复杂环境下露天石灰石矿山高陡边坡的安全开采

霍 伟 姜 嵩 李 斌3

（1.山东省济宁市公安局治安警察支队；2.兖州中材建设有限公司）

孙家峁水泥矿山沟谷发育、沟壑纵横，矿体岩层的完整性及物理力学性能较好，节理略发育，岩层产状平缓稳定。矿区开采后，东、西部北端均形成直立陡坎，临边岩体破碎程度较高，岩体呈碎裂状。自然边坡下方设有矿石破碎系统设施、工业厂房、厂区主运输道路。西采区顶部临边与厂区道路水平距离不足50 m，高差达120 m。

矿山东、西2个采区临边区域属于高陡边坡开采，爆破环境复杂，滚石、飞石极易对周围设施造成破坏，矿山总体工程布局见图1。

1 高陡边坡分区安全开采方案

矿区高危边坡具体情况：岩层近水平层状，结理弱发育，临边多为超过60°的陡坡，部分位置为近90°的直立陡坎，少部分为45°左右。由于开采时的爆破震动和自然地形条件受限等因素，施工过程中原有的边坡危石会被松动，存在滚石的安全隐患，严重威胁采区和厂区的安全。

对于这些区域的开采，原则为合理利用机械设备（挖掘机、破碎锤等），适当减少爆破，在达到所需爆破效果的前提下，严格控制爆破参数，控制飞石产生，并对滚石进行防护［1-3］。对矿山环境复杂的高陡边坡区域分为几类典型工况，分别进行施工。

1.1 超过60°高陡边坡

东采区1 200～1 215 m边坡，该区域周边环境复杂，岩层为近水平的层状，结理弱发育，原始临边多为超过60°的陡坡，爆破区域周边50 m内有卸料平台和破碎机设备设施，见图2。

1.1.1 施工方案

针对临近边坡爆破区域，采用机械揭顶和逐孔起爆的技术方案，装药结构以及挖装时的技术要求如下［4-7］。

（1）为了降低爆破振动危害，采取单排爆破逐孔起爆的技术方案。

（2）为了防止爆破滚石以及创造新的钻爆平台，每次爆破后挖掘机对保留区域的顶部进行揭顶处理，降低台段高度，再进行钻孔和爆破工序。爆破后再次揭顶降低高度，如此循环进行，直至开采面到达设计高度。

（3）装药结构视具体情况而定，以不产生飞石、尽量减少或不产生边坡滚石为原则，主要采用间隔装药结构。

1.1.2 爆破参数设计及开挖步骤

底盘抵抗线计算公式为

式中，d为孔径，取140 mm；λ为装药系数，取0.7～0.8；m为炮孔密集系数，取1.2～1.3；Δ为装药密度，取1.0 t/m3；q为炸药单位消耗量，矿石为中硬岩石，炸药单耗取0.45 kg/m3。

计算得底盘抵抗线W=3.23 m，根据现场情况，取底盘抵抗线W=3.5 m。孔深根据边坡实际情况而定。

根据施工方案进行爆破参数设计和开挖步骤如下。

（1）第一次爆破，孔深为15 m，孔距为5.5 m，前排抵抗线为3.5 m，炮孔布置及装药结构如图3所示。平台爆破完成后针对原始边坡面采用挖掘机进行揭顶处理。

（2）揭顶后，第二次爆破孔深为12.2 m，孔距为5.5 m，抵抗线为3.3 m，炮孔布置及装药结构如图4所示。同样，在第二次平台爆破完成后，针对原始边坡面采用挖掘机进行揭顶处理。

（3）再揭顶后，第三次爆破孔深为9 m，孔距为5 m，抵抗线为3.2 m，炮孔布置及装药结构如图5所示。在第三次平台爆破完成后对原始边坡面采用挖掘机进行揭顶处理。

（4）揭顶后，第四次爆破平台高度为5.2 m，孔深为6.1 m，孔距为4.5 m，抵抗线为3.2 m，装药结构如图6所示。

（5）经过4次爆破开挖后，采用挖掘机配合破碎锤处理全部原始边坡。

经过对东采区1 200～1 215 m台段的开采总结，东采区1 170～1 200 m降段时的所有临边开采采取类似参数，特殊条件下作适当调整。

1.2 45°较缓边坡

如图7所示为西采区1 228 m上部剥离区域，该爆破区域的特点主要是原始边坡较缓，边坡50 m内有重要的生产设施煤堆棚。考虑到煤堆棚内的设施和结构（煤堆棚内的布煤机为架空安装，底部只有煤和混凝土支柱），以及此区域原始边坡坡度较缓，对此部分的爆破和挖装进行一次处理。该区域为原始地貌，炮孔装药结构和爆破参数设计要点如下。

（1）此区域采取2排布孔，合理控制前排抵抗线，取3.5 m。

（2）第二排是临近边坡的最终一排布孔，保证爆破时的自由面方向与堆煤棚方向相反。

（3）第二排炮孔的装药结构参数与东采区1 200～1 215 m区域边坡类似，逐步向最终边坡推进，降低台段高度，最终全部开采到1 228 m平台，完成本区域的开采。

1.3 直立边坡区域

如图8所示为直立边坡区域，坡度近似直立，岩体破碎。为防止爆破飞石对临近厂区的安全影响，此类区域的爆破施工方案采用逐步降低段高爆破，临边区域采用松动爆破，后用挖掘机对松动矿石进行回收，防止安全隐患。

爆破孔网布置如图9所示，1、2、3号孔为靠近临边的3个孔，孔深6.8 m。其余眼孔为正常深度眼孔，孔深6.5 m，所有炮孔孔径均为140 mm，其余各项参数如图中所示。A箭头所示方向为主爆破方向，B箭头所示为1、2、3号孔的爆破方向。

爆破后排险，相关位置（主要是厂区的主运输道路上）安排警戒人员做好警戒，挖掘机沿矿堆行进至合适位置，由专人辅助观察并指挥作业，对临边3个孔所震松的矿石进行回收，防止矿石滚落造成安全隐患。实施上述爆破方案后，临边位置形成一个高约9 m，宽约7 m的小台段，如图10所示。

铲装时在适当位置保留适量矿石，修筑进出该台段顶部的钻机道路，方便进行钻孔、爆破、排险降段，循环进行，直至将此台段开采完毕。

在每一次降段时，因地形条件、岩石结构等因素并不完全相同，所有方案均遵循同一个原则：在达到安全预期的前提下，尽量采取松动爆破，然后利用挖机进行排险降段，直至降到下一平台［8-9］。

2 爆破飞石安全校核

结合工程实践经验，爆破飞石距离可由式（2）计算［9］。

式中，R f为爆破产生个别飞石距离，m；Kτ为与爆破方式、填塞长度、地质和地形条件有关的系数，取1.0～1.5；q为炸药单耗，kg/m3；D为炮孔直径，mm。

计算得到爆破产生个别飞石的距离为94.5 m，以此为依据对破碎站、工业厂房和运输道路等进行飞石的安全防护。

3 施工安全措施

3.1 爆破飞石控制

3.1.1 优化爆破方案

根据爆破要求和自由面情况，结合被爆岩体力学性质和岩层结构特点，合理布置药包，确定合理的装药结构以及严格控制装药量，采用逐孔起爆技术。

在复杂环境的临边开采中，多次采用了分段间隔不耦合装药技术［10-11］，既保证了安全，也达到了相对较好的爆破效果。此方法在临边炮孔的爆破中得到了很好的效果，下面对此方法做进一步的详细说明。

图11为临近矿石加工区域的爆区，A点为其中一个眼孔位置，顶部离边坡3.5 m，底盘离边坡4.5 m，孔深6.0 m（A孔前排孔深6.8 m），孔径140 mm，间排距5 m×3 m，排数为3排。采用的装药结构为底部50 cm耦合装药，间隔2 m，顶部30 cm耦合装药。该方法爆破后岩石松动效果良好，不仅有效地控制了爆破飞石，而且边坡落石很少，提高了后续铲装效率。实践证明，分段间隔不耦合装药在此类周边环境复杂的高陡边坡中合理使用，是一种有效的安全开采控制方法。

3.1.2 主动防护

采用竖直孔爆破时，爆区表面采用炮被覆盖措施，单块炮被规格为1.6 m×1.6 m，质量为75 kg（图12），多块炮被用铁丝紧固在一起，形成一整张炮被［10］。

3.2 安全防控措施

在东采区运输道路外侧与卸料平台和破碎设备之间安装SNS被动防护网，钢丝绳直径10 mm，网孔参数为200 mm×200 mm，防护网高度为5 m。

在1 228 m水平上部爆破开采区域与煤堆棚之间设置防护沟，缓冲爆破滚石的冲击，同时在防护沟和煤堆棚之间安装SNS被动防护网，钢丝绳直径10 mm，网孔参数为200 mm×200 mm，防护网高度为5 m。

4 结语

（1）针对各种复杂爆破环境和临边高危区域的安全开采问题，分区分类制定详细的爆破施工工艺和精细化施工方案。

（2）进行了爆破飞石安全校核，结果表明破碎站、工业厂房和运输等需要进行飞石的安全防护。

（3）针对爆破飞石控制和安全防护，选择了逐孔起爆爆破方案、分段间隔不耦合装药措施、钢丝胎炮被主动防护和安装SNS被动防护网。