遼寧 本溪117004)

1 背景

按照設(shè)計要求,南芬露天鐵礦382巖石運輸站及配套系統(tǒng)應(yīng)于2014年拆除,由310巖石站接替后續(xù)巖石運輸任務(wù)。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(dǎo)致以下幾個問題:一是短期內(nèi)剝巖量增大,運距大幅增加,擴幫巖石流向?qū)l(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(chǎn)安全,易造成設(shè)備的財產(chǎn)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(dǎo)致采礦量下降,供應(yīng)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(chǎn)和正常生產(chǎn)經(jīng)營秩序;三是短期內(nèi)要購買大量運輸設(shè)備,鋪設(shè)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(nèi)整個礦山的正常生產(chǎn)秩序?qū)⑹艿接绊?生產(chǎn)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(shù),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(wù),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(jié)構(gòu)、機械方面的專家現(xiàn)場踏勘,查看了382巖石站的構(gòu)建筑物及設(shè)備設(shè)施,結(jié)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(gòu)建筑物及設(shè)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(nèi)[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(chǎn)的連續(xù)性,單次爆破方量至少應(yīng)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(shè)備,不額外購置設(shè)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(nèi)調(diào)研,尚未發(fā)現(xiàn)國內(nèi)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?qū)е逻\輸巷道超期服役問題,更不會出現(xiàn)為了生產(chǎn)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(fù)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(chǎn)生,一般采用孔徑為直徑42 mm～45 mm,孔深在3 m以內(nèi)的小孔徑淺孔技術(shù)。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(luò),但它造價昂貴,不適用于礦山的大規(guī)模的生產(chǎn)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(chǎn)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(dǎo)致環(huán)境的有害效應(yīng),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(zhuǎn)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(guān)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(yīng)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(shè)計也可以有效調(diào)整地震波能量在不同頻率和不同方向上的分布情況[11]。

結(jié)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(shè)計階段根據(jù)預(yù)設(shè)關(guān)注點的振動速度進行設(shè)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(diào)整爆破網(wǎng)路。

(4)調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu),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(shù)

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(fù)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(zhì)及爆破參數(shù),如表1所示。

表1 爆破巖體性質(zhì)及爆破參數(shù)

4.2 爆破網(wǎng)路

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

表2 爆破網(wǎng)絡(luò)

圖2 巖石位移等時線

4.3 裝藥結(jié)構(gòu)

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(nèi)外的相關(guān)研究的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu),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(yù)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(chǎn)生的飛石、爆破堆的邊角掩埋巖石站地表構(gòu)筑物和設(shè)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(yù)防措施,如表3所示。

表3 預(yù)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(yīng)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(cè)(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(gòu)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(yīng)力集中,圍巖承載力變?nèi)?對礦區(qū)邊坡和硐室安全影響較大時,應(yīng)加強防護。計算結(jié)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(jié)語

6年來,通過實際現(xiàn)場應(yīng)用爆破實施過程中,周邊的重要建筑物、構(gòu)筑物及設(shè)施均安全,所有設(shè)備運轉(zhuǎn)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(chǎn)。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(shù)對于國內(nèi)外露天礦山和其他爆破工程具有一定的參考價值。