孟慶浩 郭春陽(yáng) 和鐵柱 池恩安

（1.保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.保利久聯(lián)控股集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550025）

0 引言

露天礦堅(jiān)硬巖臺(tái)階斷界施工普遍采用爆破、挖掘機(jī)輔助開(kāi)挖法，諸如蒂爾登鐵礦、馬鋼南山鐵礦、別斯庫(kù)都克礦和英坪礦等國(guó)內(nèi)外露天礦，但在臺(tái)階斷界處普遍存在爆破質(zhì)量差，嚴(yán)重影響緊鄰保留區(qū)后續(xù)開(kāi)挖、鉆爆施工，領(lǐng)域內(nèi)從業(yè)者期待出現(xiàn)較常規(guī)斷界工法更優(yōu)、更簡(jiǎn)便的臺(tái)階斷界新技術(shù)。貝克利礦、大寶山礦和布沼壩礦等諸多礦山應(yīng)用定向爆破斷裂控制技術(shù)來(lái)處理邊坡斷幫問(wèn)題，在主爆區(qū)與邊坡之間能夠形成預(yù)期的裂縫，削弱了主爆孔爆破對(duì)保留巖體的破壞，開(kāi)挖后能形成規(guī)整輪廓面且穩(wěn)定性高，受此啟發(fā)而提出融入預(yù)裂爆破的設(shè)計(jì)思想來(lái)處理堅(jiān)硬巖臺(tái)階斷界問(wèn)題，然而此構(gòu)想尚缺少典型工程案例參鑒，亟需廣大同仁集智來(lái)解決堅(jiān)硬巖露天礦臺(tái)階斷界施工問(wèn)題［1-4］。

1 工程概況

吉朗德露天煤礦（簡(jiǎn)稱(chēng)吉礦）位于新疆巴里坤縣城北西方向約150 km處，該礦剝離工程采用爆破破巖——單斗挖掘機(jī)采裝——自卸卡車(chē)由坑內(nèi)移動(dòng)坑線或半固定坑線運(yùn)至井田外排土場(chǎng)排棄。2020年初，該礦剝采工程已形成15個(gè)12 m高的工作臺(tái)階。礦坑內(nèi)水平掌子面由西向東觀察，巖層沒(méi)有較大的起伏，各平臺(tái)以淺灰色細(xì)砂巖為主，少部分區(qū)域夾有中砂巖（厚0.1～0.2 m）和泥巖（厚0.1～0.2 m），鈣質(zhì)膠結(jié)且膠結(jié)好，層厚，裂隙不甚發(fā)育，巖質(zhì)新鮮，粒徑0.01～0.1 mm，密度 2.6 g/cm3，單軸抗壓強(qiáng)度 40～60 MPa，抗拉強(qiáng)度3.5～4.8 MPa，屬于堅(jiān)硬巖。

吉礦北幫臺(tái)階工作線長(zhǎng)約1 400 m，常因現(xiàn)場(chǎng)礦情、生產(chǎn)調(diào)度指令而將臺(tái)階“打斷”劃分為多個(gè)穿爆區(qū)；同一臺(tái)階先鉆爆施工的區(qū)段稱(chēng)之為先爆區(qū)，緊鄰后鉆爆施工的區(qū)段稱(chēng)之為保留后爆區(qū)（簡(jiǎn)稱(chēng)保留區(qū)）。臺(tái)階斷界處是指先爆區(qū)和保留后爆區(qū)的分界位置，應(yīng)用常規(guī)的垂直截?cái)嗝姹崎_(kāi)挖斷界法和垂斜截面爆破開(kāi)挖斷界法來(lái)處理吉礦堅(jiān)硬巖臺(tái)階斷界問(wèn)題，施工費(fèi)用高，生產(chǎn)效益低，斷界處爆破質(zhì)量差且嚴(yán)重影響保留區(qū)后續(xù)鉆爆施工。

2 堅(jiān)硬巖臺(tái)階斷界法

2.1 垂直截?cái)嗝姹崎_(kāi)挖斷界法

早期，吉礦應(yīng)用垂直截?cái)嗝姹崎_(kāi)挖斷界法來(lái)處理堅(jiān)硬巖臺(tái)階斷界問(wèn)題，其設(shè)計(jì)思路如圖1（a）所示：通過(guò)爆破碎巖、挖掘機(jī)輔助修整斷界面而形成垂直截?cái)酄钶喞?，斷界處布設(shè)的炮孔孔位呈鋸齒狀，孔徑120 mm，炮孔間距4.6 m，斷界炮孔4個(gè)，孔深12 m，超深1.5 m，乳化炸藥（爆速約4 400 m/s）耦合裝藥，填塞長(zhǎng)度均為3 m，單孔爆破單耗為0.45 kg/m3。因臺(tái)階斷界處炮孔呈鋸齒狀，炮孔稀疏，細(xì)砂巖屬于堅(jiān)硬巖，受緊鄰保留區(qū)鉗制，垂直截?cái)嗝娴膸缀螛?gòu)狀不利于巖石爆破外推，先爆區(qū)斷界處巖石爆破外推效果不明顯，緊鄰保留區(qū)巖體拉裂嚴(yán)重，爆破效果如圖1（b）所示。

實(shí)施垂直截?cái)嗝姹崎_(kāi)挖斷界法，斷界處爆破質(zhì)量差，保留區(qū)巖石拉裂嚴(yán)重，開(kāi)挖后斷界區(qū)域出現(xiàn)6個(gè)大塊，3處根底，保留區(qū)壁面上有4處懸塊，臺(tái)階巖體較為堅(jiān)硬，挖掘機(jī)修整后亦不能形成規(guī)整截?cái)嗝?。斷界處?個(gè)炮孔（炮孔鉆爆施工費(fèi)用約1 050元/個(gè)），爆后挖掘機(jī)因修整斷界截?cái)嗝娑l(fā)生臺(tái)班3 h（500元/h），破碎錘破碎大塊而發(fā)生臺(tái)班0.8 h（500元/h），爆破處理根底3處（約80元/處），粗略施工費(fèi)用6 340元。此外，先爆區(qū)拉裂、破壞了緊鄰保留區(qū)巖體的完整性，致使保留區(qū)出現(xiàn)裂縫長(zhǎng)達(dá)6 m，松動(dòng)范圍3.5 m，鉆機(jī)無(wú)法在松動(dòng)的保留區(qū)臺(tái)階面上鉆孔，爆破作業(yè)人員亦難控制拉裂、松動(dòng)區(qū)域的裝藥量，保留區(qū)易產(chǎn)生爆破飛石，增加了設(shè)備避炮方面的調(diào)度工作。

2.2 垂斜截面爆破開(kāi)挖斷界法

垂直截?cái)嗝娴膸缀螛?gòu)狀不利于巖石外推，為減弱臺(tái)階保留區(qū)對(duì)先爆區(qū)巖石外推的鉗制，結(jié)合半“V”形構(gòu)狀面有利于創(chuàng)造爆破外推自由面，提出垂斜截面爆破開(kāi)挖斷界法：即在臺(tái)階斷界處將炮孔布設(shè)成斜線（呈半“V”形），垂斜截面幾何構(gòu)狀有助于巖石爆破外推、挖掘機(jī)修整堅(jiān)硬巖石斷面后形成垂斜截面輪廓［5］，如圖2（a）所示：炮孔孔排距為6 m×3.5 m，孔徑120 mm，斷界斜線上布設(shè)炮孔個(gè)數(shù)m=4，由幾何關(guān)系可知炮孔間距s=4.6 m，斷界斜線長(zhǎng)度l=（m-1）s=13.8 m，斷界炮孔4個(gè)，孔深12 m，超深1.5 m，乳化炸藥耦合裝藥，填塞長(zhǎng)度3 m，單孔爆破單耗0.48 kg/m。斜截面斷界法的幾何構(gòu)狀雖有利于臺(tái)階斷界處巖石外推，能減弱保留區(qū)對(duì)先爆區(qū)巖石外推的鉗制，但保留區(qū)巖石仍有不同程度拉裂，爆破效果如圖2（b）所示。

實(shí)施垂斜截面爆破開(kāi)挖斷界法，斷界處巖石外推明顯，斷界處爆破質(zhì)量有所提升，但保留區(qū)巖石存在不同程度的拉裂現(xiàn)象。開(kāi)挖后出現(xiàn)3個(gè)大塊，2處根底，保留區(qū)壁面有2處懸塊，挖掘機(jī)修整后能形成不規(guī)整的垂斜截面輪廓。臺(tái)階斷界處炮孔共4個(gè)（每個(gè)炮孔鉆爆施工費(fèi)用約1 050元），爆后挖掘機(jī)因清理斷界輪廓面而發(fā)生臺(tái)班1.3 h（500元/h），破碎錘破碎大塊而發(fā)生臺(tái)班0.3 h（500元/h），爆破處理根底2處（約80元/處），發(fā)生粗略施工費(fèi)用5 160元。先爆區(qū)拉裂、破壞了緊鄰保留區(qū)巖石的完整性，保留區(qū)裂痕最長(zhǎng)達(dá)3 m，松動(dòng)范圍2.5 m，鉆機(jī)在緊鄰保留區(qū)鉆孔過(guò)程中有“卡桿”現(xiàn)象，后續(xù)爆破作業(yè)中有爆破飛石產(chǎn)生。

2.3 垂斜截面仿預(yù)裂爆破斷界法

2.3.1 垂斜截面仿預(yù)裂爆破斷界法設(shè)計(jì)思路

一是斜截面幾何構(gòu)狀有利于消減緊鄰保留區(qū)對(duì)先爆區(qū)巖石爆破外推的鉗制，兼顧該礦臺(tái)階臨空面是垂直坡面角，故設(shè)計(jì)為垂斜截面（半“V”形垂構(gòu)狀面）；二是易于通過(guò)調(diào)整預(yù)裂炮孔爆破單耗來(lái)改善爆破效果；三是預(yù)裂爆破使產(chǎn)生的裂隙不能任意發(fā)展而只能沿著炮孔連心線方向形成一條裂縫，能有效減輕巖石拉裂，解決斷界處保留區(qū)輪廓面不平整、散塊掛幫等問(wèn)題，為保留區(qū)后續(xù)鉆爆施工提供安全作業(yè)條件［6］。此外，在整個(gè)過(guò)程中并不注重揭露巖石破碎的具體力學(xué)過(guò)程而是著重解決具體工程問(wèn)題，為確?？梢愿鶕?jù)地礦條件和具體礦情靈活設(shè)計(jì)垂斜截面、預(yù)裂爆破等相關(guān)參數(shù)，使其具有技術(shù)難度低、靈活性高且施工成本低等特點(diǎn)，故設(shè)計(jì)為垂斜截面仿預(yù)裂爆破開(kāi)挖斷界法。

2.3.2 +1 264 m臺(tái)階垂斜截面仿預(yù)裂爆破斷界法

+1 264 m臺(tái)階主爆區(qū)炮孔排距為6 m×3.5 m，4排炮孔，前排抵抗線2.5 m，超深1.5 m，填塞長(zhǎng)度3 m。+1 264 m臺(tái)階斷界處垂斜截面仿預(yù)裂爆破斷界設(shè)計(jì)如圖3（a）所示：在斷界處設(shè)置斷界斜線，由爆區(qū)孔排距幾何關(guān)系可推知，斷界斜線長(zhǎng)度l=15 m，斜線與臨空面坡頂線所成的爆破外推傾角∠α=130.6°，仿預(yù)裂炮孔直徑為120 mm，孔深12 m。斜線上設(shè)置仿預(yù)裂炮孔個(gè)數(shù)m=7，爆破時(shí)相鄰仿預(yù)裂炮孔在斷界連心斜線上應(yīng)力互相加強(qiáng)，互為導(dǎo)向孔，仿預(yù)裂炮孔間距s=l/（m-1）=2.5 m，符合經(jīng)驗(yàn)公式中預(yù)裂孔距為15～25倍孔徑的觀點(diǎn)［7］。因斷界斜線上仿預(yù)裂炮孔較為密集，預(yù)裂炮孔底部實(shí)施加強(qiáng)裝藥后可不設(shè)超深，炮孔底部加強(qiáng)裝藥高度的經(jīng)驗(yàn)取值范圍為（0.15～0.17）Id，底部裝乳化炸藥，裝藥長(zhǎng)度為 2 m［8-9］。仿預(yù)裂炮孔內(nèi)進(jìn)行間隔裝藥，相鄰預(yù)裂炮孔呈互耦狀裝藥，孔內(nèi)設(shè)置2個(gè)間隔區(qū)段，孔內(nèi)藥柱間隔長(zhǎng)度為1.5 m，選用阻塞柔性編織袋作為間隔材料。為確保斷界處巖體不過(guò)度損傷，單個(gè)仿預(yù)裂炮孔爆炸產(chǎn)生的徑向壓力應(yīng)小于巖石的極限動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，以孔壁不發(fā)生粉碎、不產(chǎn)生不定向裂隙為原則，即δ壓＜［δ動(dòng)壓］、δ拉＜［δ動(dòng)拉］，仿預(yù)裂炮孔內(nèi)間隔裝銨油炸藥，線裝藥密度q1=9 kg/m，爆速約為2 900 m/s。此外，仿預(yù)裂爆破能降低作用于炮孔壁上的爆炸壓力，為保證臺(tái)階斷界處巖石爆破外推效果，減少根底產(chǎn)生，預(yù)裂斜線兩端的仿預(yù)裂炮孔采用全耦合裝藥［10］。斷界斜線上的仿預(yù)裂炮孔先于主爆區(qū)110 ms齊爆，有利于止裂和減振［11］。垂斜截面仿預(yù)裂爆破斷界法爆破現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果如圖3（b）所示。

實(shí)施斜截面仿預(yù)裂爆破斷界法斷界處爆破質(zhì)量?jī)?yōu)良，先爆區(qū)未對(duì)保留區(qū)巖體造成明顯拉裂，斷界處開(kāi)挖后未出現(xiàn)大塊、根底和懸石，形成了規(guī)整垂斜截面。斷界炮孔共7個(gè)（每個(gè)預(yù)裂炮孔鉆、爆施工費(fèi)約720元），斷界處施工費(fèi)用約為5 040元。保留后爆區(qū)壁面無(wú)懸塊，斷界輪廓面平整，有利于保留區(qū)后續(xù)穿孔、爆破施工。

2.4 堅(jiān)硬巖臺(tái)階斷界法效果對(duì)比

綜上，對(duì)吉礦堅(jiān)硬巖臺(tái)階斷界法中各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行比較，如表1所示。垂斜截面仿預(yù)裂爆破斷界法較垂直截?cái)嗝姹崎_(kāi)挖斷幫法、垂斜截面爆破開(kāi)挖斷界法而言，大塊、根底、斷界輪廓面懸掛的散巖等爆破質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)更優(yōu)，開(kāi)挖后能形成規(guī)整的輪廓面，能消除緊鄰保留區(qū)后續(xù)鉆爆施工隱患，且發(fā)生的施工費(fèi)用相對(duì)較少。

3 結(jié) 論

垂斜截面構(gòu)狀有利于堅(jiān)硬巖臺(tái)階巖石爆破外推，垂斜截面爆破開(kāi)挖斷界法優(yōu)于垂直截?cái)嗝姹崎_(kāi)挖斷界法；借助預(yù)裂爆破易于成縫和止裂的優(yōu)勢(shì)，垂斜截面仿預(yù)裂爆破開(kāi)挖斷界法優(yōu)于垂斜截?cái)嗝姹崎_(kāi)挖斷界法。垂斜截面仿預(yù)裂爆破開(kāi)挖法更適用于解決吉礦堅(jiān)硬巖臺(tái)階斷界問(wèn)題。

垂斜截面仿預(yù)裂爆破斷界法重在宣揚(yáng)堅(jiān)硬巖爆破開(kāi)挖斷界法的設(shè)計(jì)思想，受制于礦山地質(zhì)條件、具體礦情，很難定性出垂斜截面仿預(yù)裂爆破開(kāi)挖斷界法中涉及的準(zhǔn)確相關(guān)爆破參數(shù)，經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式可能不太精確，但著重解決當(dāng)前的具體工程問(wèn)題。