露天矿冻土爆破技术研究

谢学之

摘要：为了研究高原地区的土木工程建设施工中冻土问题对于最终建设的影响。本文以笔者中国水利水电第十工程局有限公司多年工作经验，在笔者实际工作中总结经验性参数，全面表征露天矿冻土爆破过程中的难点和问题。为同行提供建设性意见。

关键词：露天；冻土；爆破；开挖

1引言

高原地区的土木工程建设施工需要克服地形地貌和自然环境的限制。其中冻土影响对于施工过程的土方开挖和地基稳固具有重要重要。其中较厚的冻土层选用爆破开挖技术效果相当较好。在此施工阶段进行合理的爆破布控和钻孔机械的运用能确保爆破效果和安全性最优。在此本文以笔者中国水利水电第十工程局有限公司多年工作经验，在笔者实际工作中总结经验性参数，全面表征露天矿冻土爆破过程中的难点和问题。为同行提供建设性意见。

2冻土特性

土壤是气、液、固多重成分互为扰动而组成的。机理上具有复杂性，组成上具有变化性。而冻土的成分更加复杂。广义理解为矿物颗粒、冰、未冻水和气体的四相体固态稳定物，其构造具有规律性，力学特性上具有固定性，需要注意由于冰的胶结作用最终作用形成了冻土和冻结土的不同力学特性。按照化学组成机理划分，冰的胶结力学特性最终因为温度的不同而诱发强度变化，但是其强度不会因为温度的降低而无限变大，根据室内试验核算，冻土在温度降低到一定时其强度会趋于稳定，其中含水量与强度成正比，并最终和纯冰强度持平。自然界中由于环境温度的变化与人类活动的干扰，其冻土层中的水分会进行周期性变化，所以不同时段不同区域的冻土的性质和强度不一致。甚至出现较大的塑性交融特征。在此前提下相关技术人员应进行长效土壤室内试验研究，在充分了解自然变化规律的同时有效运用勘察手段对施工区冻土进行取样分析。并依据前期研究结果模拟出整体施工区域的强度变化规律。为后续的爆破工序提供力学参数保障，充分避免爆破后的根底、孔间未破碎诱发的隔墙和整体大块率高等一系列问题。

3冻土爆破的困难性

目前冻土开挖方法一般分为破碎法和融化法。破碎法有人工挖掘、机械开挖和爆破开挖三种。其中冻土爆破具有工时快、时效好、成本省的特点，但是具体实施困难性还是存在的。

（1）冻土爆破与冻土本身阻力的关系。冻土所处的环境温度和自身含水量能有效影响冻土的最终强度，该种力学特性极大阻碍着冻土的爆破效果。其中如若冻土温度降低，土壤因为其塑性物质的力学特性，其抗机械破坏力会变强。如若含水量增多，摩擦力会起到主导阻碍，直接强化土层的抗剪强度。所以无论何种前提条件都要进行相关分析，将冻土的爆破阻碍降至最低。

（2）冻土具有较强的抗机械破坏力。不同前提下的冻土结构对爆破程度的阻碍不一致。其中在机械钻孔阶段由于刀具与冻土强度的关系，冻土层垂直面的爆破过程中，其力学特性表征认为从冻土上切割下来的土块层厚度相当于两层相同冻土的厚度。对刀具要求增高，当部署孔洞无法达到预定深度时，最终爆破效果影响性较大。

4冻土爆破技术运用分析

与普通岩土相比，高原多年冻土具有明显的力学特性。此外，高原多年冻土的施工环境恶劣，在成孔爆破过程中易出现回淤、融化下沉、生態破坏等问题。因此，为了达到最终的施工目标，有必要在总结分析的基础上提出多年冻土爆破开挖的原则，以达到钻孔、爆破、开挖安全协调、高效施工的目的。具体原则为：

（1）快速施工。冻土爆破开挖施工中，应尽量减少每个施工环节的作业时间，加快作业速度，做好钻孔、装药、堵塞、起爆等一系列工序的协调工作，并对已有工作面进行保温，防止热融病害。

（2）确定合理爆破规模。不同于一般土岩爆破追求的大土方量爆破规模，冻土爆破应采取合理的规模。具体可表现在：路堑开挖以冻土暴露时间最短为原则，根据挖深和长度调整，分层分段施工；桥梁基坑开挖应在开挖后尽快进行基础施工；隧道开挖应与支护施工紧密衔接。

（3）采用先进的施工技术。为了获得冻土开挖的最佳爆破效果，除了钻孔设备和爆破器材的合理选择以外，应提高爆破施工技术。可根据施工现场的具体情况，确定合适的爆破方案；采用浅孔爆破与深孔爆破结合的综合爆破方法；优化爆破参数，尽量做到一次爆破开挖成型。

以笔者中国水利水电第十工程局有限公司青藏高原露天矿冻土爆破实际工作为例。做时效经验总结下的运用技术分析。

以青藏高原冻土爆破施工为例。春夏季青藏高原白天气温回升，冻土出现冻融现象。穿孔、爆破难度增大，效果不好主要影响原因，白天气温逐渐回升，钻孔成孔困难，气温回升后，由于冻融现象，冻土部分融化成泥浆导致无法成孔。已经成孔的孔内积水，并加快孔口坍塌，从而导致孔深不足或者孔口堵塞，影响爆破质量或者无法装药。从而影响开采进度，增加人工设备成本。

解决方法：1、时间控制方面。钻孔时间应该在下午太阳落山后气温降低，冻土层重新凝固坚硬后方能钻孔，至次日清晨；爆破时间，应尽量控制装药及爆破在上午进行，从而确保成孔及装药（冻土还未融化，成孔快，不塌孔）2、钻孔设备方面。尽管露天矿山应尽量采用牙轮钻钻孔更加高效及节约成本，但是考虑安全及爆破质量（爆破时冻土层强度及整体性已然不高），为避免牙轮钻机在冻土层上钻孔及行走是安全（怕土层强度不足导致钻机侧翻）及爆破安全（减小单孔装药量，防止爆破意外事故），综合考虑使用钻孔孔径140mm潜孔钻机。同时尽量一次性调动多台钻机同时作业，以保证单次爆破量。3、爆破施工方面。装药方式。采用分层装药，尽量使爆破能量均匀分散，（只装孔底容易导致顶部出现超大块的情况：厚度达一米，面积三五十乃至一百平米）；保证填充质量。填充不到位或者填充物不合理极易冲孔，安全隐患大，质量控制不好。

5结语

综上所述，冻土地区的矿建、道路施工等工作要进行现场地形地貌和自然环境的充分考察。在充分了解地质情况的前提下进行温度、湿度和多重因素诱导下的冻土特性分析。并进行冻土爆破的室内实验，最终诱导施工方进行冻土爆破规模、爆破钻孔机械的正确选择。高效而低成本的进行相关施工的过程化管理。

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（作者单位：中国水利水电第十工程局有限公司一分局）