大皇山建筑石料矿爆破开采根底分析与处理技术

杜磊，石磊，牛松峰

(北京中科力爆炸技术工程有限公司， 北京 101318)

舟山大皇山凝灰岩建筑石料矿位于舟山市定海区岑港街道桃夭门社区，矿区处于海岛丘陵区，近东西向展布，最高海拔+249.72 m，最低海拔+6 m。矿区面积为 1.0481 km2，年生产规模为1227万t，约合473.7万m3，设计服务年限为15 a，于2018年开始基建，2020年4月通过基建验收。矿石主要为晶屑玻屑凝灰岩、流纹斑岩和沉凝灰岩，结构致密，属坚硬岩类。矿区内断层、节理不发育，岩体总体完整。开采标高为+249.72～+6 m，设计开采台阶高度15 m，现开采标高为+141 m，因矿山北侧、东侧各有一条生产线，且位于矿山老宕面坡底，距离老宕面坡底的距离分别为30 m和10 m。根据剥离区现状及开挖区的地形条件、选用的钻爆设备、岩石的块度要求及岩石的稳定性，设计采用水平台阶开挖，钻孔孔径为 115 mm，孔网参数为7.0 m×3.3 m，梅花孔布置，采用Φ90 mm乳化炸药，底部耦合装药，中上部为不耦合连续装药结构，填塞高度不小于 3.5 m。采区内岩层主要为凝灰岩类岩石，岩石节理、裂隙不发育，比较坚硬，属于坚硬岩石类，但+126 m平台以上节理裂隙较多，根底现象较多。

1.1 根底成因

爆破根底是由于冲击力过弱，没能使爆破矿石完全破坏而产生的。现实生产过程中，炮孔底部抵抗线过大，往往造成前排布孔位置出现根底。前排爆破孔距、钻孔情况、装药与超深也是造成根底的重要因素。常见的根底成因包括地质条件因素、炸药及爆破器材因素、钻孔情况、施工工艺等，主要可以概括为以下4个方面。

（1）岩石性质。岩石性质是对爆破效果至关重要的影响因素。岩石横向裂隙多[1]，垂直岩体倾角少会降低炸药能量利用率，制约爆破效果。在爆破作业过程中，首先应考虑爆破岩石的层理、断层、性质等对爆破效果的影响。

（2）后排孔药柱位置。当药柱顶部与底部相对爆破台阶底盘水平的标高位置长度一定时，药柱中心位置距离孔口越近，其后冲破坏范围就越大，后冲角度也越大，新形成的爆破台阶边坡角度变缓，新台阶在进行下次爆破时，前排孔底部抵抗线增大，难以克服下次爆破的底部阻力，使根底现象增加[2]。

（3）前排孔距与超深。孔距过小，会使生产成本增大，经济性降低[3]；
孔距过大，又会使爆破效果变差，难以达到理想的开采率，厚岩层、难爆破部位残留根底。针对不同的工程项目，应该因地制宜，探讨合适的前排孔距达到最佳的爆破效果；
同一矿区，也要因不同矿石爆破性能的差异确定不同的孔距与超深值。

（4）穿孔状况。穿孔质量影响着爆破效果，塌孔、堵孔一旦发生，将不利于炮孔装药作业，从而导致炮孔装药不足、炮孔拒爆等问题，最后产生爆破根底。现实前排穿孔作业中，也常见由于水平穿孔过大或上次爆破作业力度过大，产生根底。

1.2 根底不利影响

根底是爆破石方挖走后底板上留下的超出设计平台0.5 m以上的凸出岩坎，根底的存在，不但影响台阶的平整度，造成平台积水、运输车辆通行困难，而且为了不影响下次台阶爆破，需要提前处理根底，增加破碎或爆破处理成本。根底对爆破施工产生不利影响主要为以下3个方面：

（1）降低挖运效率。根底附近,爆后岩石一般都很密实,而且常伴有大块，需要进行大块挑拣或破碎后才能挖装，不利于采掘作业，影响挖装效率。大面积根底将使挖装效率降低，设备故障增多，增加了运输车辆损坏的风险。开采平台高低不平、平台积水、运输车辆通行困难，影响运输车辆通行，容易产生爆胎、翻车等安全隐患。

（2）降低台阶爆破质量。开采平台不平整，雨水天气容易造成大面积积水,如不及时处理积水，容易产生水孔，影响平台钻孔及装药堵塞质量。如果根底出现在台阶底部，若不处理，将改变台阶爆破的前排抵抗线，容易造成更多根底和大块，甚至台阶爆破没有松动。

（3）增加爆破综合成本。为了处理根底，需要对根底进行破碎或爆破，增加了破碎锤的机械台班或者钻孔爆破成本，最终增加爆破综合成本。当根底凸出平台高0.5～1.0 m、体积较小时，一般采用破碎锤进行机械破碎；
当出现大面积根底，用机械破碎效率较低，一般采用潜孔钻打孔爆破。根据根底的大小钻3～5 m深的浅孔，堵塞不少于2.5 m，再进行装药、联网、爆破。大面积根底可以单独爆破，少量可以与台阶爆破一起爆破。

2.1 原台阶爆破方案

根据招标文件要求、矿山初步设计说明、矿产资源开发利用及安全设施设计方案、矿体赋存特征以及矿区范围的地形地貌特征和已形成的开采现状，矿山选择露天开采，开拓方式为公路开拓汽车运输。采矿工序为穿孔→爆破→二次破碎→铲装→运输→排岩，即采用潜孔钻机穿孔、中深孔爆破、机械二次破碎、装载机装载、汽车运输，排至指定地点，最低开采标高为+6 m。

采场边坡参数：台阶高度为 15 m；
工作台阶坡面角为75°，设计终了台阶坡面角为53°（第四系及强风化层终了台阶坡面角不大于 45°），最终帮坡角为 44°；
安全平台宽为 5 m、清扫平台宽为 8 m；
3个安全平台间隔设置1个清扫平台。安全平台设在+111 m、+96 m、+81 m、+51 m、+36 m、+21 m，清扫平台设在+66 m开采水平；
采场最终边坡角为44°，最小装运平台宽度为60 m，装运平台最小工作线长度为120～150 m。

根据矿区地形可知，矿区最高标高+249.72 m位于矿区的中部，矿区内的资源量也主要集中在中部区域。根据“自上而下”的开采顺序及尽快达产的要求，矿山开拓系统及首采工作面主要布置在矿区中部。

根据剥离区现状及开挖区的地形条件、选用的钻爆设备、岩石的块度要求及岩石的稳定性，设计采用水平台阶开挖。台阶基本参数如图1所示。采区内岩层主要为凝灰岩类岩石，岩石节理、裂隙不发育，比较坚硬。属于坚硬岩石类，为了达到预期的爆破效果，选用爆速较高的乳化炸药，药卷直径d=90 mm。

图1 台阶基本参数

爆破参数汇总见表1。

表1 深孔爆破参数

2.2 根底统计

进入 2021年以来，在施工过程中，发现平台底板高低不平，且根底过多。矿山爆破费用约占矿石总成本的 15%～20%[4]，为处理根底而进行的二次爆破不仅影响生产效率，还造成了单耗升高、成本浪费。为找到根底产生的原因，对2021年1月到5月的根底处理所钻炮孔长度[5]和根底所在位置分别进行了统计，结果分别见表2和表3。

表2 2021年1-5月处理根底钻孔与总钻孔的数量

表3 2021年1-5月各工作面处理根底钻孔长度

表2、表3显示，2021年1月到5月处理根底钻孔15 461 m，钻孔个数共计6034个，处理根底钻孔平均孔长2.56 m。而爆破总钻孔合计总长142 911 m，钻孔14 541个，平均孔长9.83 m。需要处理的根底钻孔占到爆破总钻孔的10.74%。其中3月处理根底钻孔占比最多，达13.32%，占比最少的1月也达到了9.67%。从+156 m至+111 m的三处平台与新生产线道路中，根底占比最多的是+156～+141 m工作面平台，高达11.71%；
根底占比最少的+126～+111 m工作面平台根底总孔长也达到了5.86%。根底数量多、钻孔长、占比大，不仅给施工造成困难，拖慢爆破掘进进度，也浪费了人力物力与财力。

2.3 大量根底产生的原因分析

从表2、表3可以看出，截至5月底，矿山共钻孔142 911 m，处理根底钻孔为15 461 m，平均占比为10.74%，其中5月份根底钻孔米数最多，达4950 m，3月份根底占比最大，为13.32%；
3月份+141～+126 m平台根底占当月平台总钻孔米数的15.27%。根据施工实际情况和各平台的地质情况，可以得出大量根底出现的原因有以下5点：

（1）爆破工作面推进方向的选取不合理。矿区因为受宕渣船运力不足的影响，使+141 m平台东西两侧堆积大量宕渣，影响了工作面的开拓，致使爆破推进方向只能由南向北。此时受矿岩走向、结构面以及节理、裂隙发育的影响，爆破时爆炸能量遇节理、裂隙产生泄露，造成根底[6]。在生产过程中也曾试过改变起爆顺序等措施来克服不利的地质条件，但效果并不明显。

（2）矿岩涌水。正常装药时，底部采用耦合装药，中上部采用不耦合装药。由于炮孔内的水无法排出，在水的浮力作用下，炮孔底部装药密实度不够，装药质量达不到要求[5]，形成根底。

（3）孔网参数不合理。原孔网参数为7.0 m×3.3 m。孔距布置过大，炮孔间距远大于最小抵抗线，相邻炮孔裂隙大，产生的爆炸裂隙难以贯通台阶底部，两孔间距超出爆破漏斗作用范围，也极易产生根底。

（4）超深不合理[7]。原施工方案超深取值为1.0 m，由于超深浅，底部装药量少，底部炸药能量不足以克服底盘的夹制作用，造成根底。超深过长，会使药柱中心高度下降，但增加填塞长度，孔口极易产生大块。

（5）底盘抵抗线过大[8]。原底盘抵抗线为4.02 m，爆破时炸药能量难以到达台阶根部，前排孔孔底产生根底，进而直接影响到后排孔甚至整个爆区产生大面积根底。

3.1 解决办法

为提高爆破作业效果、提高生产效率、降低矿山开采总成本，根据根底产生的原因提出了如下针对性的解决办法：

（1）改变爆破工作面的推进方向。在+141 m平台西侧宕渣出运完毕后，各个工作面的推进方向从自南向北，改为由西向东。由与岩石节理走向斜交，改为平行或近乎垂直[9]，如图2所示。爆破现场根据岩石走向，调整起爆方向，进而调整爆破自由面方向，以减少根底的产生。

图2 爆破方向与节理走向关系

（2）加强底部装药。针对炮孔内部存水的问题，前期也采取了吹水、抽水等措施，但因存在交叉作业且岩石裂隙过多，炮孔内的水并无明显减少。故在底部装药时，采取划破成品炸药包装袋的方式，进行吊装，尽量加大底部装药量，降低装药重心。

（3）选择合理的孔网参数。根据矿山爆破的孔径和装药直径，确定矿山爆破的合适孔网，90 mm药卷的最大推动距离约为直径的35倍[7]，将孔距调整为6.2 m，并根据岩石性质和爆后效果进行调整，排距不变。

（4）增大超深。在原有超深1 m的情况下，将超深增加0.5 m，即把超深提高到1.5 m。同时，含水岩层中的液体渗入炮孔，炮孔含水也会导致实际可用超深低于设计值，在解决炮孔内部水问题后，进一步增大超深，以充分保证超深实际值。

（5）严格控制底盘抵抗线。当底盘抵抗线过大时，应在台阶爆破前处理完毕或与台阶爆破一同处理（应先于台阶爆破起爆）。

3.2 实施效果

2021年6 月以后，根据根底改进措施实施爆破，并对根底情况进行了统计，统计结果见表4和表5。

表4 2021年6-7月处理根底钻孔与总钻孔的数量

表5 2021年6-7月各工作面处理根底钻孔长度

从表4和表5可以看出，6月总钻孔为42 896 m，其中处理根底钻孔为 2725 m，7月总钻孔为35 718 m，其中处理根底钻孔为2308 m，较4、5月降低约2000 m。除6月+141～+126 m平台因处理前期存在的根底钻孔占比较大外，各平台根底占比均大幅下降，而且7月+141～+126 m平台根底也由原来占每月根底总数的65%降至47%。

从措施实施前后爆破效果对比分析可知，6-7月较1-5月平均根底占比降低约40%，平均孔长增加了13%，炸药单耗降低10%，在改善爆破效果的同时，也降低了爆破成本，取得了良好的经济效益。

通过统计处理根底所需的钻孔，结合现场实施过程和各平台地质状况，分析得出了根底产生的原因，并提出了改正措施。后续实施中取得了显著的效果，项目总结可得到以下结论。

（1）爆破现场根据岩石走向，调整起爆方向，进而调整爆破自由面方向，减少了根底的产生。

（2）在底部装药时，采取划破成品炸药包装袋的方式进行吊装，加大了底部装药量，降低了装药重心。

（3）根据矿山爆破的孔径和装药直径，合理优化了孔网参数。

（4）重视超深参数对工程的影响，适当加大了超深；
同时严格控制底盘抵抗线，当底盘抵抗线过大时，在台阶爆破前处理完毕或先于台阶爆破起爆与台阶爆破一同处理。这些措施取得了较好的效果，平均根底占比降低约40%。