“小微精”爆破技术在南芬露天铁矿中的应用

高毓山，陶志刚，王喜刚，任树林

（1.鞍钢集团本钢矿业公司，辽宁 本溪 117004；2.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083；3.辽宁科技学院 资源与土木工程学院，辽宁 本溪 117004）

随着我国经济的飞速发展，对资源需求量日益增加，露天采矿也呈现高速发展态势。与其他工程类边坡不同，露天矿边坡具有鲜明的动态性特征，其安全性和稳定性是保证工程安全的重要方面[1-2]。爆破是露天开采中最为广泛使用的开采技术，对爆破工程精度的控制对保证邻近建筑物的安全性具有十分重要的意义，一直以来都是专家学者们关注的热点问题。廖丽珍等[3]以河源市江东新区的土石方爆破开挖工程为例，在复杂环境下采取深孔台阶控制爆破为主、机械液压炮机破碎为辅的施工方案,并采用逐孔单响起爆技术进行施工，其爆破效果较理想；刘小伟等[4]通过理论计算爆破载荷作用下岩石破坏产生的压碎圈与裂隙圈半径,给出了露天阶梯孔边坡控制爆破工艺中药包与边坡距离的理论依据；杨琳等[5]针对高危边坡的爆破,提出了分区深孔控制爆破技术,并进行了爆破参数设计，对高边坡爆破振动随高程变化的规律进行研究；曾德进等[6]通过控制第一批炮孔抵抗线和特殊的掏槽形式等措施，其爆破爆堆块度均匀、底板平整，达到了预期要求；王正煜[7]对控制爆破参数进行了优化，在凤凰山石灰岩矿区边坡工程进行了应用，得到了良好的爆破效果；林哲[8]利用ANSYS/LS-DYNA 模拟了预裂爆破技术在二维空间的结果，比较了水和空气对应力的衰减速度差异，得到了预裂爆破最佳的不耦合系数；汪为平等[9]对超近距离的减震爆破技术进行了研究，采用灰色理论的对爆破敏感性进行了分析，从关联度较大的单因素或多因素入手优化减震措施；刘占全等[10]通过取样化验确定爆破作业边界，通过离散元数值模拟技术得到了深孔爆破参数，优化了爆破设计方案；许守信等[11]针对具有节理裂隙的矿山边坡预裂爆破技术进行了研究，以西沟石灰石矿西帮为例，采用ANSYS/LS-DYNA 分析了不同监测点的应力变化特征，表明采用矩形聚能药柱预裂爆破技术，调整了炮孔周边岩体应力分布状态；帅宝林[12]对多层框架结构在爆破作用下的减震技术进行了研究，利用ANSYS/LS-DYNA 分析在爆破作用下结构的静态响应、模态响应和瞬态响应，提出了具体的减震措施。

但是，现有大量相关成果主要针对服役期内矿山爆破出现的问题开展研究，而针对超期服役的对象研究成果较少。为此，围绕南芬露天铁矿382 岩石站安全超期服役问题展开研究。

1 工程概况

南芬露天铁矿是我国乃至亚洲最大的黑色冶金单体露天矿山，年爆破矿岩约1 亿t，2003 年建成并投产使用的382 岩石站带式输送机运输排岩系统，它承担着矿山约15%的排岩任务，约1 300 万t/a，相较于汽车运输的排岩方式，其运输成本降低约2.7～4.9 元/t，每年约3 500～6 300 万元。研究表明，岩石站系统寿命除自身质量及后勤养护因素外，最主要受爆破振动的影响。对382 岩石站系统进行技术评价，依据矿山现有设备等条件，制定科学开采方案，并对爆破振动进行严格限制。通过现场踏勘，并参照GB 6722《爆破安全规程》规定的下限值，最终确定安全速度限值为：排岩站设备爆破振动速度阈值为2 cm/s，矿山巷道15 cm/s，邻近边坡5 cm/s。

依据与382 岩石站的距离间隔以及以往振动和飞石监测数据，将382 岩石站附近的爆区分为主要危险区和次要危险区。主要危险区范围为：南北侧距离岩石站5～50 m，东侧距离岩石站20～50 m；距离岩石站50～100 m 的区域为次要危险区。

2 小微精爆破技术

2.1 小台阶板块化爆破技术

南芬露天铁矿区域内岩性以矽石为主，节理裂隙发育，硬度系数在8～15 之间。矿区爆破台阶的设计高度一般为12 m 或18 m，爆破孔径一般为250 mm 或310 mm。综合考虑工程安全和尽可能提高产量和充分发挥设备利用率等因素，矿区加强对边坡和382 号岩石站的保护，将远离382 号岩石站的区域，台阶高度设计为12 m，钻孔直径取250 mm 和310 mm。当开采面推进至382 号岩石站附近时或在爆破条件较差的区域，通过对南芬露天铁矿以往的爆破施工进行梳理、总结，经过试验和理论分析，创造性地提出和应用了6 m 台阶板块化爆破施工方案，具体针对382 岩石站的东面30 m、南面20 m 及北面25 m 处的最近爆破区域和376～370 m 水平平台，台阶高度设计为6 m，孔径取200 mm。其具体爆破设计参数见表1。

表1 爆破参数设计

为了达到最佳的爆破效果，多次现场试验获得炮孔炸药配比，最终确定为多孔粒状炸药及乳化炸药混合装药。多孔粒状炸药采用连续装药结构，乳化炸药使用间隔装药结构。起爆网路设计采用澳瑞凯逐孔起爆技术进行起爆。雷管使用澳瑞凯雷管，其中9#、17#、25#、42#、65#、100#地表雷管，孔内延时时间平均400 ms。

2.2 微振控制爆破技术

微振爆破是指为了减小主爆区爆破振动对邻近保护对象的影响，在爆破方案选择、爆破器材选用、爆破参数确定、起爆网路设计、现场施工及管理等方面，充分考虑爆破振动的影响因素，最终将爆破振动控制在允许范围内，并控制在最小程度所采取的综合爆破技术。

2.3 精细化控制爆破技术

精细化控制爆破主要通过定量化爆破设计和施工，实现炸药爆炸能量释放与介质破碎、抛掷等过程的精密控制。从而达到爆破有害效应的有效控制，使爆破作业更加的安全可靠、经济合理。

预裂爆破主要通过沿工程设计边界布置炮孔，装填低危力炸药或者采用不耦合装药，在主爆区之前起爆，在主爆区和保留区之间形成具有一定宽度的裂缝，从而起到防止主爆区裂隙延伸到保留边坡以及降低主爆区爆破振动对保留区的影响、形成规整坡面等作用。

精细预裂爆破效果影响因素众多，主要关键参数包括：不耦合系数De、炮孔间距a、线装药密度QL、爆孔直径db等。

南芬露天矿目前采用的预裂孔钻孔设备是牙轮钻机，直径115、250 mm。由于钻机可旋转方向、角度有限，炮孔角度一般为90°。预裂孔炮孔间距可由式（1）计算：

式中:a 为炮孔间距，m；σt为岩石抗拉强度，Pa；p为炮孔壁面的压力，MPa，为了避免造成炮孔壁周边受压破坏，应通过调整不耦合系数使其小于等于岩石抗压强度；d为炮孔直径，mm。

根据矿方提供的《南芬铁矿地质报告》，矽石抗压强度为130～150 MPa，平均140 MPa；抗拉强度为13.0～18.0 MPa，平均15.5 MPa。代入式（1）可计算出a ≤10 d。即预裂孔炮孔间距分别不能超过1.15 m（115 mm 钻机）和2.5 m（250 mm 钻机）。

根据矿山生产实际，选用岩石乳化炸药。预裂孔均采用导爆索。

为了保证预裂爆破的效果，除了在径向上采用不耦合装药外，在轴向上采用分段式装药，即底部为加强装药、其余为正常装药，并且在顶部根据实际情况预留2.5～3.0 m 左右的范围填塞。加强装药段线装药密度应该是正常装药段线装药密度的3倍。台阶高度12 m，设计采用与水平面成90°的垂直炮孔，钻孔设计深度为12 m。

3 爆破振动监测与数值模拟

3.1 爆破振动监测

为了准确掌握爆破振动的强度以及传播规律，并为优化爆破方案提供科学准确的振动数据，严格控制爆破振动危害对382 岩石站系列保护对象的影响，分别在382 岩石站、地下排岩硐室设置监测点，监测仪器采用成都中科测控研发生产的TC-4850型测振仪。

通过对382 岩石站临近爆区进行爆破振动监测，获取了大量有价值的振动数据资料，经过对每一次振动数据的详细分析，逐步优化爆破方案，最终使各监测点的振动控制在安全允许范围内。部分监测数据见表2。

表2 382 岩石站振动监测部分数据

3.2 数值模拟分析

根据爆破工程现场实际尺寸按照1:1 比例建立数值计算模型，数值计算模型及监测点示意图如图2。模型横向宽度为150 m，竖向高度为50 m，纵向深度方向尺寸为80 m，洞室高度为10 m，上部为倒置漏斗形。台阶高度为12 m，有2 级台阶，坡度在45°左右。为具体研究爆破的影响，对容易受影响的控制点进行监测，分别监测了边坡的顶点2 处，巷道控制点3 处。

图2 数值计算模型及监测点示意图

爆破后水平应力情况模拟结果如图3，爆破后竖向应力情况如图4，爆破后水平位移情况如图5，爆破后竖向位移情况如图6；监测点A、B 的水平速度结果如图7 和图8。

图4 爆破后竖向应力情况

图5 爆破后水平位移情况

图6 爆破后竖向位移情况

图7 监测点A 的水平速度

图8 监测点B 的水平速度

由图3 和图4 可知：爆破点处颜色较深，说明爆破振动对爆破区域影响最大，随着距离爆破点位置越远，爆破振动影响越来越弱；在硐室右下角处颜色较深，表明此处受到较大影响，原因可能在于此处几何形状急剧变化，因此引起了爆破振动效果集中体现，导致此处受影响较大，其他区域受到影响较为微弱，表明该控制爆破方法效果较好，能够保证矿区的地质安全。

由图5 和图6 可知：爆破活动后矿山区域的位移变化不大，矿山区域受到影响较为微弱，表明该控制爆破方法效果较好，能够保证矿区的地质安全。

由图7 和图8 可以看出：速度最大的监测点为监测点A，最大速度为2.2 cm/s，监测点B、监测点C的最大速度都小于2.0 cm/s，符合相关要求。

4 结语

1）针对南芬露天矿382 岩石站的实际工程需求，提出了小台阶板块化、综合台阶微振控制爆破和边坡精细预裂爆破的“小微精”控制爆破集成技术。

2）通过现场爆破监测和数值模拟发现，该技术可以有效解决南芬露天矿382 岩石站等重点保护对象的振动安全问题。

3）“小微精”控制爆破集成技术，可以对邻近爆破工程周边的危旧建筑物起到良好的保护作用，并可通过现场监测与爆破设计动态联动，不断优化“小微精”控制爆破效果。